RU2780090C1 - Electric aircraft - Google Patents

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: invention relates to the field of aviation, in particular to the designs of rotary-wing aircraft. The electric aircraft contains a fuselage, in the upper part of which two aircraft wings are located. As a power plant, two coaxial annular electric motors are used, which are attached to the basic fuselage structure with the possibility of circular inclination to the required angle relative to the vertical axis of the vehicle. The motor rotors rotate in opposite directions. Ring-shaped motors can also be used as a DC generator when transferring the device to the hover mode using atmospheric ascending air flows or dynamic flows arising under the action of the wind. Attached to the rotors of the motors are propeller blades, which are made with a large disk ratio.

EFFECT: increase in the total duration of the flight and an increase in flight safety are provided.

4 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к конструкциям летательных аппаратов вертикального взлета и посадки. Технический результат заключается в увеличении общей продолжительности полета и в повышении эксплуатационных качеств аппарата в части повышения безопасности полета и упрощению системы управления аппаратом.The invention relates to the field of aviation technology, in particular to the structures of vertical takeoff and landing aircraft. The technical result consists in increasing the total duration of the flight and in improving the performance of the device in terms of improving flight safety and simplifying the control system of the device.

В последнее время в мировой авиационной промышленности наблюдается тенденция на использование в летательных аппаратах в качестве силовой установки электрических двигателей. Использование электромоторов не наносит вред экологии и существенно удешевляет эксплуатацию таких летательных аппаратов. При этом электрические вертолеты лишены одного из главных недостатков своих обычных собратьев - относительно долгой предвзлетной подготовки, запуска двигателя и раскрутки винтов перед взлетом.Recently, in the global aviation industry, there has been a trend towards the use of electric motors in aircraft as a power plant. The use of electric motors does not harm the environment and significantly reduces the cost of operating such aircraft. At the same time, electric helicopters are deprived of one of the main drawbacks of their conventional counterparts - a relatively long pre-takeoff preparation, engine start and propeller spinning before takeoff.

Из уровня техники известен электрический вертолет японской компании Hirobo (http://gearmix.ru/archives/23668).The prior art electric helicopter of the Japanese company Hirobo (http://gearmix.ru/archives/23668).

Вертолет использует соосную схему расположения лопастей. Электрический мотор расположен внутри кабины вертолета. К недостаткам вертолета относятся ограниченное время полета, ограниченное внутреннее пространство за счет размещения силовой установки в кабине вертолета и сложность системы управления.The helicopter uses a coaxial blade arrangement. The electric motor is located inside the cockpit of the helicopter. The disadvantages of the helicopter include limited flight time, limited internal space due to the placement of the power plant in the cockpit and the complexity of the control system.

Прототипом заявляемого изобретения является вертолет на электрической тяге (патент РФ №2752431, В64С 27/04, дата публикации 28.07.2021), содержащий каркас, винтомоторную установку в виде двух соосных электрических моторов, которая крепится к базовой конструкции с возможностью кругового наклона на требуемый угол относительно вертикальной оси вертолета.The prototype of the claimed invention is an electric-powered helicopter (RF patent No. 2752431, V64C 27/04, publication date 07/28/2021), containing a frame, a propeller installation in the form of two coaxial electric motors, which is attached to the base structure with the possibility of a circular inclination to the required angle relative to the vertical axis of the helicopter.

По сравнению с заявляемым изобретением прототип имеет следующий недостаток - ограниченная продолжительность полета. Compared with the claimed invention, the prototype has the following disadvantage - the limited duration of the flight.

Основными преимуществами заявляемого изобретения являются увеличение общей продолжительности полета и повышение безопасности полета аппарата. Эти преимущества достигаются за счет следующих конструктивных особенностей аппарата:The main advantages of the claimed invention are an increase in the total duration of the flight and an increase in the safety of the flight of the apparatus. These advantages are achieved due to the following design features of the apparatus:

1. Наличие самолетных крыльев. При полете аппарата вперед на крыльях возникает дополнительная аэродинамическая подъемная сила, способствующая увеличению общей продолжительности полета аппарата. Наличие самолетных крыльев обеспечивает также безопасную аварийную посадку аппарата в случае полного отказа моторов силовой установки.1. The presence of aircraft wings. During the flight of the apparatus forward on the wings, an additional aerodynamic lift force arises, which contributes to an increase in the total duration of the flight of the apparatus. The presence of aircraft wings also provides a safe emergency landing of the device in the event of a complete failure of the engines of the power plant.

2. Возможность использования электрических моторов не только в качестве силовой установки для осуществления полета и управления летательным аппаратом, но и в качестве генераторов электрического тока для подзарядки аккумуляторных батарей аппарата при переводе аппарата в режим парения с использованием атмосферных восходящих воздушных потоков или динамических потоков, возникающих под действием ветра.2. The possibility of using electric motors not only as a power plant for flight and control of the aircraft, but also as electric current generators for recharging the batteries of the device when the device is put into hover mode using atmospheric ascending air flows or dynamic flows arising under the action of the wind.

3. Возможность использования лопастей с большим дисковым отношением по подобию лопастей вентиляторного типа или лопастей гребного винта. Лопасти подобного типа обеспечивают более высокое тяговое усилие по сравнению с классическими вертолетными лопастями. Использование лопастей описанного типа обеспечивает также безопасную аварийную посадку аппарата в режиме авторотации.3. Possibility of using blades with a large disk ratio similar to fan-type blades or propeller blades. Blades of this type provide a higher tractive effort compared to classic helicopter blades. The use of blades of the described type also provides a safe emergency landing of the vehicle in autorotation mode.

Обобщенно технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении эксплуатационных качеств аппарата благодаря увеличению общей продолжительности полета, повышению безопасности и упрощению системы управления вертолетом.In general, the technical result of the claimed invention is to improve the performance of the device due to the increase in the total duration of the flight, improve safety and simplify the control system of the helicopter.

Заявляемый электрической летательный аппарат иллюстрируется чертежами, представленными на фиг.1- 4.The inventive electric aircraft is illustrated by the drawings shown in Fig.1-4.

Фиг. 1 - общий схематический вид летательного аппаратаFig. 1 - general schematic view of the aircraft

Фиг. 2 - варианты кольцевидного мотора в упрощенном виде.Fig. 2 - versions of the annular motor in a simplified form.

Фиг. 3-общий вид летательного аппарата с широколопастным винтом.Fig. 3-general view of an aircraft with a wide-bladed propeller.

Фиг. 4 - режимы полета вертолета.Fig. 4 - helicopter flight modes.

Летательный аппарат на электрической тяге конструктивно представляет собой гибрид летательного аппарата вертикального взлета и посадки и самолета. Общий схематический вид летательного аппарата показан на фиг.1.An electric-powered aircraft is structurally a hybrid of a vertical take-off and landing aircraft and an aircraft. General schematic view of the aircraft is shown in Fig.1.

Как видно из рисунка фюзеляж 1 летательного аппарата имеет сферическую форму, в верхней части которого размещены два самолетных крыла 2. В силовой установке аппарата используются кольцевидные электрические моторы 3 с внешним расположением ротора, расположенных соосно друг под другом. Для компенсации реактивного момента роторы моторов вращаются в противоположных направлениях. Силовая установка крепится к базовой конструкции с возможностью кругового наклона на требуемый угол относительно вертикальной оси аппарата. К роторам моторов прикреплены лопасти аппарата 4. На рисунке для простоты восприятия показаны упрощенные изображения лопастей без детализации в части формы лопастей, их профиля и количества.As can be seen from the figure, the fuselage 1 of the aircraft has a spherical shape, in the upper part of which two aircraft wings 2 are located. In the power plant of the aircraft, ring-shaped electric motors 3 with an external rotor arrangement are used, located coaxially under each other. To compensate for the reactive torque, the rotors of the motors rotate in opposite directions. The power plant is attached to the base structure with the possibility of circular inclination to the required angle relative to the vertical axis of the apparatus. The blades of apparatus 4 are attached to the rotors of the motors. For ease of perception, the figure shows simplified images of the blades without detailing in terms of the shape of the blades, their profile and number.

Конструктивная особенность кольцевидного мотора позволяет выполнить оригинальное нестандартное размещение и крепления мотора относительно фюзеляжа летательного аппарата.The design feature of the annular motor allows for the original non-standard placement and fastening of the motor relative to the fuselage of the aircraft.

На фиг.2 представлены два варианта кольцевидного мотора в упрощенном виде. Как видно из рисунка статор 5 и ротор 6 мотора имеют кольцевидную форму. Первый вариант представляет мотор с внешним расположением ротора 6, второй вариант - с внутренним расположением ротора 6. Более подробно описание кольцевидного мотора изложено в материалах изобретения, имеющего патент РФ №2752431, Н02К 31/00, дата публикации 28.07.2021. В заявляемом летательном аппарате используются два соосно размещенных кольцевидных мотора с внешним расположением ротора. В этом случае становится возможным часть корпуса вертолета или весь корпус целиком разместить в свободной внутренней центральной области кольцевидных моторов. Таким образом кольцевидные моторы будут опоясывать корпус вертолета снаружи. Возможен вариант крепления моторов, при котором та часть фюзеляжа базовой конструкции аппарата, которая размещается во внутренней центральной части кольцевидных моторов, выполнена в форме шарового пояса. В этом случае, моторы и часть фюзеляжа будут иметь общий центр по типу шарового шарнирного соединения, с возможностью кругового наклона плоскости моторов на требуемый угол относительно общего центра. Описанный вариант размещения моторов для заявленного летательного аппарата наглядно продемонстрирован на фиг.1.Figure 2 shows two versions of the annular motor in a simplified form. As can be seen from the figure, the stator 5 and the rotor 6 of the motor have an annular shape. The first option represents a motor with an external location of the rotor 6, the second option - with an internal location of the rotor 6. A more detailed description of the annular motor is set out in the materials of the invention, which has a patent of the Russian Federation No. 2752431, H02K 31/00, publication date 07.28. The inventive aircraft uses two coaxially placed annular motors with an external rotor. In this case, it becomes possible to place a part of the helicopter body or the entire body in the free inner central region of the annular motors. Thus, ring-shaped motors will encircle the body of the helicopter from the outside. It is possible to mount the motors, in which that part of the fuselage of the basic design of the device, which is located in the inner central part of the annular motors, is made in the form of a ball belt. In this case, the motors and part of the fuselage will have a common center in the form of a ball-and-socket joint, with the possibility of a circular inclination of the plane of the motors to the required angle relative to the common center. The described option for the placement of motors for the claimed aircraft is clearly demonstrated in Fig.1.

Конструктивная особенность кольцевидных моторов предоставляет также преимущества в части применения лопастей по форме, профилю и размерам, отличающихся от классических лопастей вертолетного типа. Большой внешний диаметр ротора позволяет применять лопасти с высоким дисковым отношением по подобию лопастей вентиляторного типа или лопастей гребного винта. На фиг.3 представлен вид сверху двух летательных аппаратов, отличающихся друг от друга использованием широколопастных лопастей разного профиля и количества. Для простоты восприятия на рисунке показаны лопасти только одной винтомоторной группы без лопастей второго соосного мотора. Дисковое отношение зависит от количества и формы лопастей и является одной из основных характеристик винта. Высокое дисковое отношение способствует эффективному использованию естественных воздушных потоков при переводе аппарата в режим парения, а также обеспечивает возможность безопасного приземление аппарата в режиме авторотации в случае отказа моторов. Использование кольцевидных моторов позволяет в широких пределах варьировать типы используемых лопастей, отличающихся размерами, шагом, профилем и количеством лопастей.The design feature of annular motors also provides advantages in terms of the use of blades in shape, profile and dimensions that differ from the classic helicopter-type blades. The large outer diameter of the rotor allows the use of blades with a high disk ratio similar to fan blades or propeller blades. Figure 3 shows a top view of two aircraft, differing from each other in the use of wide-bladed blades of different profiles and numbers. For ease of perception, the figure shows the blades of only one propeller group without the blades of the second coaxial motor. The disk ratio depends on the number and shape of the blades and is one of the main characteristics of the propeller. The high disk ratio contributes to the efficient use of natural air currents when transferring the device to hover mode, and also provides the possibility of a safe landing of the device in autorotation mode in case of motor failure. The use of annular motors makes it possible to vary widely the types of blades used, which differ in size, pitch, profile and number of blades.

Одной из основных конструктивных особенностей заявляемого изобретения наряду с наличием самолетных крыльев и лопастей вентиляторного типа, является использование кольцевидного электрического мотора как в качестве силового двигателя для осуществления полета и управления летательным аппаратом, так и в качестве генератора электрического тока при переводе аппарата в режим парения с использованием атмосферных восходящих воздушных потоков или динамических потоков, возникающих под действием ветра. На фиг.4 показаны два основных режима полета вертолета. В режиме штатного нормального полета а) оба мотора 3 работают как силовые двигатели, причем роторы моторов вращаются в противоположных направлениях. Возникает подъемная сила. Воздушный поток поступает на плоскость вращения лопастей 4 сверху.One of the main design features of the claimed invention, along with the presence of aircraft wings and fan-type blades, is the use of an annular electric motor both as a power engine for flight and control of the aircraft, and as an electric current generator when transferring the device to hover mode using atmospheric updrafts or dynamic currents driven by wind. Figure 4 shows two main modes of helicopter flight. In the regular normal flight mode a) both motors 3 operate as power motors, and the rotors of the motors rotate in opposite directions. There is a lifting force. The air flow enters the plane of rotation of the blades 4 from above.

При выключении двигателя (или его отказе) вертолет начинает снижаться, и воздушный поток попадает на плоскость лопастей 4 уже снизу. Возникает сильное давление на лопасти 4 вертолета, что заставляет их вращаться в ту же сторону, что и при работающем двигателе, и одновременно на лопастях возникают аэродинамические силы, которые сильно замедляют вертикальное снижение вертолета. В технической литературе такой режим полета называется авторотацией, в заявке этот режим условно назван парением б). Парение или зависание вертолета в воздухе возможно при сильных атмосферных восходящих воздушных потоках или динамических потоках, возникающих под действием ветра. Кроме этого на способность парения или зависания заявляемого аппарата влияет размер ометаемой площади лопастей и величина дискового отношения воздушного винта. В режиме парения б) оба электрических мотора 3 работают в качестве генератора электрического тока.When the engine is turned off (or it fails), the helicopter begins to descend, and the air flow hits the plane of the blades 4 already from below. There is a strong pressure on the blades 4 of the helicopter, which makes them rotate in the same direction as when the engine is running, and at the same time, aerodynamic forces arise on the blades, which greatly slow down the vertical descent of the helicopter. In the technical literature, such a flight mode is called autorotation, in the application this mode is conditionally called hover b). Helicopter hovering or hovering in the air is possible with strong atmospheric ascending air currents or dynamic currents arising under the influence of wind. In addition, the size of the swept area of the blades and the value of the disk ratio of the propeller affect the ability to hover or hover of the proposed apparatus. In hover mode b) both electric motors 3 operate as an electric current generator.

Таким образом, техническим результатом заявляемого изобретения является повышение эксплуатационных качеств аппарата благодаря увеличению общей продолжительности полета, повышению безопасности полета и упрощению системы управления.Thus, the technical result of the claimed invention is to improve the performance of the device due to the increase in the total duration of the flight, improve flight safety and simplify the control system.

Claims (4)

1. Электрический летательный аппарат, характеризующийся тем, что представляет собой гибрид вертолета и самолета, у которого в верхней части фюзеляжа расположены самолетные крылья, причем часть фюзеляжа размещается во внутренней свободной центральной области двух соосно расположенных электрических кольцевидных моторов с внешним расположением ротора, которые используются как в качестве силовой установки для осуществления полета и управления летательным аппаратом, так и в качестве генератора постоянного тока при переводе аппарата в режим парения с использованием атмосферных восходящих воздушных потоков или динамических ветряных потоков, при этом к роторам моторов прикреплены лопасти аппарата, которые конструктивно могут быть выполнены по подобию лопастей вентиляторного типа или лопастей гребного винта с большим дисковым отношением.1. An electric aircraft, characterized in that it is a hybrid of a helicopter and an aircraft, in which aircraft wings are located in the upper part of the fuselage, and part of the fuselage is located in the inner free central region of two coaxially located electric annular motors with an external rotor, which are used as as a power plant for flight and control of the aircraft, and as a DC generator when the device is switched to hover mode using atmospheric ascending air flows or dynamic wind flows, while the rotors of the motors are attached to the blades of the device, which can be structurally made similar to fan-type blades or propeller blades with a large disk ratio. 2. Электрический летательный аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что роторы моторов вращаются в противоположных направлениях2. Electric aircraft according to claim 1, characterized in that the rotors of the motors rotate in opposite directions 3. Электрический летательный аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что силовая установка крепится к базовой конструкции фюзеляжа с возможностью кругового наклона на требуемый угол относительно вертикальной оси аппарата,3. Electric aircraft according to claim 1, characterized in that the power plant is attached to the basic fuselage structure with the possibility of circular inclination to the required angle relative to the vertical axis of the device, 4. Электрический летательный аппарат по п. 3, характеризующийся тем, что в качестве одного из вариантов крепления часть фюзеляжа базовой конструкции аппарата выполнена в форме шарового пояса и размещается во внутренней центральной области кольцевидных моторов таким образом, чтобы моторы и часть фюзеляжа имели бы общий центр по типу шарового шарнирного соединения с возможностью кругового наклона плоскости моторов на требуемый угол относительно общего центра.4. An electric aircraft according to claim 3, characterized in that, as one of the mounting options, a part of the fuselage of the basic design of the device is made in the form of a ball belt and is placed in the inner central region of the annular motors so that the motors and the fuselage part would have a common center according to the type of spherical joint with the possibility of a circular inclination of the plane of the motors to the required angle relative to the common center.

Images