Літаючий автомобіль-амфібія

Реферат: Винахід належить до транспортних засобів і може використовуватись для малотоннажних та локальних перевезень, забезпечення оперативної доставки екстрених служб, зокрема працівників органів правопорядку, медичної допомоги, надзвичайних ситуацій, а також в умовах відсутності чи перевантаженості традиційних шляхів сполучення. Суть винаходу полягає у використанні як рушія відцентрових компресорів, оригінальної схеми компонування транспортного засобу, ефективних засобів керування повітряними потоками. У запропонованій конструкції автомобіля-амфібії відсутні зовнішні рухомі частини, що усуває один із фізичних факторів небезпеки використання гвинтокрилів, суттєво знижує вимоги до посадочних площадок та дозволяє впритул наближатись до вертикальних стін. Високі експлуатаційні характеристики апарата створюють прецедент зміни парадигми у сфері транспортних перевезень. UA 99242 C2 (12) UA 99242 C2 UA 99242 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Винахід належить до транспортних засобів і може використовуватись для переміщення пасажирів та вантажів, проведення спостереження та забезпечення роботи екстрених служб, наприклад, для евакуації людей з висотних будівель при пожежах чи для проведення оперативних дій працівників правопорядку. З точки зору формування підйомної сили за аналог вибраний літальний апарат дископодібного типу [1], функціонування якого базується на ефекті Коанда, тобто здатності потоку повітря безвідривно огинати криволінійну поверхню, що внаслідок в'язкої течії зумовлює формування області розрідження. Деякі елементи компоновки літаючого автомобіля, зокрема розміщення двигуна та повітряного рушія в передній частині кузова, аналогічні до [2]. Найбільш близьким до заявленого пристрою є транспортний засіб [3], який вибраний за прототип. В ньому здатність здійснювати вертикальний зліт та горизонтальний політ досягається за рахунок формування потоку через систему пластин, виконаних у вигляді аеродинамічного профілю та розміщених у верхній частині апарата. При вертикальному злітанні частина повітряного потоку від блока вентилятора подається в передню частину кузова, чим досягається деяке збільшення сумарної підйомної сили. В цілому компоновка цього засобу розміщення блока вентиляторів за транспортним відсіком, необхідність проведення рециркуляції потоку, наявність багатоярусної системи потокоформуючих елементів у забірній області вентиляторів, зумовлює високі газодинамічні втрати та ускладнює керування, що вкрай негативно позначається на експлуатаційних показниках. Спільними ознаками заявленого літаючого автомобіля і прототипу є наявність джерела швидкісного потоку, використання пластин, виконаних у вигляді аеродинамічного профілю, взаємодії вимушеного потоку з верхньою частиною кузова автомобіля. В основу винаходу "Літаючий автомобіль-амфібія" поставлені задачі: - спрощення аеродинамічної схеми; - забезпечення простоти переходу з режиму наземного транспорту в режими зльоту та горизонтального польоту; - підвищення просторової стабільності апарата при зміні режимів зльоту та горизонтального польоту; - спрощення конструкції та мінімізації маси транспортного засобу; - розширення області застосування; - підвищення експлуатаційної ефективності. Поставлені задачі та усунення недоліків прототипу вирішуються за рахунок компоновки і таких конструктивних рішень, як використання як джерела вимушеного потоку відцентрових компресорів (турбін) та розміщення їх в передній частині автомобіля під кутом 15…60° до площини колісної бази (горизонталі), застосування крил зменшеного розміру, які за рахунок шарнірного з'єднання можуть складатись на дах кузова, елементів керування векторами потоків забірного та вихлопного тракту компресорів. Так, заміна турбіни вентиляторного типу (повітряного гвинта) відцентровим компресором доцільна по декількох причинах. По-перше, у такому компресорі вихід потоку лежить у перпендикулярній площині до осі вхідного отвору компресора, що надає їм добрих компонувальних властивостей при розміщенні рушія у носовій частині судна. По-друге, дозволяє установку компресора під кутом, оптимальна величина якого складає 35…45°, що дозволяє підвищити аеродинамічну ефективність транспортного засобу як на режимі зльоту, так і на режимі горизонтального польоту, оскільки найбільша підйомна сила і мінімальна горизонтальна тяга від ефекту Коанда та всмоктування повітря компресорами досягається при задиранні носової частини автомобіля на кут 10-15°, який є оптимальним при мінімальних швидкостях горизонтального польоту. Максимальна швидкість польоту досягається при зменшенні нахилу автомобіля до 0-5°, у цьому випадку швидкість набігаючого потоку атмосфери складається з вимушеним потоком від компресора, що забезпечує наявність підйомної сили достатнього рівня, а тягове зусилля при цьому набуває свого максимального значення. По-третє, використання відцентрового компресора як повітряного рушія усуває потребу в складній системі направляючих пластин, яка у прототипі суттєво збільшує габарити і масу, та зумовлює значні газодинамічні втрати. Слід вказати на стійке уявлення розробників літаючих суден, що відцентровий компресор має нижчу ефективність у порівнянні з повітряним гвинтом. Це хибне уявлення, оскільки ККД кращих гвинтів не перевищує 0,9, а для відцентрових компресорів високої об'ємної продуктивності даний показник легко забезпечити у межах 0,85-0,95. Не менш важливою є здатність таких компресорів працювати при суттєво більших кутових швидкостях, що дозволяє відмовитись від редуктора та в декілька разів зменшити габаритні та масові характеристики повітряного рушія. 1 UA 99242 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Перевагу у використанні інших рішень доцільно представити у ході висвітлення принципів функціонування літаючого автомобіля-амфібії. Даний опис ґрунтується на розгляді схеми компоновки, яка наведена на кресленні. У відповідності до схеми два відцентрові компресори 1 розміщені у носовій частині автомобіля та суміщені з моторним відсіком, що надає ряд переваг. По-перше, забезпечує зручність передачі обертового моменту на передні колеса та дозволяє використовувати типові рішення для передньопривідних автомобілів. По-друге, покращує балансування апарата, що зумовлено прикладанням підйомної сили в області всмоктування повітря турбокомпресором на рівні 0,25…0,3 від загальної тяги в місці зосередження значної маси силових агрегатів. З вихлопного патрубка компресорів 2 потік повітря 3 спрямовується під кутом 35-45° до горизонталі, який формується за рахунок взаємодії потоку з елементами корпусу 4 - склом та передньою частиною даху, і повітрям атмосфери, яке фактично притискує потік до твердої поверхні. Швидкість потоку Vп значна і становить 50-150 м/с, що дозволяє сформувати на верхній частині кузова зону розрідження з тиском 0,97-0,98 від атмосферного Ратм. Утворений перепад тиску зумовлює отримання підйомної сили, достатньої по величині для здійснення вертикального зльоту навіть при омиванні потоком лише верхньої поверхні кузова (без крил). Так, маса легкового автомобіля становить 800 кг, а його ефективна площа при ширині В=1,8 м 2 та довжині L=4 m становить Sефект =kB*L=5,4 м , де k=0,7-0,8 - коефіцієнт використання площі, який враховує наявність індукційних потоків атмосферного повітря. Вже при швидкості витоку повітря з компресора у 100 м/с підйомна сила становить: 2 Fп = 0,5*  *(Vп / kінж) * Seфкт + Fцк + Fp=6,694+1,6+1,56  9,8 κΗ, (1) 2 де: питома вага повітря =1,2 кг/м ; kінж - приведений коефіцієнт інжекції, який для напівзатоплених потоків становить 1,8-2,5; Fцк - підйомна сила викликана розрідженням в зоні 2 вхідного патрубка компресора Fцк = pв*SB=2 кПа*0,8 м , де рв та Sв - перепад тису та приведена площа в зоні дії вхідного потоку компресора; F цк - підйомна сила аеродинамічної пластини 8 (руль тангажу), при швидкості набігаючого потоку на пластину \/П8 = 40 м/с, ширині пластини ВП8 = 0,6 м та коефіцієнті підйомної сили профілю kу = 1,5: 2 2 Fp = kу *0,5*  *Vп8 * Sп8=1,5*0,5*1,2*40 *0,6*1,8=1,56 κΗ, Незважаючи на те, що приведені розрахунки демонструють достатність підйомної сили лише за рахунок взаємодії вимушеного потоку з верхньою частиною кузова та однією аеродинамічною пластиною, доцільним є установити на літаючому автомобілі бокові крила зменшеного розміру 6 (див. фіг. 1). Для забезпечення можливості їм компактно складатися на даху автомобіля необхідно, щоб довжина Lк була менша за половину ширини автомобіля (для наведеного прикладу Lk=0,8 м), що при ширині 1,6…1,8 м дозволяє збільшити ефективну несучу 2 площу в межах 2,5-2,8 м . Такий приріст площі дозволяє здійснити відрив автомобіля від поверхні при швидкостях потоку Vп менше за 75 м/с, яка є прийнятною для умов практичного застосування. Наявність шарнірних підвісів 5 забезпечує простоту складання крил, дозволяє проводити поперечне балансування автомобіля в режимі літака за рахунок здійснення негативних нахилів А крил, а керування креном за рахунок нахилу на кут С елеронів 7. Введення елеронів у конструкцію є не обов'язковим, але таке рішення виправдане спрощенням механізму конверсії режимів та зменшенням моменту інерції елементів керування, що повинно покращити динамічні характеристики апарата. В цілому слід очікувати можливості керування креном за рахунок зміни напрямку вихідного потоку компресора на кут в межах ±15° до основного напрямку вихлопу. Підвищення аеродинамічної ефективності можна досягти шляхом використання направляючого апарата у вхідному тракті відцентрового компресора. Зміна результуючого вектора вхідного потоку в діапазоні ±20° по відношенню до осі обертання ротора компресора мінімізує індукційні потоки між входом та виходом компресора, збільшує тягове зусилля на режимі польоту і підйомну силу при вертикальному зльоті автомобіля. З метою розширення функціональності літаючого автомобіля передбачається можливість оснащення його еластичними повітряними поплавками, які слід розміщувати у донній частині кузова, що у випадку накачування їх повітрям дозволить активізувати судноплавний режим. Рух по воді буде здійснюватись за рахунок тяги від реактивної сили та ефекту Коанда. Зміщення результуючого вектора сил в бік горизонтальної тяги досягається шляхом повороту аеродинамічної пластини 8 в діапазон негативних кутів атаки. Значні гідравлічні втрати при пересуванні на воді робить даний режим енергетично невигідним, однак можливість приводнення та забезпечення руху по воді є дуже цінною при проведенні рятувальних операцій на водоймах. Перевірка працездатності літаючого автомобіля, що заявляється, проводилась також шляхом моделювання в пакетах газодинамічного аналізу. Відмінність показників тяги та 2 UA 99242 C2 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 підйомної сили отриманих шляхом газодинамічного моделювання та спрощеного розрахунку по залежності (1) не перебільшувала 12 % в діапазоні швидкості вимушеного потоку 50-150 м. Газодинамічне моделювання показало, що: - рівень гідравлічних втрат на тертя об несучу поверхню не перебільшує 20 % потужності при початковій швидкості потоку аж до 150 м/с, що є прийнятним з точки зору енергетичної ефективності рушія та суміщення формування тягового зусилля та підйомної сили в одному конструктиві; - можливість здійснення керування положенням результуючого вектора підйомної сили в межах 20…30 % характерних розмірів несучої поверхні шляхом зміни направленості вихідного потоку та кутом атаки аеродинамічних пластин, що надає високої керованості літальному апарату як в режимі зльоту, так і при горизонтальному польоті. Запропонований винахід "Літаючий автомобіль-амфібія" відносно існуючих транспортних засобів має такі переваги, перспективи та напрямки використання: 1. Можливість необмеженого переміщення транспортних засобів не тільки у горизонтальній, а й у вертикальних площинах із задовільними показниками швидкості, протяжності, надійності зумовлює отримання нових транспортних коридорів та надає перспективи розвантаження життєвого простору. 2. Оперативність зміни режимів функціонування надає можливість оптимального комбінування способу переміщення шляхом використання переваг як повітряного, так і наземного сполучення. 3. Найбільшу перевагу слід очікувати при вирішенні транспортних задач малотоннажних, локальних перевезень, забезпечення оперативної доставки екстрених служб, зокрема працівників органів правопорядку, медичної допомоги, надзвичайних ситуацій, в умовах відсутності чи перевантаженості традиційних шляхів сполучення. 4. Відсутність зовнішніх рухомих частин усуває один із фізичних факторів небезпеки використання гелікоптерів, що суттєво знижує вимоги до посадочних площадок. 5. Перевага п. 4 водночас з наявністю у верхній частині транспортного засобу зони розрідження дозволяє впритул наближуватись до вертикальних стін будівель. Більше того, наявність стіни створює ефект екранування потоку, що зумовлює "прилипання" засобу до неї з таким зусиллям, що відривання можливе лише шляхом суттєвого зміщення вектора підйомної сили. Така властивість забезпечує можливість проводити рятувальні операції у випадку пожеж чи інших надзвичайних операцій у багатоповерхових будівлях та здійснювати проведення оперативних дій працівниками органів правопорядку. 6. Відкритість верхньої поверхні корпусу надає легкості та надійності використання аварійних засобів зниження (парашутів), що підвищує безпеку польотів. Зазначені вагомі переваги та широкі перспективи використання даного винаходу створюють прецедент зміни парадигми у сфері транспортних перевезень, дозволяють досягти високої оперативності доставкилюдей та вантажів, знизити вартість транспортних послуг. Список використаних джерел: 1. Henri Coanda PROPELLING DEVICE, patent US 2,108,652, Feb. 15, 1938. 2. Einar Einarsson FLYING CAR, patent US 3,090,581, May 21, 1963. 3. Bradford T. Sorensen ROADABLE AIRCRAFT BOAT THAT FLIES IN A WIND OF ITS OWN MAKING, patent US 2002/0139894 A1, Oct. 3, 2002. ФОРМУЛА ВИНАХОДУ 1. Літаючий автомобіль, тяга і підйомна сила якого формується за рахунок взаємодії вимушеного потоку обдуву з верхньою поверхнею кузова, та з однією чи декількома аеродинамічними пластинами, який відрізняється тим, що джерело вимушеного потоку виконане у вигляді одного чи декількох відцентрових компресорів, розміщених у передній частині кузова під кутом 15°… 60° по відношенню до площини колісної бази автомобіля. 2. Літаючий автомобіль за п. 1, який відрізняється тим, що він містить невеликі крила, які мінімізують індукційні потоки атмосферного повітря та виконують роль елементів керування польотом, причому вони шарнірно закріплені в місцях спряження бокових площин з дахом кузова та можуть складатись на дах автомобіля для переведення його в режим наземного руху. 3. Літаючий автомобіль за п. 1 або 2, який відрізняється тим, що він містить направляючий апарат у зоні виходу потоку з компресорів, який забезпечує зміну результуючого вектора вихідного потоку в межах ±15° до основного напрямку вихлопу. 4. Літаючий автомобіль за пп. 1-3, який відрізняється тим, що він містить направляючий апарат, встановлений в місці забору повітря компресорами, який забезпечує зміну 3 UA 99242 C2 5 результуючого вектора вхідного потоку в діапазоні ±20° по відношенню до осі обертання ротора компресора. 5. Літаючий автомобіль за пп. 1-4, який відрізняється тим, що він містить в донній частині кузова автомобіля еластичні балони (рукави, поплавки), які у випадку наповнення їх стисненим повітрям забезпечують плавучість автомобіля і можливість його переміщення по воді, а в інших режимах балони переводяться в компактну форму шляхом видалення з них повітря. Комп’ютерна верстка М. Ломалова Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 4