[go: up one dir, main page]

RU2776523C1 - Method for controlling flight of aircraft with fixed wing with possibility of performing vertical takeoff and landing - Google Patents

Method for controlling flight of aircraft with fixed wing with possibility of performing vertical takeoff and landing Download PDF

Info

Publication number
RU2776523C1
RU2776523C1 RU2021131618A RU2021131618A RU2776523C1 RU 2776523 C1 RU2776523 C1 RU 2776523C1 RU 2021131618 A RU2021131618 A RU 2021131618A RU 2021131618 A RU2021131618 A RU 2021131618A RU 2776523 C1 RU2776523 C1 RU 2776523C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
aircraft
flight
landing
mode
thrust
Prior art date
Application number
RU2021131618A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Андрей Владимирович Фортушнов
Original Assignee
Андрей Владимирович Фортушнов
Filing date
Publication date
Application filed by Андрей Владимирович Фортушнов filed Critical Андрей Владимирович Фортушнов
Application granted granted Critical
Publication of RU2776523C1 publication Critical patent/RU2776523C1/en

Links

Images

Abstract

FIELD: aviation.
SUBSTANCE: invention relates to aviation technology, in particular to methods for controlling vertical take-off and landing aircrafts. The method for controlling an aircraft with a fixed wing with the possibility of performing vertical takeoff and landing is characterized by that, at stages of takeoff, landing, hovering, transition to an airplane flight mode and when flying in the airplane mode, all control moments in all control channels (pitch, roll, course) are created by a differential change in the thrust of lifting power plants. The thrust required for horizontal flight is created by a marching power plant. As the horizontal flight speed increases, the thrust of lifting power plants gradually decreases, and, at the end of the transition mode, at flight speeds of more than 1.2…1.3 of the stall speed, it is set to the lowest possible.
EFFECT: improvement of stability and controllability characteristics are achieved in all aircraft flight modes, including at low speeds, at high wing angles of attack and under the influence of atmospheric turbulence.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к комбинированным летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки.The invention relates to aviation technology, in particular to combined aircraft (LA) vertical takeoff and landing.

Известен патент РФ на изобретение №2638221 от 12.12.2017 [1]. Летательный аппарат вертикального взлета и посадки содержит маршевую силовую установку для горизонтального полета в самолетном режиме, содержащую как минимум от трех отдельных подъемных силовых установок для создания тяги в вертикальной плоскости. Воздушные винты подъемных силовых установок установлены таким образом, что плоскость их вращения расположена под углом от 2 до 35 градусов к несущим плоскостям крыла или крыльев. Крыло и «У»-образное хвостовое оперение содержат аэродинамические поверхности управления, используемые при полете в самолетном режиме.A patent of the Russian Federation for the invention No. 2638221 dated 12.12.2017 is known [1]. The vertical takeoff and landing aircraft contains a marching power plant for horizontal flight in airplane mode, containing at least three separate lifting power plants for generating thrust in a vertical plane. The propellers of the lifting power plants are installed in such a way that the plane of their rotation is located at an angle of 2 to 35 degrees to the bearing planes of the wing or wings. The wing and "U"-shaped tail contain aerodynamic control surfaces used in airplane flight.

Способ управления полетом летательного аппарата характеризуется тем, что в момент взлета летательный аппарат в режиме висения располагается с положительным углом тангажа от 2-х до 35-ти градусов. Для набора достаточной скорости на подъемных двигателях осуществляется наклон всего летательного аппарата вперед до угла тангажа, обеспечивающего горизонтальный полет в самолетном режиме. После достижения необходимой скорости (1,1-1,5 скорости сваливания) подъемные двигатели отключают. Дальнейший полет выполняется на тяге маршевой силовой установки. Управление полетом в самолетном режиме осуществляется с помощью аэродинамических поверхностей управления, расположенных на крыле и хвостовом оперении.The method of flight control of an aircraft is characterized by the fact that at the moment of takeoff the aircraft in hover mode is located with a positive pitch angle from 2 to 35 degrees. To gain sufficient speed on the lifting engines, the entire aircraft is tilted forward to a pitch angle that ensures horizontal flight in airplane mode. After reaching the required speed (1.1-1.5 stall speeds), the lifting motors are turned off. Further flight is carried out on the thrust of a marching power plant. Flight control in airplane mode is carried out using aerodynamic control surfaces located on the wing and tail.

Фактически, описанный летательный аппарат в самолетном режиме несет на себе лишний вес в виде неработающих подъемных силовых установок. Это существенно снижает его энергоэффективность. Кроме того, неподвижные винты подъемных силовых установок создают дополнительное аэродинамическое сопротивление, ухудшающее аэродинамическое качество летательного аппарата.In fact, the described aircraft in airplane mode bears extra weight in the form of idle lifting power plants. This significantly reduces its energy efficiency. In addition, the fixed propellers of lifting power plants create additional aerodynamic drag, which worsens the aerodynamic quality of the aircraft.

Управление описанным летательным аппаратом с помощью аэродинамических поверхностей управления является невозможным на вертикальных и переходных режимах (от режима вертикального взлета к самолетному; а также от самолетного режима к вертикальной посадке) вследствие крайне малого скоростного напора. В указанных режимах аэродинамические рули неработоспособны. Также стоит отметить низкую эффективность аэродинамических органов управления в самолетном режиме полета при попадании в условия малых скоростей и больших углов атаки, которые могут привести к полной потере управляемости и потере самого летательного аппарата. Перечисленные негативные явления могут иметь место при воздействии на указанный летательный аппарат атмосферной турбулентности.The control of the described aircraft with the help of aerodynamic control surfaces is impossible in vertical and transitional modes (from vertical takeoff to airplane mode; and also from airplane mode to vertical landing) due to the extremely low velocity pressure. In these modes, aerodynamic rudders are inoperable. It is also worth noting the low efficiency of aerodynamic controls in aircraft flight mode when they enter conditions of low speeds and high angles of attack, which can lead to a complete loss of control and loss of the aircraft itself. The listed negative phenomena can take place when the specified aircraft is exposed to atmospheric turbulence.

Наиболее близким аналогом по способу управления является летательный аппарат, описанный в патенте РФ на изобретение №2746770 от 20.04.2021 [2]. Автором изобретения предложено несколько вариантов летательного аппарата:The closest analogue in terms of the control method is the aircraft described in the RF patent for the invention No. 2746770 dated April 20, 2021 [2]. The author of the invention proposed several variants of the aircraft:

1) Летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий как минимум четыре отдельных силовых установки для создания тяги в вертикальной плоскости, из которых как минимум две используются и в качестве маршевых для горизонтального полета в самолетном режиме. При этом четное число силовых установок, использующихся в качестве маршевых для горизонтального полета в самолетном режиме, закреплены по обе стороны как минимум одного коромысла с возможностью его поворота в плоскости, совпадающей либо параллельной плоскости симметрии летательного аппарата, исключительно за счет разности тяг, установленных на нем силовых установок.1) A vertical take-off and landing aircraft containing at least four separate power plants for generating thrust in the vertical plane, of which at least two are also used as sustainers for level flight in airplane mode. At the same time, an even number of power plants used as mid-flight for horizontal flight in aircraft mode are fixed on both sides of at least one rocker arm with the possibility of its rotation in a plane coinciding or parallel to the plane of symmetry of the aircraft, solely due to the difference in the rods installed on it power plants.

2) Летательный аппарат, силовые установки которого, при отсутствии использования в качестве маршевых для горизонтального полета в самолетном режиме, выполнены с возможностью использования в качестве органов управления по крену и тангажу и могут поворачиваться относительно несущих плоскостей таким образом, что при изменении угла тангажа летательного аппарата вектор их тяги совпадает по направлению с вектором ускорения свободного падения.2) An aircraft, the power plants of which, in the absence of use as sustainers for horizontal flight in aircraft mode, are made with the possibility of being used as roll and pitch controls and can be rotated relative to the bearing planes in such a way that when the pitch angle of the aircraft changes their thrust vector coincides in direction with the gravitational acceleration vector.

При этом все варианты данного ЛА, по утверждению автора, обладают способностью к вертикальному взлету, висению и переходу в самолетный режим полета. Однако в описанных вариантах летательного аппарата полностью отсутствует возможность управления в путевом канале, что делает невозможным управляемый и безопасный полет данного ЛА в любом из рассматриваемых режимов.Moreover, all variants of this aircraft, according to the author, have the ability to take off vertically, hover and switch to airplane flight mode. However, in the described variants of the aircraft, the possibility of control in the track channel is completely absent, which makes it impossible for the controlled and safe flight of this aircraft in any of the considered modes.

Способ управления полетом летательного аппарата [2] характеризуется тем, что в момент взлета летательного аппарата в режиме висения коромысло с силовыми установками располагают горизонтально, а после взлета для набора горизонтальной скорости осуществляют постепенный его поворот за счет разности тяг установленных на нем силовых установок, вплоть до вертикального положения. При этом силовые установки вне коромысла обеспечивают наклон всего летательного аппарата в вертикальной плоскости до угла тангажа, обеспечивающего горизонтальный полет в самолетном режиме.The method of controlling the flight of an aircraft [2] is characterized by the fact that at the moment of takeoff of the aircraft in the hover mode, the rocker arm with power plants is placed horizontally, and after takeoff, to gain horizontal speed, it is gradually rotated due to the difference in the thrusts of the power plants installed on it, up to vertical position. At the same time, the power plants outside the rocker arm ensure the inclination of the entire aircraft in a vertical plane to a pitch angle that ensures horizontal flight in airplane mode.

В предлагаемом автором способе управления ЛА [2] в самолетном режиме отсутствует возможность управления в продольном канале в полном объеме. Так, при установке коромысла в вертикальное положение (для обеспечения работы подъемно-маршевой силовой установки в маршевом режиме) данный ЛА полностью лишается управления в продольном канале в сторону уменьшения углов тангажа, т.к. любая разница в тяге верхнего и нижнего элементов подъемно-маршевой силовой установки будет приводить лишь к их вращению вокруг оси коромысла, а не к созданию моментов, управляющих положением ЛА.In the proposed by the author method of aircraft control [2] in airplane mode, there is no possibility of control in the longitudinal channel in full. So, when the rocker is installed in a vertical position (to ensure the operation of the lifting-propulsion power plant in the propulsion mode), this aircraft is completely deprived of control in the longitudinal channel in the direction of decreasing pitch angles, because. any difference in the thrust of the upper and lower elements of the lifting-propulsion power plant will only lead to their rotation around the axis of the rocker arm, and not to the creation of moments that control the position of the aircraft.

Задачей изобретения является создание способа управления летательным аппаратом, обеспечивающего необходимые характеристики устойчивости и управляемости на всех возможных режимах полета ЛА с фиксированным крылом, используя одни и те же органы управления положением ЛА в пространстве.The objective of the invention is to create a method for controlling an aircraft that provides the necessary characteristics of stability and controllability in all possible flight modes of an aircraft with a fixed wing, using the same controls for the position of the aircraft in space.

Техническим результатом заявляемого изобретения является:The technical result of the claimed invention is:

1. Обеспечение необходимых характеристик устойчивости, управляемости и маневренности на всех возможных режимах эксплуатации ЛА.1. Providing the necessary characteristics of stability, controllability and maneuverability in all possible modes of operation of the aircraft.

2. Увеличение аэродинамического качества, весовой отдачи конструкции и энергоэффективности горизонтального полета.2. Increase in the aerodynamic quality, weight return of the structure and energy efficiency of horizontal flight.

3. Улучшение характеристик устойчивости и управляемости на малых скоростях, на больших углах атаки крыла и при воздействии атмосферной турбулентности.3. Improving the characteristics of stability and controllability at low speeds, at high angles of attack of the wing and under the influence of atmospheric turbulence.

4. Сокращение времени перехода из режима висения в режим горизонтального полета и обратно.4. Reducing the transition time from hovering to level flight and vice versa.

5. Упрощение системы управления летательным аппаратом за счет эффективного использования одних и тех же органов управления на всех возможных режимах эксплуатации ЛА.5. Simplification of the aircraft control system due to the effective use of the same controls in all possible modes of aircraft operation.

Заявляемый способ управления полетом летательного аппарата с фиксированным крылом характеризуется тем, что на этапах взлета (и посадки), висения, перехода в самолетный режим полета и при полете в самолетном режиме все управляющие моменты во всех каналах управления (тангажа, крена, курса) создаются дифференциальным изменением тяги подъемных силовых установок. Потребная для горизонтального полета тяга создается маршевой силовой установкой. По мере роста скорости горизонтального полета тяга подъемных силовых установок постепенно уменьшается и по окончанию переходного режима (на скоростях полета более 1,2…1,3 скорости сваливания) устанавливается минимально возможной. При этом обеспечивается возможность постоянного контроля пространственного положения ЛА по всем каналам управления на всех возможных режимах эксплуатации ЛА. Краткое описание схемы.The claimed method of controlling the flight of a fixed-wing aircraft is characterized by the fact that at the stages of takeoff (and landing), hovering, transition to airplane flight mode and when flying in airplane mode, all control moments in all control channels (pitch, roll, heading) are created by a differential change in the thrust of lifting power plants. The thrust required for level flight is generated by the main power plant. As the speed of horizontal flight increases, the thrust of the lifting power plants gradually decreases and at the end of the transition mode (at flight speeds of more than 1.2 ... 1.3 stall speeds) is set to the minimum possible. At the same time, it is possible to constantly monitor the spatial position of the aircraft through all control channels in all possible modes of operation of the aircraft. Brief description of the scheme.

На Фиг. 1 показано устройство летательного аппарата, использующего заявленный способ управления, где:On FIG. 1 shows the device of an aircraft using the claimed control method, where:

1 - летательный аппарат с фиксированным крылом;1 - aircraft with a fixed wing;

2 - подъемные силовые установки, используемые также в качестве органов управления по тангажу, крену и курсу на всех режимах полета;2 - lifting power plants, also used as pitch, roll and heading controls in all flight modes;

3 - маршевая силовая установка.3 - marching power plant.

Осуществление изобретения.Implementation of the invention.

Изобретение реализуется на базе летательного аппарата с фиксированным крылом, например, схемы «бесхвостка» (см. Фиг. 1).The invention is implemented on the basis of an aircraft with a fixed wing, for example, a "tailless" scheme (see Fig. 1).

Летательный аппарат 1 имеет четыре подъемные силовые установки 2, размещенные попарно впереди и позади крыла, и используемые для создания вертикальной тяги и управляющих моментов на всех режимах полета. Также на летательном аппарате установлена маршевая силовая установка 3 для создания тяги при полете в самолетном режиме.The aircraft 1 has four lifting power plants 2, placed in pairs ahead and behind the wing, and used to create vertical thrust and control moments in all flight modes. Also on the aircraft is installed marching power plant 3 to create thrust when flying in airplane mode.

Указанные конструктивные особенности летательного аппарата позволяют решить задачу изобретения и добиться заявленного технического результата.These design features of the aircraft make it possible to solve the problem of the invention and achieve the claimed technical result.

Вертикальный взлет летательного аппарата 1 осуществляется за счет тяги подъемных силовых установок 2 (см. Фиг. 1). Для стабилизации заданных значений углов пространственного положения ЛА 1 (тангажа, крена и курса) производится дифференциальное изменение режима работы подъемных силовых установок 2, что позволяет (на плечах до центра масс ЛА 1) создавать управляющие моменты относительно всех трех осей ЛА 1.The vertical takeoff of the aircraft 1 is carried out due to the thrust of the lifting power plants 2 (see Fig. 1). To stabilize the given values of the attitude angles of the aircraft 1 (pitch, roll and heading), a differential change in the operating mode of the lifting power plants 2 is performed, which allows (on the shoulders to the center of mass of the aircraft 1) to create control moments relative to all three axes of the aircraft 1.

Переход в самолетный режим полета происходит при разгоне скорости в горизонтальной плоскости под действием тяги, создаваемой маршевой силовой установкой 3 (см. Фиг. 1). По мере роста скорости крыло ЛА 1 начинает создавать подъемную силу, что позволяет (для поддержания высоты горизонтального полета) уменьшать тягу подъемных силовых установок 2 пропорционально увеличению скорости полета. По окончанию переходного режима (на скоростях полета 1,2…1,3 скорости сваливания) с целью снижения расхода энергии устанавливается минимально возможный режим работы подъемных силовых установок 2. При дальнейшем полете в самолетном режиме подъемные силовые установки 2 продолжают выполнять функцию органов управления полетом.The transition to airplane flight mode occurs when accelerating speed in the horizontal plane under the action of thrust generated by the propulsion power plant 3 (see Fig. 1). As the speed increases, the LA wing 1 begins to create lift, which allows (to maintain the altitude of horizontal flight) to reduce the thrust of the lifting power plants 2 in proportion to the increase in flight speed. At the end of the transition mode (at flight speeds of 1.2 ... 1.3 stall speeds), in order to reduce energy consumption, the minimum possible operating mode of lifting power plants 2 is set. During further flight in airplane mode, lifting power plants 2 continue to perform the function of flight controls.

Переход из самолетного режима полета к режиму висения осуществляется в обратном порядке: по мере уменьшения скорости полета (1,2…1,3 скорости сваливания и менее) происходит уменьшение подъемной силы, создаваемой крылом ЛА 1. При этом для поддержания высоты горизонтального полета (компенсации веса ЛА 1) производится пропорциональное увеличение тяги всех подъемных силовых установок 2.The transition from airplane flight mode to hover mode is carried out in the reverse order: as the flight speed decreases (1.2 ... 1.3 stall speeds or less), the lift created by the wing of aircraft 1 decreases. aircraft weight 1), a proportional increase in the thrust of all lifting power plants 2 is made.

При полете в самолетном режиме создание управляющих моментов (относительно всех трех осей ЛА 1), необходимых для обеспечения заданных характеристик устойчивости и управляемости, осуществляется с помощью дифференциального изменения режимов работы подъемных силовых установок 2 (см. Фиг. 1).When flying in airplane mode, the creation of control moments (relative to all three axes of the aircraft 1) necessary to ensure the specified characteristics of stability and controllability is carried out using a differential change in the operating modes of the lifting power plants 2 (see Fig. 1).

Предлагаемый способ управления позволяет реализовать не только вертикальный взлет с последующим переходом в горизонтальный полет, но и полет в самолетном режиме, используя дифференциальное управление тягой подъемных силовых установок для обеспечения необходимых характеристик устойчивости и управляемости на всех возможных режимах эксплуатации ЛА.The proposed control method makes it possible to implement not only vertical takeoff with subsequent transition to horizontal flight, but also flight in airplane mode, using differential thrust control of lifting power plants to provide the necessary stability and controllability characteristics in all possible modes of aircraft operation.

Источники информацииSources of information

1. Патент на изобретение «Летательный аппарат вертикального взлета и посадки и способ управления его полетом» №2638221 от 12.12.2017.1. Patent for the invention "Vertical takeoff and landing aircraft and method of controlling its flight" No. 2638221 dated 12/12/2017.

2. Патент на изобретение «Летательный аппарат вертикального взлета и посадки и способ управления его полетом» №2746770 от 20.04.2021.2. Patent for the invention "Vertical takeoff and landing aircraft and method of controlling its flight" No. 2746770 dated 04/20/2021.

Claims (1)

Способ управления летательным аппаратом с фиксированным крылом с возможностью выполнения вертикального взлета и посадки, характеризующийся тем, что на этапах взлета, посадки, висения, перехода в самолетный режим полета и при полете в самолетном режиме все управляющие моменты во всех каналах управления - тангажа, крена, курса, создают дифференциальным изменением тяги подъемных силовых установок, при этом потребную для горизонтального полета тягу создают маршевой силовой установкой, а по мере роста скорости горизонтального полета тягу подъемных силовых установок постепенно уменьшают и по окончании переходного режима на скоростях полета более 1,2…1,3 скорости сваливания устанавливают минимально возможной.A method for controlling an aircraft with a fixed wing with the ability to perform vertical takeoff and landing, characterized in that at the stages of takeoff, landing, hovering, transition to airplane flight mode and during flight in airplane mode, all control moments in all control channels - pitch, roll, course, they are created by a differential change in the thrust of lifting power plants, while the thrust required for horizontal flight is created by a sustainer power plant, and as the speed of horizontal flight increases, the thrust of lifting power plants is gradually reduced and at the end of the transition mode at flight speeds of more than 1.2 ... 1, 3 stall speeds are set to the lowest possible.
RU2021131618A 2021-10-27 Method for controlling flight of aircraft with fixed wing with possibility of performing vertical takeoff and landing RU2776523C1 (en)

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2776523C1 true RU2776523C1 (en) 2022-07-21

Family

ID=

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115556922A (en) * 2022-10-11 2023-01-03 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 Flap automatic control method and device based on state flow graph

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130020429A1 (en) * 2011-07-19 2013-01-24 Ilan Kroo Personal Aircraft
RU179906U1 (en) * 2017-03-27 2018-05-28 Александр Михайлович Гайдаренко Modular unmanned aerial vehicle, vertical take-off and landing
RU2716391C2 (en) * 2017-12-12 2020-03-11 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли России Unmanned aerial vehicle of vertical take-off and landing
US11111009B1 (en) * 2015-06-09 2021-09-07 Amazon Technologies, Inc. Operating multirotor aircraft with enhanced yaw control

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20130020429A1 (en) * 2011-07-19 2013-01-24 Ilan Kroo Personal Aircraft
US11111009B1 (en) * 2015-06-09 2021-09-07 Amazon Technologies, Inc. Operating multirotor aircraft with enhanced yaw control
RU179906U1 (en) * 2017-03-27 2018-05-28 Александр Михайлович Гайдаренко Modular unmanned aerial vehicle, vertical take-off and landing
RU2716391C2 (en) * 2017-12-12 2020-03-11 Российская Федерация, от имени которой выступает Министерство промышленности и торговли России Unmanned aerial vehicle of vertical take-off and landing

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115556922A (en) * 2022-10-11 2023-01-03 中国航空工业集团公司西安飞机设计研究所 Flap automatic control method and device based on state flow graph

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US11634222B2 (en) Vertical take-off and landing unmanned aerial vehicle having foldable fixed wing and based on twin-ducted fan power system
US11142309B2 (en) Convertible airplane with exposable rotors
RU168554U1 (en) High-speed combined helicopter (rotorcraft)
CN202728575U (en) Composite aircraft with fixed wing and electric multi-rotor-wing combined
CN103043212B (en) Composite aircraft composed of fixed wing and electric multi-rotor
US20170174342A1 (en) Vertical Takeoff Aircraft and Method
CN202728574U (en) Composite aircraft with fixed wing and electric multiple propellers combined and with helicopter function
US20170008622A1 (en) Aircraft
CN102514712A (en) Vertical take-off and landing aircraft
CN105083551A (en) Tilt rotary-wing aircraft and control method thereof
US11407506B2 (en) Airplane with tandem roto-stabilizers
RU2674622C1 (en) Convertiplane
RU2638221C2 (en) Vertical take-off and landing aircraft and method to control its flight
CN105818980A (en) Novel large-lift-force vertical take-off and landing aircraft
RU2641952C1 (en) Vertical take-off and landing aircraft
RU2656957C1 (en) Triple-screw convertiplane
CN110857145A (en) Apparatus and method for improved stall/over-stall condition fixed wing aircraft pitch control
US2828929A (en) Wingless aircraft
US11919633B2 (en) Convertiplane
RU2752104C1 (en) Short take-off and landing aircraft
RU2627963C1 (en) Unmanned rotorcraft with cross-section propellers
US20240174353A1 (en) Vertical take-off and landing aircraft based on variable rotor-wing technology and dual rotor-wing layout
Bramlette et al. Design and flight testing of a convertible quadcopter for maximum flight speed
RU2776523C1 (en) Method for controlling flight of aircraft with fixed wing with possibility of performing vertical takeoff and landing
RU2723516C1 (en) Convertiplane