[go: up one dir, main page]

RU2803674C2 - Method for controlling the pitch of a tiltrotor - Google Patents

Method for controlling the pitch of a tiltrotor Download PDF

Info

Publication number
RU2803674C2
RU2803674C2 RU2022104180A RU2022104180A RU2803674C2 RU 2803674 C2 RU2803674 C2 RU 2803674C2 RU 2022104180 A RU2022104180 A RU 2022104180A RU 2022104180 A RU2022104180 A RU 2022104180A RU 2803674 C2 RU2803674 C2 RU 2803674C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tiltrotor
rudder plate
fan
flight
air
Prior art date
Application number
RU2022104180A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2022104180A (en
Inventor
Владимир Григорьевич Гайнутдинов
Ильфир Наильевич Абдуллин
Станислав Владимирович Никонов
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ"
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ" filed Critical Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Казанский национальный исследовательский технический университет им. А.Н. Туполева - КАИ"
Publication of RU2022104180A publication Critical patent/RU2022104180A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2803674C2 publication Critical patent/RU2803674C2/en

Links

Abstract

FIELD: aircraft construction.
SUBSTANCE: invention concerns a method for adjusting the pitch of a tiltrotor. Due to the location of the rudder plate in the tail part of the tiltrotor directly behind the fan, a pitching moment is created, which appears due to the aerodynamic force acting on the shoulder from the centre of mass of the tiltrotor to the centre of pressure of the rudder plate and resulting from the air blown by the fan flowing around the rudder plate. The installation angle of the rudder plate is adjusted by changing the magnitude and/or direction of the aerodynamic force that occurs when air flows around the rudder plate. Moreover, the fan blades are rotatable to regulate the speed of the air pumped by the fan.
EFFECT: increase in manoeuvrability, longitudinal stability and safety is achieved during the transition from vertical flight to horizontal/horizontal flight to vertical during take-off and landing, including throughout the entire flight.
1 cl, 6 dwg, 1 tbl

Description

Изобретение относится к области авиастроения, а точнее к способам и системам регулирования тангажа конвертоплана, и может применяться для управления тангажом конвертоплана.The invention relates to the field of aircraft construction, and more precisely to methods and systems for controlling the pitch of a tiltrotor, and can be used to control the pitch of a tiltrotor.

Известно техническое решение «Трехвинтовой конвертоплан» (патент № RU2656957C1, МПК B64C 37/00, опубл. 07.06.2018). Трехвинтовой конвертоплан состоит из фюзеляжа с прикрепленным к нему крылом по схеме высокоплана, двухкилевого хвостового оперения, размещенных на передней кромке крыла двигателей с винтами и поворотного механизма, позволяющего изменять вектор тяги на 110° относительно горизонта для изменения режимов полета. Имеется дополнительная силовая установка с горизонтальным расположением винта, размещенная в хвостовой части горизонтального килевого оперения и служащая для стабилизации летательного аппарата (ЛА) по тангажу в вертолетном режиме полета, управления направлением движения конвертоплана, а также снабженная поворотным механизмом, позволяющим отклонять вектор тяги в вертикальной плоскости для компенсации крутящего момента, создаваемого передними силовыми установками, и управления рысканьем летательного аппарата в вертолетном и переходных режимах полета.The technical solution “Three-propeller tiltrotor” is known (patent No. RU2656957C1, IPC B64C 37/00, published 06/07/2018). A three-propeller tiltrotor consists of a fuselage with a wing attached to it according to the high-wing design, a two-fin tail unit, engines with propellers located on the leading edge of the wing, and a rotary mechanism that allows you to change the thrust vector by 110° relative to the horizon to change flight modes. There is an additional power unit with a horizontal propeller located in the tail section of the horizontal fin and serves to stabilize the aircraft in pitch in helicopter flight mode, control the direction of movement of the tiltrotor, and is also equipped with a rotating mechanism that allows you to deflect the thrust vector in the vertical plane to compensate for the torque generated by the front power units and control the yaw of the aircraft in helicopter and transient flight modes.

К недостаткам данного технического решения следует отнести уязвимость дополнительной силовой установки с горизонтальным расположением винта при взлете и посадке от неровностей подстилающей поверхности.The disadvantages of this technical solution include the vulnerability of the additional power plant with a horizontal propeller during takeoff and landing from unevenness of the underlying surface.

Наиболее близким по технической сущности является конвертоплан DOAK VZ-4, с соплом двигателя которого сопрягали трубу требуемой длины, которая проходила через всю хвостовую балку. На ней устанавливали специальное устройство с несколькими газовыми рулями. Такие системы управления отличала весьма простая конструкция. На срезе-сопле трубы располагали раму, на которой размещали подвижные вертикальную и горизонтальную пластины-рули. Управление потоком осуществляли путем отклонения рулей в нужных направлениях.The closest in technical essence is the DOAK VZ-4 tiltrotor, the engine nozzle of which was mated to a pipe of the required length, which passed through the entire tail boom. A special device with several gas rudders was installed on it. Such control systems had a very simple design. At the pipe nozzle there was a frame on which movable vertical and horizontal plates-rudders were placed. Flow control was carried out by deflecting the rudders in the desired directions.

Однако существенным недостатком данного способа управления тангажом является отсутствие возможности достаточно оперативно реагировать на изменение вертикального положения ЛА, что чревато увеличением риска крушения конвертоплана.However, a significant drawback of this method of pitch control is the inability to quickly respond to changes in the vertical position of the aircraft, which can increase the risk of a tiltrotor crash.

Решаемой технической проблемой является создание высокоэффективного способа управления тангажом конвертоплана, позволяющего повысить маневренность конвертоплана, продольную устойчивость и безопасность данного ЛА при переходе от вертикального полета к горизонтальному/горизонтального полета к вертикальному при осуществлении взлета и посадки, в том числе и на протяжении всего полета.The technical problem being solved is the creation of a highly effective method for controlling the pitch of a tiltrotor, which allows increasing the maneuverability of the tiltrotor, the longitudinal stability and safety of this aircraft during the transition from vertical flight to horizontal/horizontal flight to vertical during takeoff and landing, including throughout the entire flight.

Технический результат изобретения заключается в повышении маневренности, продольной устойчивости и безопасности конвертоплана при переходе от вертикального полета к горизонтальному/горизонтального полета к вертикальному при осуществлении взлета и посадки, в том числе и на протяжении всего полета.The technical result of the invention is to increase the maneuverability, longitudinal stability and safety of the tiltrotor during the transition from vertical flight to horizontal/horizontal flight to vertical during takeoff and landing, including throughout the entire flight.

Технический результат достигается тем, что за счет расположения пластины-руля в хвостовой части конвертоплана непосредственно за вентилятором создают кабрирующий момент, который появляется благодаря аэродинамической силе, действующей на плече от центра масс конвертоплана до центра давления пластины-руля, и возникающей вследствие обтекания пластины-руля выдуваемым вентилятором воздухом. Угол установки пластины-руля регулируют, тем самым изменяя величину и/или направление аэродинамической силы, возникающей при обтекании пластины-руля воздухом, выдуваемым вентилятором и выстраивают в зависимости от того, в какую сторону необходимо направить кабрирующий момент. Причем лопатки вентилятора являются поворотными. Тем самым повышается маневренность, управляемость тангажом конвертоплана, повышается устойчивость и безопасность конвертоплана при переходе от вертикального полета к горизонтальному/горизонтального полета к вертикальному при осуществлении взлета и посадки и на протяжении всего полета.The technical result is achieved by the fact that due to the location of the rudder plate in the tail part of the tiltrotor directly behind the fan, a pitching moment is created, which appears due to the aerodynamic force acting on the shoulder from the center of mass of the tiltrotor to the center of pressure of the rudder plate, and resulting from the flow around the rudder plate air blown by a fan. The angle of installation of the rudder plate is adjusted, thereby changing the magnitude and/or direction of the aerodynamic force that occurs when air blown by the fan flows around the rudder plate and is aligned depending on which direction it is necessary to direct the pitching moment. Moreover, the fan blades are rotatable. This increases the maneuverability and pitch control of the tiltrotor, and increases the stability and safety of the tiltrotor during the transition from vertical flight to horizontal/horizontal flight to vertical during takeoff and landing and throughout the entire flight.

Описание чертежейDescription of drawings

На фиг.1 и фиг. 2 представлены схемы горизонтального полета конвертоплана (виды спереди и сверху соответственно). На фиг.3 и фиг.4 представлены схемы вертикального полета конвертоплана (виды спереди и сверху соответственно). На фиг.5 показана схема сил и моментов, действующих на конвертоплан в полете.In Fig. 1 and Fig. Figure 2 shows diagrams of the tiltrotor's horizontal flight (front and top views, respectively). Figures 3 and 4 show diagrams of the vertical flight of the tiltrotor (front and top views, respectively). Figure 5 shows a diagram of the forces and moments acting on the tiltrotor in flight.

Изобретение содержит фюзеляж 1 , который служит для размещения целевой нагрузки с прикрепленным к нему крылом 2 по схеме высокоплана; на передней кромке крыла 2 размещены мотогондолы 3 с двигателями, винтами и поворотным механизмом, позволяющим изменять вектор тяги относительно горизонта; при самолетном (крейсерском) режиме полета основное направление вектора тяги является горизонтальным и аэродинамическая сила создается за счет работы профиля крыла 2, а при полете в вертолетном режиме (зависание / вертикальный взлет и посадка) основное направление вектора тяги является вертикальным и подъемная сила создается за счет воздушной массы, отбрасываемой винтами; вентилятор 4 (лопатки которого являются поворотными), служащий для нагнетания воздуха на пластину-руль 5, при обтекании воздухом от вентилятора 4 которой появляется аэродинамическая сила, создающая кабрирующий момент с плечом от центра тяжести конвертоплана до центра давления пластины-руля 5; V-образное хвостовое оперение 6, служащее для стабилизации ЛА по рысканью и крену; воздухозаборник 7, служащий для подачи воздуха из внешней среды к вентилятору.The invention contains a fuselage 1, which serves to accommodate the target load with a wing 2 attached to it according to the high-wing design; on the leading edge of the wing 2 there are engine nacelles 3 with engines, propellers and a rotating mechanism that allows you to change the thrust vector relative to the horizon; in airplane (cruising) flight mode, the main direction of the thrust vector is horizontal and the aerodynamic force is created due to the work of the wing profile 2, and when flying in helicopter mode (hovering / vertical takeoff and landing), the main direction of the thrust vector is vertical and the lift force is created due to air mass thrown by propellers; fan 4 (the blades of which are rotatable), which serves to pump air onto the rudder plate 5, when air flows around it from the fan 4, an aerodynamic force appears, creating a pitching moment with the shoulder from the center of gravity of the tiltrotor to the center of pressure of the rudder plate 5; V-shaped tail unit 6, which serves to stabilize the aircraft in yaw and roll; air intake 7, which serves to supply air from the external environment to the fan.

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

Фюзеляж 1 служит для размещения целевой нагрузки, при самолетном (крейсерском) режиме полета основное направление вектора тяги является горизонтальным и аэродинамическая сила создается за счет работы профиля крыла 2, а при полете в вертолетном режиме (зависание / вертикальный взлет и посадка) основное направление вектора тяги является вертикальным и подъемная сила создается за счет воздушной массы, отбрасываемой винтами. V-образное хвостовое оперение 6 служит для стабилизации ЛА по рысканью и крену. Во время изменения направления вектора тяги основных силовых установок 3 из горизонтального в вертикальный и обратно, а также для осуществления режимов зависания и вертикального взлета/посадки, для стабилизации конвертоплана по тангажу нагнетают воздух на пластину-руль 5 при помощи вентилятора 4. Воздух из внешней среды поступает в воздухозаборник 7, затем оттуда подается на вентилятор 4. Возникает кабрирующий момент с плечом от центра масс до центра давления пластины-руля 5 от действия аэродинамической силы, возникающей при обтекании воздухом пластины-руля 5. Кабрирующий момент и выравнивает ЛА относительно горизонта, а также служит для маневрирования конвертопланом по тангажу. Управление тангажом осуществляется путем изменения угла установки пластины-руля 5, благодаря чему появляется возможность изменять аэродинамическую силу, возникающую при обтекании воздухом пластины-руля 5, и/или ее направление, в зависимости от того, в какую сторону необходимо направить кабрирующий момент. Также появляется возможность оперативного изменения величины кабрирующего момента за счет изменения угла установки лопаток вентилятора 4. Увеличение/уменьшение угла установки лопаток вентилятора приводит к увеличению/уменьшению скорости нагнетания на пластину-руль 5 воздуха, нагнетаемого вентилятором 4, благодаря чему возрастает/снижается величина аэродинамической силы, возникающей вследствие обтекания пластины-руля 5 воздухом, нагнетаемым вентилятором 4.Fuselage 1 serves to accommodate the target load; in airplane (cruising) flight mode, the main direction of the thrust vector is horizontal and the aerodynamic force is created due to the work of the wing profile 2, and when flying in helicopter mode (hovering / vertical takeoff and landing), the main direction of the thrust vector is vertical and the lift is created by the air mass thrown by the propellers. The V-shaped tail 6 serves to stabilize the aircraft in yaw and roll. When changing the direction of the thrust vector of the main power plants 3 from horizontal to vertical and back, as well as for hovering and vertical takeoff/landing modes, to stabilize the tiltrotor in pitch, air is pumped onto the rudder plate 5 using fan 4. Air from the external environment enters the air intake 7, then from there it is supplied to the fan 4. A pitching moment arises with a shoulder from the center of mass to the center of pressure of the rudder plate 5 from the action of the aerodynamic force that occurs when air flows around the rudder plate 5. The pitching moment aligns the aircraft relative to the horizon, and also serves to maneuver the tiltrotor in pitch. Pitch control is carried out by changing the angle of installation of the rudder plate 5, due to which it becomes possible to change the aerodynamic force that occurs when air flows around the rudder plate 5, and/or its direction, depending on which direction the pitching moment needs to be directed. It also becomes possible to quickly change the value of the pitching moment by changing the angle of installation of the fan blades 4. Increasing/decreasing the angle of installation of the fan blades leads to an increase/decrease in the speed of injection of air into the steering wheel plate 5, pumped by the fan 4, due to which the amount of aerodynamic force increases/decreases , which occurs due to the flow of air pumped by the fan 4 around the rudder plate 5.

Для того, чтобы компенсировать внешний крутящий момент относительно поперечной оси, проходящей через центр тяжести О конвертоплана, необходимо создать кабрирующий момент , выражаемый равенством (1):To compensate for external torque relative to the transverse axis passing through the center of gravity O of the tiltrotor, it is necessary to create a pitching moment , expressed by equality (1):

где Where

Y и L - подъемная сила и плечо действия этой силы соответственно. Y And L - the lifting force and the shoulder of this force, respectively.

Подъемная сила Y определяется следующей зависимостью (2):The lifting force Y is determined by the following relationship (2):

где Where

- коэффициент подъемной силы, зависящий от угла атаки ; - lift coefficient depending on the angle of attack ;

- плотность набегающего потока (воздуха, нагнетаемого вентилятором вентилятором 4 на пластину-руль 5); - density of the oncoming flow (air forced by the fan 4 onto the steering wheel plate 5);

- площадь пластины-руля; - area of the rudder plate;

- скорость набегающего потока (воздуха, нагнетаемого вентилятором вентилятором 4 на пластину-руль 5). - speed of the oncoming flow (air forced by the fan 4 onto the steering wheel plate 5).

Однако с изменением угла атаки меняется и положение точки приложения подъемной силы Y по хорде пластины-руля 5 относительно его передней кромки. В связи с этим меняется и плечо действия L подъемной силы Y . Зная угол атаки , можно, исходя из зависимости (3), определить положение точки приложения подъемной силы Y по хорде пластины-руля 5 относительно его передней кромки:However, with a change in the angle of attack the position of the point also changes application of lifting force Y along the chord of the rudder plate 5 relative to its leading edge. In this regard, the arm of action L of the lifting force Y also changes. Knowing the angle of attack , it is possible, based on dependence (3), to determine the position of the point application of lifting force Y along the chord of the rudder plate 5 relative to its leading edge:

где Where

- коэффициент момента - число, зависящее от профиля крыла, угла атаки и той точки, относительно которой момент определяется. - moment coefficient - a number depending on the wing profile, angle of attack and the point relative to which the moment is determined.

Пусть расстояние от передней кромки пластины-руля 5 до точки его закрепления будет .Тогда плечо действия L подъемной силы Y выражается равенством (4):Let the distance from the leading edge of the rudder plate 5 to the point of its attachment be .Then the arm of action L of the lifting force Y is expressed by equality (4):

где Where

- расстояние от центра тяжести ЛА до точки закрепления А пластины-руля 5. - distance from the center of gravity Aircraft to the fixing point A of the rudder plate 5.

Подставляя выражения (2) и (4) в выражение (1) имеем зависимость (5): Substituting expressions (2) and (4) into expression (1) we have dependence (5):

или зависимость (6):or dependence (6):

Пример 1.Example 1.

Пусть имеются следующие данные:Let the following data be available:

• профиль пластины NASA-0006,• plate profile NASA-0006,

• плотность воздуха ,• air density ,

• скорость набегающего потока ,• free stream speed ,

• площадь пластины-руля 5 =1 ,• rudder plate area 5 =1 ,

• расстояние от центра тяжести ЛА до точки закрепления А пластины-руля 5 ,• distance from center of gravity Aircraft to the fixing point A of the rudder plate 5 ,

• расстояние от передней кромки пластины-руля 5 до точки его закрепления =0,125 м.• distance from the front edge of the rudder plate 5 to the point of its attachment =0.125 m.

Исходя из этих данных получена таблица 1 и фиг. 6 для большей наглядности.Based on these data, Table 1 and Fig. 6 for greater clarity.

Фиг.6 можно интерпретировать следующим образом: при угле атаки создается кабрирующий момент =46848,27 Нм, которым можно компенсировать внешний крутящий момент = -46848,27 Нм. Или же, чтобы компенсировать крутящий момент 262709,2 Нм, необходимо выставить пластину-руль 5 под угол атаки -24.Figure 6 can be interpreted as follows: at the angle of attack a pitching moment is created =46848.27 N m, which can compensate for external torque = -46848.27 N m. Or to compensate for torque 262709.2 N m, it is necessary to set the rudder plate 5 at the angle of attack -24 .

Таким образом, заявляемое техническое решение позволяет повысить маневренность, продольную устойчивость и безопасность конвертоплана при переходе от вертикального полета к горизонтальному, и наоборот при осуществлении взлета и посадки, в том числе и на протяжении всего полета. Появляется защищенность винта, необходимого для управления тангажом, за счет его нахождения внутри фюзеляжа. Данный способ управления тангажом конвертоплана позволяет с легкостью использовать его при транспортировке различных грузов, людей, техники, появляется возможность его посадки практически на любую поверхность (даже на наклонную), при этом отсутствует необходимость в специально оборудованных аэродромах.Thus, the claimed technical solution makes it possible to increase the maneuverability, longitudinal stability and safety of the tiltrotor during the transition from vertical to horizontal flight, and vice versa during takeoff and landing, including throughout the entire flight. The propeller required for pitch control becomes protected due to its location inside the fuselage. This method of controlling the pitch of a tiltrotor makes it easy to use it when transporting various cargo, people, equipment, it becomes possible to land it on almost any surface (even an inclined one), and there is no need for specially equipped airfields.

Claims (1)

Способ управления тангажом конвертоплана, заключающийся в том, что в хвостовой части конвертоплана непосредственно за вентилятором располагают пластину-руль, при отклонении которой изменяется величина и/или направление аэродинамической силы, возникающей при обтекании пластины-руля воздухом, нагнетаемым вентилятором, куда воздух попадает из внешней среды через воздухозаборник, действие на плече от центра масс конвертоплана до центра давления пластины-руля которой создает кабрирующий момент, причем при помощи поворотных лопаток вентилятора появляется возможность регулировать скорость нагнетаемого вентилятором воздуха.A method for controlling the pitch of a tiltrotor, which consists in placing a rudder plate in the tail section of the tiltrotor directly behind the fan, the deflection of which changes the magnitude and/or direction of the aerodynamic force that occurs when air flows around the rudder plate, forced by the fan, where the air enters from the external environment through the air intake, the action on the shoulder from the center of mass of the tiltrotor to the center of pressure of the rudder plate which creates a pitching moment, and with the help of rotating fan blades it becomes possible to regulate the speed of the air pumped by the fan.
RU2022104180A 2022-02-17 Method for controlling the pitch of a tiltrotor RU2803674C2 (en)

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2022104180A RU2022104180A (en) 2023-08-17
RU2803674C2 true RU2803674C2 (en) 2023-09-19

Family

ID=

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5984228A (en) * 1996-03-04 1999-11-16 Pham; Roger N. C. Rapidly-convertible roadable aircraft
RU141669U1 (en) * 2014-01-24 2014-06-10 Закрытое Акционерное Общество "Транзас" VERTICAL TAKEOFF AND LANDING FLIGHT
RU2699513C1 (en) * 2018-11-07 2019-09-05 Дмитрий Сергеевич Дуров Unmanned jet-helicopter
RU2727787C1 (en) * 2019-08-29 2020-07-23 Виктор Антонович Золотухин Vertical take-off and landing aircraft with rotor with folding retractable blades
US11077937B1 (en) * 2018-06-22 2021-08-03 Transcend Air Corporation Vertical take-off and landing (VTOL) tilt-wing passenger aircraft

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US5984228A (en) * 1996-03-04 1999-11-16 Pham; Roger N. C. Rapidly-convertible roadable aircraft
RU141669U1 (en) * 2014-01-24 2014-06-10 Закрытое Акционерное Общество "Транзас" VERTICAL TAKEOFF AND LANDING FLIGHT
US11077937B1 (en) * 2018-06-22 2021-08-03 Transcend Air Corporation Vertical take-off and landing (VTOL) tilt-wing passenger aircraft
RU2699513C1 (en) * 2018-11-07 2019-09-05 Дмитрий Сергеевич Дуров Unmanned jet-helicopter
RU2727787C1 (en) * 2019-08-29 2020-07-23 Виктор Антонович Золотухин Vertical take-off and landing aircraft with rotor with folding retractable blades

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
US10661884B2 (en) Oblique blended wing body aircraft
RU2440916C1 (en) Aircraft in integral aerodynamic configuration
US7410122B2 (en) VTOL UAV with lift fans in joined wings
US5086993A (en) Airplane with variable-incidence wing
US6655631B2 (en) Personal hoverplane with four tiltmotors
US2907536A (en) Annular wing flying machine and method of flying same
US6863241B2 (en) Control of an aircraft as a thrust-vectored pendulum in vertical, horizontal and all flight transitional modes thereof
US20200086971A1 (en) Tiltrotor Free-Pivot Wing Extension
US12006030B2 (en) Distributed electric propulsion modular wing aircraft with blown wing and extreme flaps for VTOL and/or STOL flight
US10077108B2 (en) Vertical take-off and landing (VTOL) aircraft with exhaust deflector
CN101437720A (en) Convertible aircraft
USRE36487E (en) Airplane with variable-incidence wing
US11970275B2 (en) Air vehicle configurations
RU2803674C2 (en) Method for controlling the pitch of a tiltrotor
AU2020327851A1 (en) Convertiplane
Zhang Review of vertical take-off and landing aircraft
CN109018330A (en) Vertical landing unmanned plane
RU2710955C1 (en) Ignoring turbulence aircraft and aircraft attack angle change sensor
RU2820358C1 (en) Method of controlling pitch of convertiplane
RU2812164C1 (en) Unmanned aerial vehicle
RU2789425C1 (en) Aircraft with a hybrid power plant
RU2728017C2 (en) Short take-off and landing aircraft
RU72198U1 (en) AIRCRAFT WITH HIGH AERODYNAMIC QUALITY
RU2362693C2 (en) Self-stabilising wing-in-ground effect craft