Концепт вертолёта схемы "диакоптер"

Проблема трёхвинтовой схемы,в принципе наиболее целесообразной и по распределению подъёмной силы,и по распределению мощности двигателя,до сих пор не нашла удовлетворительного решения.Расположение трёх винтов без перекрытия ограничивает их диаметр до неприемглемого уровня,а перекрытие не находит приемлемых по безопасности и гармоничности конструкции вариантов.

В предлагаемой схеме возможность перекрытия винтов вхождением дисков друг в друга (без поднятия одних над другим) реализуется при вращении двух винтов в сторону,противоположную вращению третьего.При этом для баланса реактивных моментов и сохранения аэродинамической симметрии два односторонне вращающихся винта делаются диаметром в 1,5 раза меньше третьего,вращающегося в противоположную им сторону.
Большой винт располагается спереди,два малых - сзади (приблизительно на 3/4 от носового торца по килевой линии).Передний винт располагается над фюзеляжем,что делает его работу менее эффективной,чем двух задних,расположенных на специальной раме.С этим и связан выбор его большего диаметра.Кроме того,на переднем винте больше опасность срыва потока,что и компенсируется большей длиной лопастей.Предполагается,что лопасти переднего и заднего винтов,несмотря на различие в длине,будут иметь одинаковую ширину,так как несколько различная аэродинамическая функция переднего и заднего витов предполагает различие в их конфигурации.
Два задних винта,вращающиеся в одну сторону,не могут быть перекрыты друг с другом.С передним винтом,диаметр которого в 1,5 раза больше,они перекрываются на 90 процентов своего радиуса,что соответствует около 2/3 его радиуса.Для безопасного расхождения лопастей вводится жёсткая синхронизация перекрытых винтов,что обеспечивается синхронизирующими валами,идущими от главного редуктора к осям задних винтов.Последние автоматически получают синхронизацию друг с другом через синхронизацию с передним.
Входящие друг в друга диски винтов при разном диаметре могут быть синхронизированы по окружной скорости при условии соответствующего различия в числе лопастей,что должно определять равные промежутки межлопастных секторов /лопасти при равных скоростях будут проходить их за равное время/.Равные окружные скорости винтов разного диаметра достигаются соответствующим различием в их оборотах в пользу малого винта.Это отношение должно быть жестко установлено с помощью редуктора с зубчатой передачей.В рекомендуемом для диакоптера соотношении это 1.5/1.Соответственно винт,имеющий диаметр d и число лопастей n при соотношении 1,5/1 по оборотам к винту,имеющему диаметр 2/3d и число лопастей 2/3n может иметь равную с ним окружную скорость. Формула требует некоторой корректировки в связи с тем,что число лопастей не может быть дробным: так,при 3-х лопастях у малого винта получается,что диск большого должен иметь 4,5 лопасти.Раземеется，число лопастей большого винта округляется до выгодного в 5. При этом межлопастной угол/ширина секторов/ у малых винтов получается с некоторым запасом пространства. Если у большого винта будет не 5,а 4 лопасти, запас пространства будет у его секторов.
Конструктивно дифференцирующий механизм диакоптера представляет собой большую шестерню с приводом на малую и дышлами от малой,не изменяющими установленные ей обороты. Последние приводят во вращение горизонтальные валы,идущие к боковым винтам вертолета.
Схема обеспечивает безопасный синхронный наклон винтов во все стороны.
Баланс реактивных моментов достигается равенством площадей лопастей в противоположно вращающихся группах.При в 1,5 раза меньшей длине лопастей задних винтов их число должно быть в 1,5 раза больше,чем у переднего винта (при равной ширине,о чём уже говорилось).Оптимальным вариантом представляется четырёхлопастной передний винт и трёхлопастные задние (лопастная формула 4/3*2).Ограничение числа лопастей минимальным необходимым вызвано требованием их безопасного расхождения при глубоком перекрытии.При этом последнее компенсирует "недостаток" количества лопастей у отдельных винтов,вдвое увеличивая их число во внутренних секторах.

Описанная компоновка винтов выстраивает из них гармоничную фигуру несущей площади: между осями вычерчивается равносторонний треугольник.Это свидетельствует о том,что требование компактности выполняется идеально: при предельно малой продольной линии поперечная не превышает её длину.Однако принцип компактности здесь реализуется умеренно - не перекрываются "узлом" все три винта; это становится возможным благодаря отказу от равенства диаметров.

Распределение подъёмной силы между винтами составляет 1,25:1 в сторону задних винтов.В отличие от традиционного трёхвинтового вертолёта с винтами равного диаметра,у диакоптера малые задние винты не создают 2/3 подъёмной силы.Однако замена ими одного большого заднего винта позволяет наилучшим образом распределить подъёмную силу,обеспечивая управление не только продольным,но и поперечным креном (важно для функции вертолёта-крана);управление поперечным моментом подъёмной силы обеспечивается изменением общего шага лопастей одного из задних винтов.
Управление тангажом осуществляется изменением общего шага переднего или задних винтов.Путевое управление - поворот в требуемую сторону - осуществляется изменением угла установки лопастей переднего или задних винтов,что приводит к нарушению баланса реактивных моментов и возникновению вращающего эффекта.Этот же способ применим для разворота на месте в режиме висения,от скорости движения его эффективность принципиально не зависит.

Для предотвращения опасных опрокидывающих моментов лопасти всех винтов снабжаются автоматами перекоса.При этом они устанавливаются во втулках жёстко,без возможности отклонения от плоскости винта.

Несущие винты требуют использования широких лопастей смешанной формы - прямых в коренной части (до 1/2 длины) и суженных трапециевидных в концевой (оставшиеся 1/2 длины).Благодаря такой геометрии основная нагрузка будет приходиться на центральную часть винта,снимая её с уязвимой периферийной.Кроме того,скорость вращения концевых участков лопастей превысит звуковую,что требует снятия с них аэродинамической нагрузки.
Предполагается композитная конструкция лопастей - с титановым каркасом и пластиковой обшивкой,что обеспечивает максимальную прочность при минимальной массе.

Смягчение неизбежных вибраций винта обеспечивает гидропневматический демпфер,- ход которого обеспечивается гидроцилиндром через пневматическую "рубашку",изначально принимающую колебания втулки.

Двигательная установка предполагает использование двух турбовальных двигателей с механическим приводом винтов,что определено принципом работы данной схемы.Передача организуется таким образом,чтобы система сохраняла работоспособность при отказе одного из двигателей.Для этого валы двигателей связываются через главный редуктор в единый узел.Из него выходят три приводных вала - один - вперёд,к переднему винту и два - по бокам,к задним.Внешнее колесо главного редуктора,определяющее обороты переднего винта,связывается с валами задних синхронно; их отдельная синхронизация друг с другом не требуется.
Предпочтительным вариантом представляется централизованное расположение двигательной установки - на фюзеляже с некоторым разносом корпусов двигателей по ширине.При таком расположении удобнее реализовать систему привода и обеспечить управление двигателями,а также их обслуживание.

Управление моторным комплексом (наклоном винтов) обеспечивается тремя независимыми гидроавтоматами с электрической инициацией.Включение и отключение привода винтов осуществляется электрическим механизмом.

Фюзеляж - полумонокок,традиционный для тяжёлых вертолётов.Целесообразно использование титанового основного набора при алюминиевом промежуточном и алюминиевой обшивке.Основной набор соединяется между своими элементами сваркой,с промежуточным - клёпкой.Элементы промежуточного набора также соединяются друг с другом и с обшивкой сваркой.

К ПРОИСХОЖДЕНИЮ ПОНЯТИЯ/СЛОВА "ДИАКОПТЕР". Имеется в виду взаимодействие двух разнородных винтовых групп - большого винта и двух малых,образующих противодействующий "поперечник". В основе схемы лежит принцип синхрокоптера,но винты перекрываются задними секторами,своими центрами образуя фигуру,в которой диагоналями соединяются центры боковых винтов с центором переднего.

Схема вертолета с большим передним винтом и малыми задними,перекрытыми с ним за счет синхронизации по окружным скоростям,получает смысл применения в случае дифференцации функций переднего и заднего несущих комплексов. Тяга переднего винта,избыточная при традиционном для трехвинтовых вертолетов распределении подьемной силы,может быть перераспределена на горизонтальную с использованием ее порядка 30 процентов,что обеспечивается глубоким наклоном этого винта вперед/порядка 20 градусов/. Задние/боковые/ винты способностью к глубокому наклону могут не обладать - их функция - поддержание хвостовой части вертолета и компенсация реактивного момента переднего винта；их наклон вперед может не превышать 10 градусов,такой же - вбок и назад. До 10 градусов назад и вбок может наклоняться и передний винт,имеющий приоритет переднего наклона；при общем наклоне с боковыми он обеспечит достаточно эффективное управление. Последнее обеспечивается также дифференцированным изменением реактивного момента за счет изменения циклического шага винтов.
Рекомендуемый вариант установки задних винтов - уровень 3/4 длины фюзеляжа.В статическом положении на них будет приходиться порядка 60 процентов подьемной силы,в скоростном полете нагрузка на них возрастет до 70 процентов в результате отбора тяги переднего винта на пропульсивную силу. То есть при максимальном отборе тяги переднего винта для пропульсивного действия распределение подьемной силы у диакоптера выравнивается с ним у трехвинтового вертолета традиционной схемы /где боковые винты находятся на уровне 2/3 фюзеляжа или еще ближе к носу/. При этом имеется возможность использования тяги винтов в различных пропорциях распределения подьемной и пропульсивной силы в зависимости от эксплуатационных .задач - в сторону большей загрузки или большей скорости.