ВИНТОКРЫЛ С КРУГОВЫМ РОТОРНЫМ КРЫЛОМ

Предлагаемый летательный аппарат по принципу полёта относится к винтокрылам. Но, в отличие от "классических" образцов этой системы, не имеет традиционных несущих винтов, а заменяющий их орган находится во взаимодействии с движителем горизонтальной тяги. Последний момент в значительной мере определил выбор схемы,представленной ниже: реализуется принцип рациональности, исключающий наличие органа, предназначенного только для создания подъёмной силы. В свою очередь, движитель горизонтальной тяги в полёте обеспечивает работу органа, создающего подъёмную силу.

Конструкция представляет собой горизонтальный ротор в виде кольца из лопастей на несущем ободе, в свободное пространство которого "вписаны" ходовые винты (находятся по бортам фюзеляжа). Круговое роторное крыло устанавливается на стойках, выдвигающихся для изменения высоты, что позволяет при дифференцированном по сектору изменению их установки задавать его наклон в четырёх направлениях для управления креном (тангажом) аппарата. Ходовые винты (педпочтительно винто-вентиляторы) устанавливаются на консолях по бортам.
Функция роторного крыла предполагает два режима работы. Для взлёта и висения используется режим принудительного вращения ротора подводимым к нему крутящим моментом двигателей. При переходе в горизонтальный полёт привод к нему отключается, а его вращение с созданием лопастями подъёмной силы обеспечивается встречным потоком воздуха; причём напор на них имеет два источника, применимая доля которых зависит от скорости полёта. Ротор обдувается потоком от винтов, что обеспечивает его вращение с возникновением подъёмной силы на лопастях,- этот вариант его работы используется при низких скоростях движения, когда скоростной напор от движения аппарата недостаточен. В скоростном полёте на лопастях возникает достаточная реакция от встречного потока, что обеспечивает требуемую подъёмную силу (конфигурация ходовых винтов при этом переориентируется на создание тяги независимо от качества потока).

Принципиальная особенность функции кругового крыла состоит в том, что отбрасываемые его лопастями потоки направляются внутрь "диска", создавая дополнительный аэродинамический напор на ходовых винтах (они работают в уплотнённом воздухе). Для обеспечения этой функции лопастям кругового ротора придаётся адаптированная тангенциальная ориентация: они отклоняются от перпендикуляра к линии окружности, в результате чего отбрасывание воздуха происходит под углом к ней - в сторону центра. Лопасти могут снабжаться механизмом изменения тангенциальной ориентации (в зависимости от режима использования ротора) с рабочим углом до 30 градусов. Дополнительный эффект напора в такой аэродинамической схеме будет создаваться противодействием лопасти возникающей на ней центробежной силе (центростремительная функция системы обеспечивается через противодействие последней).
Таким образом, предлагаемая схема винтокрыла работает при обоюдополезном взаимодействии несущего и тянущего элементов, позволяя варьировать их функции в зависимости от эксплуатационных задач.

Особенностью кругового ротора является наличие только околоокружных рабочих широт, соответствующих дальним участкам длины лопастей обычного винта. Такая конфигурация позволяет использовать высокую скорость лопасти с минимальным её различием по широте диска. Также круговой ротор может иметь необычно большое для традиционных число лопастей. Сочетание этих факторов делает его высоко эффективным: так, при диаметре 25 метров (длина лопастей - 4,5 метра, число - 12) и угловой скорости 200 м/с ротор создаёт подъёмную силу в 180 тонн.

Со стороны конструкции рациональным моментом является отсутствие корневой (приближенной к оси вращения) части лопасти, делающей её неэффективной из-за низкой скорости и ограничивающей число лопастей.

Тяга для горизонтального движения аппарата создаётся воздушными гребными винтами, применение которых при данных параметрах полёта (максимальная скорость - 500 км/ч, практический потолок - 6000 м) более целесообразно, чем воздушно-реактивных или реактивных движителей. Однако, в связи с дополнительной функцией движителя,- создания плотного потока для обдува лопастей несущего ротора - предпочтителен вариант винто-вентилятора, имеющего лопасти с высокой скоростью вращения и сравнительно небольшой диаметр. Последний связан с условием установки винтов в ограниченном пространстве между дугами установочного кольца несущего ротора и фюзеляжем. Для применяемых здесь винто-вентиляторов необходима функция реверса, включаемого при нахождении аппарата в воздухе; причём при его включении должна сохраняться функция обдува крылового ротора. Для этого лопасти винто-вентилятора делаются управляемыми, с возможностью поворота на 180 градусов.
Размещение винтов в центре свободных полукруговых пространств даёт возможность их установки одинаково как в переднем секторе от несущей консоли (в тянущем варианте), так и в заднем (в толкающем варианте). Этим равенством продиктовано целесообразное решение - использовать оба положения, установив и тянущие, и толкающие винты. Они будут иметь противоположное вращение и работать как соосные (преодолевая эффект "запирания"), конструктивно соосными не являясь (к каждому от общего привода идёт самостоятельный вал). Таким образом, аппарат получает четыре винто-вентилятора в виде двух бортовых групп противоположного вращения. Расчетная тяга отдельного винто-вентиляторного ротора при диаметре 4,5 м составит 5600 кгс, - их суммарная тяга достигнет 22 000 кгс. Соотношение скорости вращения и упора на лопастях может варьироваться изменением шага винтов в зависимости от полётных задач.
Консоли с винтами размещаются в верхней части проекции фюзеляжа на такой высоте, чтобы бОльшая часть их дисков находилась ниже крылового ротора, так как создаваемые ими потоки должны обдувать его снизу.

Привод винто-вентиляторов при централизованной энерго-силовой установке целесообразен гидравлический (механический при сложной схеме вызвал бы сильный износ элементов из-за высокой скорости вращения). Гидравлический привод устраивается по кольцевому принципу: гидроток от напорной камеры поступает на приводную турбину переднего винта, а возвращается через турбину заднего. Таким образом, в данной схеме возможен привод "сквозного" цикла без специальной обратной линии.
Представляющийся наиболее целесообразным общий привод выглядит следующим образом. От объединяющего вала двигателей идёт прямая передача на гидротрансформатор, выполняющий роль главного редуктора. Центральный его выход приводит во вращение раздаточный механизм с дышлами, идущих на четыре приводных вала несущего ротора. Кольцевой выход (второй контур) питает каналы передачи на ходовые винты. Каналы, как уже отмечалось, вместо обратных линий имеют замыкающие ветви, возвращающие напорную жидкость в насос. Непосредственный привод винто-вентиляторов обеспечивают роторы приводных турбин. Они выполняют роль их собственных редукторов, которые изменением конфигурации каналов позволяют изменять конфигурацию привода в парадигме скорость/напор.

Круговой ротор обеспечивает расположение лопастей практически полностью "в обход" фюзеляжа, что исчерпывающе решает проблему оттока воздуха от них.

В режиме принудительного вращения (от крутящего момента двигателей) роторное крыло, как обычный несущий винт, создаёт реактивный момент, в режиме авторотации, соответствующем скоростному полёту,- не создаёт. Для его парирования применяется отклоняемый сегмент центрального киля, вписанного в кольцо по его диаметральной линии. Этот элемент находится в потоке, отбрасываемом лопастями ротора, и отклоняется в сторону, противоположную его вращению. Кольцевой поток даёт аэродинамический напор на него, создавая "парусную" тягу, достаточную для парирования реактивного момента. В скоростном полёте сегмент не отклоняется и центральный киль играет роль стабилизатора.

Как недостаток схемы с круговым ротором-крылом может выступать наличие "паразитного" конструктивного элемента - барабана в виде кольца, имеющего значительный диаметр и соответственно некоторый вес. Преодоление паразитной роли возможно через придание ему полезной функции именно как кольцу большого диаметра. Оно может обеспечивать эффективный привод как кольцевая зубчатая или фрикционная передача, развивающая большой крутящий момент (позволит экономить мощность двигателей). Привод к нему обеспечивается коническими навершиями вертикальных валов, проходящих через несущие стойки статической части конструкции.
Другой возможный момент разгрузки несущего кольца от паразитной роли - это придание ему формы круговой плоскости некоторой ширины, которая будет создавать в полёте дополнительную подъёмную силу.

Схема управления винтокрылом с круговым роторным крылом находиться "между самолётом и вертолётом" в зависимости от режима, будучи всё же ближе к вертолётной. Так, в ней практически исключено управление двигателями (РУДами из кабины пилота): двигатели объединены в крутящем моменте и работают одновременно на несущую и тянущую системы. С самолётом винтокрыл роднит независимость управления тангажом от функции ходового движителя.

Аппарат имеет горизонтальное и вертикальное хвостовое оперение и дополнительный центральный киль-стабилизатор на фюзеляже. Горизонтальное оперение представлено небольшим крылом, полностью отклоняющимся в вертикальном направлении, "качаясь" на своей центральной оси. Оно служит аэродинамическим рулём высоты, изменяющим направление движения аппарата по вертикали через изменение его килевой ориентации (кабрирование и пикирование).