Беспилотный летательный аппарат

Полезная модель относится к области авиастроения, а именно к беспилотным винтокрылым летательным аппаратам, и может быть использована в различных отраслях, в том числе для решения задач государственного надзора.
Известны различные конструкции беспилотных летательных аппаратов (БЛА), описанные в следующих информационных источниках:
• патент RU на полезную модель №178120,
• патент RU на полезную модель №146302,
• патент RU на полезную модель №168483,
• патент RU на изобретение №1609036,
• заявка US на изобретение №9409643,
• заявка US на изобретение №2015203189,
• патент US на изобретение №7147182,
• патент RU на полезную модель №127364,
• патент RU на изобретение №2370414,
• патент RU на изобретение №2464203,
• патент RU на полезную модель №42502,
• патент RU на полезную модель №110715,
• патент RU на полезную модель №141496.
Известен также скоростной беспилотный вертолет, описанный в патенте RU на полезную модель №168554. Вертолет имеет комбинированную несущую систему, силовую установку и убираемое в полете шасси. Комбинированная несущая система состоит из соосного несущего винта и планера с горизонтальным и вертикальным оперением с управляемыми поверхностями. Силовая установка вертолета включает трансмиссию, состоящую из редукторов и валов, и двигатель. Скоростной беспилотный вертолет дополнительно снабжен крылом, расположенным позади оси вала соосного несущего винта, оборудованным управляемыми закрылками, элевонами и отклоняемыми консолями и не менее чем одним двигателем, выполненным комбинированным. Двигатель обеспечивает как создание пропульсивной реактивной тяги посредством хвостового сопла на всех эксплуатационных режимах полета, так и привод с возможностью изменения частоты вращения соосного несущего винта. При этом горизонтальное управляемое оперение расположено впереди оси вала соосного несущего винта, а вертикальное оперение установлено на крыле.
Однако все вышеописанные конструкции обладают недостаточной скоростью и маневренностью. Кроме того ввиду наличия больших моментов инерции осуществлять высокоточное управление описанными выше системами невозможно.
Наиболее близким аналогом к заявляемому техническому решению является «Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки», описанный в патенте RU на полезную модель №160247. БЛА содержит фюзеляж полумонококового типа с одной хвостовой балкой и хвостовым оперением, колонку с двумя соосными несущими винтами, силовую установку, посадочное шасси, бортовой комплекс управления. Двигатель силовой установки располагается перед колонкой. Оборудование бортового комплекса управления для минимальной полезной нагрузки устанавливается преимущественно на конце хвостовой балки с возможностью его соответствующей центровочной переустановки вперед при оснащении полезной нагрузкой от минимальной до максимальной.
Недостатком наиболее близкого аналога является избыточные поперечное сечение и вес фюзеляжа, ухудшающие летно-технические характеристики вертолета.
Задачей заявляемой полезной модели является повышение скорости при увеличении грузоподъемности и топливной эффективности БЛА.
Сущность заявляемой полезной модели характеризуется тем, что беспилотный летательный аппарат имеет фюзеляж полумонококового типа с одной хвостовой балкой, соосную несущую систему, включающую верхний и нижний несущие винты, приводимые в движение посредством редуктора, соединенного с основным двигателем, пилотажно-навигационный комплекс, систему топливных баков, посадочное шасси и дополнительно содержит на оконечности хвостовой балки хвостовой двигатель.
Заявляется также полезная модель, в которой наряду с вышеописанными признаками система топливных баков включает расходный, фюзеляжный и крыльевой.
Заявляется также полезная модель, в которой посадочное шасси выполнено четырехопорным.
Технический результат заявляемого технического решения заключается в следующем.
Особенностью заявляемой полезной модели является установка в хвостовой части фюзеляжа, а именно, на оконечности хвостовой балки дополнительно хвостового двигателя. При этом второй двигатель не сопряжен с другими системами БЛА, что позволяет обеспечивать продольную реактивную тягу - горизонтальную ориентированную силу по направлению полета вперед. Кроме того, реактивная тяга, создаваемая хвостовым двигателем, не имеет вращающего момента, в отличие от создаваемой воздушным винтом, и направлена строго по направлению полета летательного аппарата. Как следствие, коэффициент полезного действия (КПД) работы данного хвостового двигателя в части обеспечения поступательной скорости существенно выше, чем у основного двигателя с несущей системой, поэтому заявляемый БЛА обладает повышенной динамикой в части преодоления препятствий, грузоподъемностью и топливной эффективностью.
Заявляемое техническое решение поясняется с помощью Фиг., на которой изображен общий вид БЛА без фюзеляжа и позициями 1-10 обозначены следующие конструктивные элементы:
1 - верхний несущий винт,
2 - нижний несущий винт,
3 - редуктор,
4 - пилотажно-навигационный комплекс,
5 - двигатель основной,
6 - двигатель хвостовой,
7 - хвостовая балка,
8 - блок топливный расходный,
9 - блок топливный фюзеляжный,
10 - блок топливный крыловой.
БЛА включает фюзеляж полумонококового типа с одной хвостовой балкой 7, соосную несущую систему, основной двигатель 5, пилотажно-навигационный комплекс 4, систему топливных баков, посадочное шасси (на Фиг. не показано). Соосная несущая система включает верхний 1 и нижний 2 несущие винты, приводимые в движение посредством редуктора 3. Последний соединен с основным двигателем 5. На оконечности хвостовой балки 7 выполнен двигатель хвостовой 6. Система топливных баков включает расходный 8, фюзеляжный 9 и крыльевой 10. Посадочное шасси выполнено четырехопорным.
Заявляемое устройство работает следующим образом.
Основной двигатель 5 создает на собственном выходном валу вращательный момент, поступающий на вход редуктора 3. Последний преобразует высокоскоростное вращение выходного вала основного двигателя 5 во встречное вращение двух несущих винтов - верхнего 1 и нижнего 2. Несущие винты 1, 2 вращаются с одинаковой скоростью. Пилотажно-навигационный комплекс 4 осуществляет управление полетом БЛА, в частности, работой двигателей 5 и 6, а также верхним 1 и нижним 2 несущими винтами. Двигатель основной 5 отвечает за вращение верхнего 1 и нижнего 2 несущих винтов при осуществлении полета БЛА, а также взлета и посадки. Двигатель хвостовой 6, расположенный оконечности хвостовой балки 7, в результате своей работы обеспечивает движение в продольном направлении. Питание обоих двигателей 5 и 6 топливом осуществляется от системы топливных баков 8, 9, 10. Если внешние воздействующие факторы наносят повреждение обшивке одного из топливных баков 8, 9, 10, то этот бак отключается и выполнение полётного задания оканчивают штатным образом с применением оставшихся топливных баков.
С помощью синхронной и асинхронной работы несущих винтов 1,2 создаются силы и моменты, осуществляющие управление пространственным положением БЛА:
- вращательный момент в продольной оси - осуществляет наклоны БЛА вправо и влево;
- вращательный момент в поперечной оси - осуществляет наклоны БЛА вниз (при этом нос БЛА опускается вниз) и вверх (при этом нос БЛА задирается вверх);
- вращательный момент в вертикальной оси - осуществляет поворот БЛА вправо и влево;
- вертикальная тяга - осуществляет подъем и спуск БЛА в пространстве.
Двигатель основной 5 с помощью редуктора 3 и верхнего 1 и нижнего 2 несущих винтов осуществляет большой объем работ.
При этом редуктор 3 имеет значение КПД в диапазоне 0.6 – 0.9. Следовательно, часть мощности двигателя основного 5 теряется при работе редуктора 3.
Вращение верхнего 1 и нижнего 2 несущих винтов в воздухе тоже отнимает часть мощности двигателя основного 5.
Чтобы БЛА осуществлял поступательное движение, соосная несущая система должна создать ему вектор сил, направленный вперед-вверх. Для осуществления поворотов БЛА вращается и наклоняется в нужную, в зависимости от выполняемой задачи, сторону.
Основной двигатель 5 тратит свою мощность на множество задач, именно поэтому целесообразно использование для увеличения грузоподъемности и оптимизации расхода топлива на оконечности хвостовой балки 7 хвостового двигателя 6, не требующего дополнительных силовых элементов фюзеляжа и несущей системы БЛА.
Пример.
Заявляемое техническое решение реализовано в виде опытного образца БЛА и проходит в данный момент летные испытания.