МОДУЛЬНАЯ КОНСТРУКЦИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ С КОМБИНИРОВАННОЙ СИЛОВОЙ УСТАНОВКОЙ

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета и посадки (БЛА ВВП), и может быть использована для мониторинга окружающей среды, в частности аэрофотосъемки и наблюдения.
Известен «Летательный аппарат вертикального взлета и посадки» по патенту RU № 141669, В64С 29/00, опубл. 10.06.2014, Б.И. № 16, содержащий фюзеляж, киль, шасси, сочлененное крыло, два подъемно-маршевых вентилятора, каждый из которых состоит из многолопастного винта с изменяемым шагом в профилированном кольце с независимо управляемым приводом поворота, силовую установку, обеспечивающую создание необходимой силы тяги, с одним или более двигателями, используемыми во всех режимах полета ЛА, узлом передачи вращающего момента, в качестве которого используют механический редуктор от двигателя на приводные валы подъемно-маршевых вентиляторов и устройство управления тангажом. При этом подъемно-маршевые вентиляторы закреплены вблизи центра масс, симметрично относительно оси ЛА на полой силовой балке, жестко соединенной с фюзеляжем.
Недостатком данного летательного аппарата вертикального взлета и посадки является конструктивная особенность выполнения корпуса фюзеляжа неразъемным, что снижает функциональные возможности и делает доступ в случае ремонта к агрегатам и узлам, неудобным и трудоемким, а отсутствие составляющей модульности конструкции не позволяет просто произвести сборку и разборку для осуществления транспортировки, что также снижает функциональные возможности. Также наличие сочлененного крыла ведет к усложнению конструкции, увеличению веса и снижению» надежности и безопасности, что в целом снижает эффективность данного летательного аппарата вертикального взлета и посадки.
Известен вертикальный взлетно-посадочный беспилотный летательный аппарат с неподвижным крылом (CN № 106672232 (А), В64С 27/08, В64С 27/26, опубл. 17.05.2017), содержащий фюзеляж, отклоняемое крыло, элероны, подъемные винты, силовые установки подъемных винтов, привод механизма поворота крыла (наклонный механизм), наклоняемый горизонтальный стабилизатор, киль, силовую установку хвостового винта, носовое и заднее шасси колесного типа. Привод механизма поворота крыла регулирует угол наклона крыла и горизонтальный стабилизатор для реализации взаимного преобразования вертикального положения взлета и посадки и плоского состояния полета самолета. Силовая установка подъемного винта расположена на каждой консоли крыла. Силовая установка хвостового винта обеспечивает прямое движение, чтобы повысить эффективность самолета в крейсерском состоянии. Силовые установки подъемных винтов и силовая установка хвостового винта имеют разные скорости вращения.
Недостатком данного летательного аппарата вертикального взлета и посадки является конструктивная особенность выполнения корпуса фюзеляжа неразъемным, что снижает функциональные возможности летательного аппарата и делает доступ в случае ремонта к агрегатам и узлам, неудобным и трудоемким, а отсутствие составляющей модульности конструкции не позволяет произвести просто сборку и разборку для осуществления транспортировки, что также снижает функциональные возможности данного летательного аппарата, а, в целом, снижающими эффективность летательного аппарата.
Наиболее близкой по технической сущности и взятой в качестве прототипа является малогабаритная беспилотная авиационная система самолетного типа для воздушного наблюдения и разведки (патент RU № 2473455, МПК В64С 39/02, опубл. 27.01.2013, БИ № 3), включающая наземную станцию управления; бортовые и наземные средства радиосвязи, навигации и управления полетом; пусковое устройство и несущий полезную нагрузку разборный беспилотный летательный аппарат модульной конструкции, включающий носовую часть, с расположенной в ней полезной нагрузкой, содержащую носовой обтекатель с прорезанным в нем отверстием, закрытым прозрачным материалом, крыло с элеронами, фюзеляж, содержащий центральный лонжерон, узлы крепления и замочные соединения носовой части, левой и правой частей крыла к фюзеляжу, силовую установку в виде электродвигателя, регулирующий контроллер и толкающий воздушный винт со складывающимися лопастями, приводимыми во вращательное движение при подаче электропитания на электродвигатель от аккумуляторной батареи, размещенной в нижней центральной части фюзеляжа, в батарейном отсеке, выполненном с возможностью отстыковки от фюзеляжа, центральный лонжерон фюзеляжа беспилотного летательного аппарата выполнен в виде съемной композитной трубки, средняя часть которой плотно размещена внутри расположенного в фюзеляже цилиндрического держателя, продольная ось которого перпендикулярна продольной оси фюзеляжа. Периферийные части трубки плотно входят в установленные в левой и правой частях крыла боковые цилиндрические держатели. На торцах трубки, входящих в боковые держатели, установлены дисковые вставки из композитного материала. Один край боковых держателей прикреплен к первым нервюрам левой и правой частей крыла, примыкающим к фюзеляжу, а второй край боковых цилиндрических держателей, проходящих через вторые нервюры левой и правой частей крыла, жестко прикреплен к первым относительно передней кромки крыла лонжеронам левой и правой частей крыла. Носовая часть выполнена с возможностью отсоединения от фюзеляжа и обратной пристыковки к нему. В верхней центральной части фюзеляжа расположен отсек для размещения несущей полезной нагрузки в виде парашютной системы, присоединенной с помощью звеньев крепления к фюзеляжу.
Недостатком беспилотного летательного аппарата малогабаритной беспилотной авиационной системы самолетного типа модульной конструкции является конструктивная особенность, согласно которой носовая часть выполнена с возможностью отсоединения от фюзеляжа, что снижает прочностные характеристики конструкции и увеличивает вес за счет усиления носовой части. Использованные в прототипе узлы крепления и замочные соединения увеличивают массу летательного аппарата, что при прочих равных условиях ухудшает аэродинамические характеристики, снижает продолжительность полета и безопасность. Отсутствует объем для установки более эффективных массивных полезных нагрузок, например, топливного бака. Также конструктивным недостатком является неразъемное выполнение корпуса фюзеляжа, что делает доступ в случае ремонта к агрегатам и узлам затруднительным, снижающим функциональные возможности. Съемная композитная трубка, ось которой проходит перпендикулярно оси фюзеляжа является недостаточно прочной, так как под действием изгибающего момента со стороны крыльев она может разрушиться, что снижает надежность и безопасность, а в целом снижает эффективность беспилотного летательного аппарата. Силовая установка выполнена в виде электродвигателя и не может работать от других источников энергии, что также снижает функциональные возможности и не позволяет при необходимости увеличить продолжительность полета, что в целом ведет к снижению эффективности беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки.
Решаемой задачей предлагаемой полезной модели является создание простого и надежного беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки модульной конструкции на основе композитной силовой балки, разъемного корпуса фюзеляжа и комбинированной силовой установки.
Техническим результатом от использования полезной модели является создание эффективного беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки модульной конструкции за счет расширения его функциональных возможностей и продолжительности полета.
Технический результат достигается тем, что в модульной конструкции беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки с комбинированной силовой установкой, включающей фюзеляж, силовой элемент несущей балки, жестко закрепленной внутри корпуса фюзеляжа, крыло с элеронами, узлы крепления, силовую установку, расположенную в корпусе фюзеляжа, аккумуляторную батарею, отсек для размещения полезной нагрузки, согласно которой крыло выполнено цельным, на каждой консоли крыла выполнены пилоны с двумя подъемными винтами для вертикального взлета и посадки, силовая установка, размещенная в передней части корпуса фюзеляжа, содержит маршевый двигатель с воздушным винтом, приводимая во вращательное движение жидким топливом с помощью системы подачи его из топливного бака, воздушный винт размещен в передней части корпуса фюзеляжа для обеспечения горизонтального полета, в качестве силового элемента несущей балки введена силовая композитная балка, выполненная в виде прямоугольной цельной конструкции, внутри которой расположен ферменный заполнитель, при этом силовая композитная балка расположена после маршевого двигателя, а ее конец расположен за пределами корпуса фюзеляжа, на конце силовой балки расположено и закреплено винтами бортовое оборудование и хвостовое оперение, включающее киль, руль направления, стабилизатор, руль высоты, силовая композитная балка жестко закреплена к нижней части корпуса фюзеляжа параллельно его оси при помощи винтов и базовых кромок, выполненных в виде пластин прямоугольной формы, оси которых перпендикулярны оси корпуса фюзеляжа, базовые кромки выполнены с загнутыми концами, их нижняя часть прикреплена к композитной силовой балке, загнутые концы прикреплены к стенкам корпуса фюзеляжа с внутренней стороны, причем корпус фюзеляжа выполнен разъемным, состоящим из верхней и нижней частей, соединенных между собой заклепочными гайками, в верхней части корпуса фюзеляжа, внутри его, выполнены отсеки, разделенные аккумуляторной батареей, один из которых содержит топливный бак.
Для пояснения технической сущности рассмотрим чертежи:
фиг. 1 - Модульная конструкция БЛА ВВП с комбинированной силовой установкой в изометрии;
фиг. 2 - Продольный разрез Модульной конструкции БЛА ВВП с комбинированной силовой установкой сечения А-А - вид сбоку;
фиг. 3 - Модульная конструкция БЛА ВВП с комбинированной силовой установкой с отстыкованной от корпуса верхней крышкой;
фиг. 4 - Поперечный разрез Модульной конструкции БЛА ВВП с комбинированной силовой установкой сечения Б-Б - вид спереди, где
1 - корпус фюзеляжа,
2 - силовая балка,
3 - аккумуляторная батарея,
4 - бортовое оборудование,
5 - маршевый двигатель,
6 – крыло,
7 – пилоны,
8 - подъемные винты,
9 - маршевый (воздушный) винт,
10 - базовая кромка,
11 – элероны,
12 – киль,
13 - руль направления,
14 – стабилизатор,
15 - руль высоты,
16 - отсек для полезной нагрузки,
17 - топливный бак.
БЛА ВВП содержит разъемный корпус фюзеляжа 1, состоящий из верхней и нижней частей и силовую композитную балку 2, выполненную в виде прямоугольной цельной конструкции, внутри которой находится ферменный заполнитель. Силовая композитная балка 2 закреплена к нижней части корпуса при помощи винтов и проходит внутри корпуса фюзеляжа 1 параллельно его оси. Корпус фюзеляжа 1 имеет продолговатую форму с отсеком для размещения полезной нагрузки 16 внутри, разделенным на два небольших отсека посредством аккумуляторной батареи 3, установленной на центральной части крыла 6 внутри корпуса фюзеляжа 1. Базовые кромки 10 служат для фиксации силовой композитной балки 2 к нижней части корпуса фюзеляжа 1, а также служат для создания жесткости корпуса фюзеляжа 1. Базовые кромки 10 имеют прямоугольную форму с загнутыми концами, которыми они присоединены к боковой части корпуса фюзеляжа 1 при помощи заклепочных гаек, а их нижняя часть присоединена к силовой композитной балке 2.
К силовой композитной балке 2, расположенной после маршевого двигателя, жестко прикреплено крыло 6 при помощи проставки с использованием двух втулок и фиксатора. Крыло 6 имеет элероны 11 на концах и состоит из двух консолей, на каждой из которых установлены пилоны 7 с двумя подъемными винтами 8 на концах. На конце силовой композитной балки 2, выходящей за пределы корпуса фюзеляжа 1, расположено хвостовое оперение, включающее в себя киль 12, руль направления 13, стабилизатор 14, руль высоты 15 и система бортового оборудования 4 (в которую входят: цифровая полудуплексная система передачи информации, модуль навигации, сервопривод). Комбинированная силовая установка состоит из маршевого двигателя 5 и маршевого воздушного винта 9, расположенных в передней части корпуса фюзеляжа 1, приводится во вращательное движение с помощью жидкого топлива, поданного системой подачи топлива из топливного бака 17, который размещен в одном из отсеков, разделенных аккумуляторной батареей 3, для расположения полезной нагрузки 16.
Сборка БЛА ВВП модульной конструкции с комбинированной силовой установкой осуществляется следующим образом:
К обеим консолям крыла 6 присоединяются пилоны 7 с двумя подъемными винтами 8 на концах каждого пилона и закрепляются при помощи винтов. Крыло 6 с установленными пилонами 7 с подъемными винтами 8 крепится к силовой композитной балке 2 с ферменным заполнителем внутри посредством проставки, втулок и фиксатора. К концу силовой композитной балки 2 прикрепляется хвостовое оперение, включающее в себя киль 12, руль направления 13, стабилизатор 14, руль высоты 15 и система бортового оборудования 4. Далее, нижняя часть силовой композитной балки 2 жестко прикрепляется изнутри к нижней части корпуса фюзеляжа 1 при помощи винтов и базовых кромок 10, загнутые концы которых прикрепляются к стенкам корпуса фюзеляжа 1, а нижняя часть к силовой композитной балке 2. В передней части корпуса фюзеляжа 1 устанавливается маршевый двигатель 5 с маршевым воздушным винтом 9 для обеспечения горизонтального полета, и топливный бак 17. На центральную часть крыла 6, внутри корпуса фюзеляжа при помощи фиксатора, втулок и винтов прикрепляется аккумуляторная батарея 3 в тонкостенном контейнере, при этом она делит отсек, находящийся внутри корпуса фюзеляжа, в его верхней части на отсеки, один из которых содержит топливный бак 17, что позволяет установить внутрь дополнительную эффективную полезную нагрузку к полезной нагрузке в виде парашютной системы во втором отсеке. Разъемный корпус фюзеляжа 1, состоящий из верхней и нижней частей позволяет обеспечить быстрый доступ, ремонт и замену деталей и узлов в случае поломки данного БЛА ВВП, что повышает функциональные возможности данного БЛА ВВП, модульность, а в целом делает БЛА ВВП эффективным. Верхняя часть корпуса фюзеляжа 1 состыковывается с нижней частью корпуса фюзеляжа 1 и закрепляется.
Заявляемое устройство работает следующим образом:
Управление БЛА ВВП ведется с наземной станции управления (НСУ) оператором полета. Перед началом полета оператор производит создание требуемой программы полета и ее запись на карту памяти, которая устанавливается в БКУ (блок управления самолетом). Затем производится установка заряженной аккумуляторной батареи 3 на центральную часть крыла 6 внутрь корпуса фюзеляжа 1 БЛА ВВП. Оператор производит запуск маршевого двигателя 5, находящегося в передней части фюзеляжа на холостых оборотах, за счет этого начинается вращение маршевого воздушного винта 9. Через определенный промежуток времени происходит включение подъемных винтов 8 и отрыв БЛА ВВП от земли. После набора необходимой высоты осуществляется включение маршевого винта 9 и через небольшой промежуток времени (10-20 с) происходит отключение подъемных винтов 8. После этого данный БЛА ВВП способен передвигаться горизонтально. При необходимости полетов по вертикали или зависания в воздухе (например, для наблюдения или аэросъемки) происходит включение подъемных винтов 8 и отключение маршевого воздушного винта 9. При посадке происходит выключение маршевого винта 9 и включение подъемных винтов 8, БЛА ВВП опускается.
Крыло 6 обеспечивает создание подъемной силы, а элероны 11, расположенные на каждой консоли крыла служат для обеспечения поперечной управляемости самолета. Путевое управление осуществляется рулем направления 13.
При установке топливного бака 17 внутрь корпуса фюзеляжа 1, в его верхней части, в отсек для полезной нагрузки 16, увеличивается продолжительность полета БЛА ВВП, так как при снижении заряда аккумуляторной батареи, БЛА ВВП может работать на жидком топливе, тем самым увеличивая дальность полета, повышая маневренность, а в целом повышается эффективность БЛА ВВП за счет расширения его функциональных возможностей.
Разборка БЛА ВВП осуществляется в обратном порядке:
Отстыковка верхней части корпуса фюзеляжа 1 от нижней. Отсоединение аккумуляторной батареи 16 от крыла 6. Отсоединение нижней части корпуса фюзеляжа 1. Отсоединения маршевого двигателя 5 с воздушным винтом 9 и топливным баком 17. Отсоединение крыла 6 с пилонами 7 и винтами 8 на их концах от нижней части корпуса фюзеляжа 1. Последовательное отсоединение от композитной силовой балки 2, выполненной из ферменного заполнителя, бортового оборудования 4 и хвостового оперения.
По своим технико-экономическим преимуществам, по сравнению с известными аналогами, предлагаемая полезная модель позволяет создать эффективный, т.е. надежный и прочный, беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки за счет введения композитной силовой балки прямоугольной формы с ферменным заполнителем внутри, что позволяет сделать конструкцию БЛА ВВП модульной и делает предлагаемый БЛА ВВП удобнее для сборки, разбора и транспортировки. Силовая композитная балка жестко закреплена внутри корпуса в нижней части фюзеляжа при помощи винтов и базовых кромок для фиксации балки, например, по длине силовой балки тремя базовыми кромками, оси которых перпендикулярны оси фюзеляжа. Базовые кромки выполнены с загнутыми концами, их нижняя часть прикреплена к композитной силовой балке, а загнутые концы прикреплены к стенкам корпуса фюзеляжа с внутренней стороны. Базовые кромки увеличивают жесткость корпуса фюзеляжа и делают данный БЛА ВВП безопасным и прочным. Разъемный корпус, состоящий из верхней и нижней частей, позволяет обеспечить быстрый доступ, ремонт и замену деталей и узлов в случае поломки данного БЛА ВВП, что повышает функциональные возможности данного БЛА ВВП и его модульность, то есть возможность полного разбора БЛА ВВП для более удобной транспортировки и последующей сборки для эксплуатации. Отсек, находящийся внутри корпуса фюзеляжа в его верхней части разделен на отсеки, разделенные аккумуляторной батареей, находящейся на центральной части крыла внутри корпуса, что позволяет установить внутрь дополнительную эффективную полезную нагрузку в виде топливного бака. Установленные на обеих консолях крыла пилоны с подъемными винтами служат для вертикально взлета и посадки данного БЛА, что также увеличивает его функциональные возможности и область его использования. Выполнение силовой установки комбинированной, позволяет БЛА ВВП работать от маршевого двигателя и системы подачи топлива из топливного бака, тем самым увеличивая время полета, т.е. дальность БЛА ВВП, а в целом эффективность.