Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки

Полезная модель относится к области авиации, в частности к конструкции беспилотных летательных аппаратов с вертикальным взлетом и посадкой (БПЛА ВВП), и может быть использована при проектировании летательных аппаратов, в частности для уборки и выпуска подъемно-силовой установки внутрь конструкции крыла летательного аппарата.
Известен «Конвертоплан» (пат. RU 128182U1, МПК В64С 37/00, опубл. 20.05.2013, БИ №14), содержащий фюзеляж, крыло (или пару крыльев) и двигательные группы. Каждая двигательная группа выполнена в виде, по меньшей мере, одного двигателя, размещенного с возможностью поворота, при этом двигатели в группах выполнены из условия изменения тяги друг относительно друга и/или групп, а двигательные группы расположены на конце соответствующего крыла, в хвостовой и носовой частях фюзеляжа.
Недостатком указанной конструкции летательного аппарата является низкая энергоэффективность, поскольку питание приведенного количества двигателей в горизонтальном полете требует больших затрат электроэнергии, кроме этого данное техническое решение имеет большое аэродинамическое сопротивление ввиду выноса в воздушный поток большого количества двигательных групп, что снижает дальность и продолжительность полета, а в целом эффективность летательного аппарата.
Известен «Конвертируемый летательный аппарат» (пат. RU 2701284C1, МПК В64С 37/00, В64С 27/30, опубл. 25.09.2019, БИ №27), содержащий фюзеляж, крыло, маршевые и подъемные винтомоторные группы.
Подъемные винтомоторные группы установлены парами по обе стороны крыла на пилонах, соединенных с приводом для их перемещения. Винты подъемных винтомоторных групп выполнены складывающимися вдоль пилонов в плоскости вращения винтов, привод выполнен с обеспечением поступательного перемещения пилонов с парой подъемных винтомоторных групп параллельно плоскости симметрии летательного аппарата, каждый пилон крепления пары подъемных винтомоторных групп установлен в расположенном параллельно плоскости симметрии летательного аппарата обтекателе, содержащем закрепленную на крыле неподвижную среднюю часть и перемещаемые вместе пилоном переднюю и заднюю части.
Недостатком указанной конструкции летательного аппарата является расположение подъемных винтомоторных групп в пилонах, установленных на крыле, которые имеют большой размер и создают дополнительное аэродинамическое сопротивление в горизонтальном полете, что уменьшает дальность полета, а также эффективность летательного аппарата.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному техническому решению является «Конвертоплан» (патент №RU2682756C1, МПК В64С 37/00, В64С 27/22, В64С 27/30, опубл. 13.11.2017, БИ №32) содержащий фюзеляж, пару крыльев - переднее и заднее, силовые установки, содержащие двигатели и воздушные винты, киль, шасси, пилоны, выполненные с возможностью вращения. Две подъемные силовые установки расположены на пилонах с двумя степенями свободы - по углам рыскания и тангажа, по бокам фюзеляжа с возможностью фиксации положения и уборки их при горизонтальном полете вперед или назад в ниши фюзеляжа. Маршевая силовая установка расположена на пилоне с одной степенью свободы по углу тангажа, с возможностью фиксации положения, или полностью зафиксирована, с возможностью размещения или в носовой, или в хвостовой частях фюзеляжа, а также на передней или задней кромках киля.
Недостатком известного технического решения является усложнение конструкции подъемных силовых установок, из-за установки их на пилонах с использованием механизмов, позволяющих корректировать направление тяги для стабилизации полета. Это утяжеляет конструкцию пилона и уменьшает надежность узла, дальность и продолжительность полета, а также снижает точность управления летательным аппаратом на режиме висения. Кроме этого, конструкция фюзеляжа имеет небольшой объем и в связи с этим, небольшой объем для размещения полезной нагрузки. Помимо этого, применяемая на летательном аппарате аэродинамическая схема «тандем» обладает рядом недостатков, таких как невозможность набора большого угла атаки, необходимого при переходном режиме, чтобы как можно скорее выходить на горизонтальный режим полета, а также затенение заднего крыла передним, что уменьшает его эффективность. Также в процессе уборки и выпуска подъемных силовых установок меняется положение центра тяжести всего летательного аппарата (смещается назад), что пагубно сказывается на управляемости самолета, особенно при переходном режиме, что в целом снижает эффективность летательного аппарата.
Решаемой задачей полезной модели является создание высокоэффективного БПЛА путем снижения аэродинамического сопротивления БПЛА на режиме горизонтального полета за счет выполнения аэродинамической схемы «летающее крыло» с такой компоновкой, которая позволяет убирать подъемно- силовые установки в ниши крыла, при этом не уменьшая объема для полезной нагрузки.
Техническим результатом полезной модели является создание высокоэффективного БПЛА за счет увеличения дальности и продолжительности полета путем уменьшения аэродинамического сопротивления крыла летательного аппарата, а также увеличения точности управления и надежности путем жесткой фиксации электродвигателей на подъемно- силовых установках.
Технический результат достигается тем, что Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий крыло, кили, подъемно-силовые установки, состоящие из электродвигателя и винта, установленные на балках, убирающиеся в горизонтальном полете и выпускающиеся при вертикальном взлете, подъемно-маршевую силовую установку, расположенную на пилоне с возможностью вращения вокруг продольной и поперечной осей, согласно которому, его конструкция выполнена по аэродинамической схеме «летающее крыло», а подъемно-силовые установки симметрично расположены в передней части БПЛА, относительно его продольной оси, каждая из которых выполнена в едином блоке с поворотным механизмом и жестко зафиксированным электродвигателем с подъемным винтом, соединенных между собой балкой из композиционного материала, при этом подъемные силовые установки выполнены с возможностью уборки и выпуска в ниши крыла, причем вал подъемной силовой установки выполнен с возможностью поворота на 180 градусов, а крайняя точка балки из композиционного материала описывает траекторию половины окружности с центром, лежащим на оси вала, не вызывающей перемещение центра тяжести летательного аппарата, кроме того, поворотный механизм состоит из двух кронштейнов, один из которых закреплен на крыле летательного аппарата, а другой - на балке.
Для пояснения технической сущности заявляемого решения рассмотрим чертежи:
• на фиг. 1 - общий вид БПЛА ВВП в изометрии,
• на фиг. 2 - общий вид подъемной силовой установки в выпущенном положении в изометрии,
• на фиг. 3 - схема процесса уборки подъемной силовой установки в нишу крыла в изометрии,
• на фиг. 4 - поворотный механизм,
• на фиг. 5 - вид сверху БПЛА ВВП во взлетном режиме,
• на фиг. 6 - вид сбоку БПЛА ВВП во взлетном режиме,
• на фиг. 7 - вид сбоку БПЛА ВВП на переходном режиме,
• на фиг. 8 - вид сверху БПЛА ВВП в режиме горизонтального полета,
• на фиг. 9 - вид сбоку БПЛА ВВП в режиме горизонтального полета, где:
1. - крыло,
2. - киль,
3. - ниши крыла,
4. - подъемно- силовые установки,
5. - подъемно-маршевая силовая установка (ПМСУ),
6. - поворотный пилон ПМСУ,
7. - балка из композитного материала,
8. - поворотный механизм,
9. - кронштейн балки,
10. - вал,
11. - кронштейн крыла,
12. - подшипник,
13. - кронштейн двигателя,
14. - электродвигатель,
15. - подъемный винт,
16. - рулевые поверхности.
Новизна.
Предлагаемое техническое решение позволяет создать высокоэффективный БПЛА ВВП, позволяющий увеличить продолжительность и дальность полета за счет уменьшения аэродинамического сопротивления летательного аппарата путем исключения из воздушного потока элементов конструкции подъемных силовых установок на режиме горизонтального полета и выполнения конструкции БПЛА ВВП по аэродинамической схеме «летающее крыло» с такой компоновкой, при которой подъемно-силовые установки убираются в ниши крыла, при этом не меняя положения центра тяжести летательного аппарата, а также увеличить надежность путем жесткой фиксации электродвигателей на подъемно-силовых установках.
Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки состоит из крыла 1, двух килей 2, двух подъемно-силовых установок 4, убирающихся в горизонтальном полете и выпускающихся на вертикальном режиме в ниши крыла 3, подъемно-маршевой силовой установки 5, расположенной на пилоне 6.
Конструкция подъемно- силовых установок 4 БПЛА ВВП представляет собой балку из композиционного материала 7, с одной стороны которой расположен поворотный механизм 8, состоящий из кронштейна 9, в который вставлен вал 10, и кронштейна 11, который закреплен на крыле летательного аппарата 1, в который установлены подшипники 12, на которых расположен вал 10, выполненный с возможностью вращения, с другой ее стороны расположен кронштейн 13 для крепления электродвигателя 14 с подъемным винтом 15.
БПЛА ВВП работает следующим образом:
Перед началом взлета БПЛА ВВП находится в состоянии, соответствующему режиму вертикального полета, подъемные силовые установки 4 находятся в выпущенном положении, при этом подъемно-маршевая силовая установка 5 направлена вниз, ее ось параллельна осям подъемных силовых установок 4. Во время взлета тягу создают две подъемные силовые установки 4 и одна подъемно-маршевая силовая установка 5. Набор высоты осуществляют с равномерным увеличением тяги на всех силовых установках. Стабилизацию БПЛА на данном режиме полета осуществляют поворотом пилона 6 подъемно-маршевой силовой установки 5 относительно продольной оси летательного аппарата, а также дифференциальным изменением тяги на подъемных силовых установках 4.
После набора минимальной требуемой высоты, БПЛА осуществляет переходный режим. Наклоняется подъемно-маршевая силовая установка 5 на пилоне 6 относительно поперечной оси БПЛА, создавая тягу для поступательного движения летательного аппарата. Одновременно с этим, для компенсации пикирующего момента увеличивается тяга на подъемных силовых установках 4. Происходит набор скорости для осуществления горизонтального полета. Стабилизацию БПЛА осуществляют путем дифференциального изменения тяги всех силовых установок, наклона подъемно- маршевой силовой установки 5 на пилоне 6 и отклонением аэродинамических рулевых поверхностей 16.
После набора минимальной скорости на переходном режиме, при которой крыло обеспечивает подъемную силу для поддержания летательного аппарата в воздухе, осуществляется режим горизонтального полета. При этом подъемно-маршевая силовая установка 5 находится в положении, при котором ее ось параллельна продольной оси летательного аппарата. Подъемные электродвигатели 14 останавливаются в положении, когда винт 15 расположен параллельно балке 7. Подъемно-силовые установки 4 симметрично расположены в передней части БПЛА относительно его продольной оси, каждая из которых выполнена в едином блоке с поворотным механизмом 8 и с жестко зафиксированным электродвигателем 14 с подъемным винтом 15, соединенных между собой балкой из композиционного материала 7, что повышает точность и надежность управления т.е. безопасность полета БПЛА во время уборки и выпуска подъемных силовых установок за счет кинематики, позволяющей центру тяжести летательного аппарата оставаться неподвижным. Подъемно-силовые установки 4 выполнены с возможностью уборки в ниши крыла 3 БПЛА таким образом, что вал 10 выполнен с возможностью поворота на 180 градусов, при этом крайняя точка балки 7 описывает траекторию половины окружности с центром, лежащим на оси вращения вала 10, тем самым уменьшая аэродинамическое сопротивление и повышая дальность и продолжительность полета, управление летательным аппаратом осуществляют путем отклонения аэродинамических рулевых поверхностей 16. Все эти конструктивные особенности позволяют повысить эффективность БПЛА ВВП в целом.
По своим техническим и функциональным преимуществам, по сравнению с известными аналогами, заявляемый беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки позволяет увеличить дальность и продолжительность полета БПЛА за счет выполнения его конструкции по аэродинамической схеме «летающее крыло» с меньшим аэродинамическим сопротивлением и осуществления уборки подъемно-силовых установок в ниши крыла на горизонтальном режиме полета, а также увеличении точности управления и надежности на вертикальном режиме полета за счет жесткой фиксации силовых установок на балке, помимо этого, увеличить безопасность полета БПЛА во время уборки и выпуска подъемных силовых установок за счет кинематики, позволяющей центру тяжести летательного аппарата оставаться неподвижным, что в целом повышает эффективность БПЛА ВВП.