Воздухоплавательный аппарат
AEROSTAT

Изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). В России интерес к воздухоплавательным аппаратам особый: стоит задача активного освоения просторов Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера и земель и водных пространств Арктики. Транссибирская железнодорожная магистраль только на юге Сибири, чуть севернее - ничем не доберешься: советская система воздушного транспорта разрушена, машиной не проедешь, лошади давно нет… Воздухоплавательные аппараты, не требующие аэродромов, могут способствовать решению данной проблемы.
Условия работы летательных аппаратов трудные, экстремальные. Температура воздуха вблизи земли от -50 зимой до +30 летом. Сильный ветер, резкая смена погоды. Бескрайние просторы без аэродромов и возможные экстренные посадки без удобных площадок. Теплый сезон короткий, а объемы грузов запредельные. Летательное средство должно обладать большой грузоподъемностью и сравнительно большой скоростью, быть устойчивым к сильным ветрами иметь большую прочность и надежность всех узлов на случай экстренных посадок в тайге или на торосы льда. Летательное средство должно обладать запасом мощности и электроэнергии, повышенной модульностью и легко разбираемой на фрагменты, ибо дальнейшая транспортировка груза и самого летательного аппарата после экстренной посадки, может осуществляться на других видах транспорта.
В настоящее время использование беспилотников приобрело массовое распространение. Военные БПЛА используют для разведки, корректировки огня и нанесение ударов, сьемки координат объектов противника, замера расстояний и площадей. Наши беспилотники хорошо показали себя в Сирии, как и вся наша военная техника. Су-37 показал себя как самый виртуозный, самый маневренный самолет в мире. В ударных БПЛА мы резко отстаем от США. Там гиперзвуковые самолеты SR-72 и X-48 штурмуют скорости 5-7 МАХ. Известна китайская система Wing Loong и беспилотник - ударник CY-4, а также беспилотник Израиля Heron.
Российские ударные беспилотники «СКАТ» и ТУ-300 «Коршун», «Дозор 600», Т-10Э, ZALA 421-16ЕТ преимущественными показателями не обладают. Первые БПЛА появились в СССР, но сейчас позиции в этой области утрачены.
Проблемы распознавания целей породили проблемы юридического и морально-психологического характера.
Беспилотники в мирных целях могут быть использованы при различной деятельности: наблюдение за лесами, миграцией животных и птиц, рыбнадзор, состояние плотин и водоемов, контроль газовых и транспортных магистралей, разведка во время чрезвычайных ситуаций, пожарный контроль за состоянием зданий и других объектов; доставка грузов терпящим бедствие, потерявшимся людям, альпинистам, геологам и так далее, особенно беспилотники стоит применять там, где есть непосредственная угроза человеку в зонах радиоактивного или химического заражения. Потребность применения дронов в черте городов большая (из-за пробок ни техническая, ни медицинская помощь быструю помощь оказать не могут), но дело упирается в юридические проблемы безопасности.
Сегодня множество компаний разрабатывает дроны в мирных целях: ОКБ «Яковлева», ОКБ МиГ, ОКБ «Сухой», ОКБ «Сокол», «Транзас» (все военно-промышленного назначения); ZALA AERO GROUP, БЛАСКОР, Unmanned, Аэрокон (все гражданского назначения) и пр. Стоимость от 500 тыс руб.
Наша задача отличается от задач военных и мирных дронов. Цель изобретения заключается в создании вохдухоплавательного аппарата большой груподьемности, способного перемещаться на большие расстояния в экстремальных условиях Сибири и Крайнего Севера.
За базовый вариант летательного устройства можно принять любой из беспилотников (БПЛА), квадрокоптеров или дронов, дополнив его элементами, обладающими новизной. Конструкций дронов в России и мире множество, как военного, так и гражданского предназначения [3, 4, 5], но все они, исключая ударные, малого или очень малого размера и грузоподъемностью, достаточной лишь для переноса видеокамеры и измерительных инструментов.
Мини-БПЛА стремительно обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолеты для фермеров Yamaha RMAX. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями [6].
В 2012 году компания Parrot завоевала рынок удачным и довольно доступным квадрокоптером AR. Drone, а недавно представила новую модель под названием Bebop Drone (AR. Drone 3.0). Она также предназначена для любительского пилотирования и аэрофотосъемки. Аппарат уже оборудован HD-камерой с продвинутой системой стабилизации и 180-градусным объективом. Также есть и встроенный модуль GPS. Управление может осуществляться со смартфона или планшета через WiFi. Кроме того в качестве опции доступен дополнительный пульт с удобными органами управления и дальнобойной антенной. Гарнитура виртуальной реальности Oculus Rift также имеет штатную поддержку. Недостатком новинки является слабый аккумулятор на 1200 мАч. Его хватит всего на 12 минут полета. Для повышения грузоподъемности квадрокоптера большинство его элементов выполняется из легких углепластов, а крыло заполняется гелием. Желательно, чтобы квадрокоптер длительное время парил в воздухе без включения движителей.
В основе любого автоматического управления лежит простая последовательность: измерение, сравнение и парирование возмущающего воздействия. Как правило, в современном профессиональном бортовом комплексе навигации и управления, функцию измерения состояния системы выполняет малогабаритная инерциальная интегрированная система (МИНС) [7, 8].
Имея в своем составе множество инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр, и комплексируя данные этих датчиков с данными приемника GPS, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации. Типовая структурная схема автопилота включает: магнитный компас, барометрический датчик скорости, барометрический датчик высоты, ультразвуковой датчик высоты (для взлетов-посадок), система спутниковой навигации, гировертикаль, пиродатчик горизонта, исполнительные механизмы и радарные устройства, отслеживающие воздушную ситуацию по пути следования.
Для обеспечения поставленных задач, а также определения координат исследуемых участков местности АСУ мультикоптера должна содержать в своем составе: устройства получения видовой информации, спутниковую навигационную систему, устройства радиолинии видовой и телеметрической информации, устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством, устройство обмена командной информацией, устройство информационного обмена, бортовую цифровую вычислительная машину (БЦВМ), устройство хранения видовой информации. Для обеспечения связи на значительные расстояния и повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции в комплексах управления БПЛА широко используются остронаправленные антенные системы (АС) как на ПУ, так и на БЛА. Система управления остронаправленной АС включает в себя: собственно остронаправленную АС, радиотехнические параметры которой выбираются, исходя из требований обеспечения необходимой дальности связи по радиолинии, Сервопривод АС, обеспечивающий пространственную ориентацию ДН АС в направлении ожидаемого появления излучения объекта связи, Систему автоматического сопровождения по направлению (АСН), обеспечивающую устойчивое автосопровождение объекта связи в зоне уверенного захвата пеленгационной характеристики системы АСН, Радиоприемного устройства, обеспечивающего формирование сигнала «Связь», свидетельствующего о приеме информации с заданным качеством, Система управления антенной системой, обеспечивающий анализ текущего состояния системы управления АС, формирование сигналов управления сервоприводом для обеспечения пространственной ориентации АС в соответствии с полетным заданием и алгоритмом пространственного сканирования. Таким образом, наиболее важной составляющей беспилотного авиационного комплекса является система управления и связи. Координатное ориентирование осуществляется по системе «Гланас».
В настоящее время беспилотники выполняют научные задачи или используются в разведывательных целях. Полезную нагрузку, кроме управляющей и наблюдательной аппаратуры, они не несут.
Известно изобретение (http://www.findpatent.ru/patent/258/2581971.html © FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2016), которое относится к области воздухоплавательных аппаратов. Воздухоплавательный аппарат включает восьмиугольную ферму с электродвижителями по концам, системы наблюдения, ориентации, связи и автоматического управления. В центре восьмиугольной фермы расположена пневматическая полимерная труба, состоящая из герметично изолированных секций, армированных полимерными обручами и скрепленных между собой замковыми соединениями, поддерживаемая в вертикальном положении с помощью автоматических натяжных устройств. При заполнении легким газом полимерная труба создает подъемную силу, компенсирующую вес груза, подвешиваемого к ферме. Изобретение направлено на создание летательного аппарата, хорошо ориентирующегося в пространстве; принято в качестве прототипа.
Недостатком данного изобретения можно назвать следующее:
«Мягкая» оболочка секций полимерной трубы и большое лобовое сопротивление ветру уменьшают возможности воздухоплавательного аппарата для вертикального маневра.
Аппарат, в соответствии с физическими принципами, должен иметь форму близкую к форме эллипсоида (дискообразную или сигарообразную), причем сигарообразная форма целесообразна в основном для аппарата очень большой грузоподъемности, а дискообразная - для аппарата с высокой маневренностью. Условия Крайнего Севера России когда лето длится 1.5-2 месяца требуют быстрой доставки груза, поэтому воздухоплавательный аппарат должен обладать большой грузоподъемностью и сравнительно высокой скоростью. Особенностью передвижения людей и техники на Крайнем Севере является групповое передвижение: корабли по Ледовитому океану передвигаются караванами с ледоколами во главе, машины по Сибири перемещаются колоннами и воздухоплавательным аппаратам желательно перемещаться «стаями», тоже группами, при этом энергия на аппаратах не должна отсутствовать ни минуты. (оживить технику при экстренной посадке потом будет затруднительно). Каждый воздухоплавательный аппарат должен иметь значительный резерв по мощности и запасам электроэнергии.
Тактически наша задача решается следующим образом: вес груза компенсируется емкостями с легким газом. Воздухоплавательный аппарат состоит из мощного мультикоптера, гондолы, капсулы АСУ, батарейного отсека и системы ориентации и слежения. Основные отличия состоят в следующем. Мультикоптер состоит из нескольких сектакоптеров, соединенных замковыми устройствами и поворотной площадки, находящейся на опорной раме мультикоптера, ниже расположена гондола, корпус которой выполнен в виде сильфона, с возможностью сжиматься и расширяться в зависимости от условий полета, внутри гондолы установлен пневмодомкрат, распирающийся между опорной рамой гондолы и опорной рамой мультикоптера, под которой расположены захваты грузового контейнера, сверху мультикоптера находится капсула АСУ с самописцами параметров полета, а над ней расположена система ориентации и слежения. При этом, часть движителей используются для создания вертикальной подъемной тяги, другая часть является маршевыми двигателями горизонтального перемещения, а третья часть является ветряками, используемыми для выработки электроэнергии, которая аккумулируется в батарейном отсеке, причем все движители однотипны, а их функции меняются в зависимости от условий полета.
Важной особенностью воздухоплавательного аппарата является изменение формы гондолы в зависимости от скорости ветра и лобового сопротивления аппарата. При встречном ветре со скоростью более 5 м/сек, гондола превращается в плоский эллипсоид, а при попутном ветре приближается к шарообразной форме. При ветреной погоде большинство движителей работает как маршевые двигатели перемещения на преодоление сопротивления воздушного потока и увеличения скорости полета.
В условия Крайнего Севера при полете на многотысячное расстояние нет возможности переждать непогоду на запасном аэродроме. Суммарная мощность движителей должна значительно превышать мощность необходимую для перемещения груза в теплых широтах.
В благоприятных условиях излишек движителей используется как ветряки для выработки электроэнергии и пополнения ее в батарейном отсеке.
В целях снижения расхода электроэнергии при маневрировании, мультикоптер установлен на поворотной площадке с сервоприводом, что позволяет при развороте мультикоптера не крутить гондолу с грузовым контейнером.
Предлагается конструкция воздухоплавательного аппарата:
на фиг. 1 представлен вид на аппарат спереди с разрезом, на фиг. 2 - вид на аппарат сверху.
Воздухоплавательный аппарат состоит: 1 - капсула АСУ, 2 - сектакоптер, 3 - опорная рама мультикоптера, 4 - корпус гандолы в виде сильфона, 5 - батарейный отсек, 6 - захваты грузового контейнера, 7 - система ориентации и слежения, 8 - электродвижители с переменным вектором тяги, 9 - поворотная платформа, 10 - пневмодомкрат, 11 - опорная рама гондолы, 12 - грузовой контейнер.
Модульность конструкции и замковые соединения элементов позволяют под необходимый объем груза подбирать тип гондолы и количество сектакоптеров. Надеяться на быструю техническую помощь не приходится, - каждая авария ликвидируется поисковой - спасательной службой, поэтому надежность конструкции и бесперебойность поступления энергии приобретает особое значение для работы на крайнем Севере.
Данный беспилотник должен иметь систему видионаблюдения, радар, систему ориентации и сопровождения по координатам «Гланас», систему связи, систему автоматического управления, а также громоотводную систему.
Объем газовых камер гондолы не ограничен ни по высоте, ни по диаметру, количество гондол может быть несколько типов, а это значит, что и перевозимый груз может быть значительным. Большинство элементов предлагаемого устройства, выполняются из легких углепластиков, например, пластик ABS или волокна КЛЕВЛАР, которые прочнее стали, но легче ее.
На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы, способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 град. Углепластики очень легки и, в то же время, прочные материалы [9]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол» обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 град., химическая инертность к окислительным средам, не горит, в 1.5 раза легче алюминия и весьма прочен [10]. Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами [11]. За эту разработку российские ученые получили Нобелевскую премию в 2010 году. Углеграфитовые трубки могут достигать прочность в 50 раз превышающую прочность стали.
Углеродные тонкие пленки, нанесенные путем напыления на стенки газовых камер изнутри, предохраняют от утечки газа.
Для создания подъемной сылы, компенсирующий вес груза, используется гелий.
Управляется воздухоплавательный аппарат на автопилоте, по маршруту, заложенного в программе бортового компьютера и ориентирующегося по координатам системы «Глонас», при этом производится постоянное наблюдение и коррекция курса диспетчерской службой, а также запись параметров полета самописцами.
Воздухоплавательный аппарат может быть использован и в степях Казахстана и пустынях Средней Азии и Монголии.
Не исключено, что в будущем, предлагаемый вид транспорта может быть использован и для транспортировки людей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Современные системы очистки газовых выбросов.
2. Патент РФ 2420425.
3 - bp-la.ru/primenenie-bespilotnyx-letatelnyx-apparatov/
4. А. Каримов, В. Ильин. «Военное обозрение», #46 (268), 2013
5. 24gadget.ru/tags/дрон.
6. Н.С. Сенюшкин. Особенности классификации БПЛА самолетного типа. «Молодой ученый», - 2010, - №11, - с. 65-68.
7. А. Поскутников. Системы автоматического управления БПЛА. «Молодой ученый», - 2011, - №9, - с. 56-58.
8. В. Слосар. Радиолинии связи с БПЛА: Примеры реализации. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010, - №5. - с. 56050
9. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнисты материалы. М.: Высшая школа, 2004.
10. http:highpol.com.
11. http:newchemistry.ru