БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТИКАЛЬНОГО ВЗЛЕТА И ПОСАДКИ

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к беспилотным летательным аппаратам, оснащаемым сменной целевой нагрузкой, которая может применяться для фото и видео разведки в режиме реального времени, а также биологической, химической и ядерной разведки местности и т.п. в режиме автономного или управляемого полета.
Известен беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки (Патент RU №2511735, 2014 г.), содержащий корпус выпуклой формы, выполненный в виде сжатого десятиугольника в плане, силовой элемент, размещенный в центре корпуса, на верхней части которого расположены два вентилятора, интегрированный обтекатель с кольцевыми каналами, элементы управления. Расстояние между осями вращения вентиляторов составляет не менее суммы двух радиусов вращения. Корпус и интегрированный обтекатель беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки могут быть выполнены из вспененной пластмассы, а элементы управления расположены по всей внешней нижней боковой поверхности корпуса.
Основным недостатком такого беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки является то, что наличие малого числа элементов управления не обеспечивает достаточную маневренность, а сам беспилотный летательный аппарат может применяться только для фото и видео разведки, отсутствует возможность применения специализированного навесного оборудования в виде набора съемных модулей полезной нагрузки.
Известен малоразмерный беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки (МБЛА ВВП) (Патент RU №2455198, 2012 г.), состоящий из центрального и трех периферийных контейнеров, соединенных с центральным двумя парами перемычек, а между собой периферийные контейнеры соединены двумя парами углепластиковых трубок. Силовая установка, располагающаяся в центральном контейнере, содержит верхнюю и нижнюю винтомоторные группы. Рулевые органы выполнены в виде импеллеров, расположенных в донной части трех периферийных контейнеров. В проекции МБЛА представляет собой равносторонний треугольник, у которого вершинами являются оси периферийных контейнеров, а на точке пересечения медиан этого треугольника расположена ось центрального контейнера. К периферийным цилиндрическим контейнерам в трех точках, на дистанционно управляемых замках, подвешен транспортируемый контейнер тороидальной формы. В периферийных контейнерах располагаются блоки питания, громкоговоритель и другие элементы бортовой аппаратуры. На центральном контейнере сверху и снизу установлены видеокамеры.
Основным недостатком такого беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки является то, что он может осуществлять только сбор видеоинформации.
Известен беспилотный летательный аппарат и комплекс авианаблюдения для него (Патент RU №123393, 2012 г.), включающий в себя несущий каркас, на котором в вершинах воображаемого многоугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, шесть электродвигателей с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения. Диаметрально расположенные электродвигатели имеют встречное направление вращения. Электродвигатели связаны с аккумуляторной батареей и с маршрутным вычислительным устройством, которое связано с инерциальным измерительным устройством, мобильным пультом контроля и управления, системой видеонаблюдения и блоком приема и обработки данных спутниковой навигационной системы.
Основным недостатком такого беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки является то, что он обладает низкой безопасностью из-за открытых вращающихся несущих винтов, может осуществлять только сбор видеоинформации, отсутствует возможность применения специализированного навесного оборудования в виде набора съемных модулей полезной нагрузки.
Известен многоцелевой беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки (Патент RU №157424, 2015 г.), содержащий несущий каркас и электродвигатели с воздушными винтами, связанные с аккумуляторной батареей, на несущем каркасе в вершинах воображаемого равностороннего треугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, три несущих системы «винт в кольце», с установленными в них двумя соосно несущими воздушными винтами противоположного вращения и электронной регулировкой числа оборотов.
Основным недостатком такого беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки является то, что он обладает низкой горизонтальной скоростью полета.
Наиболее близким техническим решением, которое может быть принято в качестве прототипа, является беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки (Патент RU №165676, 2016 г.), содержащий несущий каркас и электродвигатели с воздушными винтами, связанные с аккумуляторной батареей, на несущем каркасе в вершинах воображаемого равностороннего треугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, три несущих системы «винт в кольце», с установленными в них двух соосно-несущих воздушных винтов противоположного вращения, с электронной регулировкой числа оборотов, что две из несущих систем «винт в кольце» выполнены с возможностью поворота из горизонтальной плоскости в вертикальную и обратно.
Основным недостатком такого беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки является то, что он обладает низкой горизонтальной скоростью полета.
Задачей предполагаемой полезной модели является, повышение горизонтальной скорости полета, маневренности и управляемости, способности "зависания" над объектом видеонаблюдения и быстрого покидания района видеонаблюдения и контроля.
Технический результат полезной модели достигается благодаря тому, что в беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий несущий каркас и электродвигатели с воздушными винтами, связанные с аккумуляторной батареей, на несущем каркасе в вершинах воображаемого равностороннего треугольника жестко зафиксированы, по меньшей мере, три несущие системы «винт в кольце», с установленными в них двух соосно-несущих воздушных винтов противоположного вращения, с электронной регулировкой числа оборотов, а два из них с возможностью поворота из горизонтальной плоскости в вертикальную и обратно, введен третий винт в кольце, третий «винт в кольце», установлен вертикально, перпендикулярно плоскости, проходящей через продольную ось симметрии беспилотного летательного аппарата и размещен в хвостовой части фюзеляжа.
Выявленные отличительные признаки в совокупности с известными признаками обеспечивают достижение высокой горизонтальной скорости БЛА, повышенную устойчивость беспилотного летательного аппарата при маневрировании и «зависании», за более короткое время сравнительно с ближайшим аналогом.
Следовательно, заявленная полезная модель соответствует требованиям новизны.
Сущность полезной модели поясняется следующими рисунками: на фиг. 1 - общий вид сверху беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки; фиг. 2 - положение системы «винт в кольце» при вертикальном взлете; фиг. 3 - положение системы «винт в кольце» при горизонтальном полете.
Беспилотный летательный аппарат содержит конструкцию несущего каркаса 1, штанги 2, с закрепленными на них системами «винт в кольце» 3, 4 в которых установлены два соосно-несущих воздушных винта 5, 6 противоположного вращения, насаженных на электродвигатели 7 с электронной регулировкой числа оборотов. Система «винт в кольце» 3, 4 жестко закреплена в вершинах штанг 2, закрепленных на несущем каркасе 1 беспилотного летательного аппарата.
Третий «винт в кольце» 8, установленный в вертикальной плоскости, перпендикулярно направлению горизонтального полета, закреплен на фюзеляже 9 беспилотного летательного аппарата.
Системы «винт в кольце» 3,4 являются поворотными системами «винт в кольце», тяга которых при горизонтальном полете используется совместно с тягой системы «винт в кольце» 8, обеспечивая прирост горизонтальной скорости БЛА.
Поворот несущих систем «винт в кольце» 3, 4 осуществляется электродвигателями (условно не показаны) при переводе из режима вертикального взлета БЛА в горизонтальный режим и наоборот.
На конструкции несущего каркаса 1 устанавливается маршрутное вычислительное устройство (на фиг. 1 не показано), которое связано с инерциальным измерительным устройством и блоком приема и обработки, данных спутниковой навигационной системы, а съемные модули полезной нагрузки различных типов установлены в несущем каркасе 1 на гиростабилизированном подвесе беспилотного летательного аппарата с помощью быстроразъемных соединений. Все оборудование беспилотного летательного аппарата размещается в корпусе 1 выпуклой формы, содержащем верхнюю и нижнюю секции фюзеляжа, установленные на конструкции несущего каркаса 1.
Системы «винт в кольце» 3, 4 прикреплены посредством штанг 2 к несущему каркасу 1.
При взлете и посадке БЛА системы «винт в кольце» 3, 4 остаются в горизонтальном положении, а поворот вектора тяги систем «винт в кольце» 3, 4, необходимый для горизонтального полета, осуществляется поворотом двух систем «винт в кольце» 3, 4 на угол 90°.
Для управления горизонтальной скоростью БЛА предусмотрена неподвижная система «винт в кольце» 8.
В автономном варианте полет БЛА обеспечивает литий-полимерная батарея бортовых аккумуляторов. При емкости аккумулятора 5-8 Ач, высота подъема может достигать нескольких сотен метров, что позволяет решать задачи ведения аэрофотосъемки, мониторинга лесных пожаров, транспортировки малогабаритных грузов, осмотра труднодоступных объектов, применения в сельскохозяйственных целях. При потере связи с мобильным пультом контроля и управления беспилотный летательный аппарат переходит в автоматический режим и способен выполнить предустановленные команды, после чего долететь до пункта назначения, руководствуясь данными системы глобального позиционирования.
Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки функционирует следующим образом.
При подаче команды на запуск БЛА подается питание на электродвигатели 7, раскручивающие воздушные винты 5, 6, размещенные внутри систем «винт в кольце» 3, 4, при этом системы «винт в кольце» 3, 4 находятся в горизонтальном положении, образующийся воздушный поток создает аэродинамическую подъемную силу. Перемещение беспилотного летательного аппарата в вертикальной плоскости осуществляется синхронным изменением скорости вращения электродвигателей 7, а перемещение в горизонтальной плоскости осуществляет «винт в кольце» 8, установленный в вертикальной плоскости, жестко закреплен на фюзеляже 9 беспилотного летательного аппарата.
Взлет происходит за счет разницы реактивных моментов несущих винтов 5, 6, создаваемых изменением скоростей вращения несущих винтов 5, 6, которые раскручиваются в противоположенных направлениях в системе «винт в кольце» 3, 4.
Каждый из несущих винтов 5, 6 систем «винт в кольце» 3, 4 вращается внутри электродвигателем 7, выполненным на основе бесколлекторного электродвигателя 7 постоянного тока.
При взлете с земной поверхности летательный аппарат вертикального взлета и посадки управляется бортовой системой автоматического управления и работает следующим образом.
Аппарат, опираясь на земную поверхность посредством шасси, имеет горизонтальное положение систем «винт в кольце» 3, 4 совместно с закрепленными в них электродвигателями 7 и соосными винтами 5, 6, при этом плоскость вращения воздушных винтов 5, 6 систем «винт в кольце» 3, 4 параллельна земной поверхности. Центр тяжести аппарата при этом расположен на вертикальной оси аппарата OY.
При вращении соосных воздушных винтов 5, 6 в системах «винт в кольце» 3, 4 создается тяга. При достижении силы тяги равной массе аппарата, он взлетает. Поток, нагнетаемый системами «винт в кольце» 3,4 создает дополнительную подъемную силу Y1. Данный эффект снижает нагрузку на несущую поверхность аппарата в режиме взлета.
Компенсация возмущающих моментов по тангажу и рысканию относительно оси OZ, по сигналам датчиков производится изменением частоты вращения соответствующих соосных винтов 5, 6 систем «винт в кольце» 3, 4, изменяя частоту вращения соответствующих электродвигателей 7, расположенных внутри систем «винт в кольце» 3, 4.
Приводы электродвигателей 7 связаны с бортовой системой автоматического управления и ручкой управления ЛА.
Коррекция моментов по курсу относительно оси OY производится путем дифференциального изменения частоты вращения соответствующих соосных винтов 5, 6 систем «винт в кольце» 3, 4 (увеличивается общий шаг одного винта при одновременном уменьшении общего шага другого винта; таким образом, общая тяга системы остается постоянной, но возникает разность между реактивными моментами винтов).
Предлагаемый беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки позволяет максимально повысить аэродинамическую эффективность, подъемную силу, а также обеспечивает высокую маневренность.
При переходе от вертикального полета (взлета) к горизонтальному полету поворотные несущие системы «винт в кольце» 3,4 поворачиваются с помощью электродвигателей (условно не показаны) на 90°.
Для реализации режима «зависания» системы «винт в кольце» 3, 4 с помощью электродвигателей (условно не показаны) поворачиваются в горизонтальное положение, а управляющие моменты по крену создаются дифференциальным изменением тяги путем антисимметричного изменения шага лопастей винтов систем «винт в кольце» 3, 4, при этом «винт в кольце» 8, установленный в вертикальной плоскости, жестко закрепленный на фюзеляже 9 беспилотного летательного аппарата переводится на минимальные обороты или отключается совсем.
Несущими системами «винт в кольце» 3, 4 можно изменять направление вектора тяги, т.е. можно по необходимости использовать их как для поддержания БЛА при вертикальном полете, так и для полета с аэродинамической подъемной силой.
Тягу воздушного винта значительно увеличивается, окружив винт кольцевым каналом, что делает более безопасным наземное обслуживание БЛА и предотвращает возможность касания воздушным винтом земли.
Для управления при горизонтальном полете по тангажу и рысканию на хвостовом оперении предусмотрена неподвижная система «винт в кольце» 8.
В нижней и верхней частях фюзеляжа размещаются компоненты сменной целевой нагрузки, которые выполнены в виде отдельных, легко заменяемых модулей, размещаемых на гиростабилизированном подвесе.
Беспилотный летательный аппарат управляется при помощи пульта управления, как радиоуправляемая модель.
Грузоподъемность беспилотного летательного аппарата составляет до 30 кг, что в свою очередь позволяет устанавливать на него специализированное навесное оборудование в виде набора съемных модулей полезной нагрузки, размещаемых на гиростабилизированном подвесе.
Размещение сменной целевой нагрузки обеспечивается по принципу «наименьшего разноса масс», оказывающего заметное влияние на устойчивость БЛА в полете.
Основой для технологической выполнимости настоящего беспилотного летательного аппарата являются достижения в микротехнологиях, в особенности технологиях разработки и реализации микроэлектромеханических систем. Эти системы объединяют планарные электронные микрокомпоненты с сопоставимыми по размерам пространственными электромеханическими структурами различной сложности, что обеспечивает уникальные функциональные возможности. В настоящее время такие устройства (например, бесколлекторный электродвигатель на ниодиевых магнитах AXI 2814/22, акселерометр XL335B, пьезоэлектрический гироскоп ALI 037) производятся промышленным способом.
БЛА обладает относительно высокой (до 30-40% от взлетного веса) долей полезной нагрузки, способен применять специализированное навесное оборудование в виде набора съемных модулей полезной нагрузки, в том числе и по доставке в заданную точку контейнера с содержимым, предназначенным для оказания конкретной помощи людям в условиях чрезвычайной ситуации, повышение безопасности для обслуживающего персонала, при проведении видеонаблюдения объекта с близкого расстояния при "зависании" или точной посадке в ограниченный район.
Выигрыш в КПД комбинации «винт в кольце» получается за счет следующих причин. Во-первых, часть мощности двигателя, шедшая на увеличение скорости в струе за винтом, при установке «винта в кольце» идет на полезную работу. Во-вторых, благодаря изменению скорости потока в плоскости диска винта, вызванному кольцом, для использования определенной мощности двигателя при определенной скорости полета необходимо изменить шаг винта против шага изолированного винта при тех же условиях. При наличии ускорения потока в плоскости винта изменение шага заключается в его увеличении, что при средних значениях относительного шага может увеличить механический КПД винта. Наконец, третьей причиной выигрыша может быть снижение потерь из-за вращения струи, так как при суженой струе за винтом, соответствующей случаю «винт в кольце», тангенциальные силы в струе будут меньше, чем у изолированного винта.
Применение несущей системы «винт в кольце» с установленными в ней двумя соосными несущими воздушными винтами противоположного вращения позволяют повысить безопасность для обслуживающего персонала, проводить видеонаблюдение с близкого расстояния при зависании или точной посадке в ограниченный район, снизить затраты на их эксплуатацию и содержание, а применение поворота двух систем «винт в кольце» 3, 4 на угол 90° в сочетании с неподвижной системой «винт в кольце» 8, обеспечивает повышение горизонтальной скорости БЛА.
Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки обеспечивает наблюдение в реальном масштабе времени местности и объектов с условиями высокоточного определения координат наблюдаемых объектов, с использованием повышенной горизонтальной скорости летательного аппарата.