ЛЕТАЮЩАЯ ПЛАТФОРМА-КРАН

Полезная модель относится к области авиастроения, а именно к летательным аппаратам вертикального взлета и посадки типа летающая платформа.
Известны конструкции летательных аппаратов (ЛА) типа летающая платформа с несущей системой "винт в кольце", которая позволяет использовать прирост тяги винта для повышения грузоподъемности за счет уменьшения потерь мощности на индуктивном сопротивлении. Эти работы являются актуальными с целью расширения функциональных возможностей и сфер применения летающих платформ, в том числе их возможного использования при выполнении строительно-монтажных работ (СМР).
Например, известна летающая платформа, содержащая корпус, шасси, горизонтальное и вертикальное оперения, винтомоторные модули, состоящие из двигателей и несущих винтов, размещенных внутри кольцевого обтекателя (патент RU 2080014, В64С 27/20, 1993). Несущие винты установлены с взаимным перекрытием и соединены с двигателями через редукторы, связанные между собой синхронизирующими валами. Для повышения подъемной силы внутренняя полость кольцевого обтекателя заполнена газом легче воздуха. Недостатком этого ЛА может быть малоэффективное управление при горизонтальных перемещениях (особенно на малых скоростях полета), которое обеспечивается рулевыми поверхностями на горизонтальном и вертикальном оперении. Поэтому применение этого ЛА на СМР маловероятно, поскольку там требуются малые и точные перемещения на режиме висения.
Известна также летающая платформа по патенту RU 2721325, В64С 27/20, В64С 27/08, 2018. Этот ЛА в соответствии с фиг. 1 (в описании к этому патенту) содержит раму, в каждом углу которой прикреплен движитель - винтомоторный модуль, состоящий из двигателя и двух несущих винтов, вращающихся в противоположных направлениях и размещенных внутри тягового кольца. Все винтомоторные модули при нулевом угле наклона к вертикальной оси обеспечивают вертикальный взлет. Они имеют возможность отклоняться от вертикали на угол до 20° в любую сторону на шарнире с помощью управляемых тяг. Это обеспечивает отклонение вектора тяги как в поперечной, так и в продольной плоскостях, и поэтому может быть реализована возможность управления горизонтальным полетом самими движителями без аэродинамических рулевых поверхностей. В результате обеспечена высокая маневренность даже на режиме висения. Поскольку рабочее движение - наклон каждого винтомоторного модуля является результирующим при сложении минимум двух простых движений (наклонов в двух плоскостях), его должна обеспечивать сложная механическая часть, содержащая минимум два привода, передающие звенья большой длины и пр. элементы (на фиг. 2 лишь схематично изображены две тяги). В мультироторном варианте сложность всей системы возрастает в соответствии с количеством модулей. Поэтому такая система управления углом наклона винтомоторных модулей может быть ненадежной и может быть причиной снижения безопасности полетов. Вероятно, из-за этого при предполагаемых отказах допускается аварийная посадка на оставшихся работающих винтомоторных модулях. Кроме того, этот ЛА не имеет оснащения для выполнения СМР.
Наиболее близким техническим решением, т.е. прототипом, является летающая платформа по патенту RU 2348568, В64С 39/10, В64С 29/00, B60F 5/02, 2009. Этот ЛА содержит фюзеляж с кабиной экипажа, шасси, хвостовым оперением и четырьмя винтомоторными модулями, состоящими из двигателей и несущих винтов, помещенных внутри тяговых колец. Конструкция этого ЛА более рациональна по сравнению с предыдущим аналогом: наклоняемыми выполнены не все винтомоторные модули, а только часть из них. Винтомоторные модули разделены на две функциональные группы, одна из которых (передние) закреплены на раме жестко в одном фиксированном положении и являются, в основном, подъемными, а вторая группа (задние) имеют возможность выполнения лишь одного простого рабочего движения - наклона в продольной плоскости, что обеспечивает соответствующее отклонение вектора тяги. За счет этого реализуется возможность управления скоростью горизонтального полета ЛА вперед-назад. Разделение винтомоторных модулей на две функциональные группы позволило существенно упростить механическую часть системы управления.
По мнению авторов этот ЛА обладает высокой маневренностью в широком диапазоне скоростей, т.к. аппарат снабжен набором управляемых решетчатых крыльев и элерон-лопаток. Однако применение этого ЛА на СМР маловероятно, поскольку требуемые малые и точные перемещения на режиме висения могут быть гарантированы только движителями одной группы - подъемно-маршевыми винтомоторными модулями, т.е. в одном направлении.
К другим недостаткам этого аппарата можно также отнести следующее:
использование большого количества управляемых и неуправляемых аэродинамических поверхностей, образующих сложную систему, сквозь которую прокачивается интенсивный, высокоскоростной поток воздуха.
Протекание потока воздуха в столь сложном лабиринте каналов может привести к существенным потерям мощности из-за большого суммарного лобового сопротивления множества аэродинамических поверхностей;
из-за расположения подъемно-маршевых винтомоторных модулей сзади центра масс (ЦМ) может создаваться момент на пикирование, на устранение которого необходимы не только дополнительные энергетические затраты, но и соответствующее усложнение системы управления;
этот ЛА не имеет оснащения для выполнения СМР.
Известен проект по модернизации этой летающей платформы, в котором сохранена упрощенная система управления за счет разделения винтомоторных модулей на две функциональные группы, как в базовом варианте. Увеличенное число подъемных винтомоторных модулей способствует росту грузоподъемности. Аппарат предназначен для доставки рабочих бригад и грузов в труднодоступные низкотемпературные зоны, расположенные на малоосвоенных территориях. Предполагается, что, кроме того, аппарат может быть использован при проведении поисково-спасательных работ, для мониторинга территорий крупных промышленных предприятий и железнодорожных узлов, портов, трасс трубопроводов, линий электропередач. Этот аппарат может быть дополнением в арсенале технических средств, предназначенных для работы в отдаленных и труднодоступных зонах хозяйствования (Воронков Ю.С., Воронков О.Ю., Ушаков А.П. «Летающая платформа» для работы на малоосвоенных территориях // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. - 2016. - №3-3. - С. 376-381; или URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=8739). Несмотря на широту предполагаемых сфер использования, этот ЛА, обладая теми же недостатками, что и базовый вариант, не может быть применен на СМР.
Техническим результатом, достигаемым предлагаемым решением, является обеспечение аппарату новых функций, в частности функций летающего крана путем соответствующего оснащения и реализации высокоэффективного управления при зависании для выполнения СМР, и являющимся следствием устранения недостатков прототипа за счет исключения сложных систем управления большим количеством аэродинамических поверхностей, которые могут служить источником больших потерь мощности и малоэффективны при маневрировании на скорости полета, близкой к нулю.
Указанный технический результат в предлагаемой летающей платформе-кране, содержащей раму, винтомоторные модули, состоящие из размещенных в тяговом кольце двигателя и несущих винтов и объединенные в две группы, одна из которых жестко закреплена на раме, а другая установлена на раме с возможностью управляемого отклонения от вертикальной оси в продольной плоскости, кабину экипажа с органами управления и шасси, достигается тем, что на раме установлена третья группа винтомоторных модулей с возможностью управляемого отклонения от вертикальной оси в поперечной плоскости, рама снабжена гибкой внешней подвеской для подцепки груза и к раме прикреплена дополнительная кабина с дублирующими органами управления для летчика-оператора, причем обе кабины расположены ниже винтомоторных модулей для обеспечения визуализации места установки груза.
Внешняя подвеска содержит грузовую ферму с верхним замком, сопрягаемое с ним силовое звено, к которому присоединено суммирующее звено с двумя сходящимися к нему ветвями канатов, между которыми закреплена траверса, к концам которой прикреплены канаты с грузодержателями в нижних точках, причем между траверсой и рамой установлены упругие связи.
В каждом отклоняемом от вертикальной оси винтомоторном модуле тяговое кольцо может быть присоединено к силовой раме с помощью соосной пары шарниров, выполненных в виде цапф, закрепленных на тяговом кольце, и сопряженных с ними втулок, закрепленных на раме, причем, по крайней мере одна из цапф на тяговом кольце соединена с приводом наклона, установленным на раме.
Каждый винтомоторный модуль может состоять из двух несущих винтов с возможностью вращения в противоположных направлениях, закрепленных на валу двигателя, расположенного между ними и связанного с тяговым кольцом силовыми элементами.
Приводы наклона винтомоторных модулей могут быть выполнены в виде рулевых машинок.
Управление аппаратом в горизонтальном полете может осуществляться с помощью автопилота с функцией стабилизации горизонтального положения рамы с минимизацией углов скольжения.
Сущность предлагаемого технического решения поясняется чертежами:
на фиг. 1 - вид летающей платформы-крана сбоку при установке груза в проектное положение (сечение в продольной плоскости);
на фиг. 2 - вид летающей платформы-крана спереди при установке груза в проектное положение (сечение А-А на фиг. 1, кабины не показаны);
на фиг. 3 - вид летающей платформы-крана сверху (без грузовой рамы);
на фиг. 4 - продольный разрез переднего винтомоторного модуля, имеющего возможность выполнения одного простого рабочего движения - наклона в поперечной плоскости;
на фиг. 5 - функциональная схема системы управления аппаратом.
Летающая платформа-кран (далее ЛПК) содержит раму 1 с кабиной экипажа 2, дополнительной кабиной 3 и шасси 4.
В углах рамы 1 жестко закреплены в вертикальном положении винтомоторные модули 5, 6, 7 и 8, каждый из которых состоит из тягового кольца 9, внутри которого посредством силовых элементов - штанг 10 закреплены двигатель 11 с двумя несущими винтами 12 и 14, вращающимися в противоположных направлениях.
На продольной оси рамы 1, проходящей через ЦМ, посредством двух пар соосных шарниров 15 и 16 установлены винтомоторные модули 17 и 18 с возможностью управляемого отклонения от вертикальной оси в поперечной плоскости.
На поперечной оси рамы 1, проходящей через ЦМ, посредством двух пар соосных шарниров 19 и 20 установлены винтомоторные модули 21 и 2218 с возможностью управляемого отклонения от вертикальной оси в продольной плоскости.
Все подвижные (отклоняемые от вертикали) модули 17, 18, 21 и 22 идентичны неподвижным винтомоторным модулям 5, 6, 7 и 8.
Каждый шарнир в парах 15-16 и 19-20 состоит из цапфы, жестко прикрепленной к тяговому кольцу 9, и втулки, закрепленной на раме 1 (фиг. 3). Этим обеспечена возможность поворота винтомоторных модулей 17 и 18 вокруг продольной оси, и поворота винтомоторных модулей 21 и 22 вокруг поперечной оси. Угол поворота каждого наклоняемого винтомоторного модуля может быть ограничен упорами так, что их наклон от вертикальной оси составит, например, не более ±20°. По крайней мере, одна из двух цапф, жестко прикрепленных к тяговым кольцам 9, связана с одним из приводов 23, 24, 25 или 26, закрепленных на раме 1. Приводы наклона винтомоторных модулей могут быть выполнены в виде рулевых машинок. Для управления ими, а также двигателями 11 может быть применена ручная автоматизированная система, например, электродистанционная без механической связи (см. Системы управления летательных аппаратов / Под ред. В.В. Воробьева. М.: Изд. ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2008.). В нее входят установленные в кабинах 2 и 3 командные рычаги управления 27: ручка продольно-поперечного управления (РУ), педали и рычаги управления двигателями (РУД). Дифференциальные сигналы от них поступают в интегрирующее устройство - процессор 28 и автопилот 29, от которых подаются команды на двигатели 11 всех винтомоторных модулей и приводы наклона 23, 24, 25 и 26 (фиг. 5). В процессор 28 также могут поступать сигналы от датчиков скорости и высоты, датчиков скольжения по трем осям (по курсу-крену-тангажу) и др.
ЛПК снабжена внешней подвеской, включающей установленную над проемом в центре рамы 1 крестообразную грузовую ферму 30 с верхним замком 31, в котором фиксируется силовое звено (наконечник) 32. К нему прикреплен вертлюг 33 с суммирующим треугольным звеном 34, к которому присоединены две сходящиеся на нем канатные ветви 35, между которыми закреплена траверса 36. К концам траверсы присоединены грузовые канаты 37 с грузодержателями 38 в нижних точках (крюками или нижними замками). Траверса 36, кроме того, соединена с рамой 1 упругими связями 39.
ЛПК работает следующим образом.
В состав экипажа, как правило, входят: летчик основной кабины 2 (командир ВС), летчик-оператор дополнительной кабины 3 и бортоператор, находящийся в кабине 2. Кабины 2 и 3 прикреплены к раме 1 ниже винтомоторных модулей, что обеспечивает возможность наблюдения (визуализации) места установки груза из обеих кабин. Перед выполнением взлета все винтомоторные модули находятся в нейтральном положении, т.е. их ось вертикальна. После включения двигателей 11, управляя РУД, увеличивают их обороты до взлетного режима. Под действием силы тяги всех соосных винтов 12 и 14 ЛПК взлетает вертикально, и в результате балансировки может выполнить зависание.
На режиме висения, если отклонить РУ в поперечном направлении, то под действием приводов 23 и 24 произойдет синхронный наклон винтомоторных модулей 17 и 18 на шарнирах 15-16 на угол ±α (фиг. 4) и отклонение их векторов тяги Т в поперечной плоскости в одном направлении. Вследствие появления соответствующей горизонтальной составляющей обоих векторов тяги Т, т.е. пропульсивных сил F, ЛПК может начать горизонтальный полет в поперечном направлении.
При отклонении от нейтрали педалей - те же приводы 23 и 24 будут наклонять винтомоторные модули 17 и 18 на угол α в противоположных направлениях в поперечной плоскости. Из-за наклона двух векторов Т в противофазах и действия пропульсивных сил F в противоположных направлениях появится вращающий момент вокруг вертикали, что приведет к развороту ЛПК на месте в нужную сторону.
При отклонении РУ в продольной плоскости произойдет синхронный наклон винтомоторных модулей 21-22 на шарнирах 19 и 20 на угол ±α, что приведет к соответствующему наклону вектора тяги Т вперед или назад. В результате произойдет движение ЛПК в продольном направлении.
Т.е. каждая группа винтомоторных модулей выполняет разные функции:
1-я группа - неподвижные винтомоторные модули 5, 6, 7 и 8 являются подъемными;
2-я группа - наклоняемые в поперечной плоскости винтомоторные модули 17 и 18 являются подъемно-курсовыми;
3-я (дополнительная) группа - наклоняемые в продольной плоскости винтомоторные модули 21-22 являются подъемно-маршевыми.
ЛПК, управляемая летчиком основной кабины 2 (КВС), после взлета и набора безопасной высоты переходит из режима висения в горизонтальный полет. Для этого подъемно-маршевые модули 21-22 плавно переводятся в положение «разгона», в котором они наклонены на углы α (Фиг. 1). При разгоне в горизонтальном полете режим работы всех двигателей 11 задается положением РУД, а при достижении необходимой скорости устанавливают номинальные обороты двигателей. При включенном автопилоте 29 в случае появления возмущающих моментов он обеспечивает горизонтальное стабилизированное положение ЛПК. Этим исключается наклон рамы вперед (как у вертолета), и в результате сниженного лобового сопротивления обеспечивается возможность эффективного набора скорости. Обеспечение продольной устойчивости по тангажу может происходить автоматически дифференциальным изменением величины тяги (т.е. только изменением оборотов двигателей 11) подъемно-курсовых модулей 17 и 18, находящихся в нейтральном (вертикальном) положении. Поперечная устойчивость может обеспечиваться подобным образом, но с участием подъемно-маршевых винтомоторных модулей 21-22.
При подлете к грузу 40 снижают скорость и зависают над ним для подцепки. Заход на подцепку выполняет летчик-оператор из дополнительной кабины 3, он же, после зависания над грузом, маневрированием ЛПК подает стропальщикам грузодержатели 38 для их сопряжения со строповочными элементами груза. После завершения подцепки летчик-оператор выполняет центрирование ЛПК над грузом, вертикальный набор высоты для натяжения канатов и после проверки положения всех элементов внешней подвески (отсутствие заломов, перехлестов и пр.) выполняет вертикальный взлет до отрыва груза от земли и набора безопасной высоты. Затем он передает управление КВС, который выполняет полет к месту установки - монтажа груза. В полете при возникновении возмущающих моментов от аэродинамических сил возможны продольно-поперечные колебания груза, которые ограничиваются стабилизирующими моментами, создаваемыми силами упругости в связях 39. Груз вместе со всей внешней подвеской может совершать крутильные колебания на вертлюге 33 в небольшом диапазоне, ограниченном теми же упругими связями 39. Поэтому в полете груз 40 находится в динамическом равновесии около заданного при подцепке положения.
При выполнении захода на монтаж груза и появлении места его установки в секторе обзора летчик-оператор берет управление на себя. Наблюдая непосредственно зону стыка, он выполняет маневрирование ЛПК, для совмещения принесенного груза 40, например, очередной секции при монтаже высотного сооружения (дымовой трубы или телебашни) с проектными отметками, т.е. с ранее установленной секцией 41, на которой установлены направляющие приспособления - ловители 42. При зависании над объектом, летчик-оператор, работая педалями, согласовывает груз с ловителями по азимуту, для чего независимо от направления ветра, он может выполнять развороты аппарата в любом направлении (в отличие от вертолета). Благодаря упругим связям 39 между траверсой 36 и рамой 1, обеспечиваются синхронные довороты груза 40 вместе с ЛПК. Одновременно минимальными отклонениями РУ в продольном и поперечном направлениях летчик-оператор выполняет наведение груза 40 в створ ловителей 42 и плавным снижением его устанавливает. При этом ловители 42, исправляя допущенные ошибки согласования по азимуту и по месту, могут обеспечить стыковку секций в проектном положении. Все эволюции ЛПК летчик-оператор выполняет с учетом информации от бортоператора, находящегося в основной кабине 2 и наблюдающего обстановку с противоположной стороны груза. Такая технология монтажа отработана на крановых модификациях вертолетов. Но при использовании предлагаемой ЛПК после зависания над объектом система управления (процессор 28 с автопилотом 29) стабилизирует двухмассовую систему «ЛПК + груз», обеспечивая горизонтальное положение рамы 1 без тенденций к завалам и скольжению во всех направлениях, облегчая работу экипажа. Это достигается путем автоматической выработки комплекса команд, подаваемых на двигатели 11 и приводы 23, 24, 25 и 26, с учетом управляющих сигналов от органов управления в кабине 3 и воздействующих на ЛПК внешних факторов (порывы ветра, колебания груза и пр.).
После поступления от монтажников информации (по радио или жестовой сигнализацией) о том, что груз надежно стоит и предварительно закреплен, летчик-оператор выполняет отцепку нижних замков 38 от груза, вертикальный набор высоты и передает управление КВС.ЛПК выполняет полет на посадку или за следующим грузом.
Обратный переходный режим от горизонтального полета к висению и вертикальной посадке выполняется следующим образом. Возвращением РУ в нейтральное положение ЛПК переводится в режим торможения путем установки подъемно-маршевых и подъемно-курсовых винтомоторных модулей 20, 21, 17 и 18 в вертикальное положение, обеспечивающий соответствующее направление вектора тяги. ЛПК зависает над местом посадки и плавно за счет уменьшения тяги всех винтомоторных модулей (посредством РУД) переходит в режим вертикального снижения до касания шасси 4 земной поверхности. При необходимости ЛПК заруливает на стоянку.
На всех этапах полета основные требуемые управляющие моменты, соответствующие выбранному пилотом направлению движения ЛПК, обеспечены наклонами двух групп подвижных винтомоторных модулей в разных комбинациях с изменением тяги, в т.ч. и в группе неподвижных модулей. Это обеспечено системой управления только движителями (винтомоторными модулями), имеющими эффективную пропульсивную силу (без использования дополнительных управляющих моментов, например, от аэродинамических поверхностей и без лишних потерь мощности). В результате может быть обеспечена высокая маневренность на режиме висения, когда становятся реальными малые и сверхмалые перемещения ЛПК в разных направлениях, что важно при выполнении СМР.
За счет разделения винтомоторных модулей на три группы, выполняющие раздельные функции, обеспечено упрощение конструкции приводов и системы управления.
Расположение подъемно-маршевой пары винтомоторных групп на поперечной оси, проходящей через ЦМ, а подъемно-курсовой пары - на продольной оси может исключить появление нежелательных моментов, что позволяет обеспечить упрощение системы управления ЛА.
За счет использования автопилота с функцией стабилизации горизонтального положения летающей платформы-крана может быть обеспечено снижение психофизических нагрузок на экипаж, улучшение условий его работы и повышение производительности при выполнении СМР с повышением уровня безопасности работ.
Предлагаемая концепция летающей платформы-крана содержит базовый вариант оснащения, необходимый и достаточный для выполнения СМР - самого сложного вида авиаработ.