БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ С ДВУМЯ КРЫЛЬЯМИ, К КОТОРЫМ ПРИКРЕПЛЕНЫ ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ
UNMANNED AERIAL VEHICLE WITH TWO WINGS TO WHICH PHOTOELECTRIC ELEMENTS ARE ATTACHED

Настоящее изобретение относится к области проектирования и изготовления беспилотных летательных аппаратов.
Более конкретно настоящее изобретение относится к беспилотным летательным аппаратам с неподвижными крыльями, приводимыми в движение фотоэлектрическими элементами.
Беспилотные летательные аппараты с неподвижными крыльями соответствуют беспилотным летательным аппаратам на электродвигателях, содержащим крыло, обеспечивающее достаточную подъемную силу для полета беспилотного летательного аппарата, начиная с заданной скорости перемещения беспилотного летательного аппарата. Такие беспилотные летательные аппараты «с неподвижным крылом» отличаются от беспилотных летательных аппаратов «с вращающимся крылом», в которых подъемная сила обеспечивается одним или несколькими несущими винтами.
Летательные устройства такого типа могут быть как большими, так и небольшими, а их движение обеспечивается различными электрическими приводами.
Преимуществом беспилотных летательных аппаратов, оснащенных электрическим приводом, работающим от электричества, является большая продолжительность полета. В уровне техники известны, например, такие беспилотные летательные аппараты, предназначенные для длительных полетов на большой или средней высоте.
Электрические аккумуляторы и фотоэлектрические элементы предназначены для обеспечения электрического питания таких беспилотных летательных аппаратов. В течение дня фотоэлектрические элементы обеспечивают подачу электричества для питания беспилотного летательного аппарата и зарядки электрических аккумуляторов. Электрические аккумуляторы работают в ночное время, таким образом беспилотный летательный аппарат будет продолжать полет до тех пор, пока на фотоэлектрические элементы снова не будет падать солнечный свет.
В уровне техники известны решения для увеличения продолжительности полета и грузоподъемности беспилотного летательного аппарата за счет сохранения электрической энергии, выработанной под действием солнечного света.
Следовательно, существуют беспилотные летательные аппараты с одним фюзеляжем и одним несущим крылом, покрытыми фотоэлектрическими элементами, с очень большим относительно длины беспилотного летательного аппарата размахом.
Также известны беспилотные летательные аппараты с несколькими расположенными параллельно фюзеляжами, с большим размахом, причем фюзеляжи и крыло полностью покрыты фотоэлектрическими элементами.
Сюда также относятся беспилотные летательные аппараты с элементами очень большого размера, применяемые для увеличения площади покрытия беспилотного летательного аппарата фотоэлектрическими элементами. Существуют беспилотные летательные аппараты с килем очень большого размера.
Такие разные решения можно использовать для увеличения площади поверхности летательного аппарата, на которой могут быть установлены фотоэлектрические элементы. Однако эти решения характеризуются различными недостатками.
Во-первых, в некоторых конструкциях беспилотных летательных аппаратов во время полета возникают структурные напряжения. Такие структурные напряжения могут возникать вследствие чрезмерного размаха крыльев, и в этом случае необходимо применять высокотехнологичные композитные материалы. Структурные напряжения в таких конструкциях связаны с большим размахом крыльев и высокими производственными затратами на беспилотные летательные аппараты.
Во-вторых, существуют конструкции, которые приводят к некачественному расположению фотоэлектрических элементов относительно элементов конструкции беспилотного летательного аппарата, а следовательно к сокращению общего количества солнечного света, попадающего на фотоэлектрические элементы, прикрепленные к беспилотному летательному аппарату. Было отмечено, например, что в конструкциях с несколькими фюзеляжами на поверхностях беспилотного летательного аппарата, на которых установлены фотоэлектрические элементы, могут образовываться теневые зоны. Поэтому такие конструкции отрицательно сказываются на количестве солнечного света, попадающего на фотоэлектрические элементы, при этом эти же фотоэлектрические элементы увеличивают массу беспилотного летательного аппарата. Таким образом наблюдается ухудшение рабочих характеристик и уменьшение продолжительности полета беспилотного летательного аппарата одной из этих конструкций.
В частности, целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков уровня техники.
Более конкретно, целью настоящего изобретения является предоставление беспилотного летательного аппарата с неподвижным крылом и источником электропитания в виде фотоэлектрических элементов, характеризующегося большей продолжительностью полета по сравнению с уровнем техники.
Другой целью настоящего изобретения является предоставление меньшего беспилотного летательного аппарата по сравнению с беспилотным летательным аппаратом с эквивалентной продолжительностью полета из уровня техники.
Другой целью настоящего изобретения является предоставление беспилотного летательного аппарата, конструкция которого характеризуется несколькими конструктивными ограничениями и оптимизирует способность сохранения электрической энергии за счет применения фотоэлектрических элементов.
Эти и другие цели, которые станут понятными далее, обеспечиваются настоящим изобретением, которое относится к беспилотному летательному аппарату, содержащему:
- фюзеляж;
- силовую установку, питание которой обеспечивается по меньшей мере электрическими аккумуляторами и/или фотоэлектрическими элементами;
- первое крыло, характеризующееся размахом и площадью верхней поверхности, причем верхняя поверхность первого крыла по существу покрыта фотоэлектрическими элементами;
характеризующемуся тем, что содержит второе крыло, у которого:
- размах по сути такой же, как и у первого крыла;
- площадь верхней поверхности по сути такая же, как и у первого крыла;
при этом второе крыло смещено вдоль фюзеляжа и по высоте относительно первого крыла, верхняя поверхность второго крыла по существу покрыта фотоэлектрическими элементами, при этом поперечное сечение фюзеляжа имеет форму равнобедренной трапеции, меньшее основание которой образовано верхней поверхностью фюзеляжа, из которой проходят боковые поверхности фюзеляжа, при этом верхняя поверхность и боковые поверхности фюзеляжа по существу покрыты фотоэлектрическими элементами.
В частности, два крыла беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением имеют по сути те же формы, которые видны на виде сверху.
Более конкретно, крылья находятся в положении, называемом «тандемным расположением крыльев».
Такой беспилотный летательный аппарат обеспечивает более высокую продолжительность полета по сравнению с уровнем техники. Поверхность беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением покрыта фотоэлектрическими элементами на большей площади, чем у беспилотных летательных аппаратов из уровня техники с одним крылом, размах которого равен размаху крыльев беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением.
Более конкретно, такая конструкция способствует увеличению продолжительности полета беспилотного летательного аппарата за счет увеличения его способности улавливать солнечную энергию для подачи питания на силовую установку и для зарядки его аккумуляторов в течение дня, когда на фотоэлектрические элементы падает солнечный свет. Такое увеличение способности улавливания энергии возможно за счет тандемного расположения крыльев, которое устраняет проблемы появления затененных участков, образуемых одним крылом на другом.
Такая оптимизация продолжительности полета беспилотного летательного аппарата связана с его формой, которая ограничивает размер конструкции и появление структурных напряжений.
Тандемная конфигурация крыльев ограничивает размах крыльев беспилотного летательного аппарата. Таким образом, на беспилотный летательный аппарат в соответствии с настоящим изобретением можно установить такое же количество фотоэлектрических элементов, но размах крыльев и габариты будут меньше, чем у беспилотного летательного аппарата из уровня техники с одним крылом, общая площадь которого сравнима с общей площадью крыльев беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением.
За счет такого ограничения размаха крыльев беспилотного летательного аппарата удается избежать появления структурных напряжений, вызываемых наличием одного крыла с большим размахом.
Следовательно, для создания беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением необходимо меньше специальных и дорогостоящих материалов с низкой массой, способных оказывать сопротивление высоким структурным напряжениям.
Также верхняя поверхность и боковые поверхности фюзеляжа открыты для воздействия солнечного света и участвуют в выработке электричества посредством фотоэлектрических элементов, которые на них установлены.
В соответствии с одной преимущественной характеристикой крылья характеризуются «прямой» формой.
За счет такой формы конструкция беспилотного летательного аппарата приспособлена к сверхзвуковым скоростям.
В соответствии с другой преимущественной характеристикой, как показано на виде спереди, первое крыло характеризуется формой отрицательного или положительного угла поперечного V, и согласно виду спереди второе крыло характеризуется формой положительного угла поперечного V.
Такая конструкция способствует увеличению стабильности беспилотного летательного аппарата во время полета.
Предпочтительно второе крыло прикреплено к фюзеляжу с помощью V-образного соединительного кронштейна и расположено над фюзеляжем.
За счет такой формы соединительного кронштейна воздух проходит между фюзеляжем и вторым крылом, расположенным выше самого фюзеляжа. Это способствует улучшению аэродинамических свойств беспилотного летательного аппарата, а его лобовое сопротивление уменьшается, при этом не нарушая жесткость конструкции верхнего крыла на фюзеляже.
Преимущественно панель фотоэлектрических элементов прикреплена в центре верхней поверхности фюзеляжа, причем панель фотоэлектрических элементов расположена параллельно по всей длине фюзеляжа.
В соответствии с одним вариантом осуществления ширина панели фотоэлектрических элементов равна ширине фюзеляжа.
В соответствии с другим вариантом осуществления ширина панели фотоэлектрических элементов больше ширины фюзеляжа и имеет симметричный профиль, а при нулевом угле установки подъемная сила равна нулю.
Такая панель дает повышение способности беспилотного летательного аппарата улавливать максимальное количество солнечного света. Профиль панели обеспечивает максимальное уменьшение подъемной силы и вызванного лобового сопротивления при нулевом угле установки.
В соответствии с другим вариантом осуществления беспилотный летательный аппарат содержит по меньшей мере одну пару профильных панелей фотоэлектрических элементов, отдельных от крыльев, причем профильные панели каждой пары прикреплены к фюзеляжу и симметрично распределены на двух поверхностях фюзеляжа, причем каждая профильная панель имеет изогнутый профиль, который на заданной крейсерской скорости и высоте обеспечивает подъемную силу беспилотного летательного аппарата, которая может компенсировать массу указанной профильной панели при нулевом угле установки.
Благодаря таким профильным панелям беспилотный летательный аппарат оснащается дополнительными фотоэлектрическими элементами, основа которых (профильная панель) обеспечивает возможность компенсации массы за счет аэродинамической формы, когда беспилотный летательный аппарат движется на крейсерской высоте с крейсерской скоростью.
Преимущественно одна или несколько пар профильных панелей смещены по высоте на фюзеляже относительно первого и второго крыла.
Таким образом турбулентность, создаваемая крыльями и/или профильными панелями, оказывает минимальное воздействие на компоненты конструкции, расположенные сзади по воздушному потоку.
Предпочтительно беспилотный летательный аппарат содержит две пары профильных панелей фотоэлектрических элементов, отдельных от крыльев, включая переднюю пару и заднюю пару, причем:
- передняя пара расположена между вторым крылом и первым крылом, расположенным на переднем конце фюзеляжа;
- задняя пара расположена между вторым крылом и задним концом фюзеляжа.
Таким образом, применение четырех профильных панелей сводит к минимуму образование затененных участков на профильных панелях от второго крыла.
Более того, в такой конфигурации передняя пара и задняя пара могут быть смещены по высоте относительно друг друга для уменьшения воздействия турбулентности, вызванной передней парой, на заднюю пару.
В соответствии с одной преимущественной характеристикой фюзеляж содержит отсек для полезного груза, расположенный в переднем конце фюзеляжа спереди крыльев.
Например, полезным грузом может быть камера. Отсек может состоять из прозрачного отделения, проходящего вдоль фюзеляжа, для обеспечения максимальной аэродинамичности.
За счет размещения спереди двух крыльев конструкцию фюзеляжа можно оптимизировать для повышения сопротивляемости крутящим усилиям, возникающим между двумя крыльями. Таким образом в части фюзеляжа между двумя крыльями нет дефектов конструкции, которые могут быть вызваны созданием отсека для полезного груза.
Такая компоновка также дает возможность поместить полезный груз спереди центра подъемной силы беспилотного летательного аппарата, тем самым повышая стабильность беспилотного летательного аппарата во время полета.
В соответствии с одним характерным вариантом осуществления беспилотный летательный аппарат характеризуется наличием по меньшей мере одной нижней поверхности, на которой расположены фотоэлектрические элементы.
Эти фотоэлектрические элементы, расположенные на, по меньшей мере, нижней поверхности беспилотного летательного аппарата, могут собирать альбедо Земли (излучение, отражаемое от поверхности Земли). Оснащенный таким образом беспилотный летательный аппарат особенно подходит для выполнения долгосрочных заданий в регионах с заснеженными или покрытыми льдом поверхностями (так как снег или лед характеризуются высокой способностью отражать энергию света).
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после прочтения подробного описания со ссылками на предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения, приведенные в качестве неограничивающего примера, и прилагаемые фигуры, на которых:
- на фиг. 1 и 2 схематически показан вид сбоку и спереди соответственно первого варианта осуществления беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 3 схематически показан вид поперечного сечения первого типа фюзеляжа беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 4 схематически показан вид сверху первого варианта осуществления беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 5 схематически показан вид поперечного сечения второго типа фюзеляжа беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 6 и 7 схематически показан вид спереди и сверху соответственно второго варианта осуществления беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением;
- на фиг. 8, 9 и 10 схематически показан вид сбоку, спереди и сверху соответственно третьего варианта осуществления беспилотного летательного аппарата в соответствии с настоящим изобретением;
Как показано на фиг. 1, 2, 4, 6-10, беспилотный летательный аппарат 1 в соответствии с настоящим изобретением содержит фюзеляж 2 и два крыла, расположенных тандемно. Такой фюзеляж представляет собой единое целое и имеет удлиненную форму.
Более конкретно, беспилотный летательный аппарат 1 содержит первое крыло 4 и второе крыло 5. Эти два крыла характеризуются по сути одинаковой формой. Первое крыло характеризуется наличием верхней поверхности, характеризующейся размахом и площадью поверхности, которые по сути такие же, как размах и площадь верхней поверхности второго крыла. Эти два крыла смещены относительно друг друга вдоль фюзеляжа и по высоте.
Как видно на фиг. 1 и 8, первое крыло 4 расположено на переднем конце фюзеляжа 2, а второе крыло - приблизительно в центре фюзеляжа и над ним.
В частности, второе крыло прикреплено к фюзеляжу за счет соединительного кронштейна 6. Как показано на фиг. 2, 6 и 9, соединительный кронштейн является V-образным. Такая конструкция соединительного кронштейна обеспечивает более свободное прохождение воздуха между второй парой крыльев и фюзеляжем.
Как видно на фиг. 4, 7 и 10, первое крыло 4 содержит рули 10 высоты, на заднем конце фюзеляжа 2 расположен руль 11 направления, а второе крыло 5 оснащено элеронами 12.
Беспилотный летательный аппарат содержит силовую установку (не показана), питаемую, по меньшей мере, электрическими аккумуляторами и/или фотоэлектрическими элементами 3. Такая силовая установка может быть представлена в виде одного или нескольких электродвигателей с винтами, прикрепленными к фюзеляжу и/или крыльям.
Фотоэлектрические элементы 3 обеспечивают подачу питания на силовую установку беспилотного летательного аппарата 1 и зарядку его электроаккумуляторов во время попадания на них солнечного света.
Крылья расположены тандемно и увеличивают общую площадь направленных вверх поверхностей беспилотного летательного аппарата.
Следовательно, как показано на фиг. 1, 2, 4, 6-10, верхняя поверхность первого крыла 4 и верхняя поверхность второго крыла 5 по существу покрыты фотоэлектрическими элементами 3. Тандемная конфигурация сокращает возникновение затененных участков от второго крыла, расположенного выше первого крыла относительно фюзеляжа.
Беспилотный летательный аппарат в соответствии с настоящим изобретением позволяет оптимизировать общую площадь поверхности, которая может быть покрыта фотоэлектрическими элементами.
Таким образом, в соответствии с первым вариантом осуществления, показанным на фиг. 2-4, поперечное сечение фюзеляжа 2 имеет форму равнобедренной трапеции. Наименьшее основание этой трапеции образовано верхней поверхностью фюзеляжа 2, из которой проходят боковые поверхности фюзеляжа. Эта верхняя поверхность и боковые поверхности фюзеляжа по существу покрыты фотоэлектрическими элементам 3.
Как видно на фиг. 3, углы А образованы верхней поверхностью и боковыми поверхностями фюзеляжа. Эти углы А обеспечивают оптимизацию среднего количества солнечного света, падающего на фотоэлектрические элементы 3, расположенные на верхней и боковых поверхностях фюзеляжа.
В соответствии со вторым вариантом осуществления, показанным на фиг. 5-7, беспилотный летательный аппарат 1 содержит панель 7 фотоэлектрических элементов 3, расположенную в центре верхней поверхности фюзеляжа 2 и прикрепленную к ней. Панель фотоэлектрических элементов проходит по существу по всей длине фюзеляжа.
В соответствии с этим вариантом осуществления ширина панели 7 больше ширины фюзеляжа 2. Панель характеризуется симметричным профилем с нулевой подъемной силой при нулевом угле установки.
Как видно на фиг. 6, фюзеляж 2 характеризуется наличием боковых поверхностей и нижней поверхности, так что поперечный профиль нижней поверхности изогнут в направлении вниз. V-образный соединительный кронштейн 6 расположен вдоль боковых поверхностей фюзеляжа. Более конкретно, соединительный кронштейн состоит из двух частей, каждая из которых прикреплена к фюзеляжу на верхнем конце боковой поверхности и проходит вверх от фюзеляжа, причем расстояние между двумя частями увеличивается с увеличением расстояния от фюзеляжа.
Следовательно, фюзеляж характеризуется U- или V-образным поперечным профилем, проходящим вверх.
Таким образом, соединительный кронштейн соединен с фюзеляжем более естественным способом, в результате чего оптимизируются аэродинамические свойства беспилотного летательного аппарата и действующие на него структурные напряжения.
В соответствии с третьим вариантом осуществления, показанным на фиг. 8-10, беспилотный летательный аппарат 1 содержит две пары профильных панелей 8 фотоэлектрических элементов 3, отдельных от крыльев.
Профильные панели каждой пары симметрично распределены и прикреплены к каждой стороне фюзеляжа.
В частности, профильные панели прикреплены к фюзеляжу посредством поворотных осей 80, вокруг которых они свободно двигаются. Угол установки каждой профильной панели может быть изменен посредством поворотных осей. Более конкретно, профиль этих профильных панелей изогнут и на заданной крейсерской скорости и высоте придает профильным панелям подъемную силу, достаточную для компенсации массы профильной панели при нулевом угле установки.
Как видно на фиг. 9, пары профильных панелей 8 по существу смещены по высоте относительно друг друга на фюзеляже 2 и относительно первого крыла 4 и второго крыла 5. Начиная снизу беспилотного летательного аппарата 1, последовательно расположены первое крыло 4, первая пара профильных панелей 8, а затем вторая пара профильных панелей на верхнем конце фюзеляжа 2 и наконец второе крыло 5, расположенное над фюзеляжем.
Как видно на фиг. 8 и 10, две пары профильных панелей 8 состоят из передней пары и задней пары, причем передняя пара расположена между вторым крылом и первым крылом, а задняя пара расположена между вторым крылом и задним концом фюзеляжа. Как показано на фиг. 10, верхние поверхности крыльев и профильных панелей не расположены одна над другой. Фотоэлектрические элементы 3, расположенные на этих профильных панелях 8, не попадают в тень от крыльев.
Наконец в соответствии с четвертым вариантом осуществления, показанным на фиг. 8, беспилотный летательный аппарат 1 содержит фотоэлектрические элементы 3 на, по меньшей мере, одной нижней поверхности, предназначенные для сбора альбедо Земли. Более конкретно, нижняя поверхность фюзеляжа 2, нижние поверхности первого крыла 4 и второго крыла 5 и нижние поверхности профильных панелей 8 снабжены фотоэлектрическими элементами 3.
Очевидно, что эти характеристики можно объединить друг с другом для увеличения общей площади поверхности беспилотного летательного аппарата, предназначенной для установки фотоэлектрических элементов.
Так, например, если поперечное сечение фюзеляжа беспилотного летательного аппарата имеет форму равнобедренной трапеции (боковые поверхности оснащены фотоэлектрическими элементами), беспилотный летательный аппарат может быть оснащен профильными панелями фотоэлектрических элементов. В этом случае такие профильные панели предпочтительно прикрепляют в нижнем положении на боковых поверхностях во избежание образования большого количества тени на боковых поверхностях с фотоэлектрическими элементами.
Наконец, в соответствии с вариантом осуществления, показанным на фиг. 1 и 8, фюзеляж 2 содержит отсек 9, в котором может быть установлен полезный груз. Этот отсек 9 расположен на переднем конце фюзеляжа спереди крыльев, так что наличие отсека не приводит к появлению структурных напряжений в фюзеляже между двумя крыльями.