ГИБРИДНЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к авиации, в частности к технике специального назначения беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) гибридного типа, для перевозки грузов, видео съемки или разведки.
Гибридные летательные аппараты имеют, как правило, корпус полужесткой или жесткой конструкции и снабжены силовой установкой с различными типами двигателей. Это могут быть двигатели внутреннего сгорания (поршневые, газотурбинные) или электродвигатели (асинхронные, синхронные, бесщеточные постоянного тока). Для создания беспилотных летательных аппаратов с продолжительностью полета больше двух недель на высоте более 20000 метров подходят только электрические двигатели, поскольку они не потребляют кислород, а в качестве источника энергии могут использовать солнечные батареи.
Известен дистанционно пилотируемый дирижабль, имеющий полужесткий корпус в виде капли, выполненный с возможностью движения вперед, с изменением направления по курсу, высоте и тангажу с помощью электромеханических устройств, получающих питание от солнечной батареи в верхней части корпуса (описание к патенту RU 158073 U1, МПК В64В 1/24).
К недостаткам этого дирижабля можно отнести: длительное время реакции на команду по изменению направления движения за счет разворота корпуса каплевидной формы;
регулирование устойчивости аппарата и управление полетом осуществляется за счет электроприводов воздушных винтов и использования забортного воздуха в качестве балласта, которые являются слишком энергозатратными.
Все эти факторы приводят к повышенному расходу электроэнергии, что требует увеличения емкости аккумуляторов, необходимых для работы аппарата в ночное время, и возрастанию циклов перезарядки аккумуляторов, число которых ограничено. В результате снижается полезная нагрузка и полетное время аппарата.
В качестве прототипа выбран летательный аппарат, включающий торообразный корпус, воздушный подъемный винт, размещенный соосно оси тора, не менее трех воздушных маневровых винтов с горизонтальными осями, размещенных на периферии корпуса, и источник питания двигателей воздушных винтов (описание к патенту FR 2366989, МПК В64В 1/06).
Известный аппарат является пилотируемым и позволяет решать задачи грузоперевозок.
Прототип имеет ряд недостатков, основными из которых являются: использование воздушных маневровых винтов с горизонтальной осью, которые предназначены для устранения вращения корпуса, инициированного вращением основного тягового винта, что усложняет конструкцию аппарата и требует дополнительного расхода энергии, ограничивая его возможности;
дирижабль имеет аэростатическую неуравновешенность, которая устраняется наличием большого количества балласта и тем самым уменьшает полезную грузоподъемность аппарата, что в данном летательном аппарате приводит к дополнительному расходу топлива.
Таким образом, аппарат имеет ограниченное время полета, обусловленное конечным запасом энергоносителя на борту, а также ограниченную высоту полета из-за недостатка кислорода для работы двигателя внутреннего сгорания. Необходимость периодической заправки регламентирует полетное время и сокращает дальность полетов.
В результате снижается полезная нагрузка и полетное время аппарата.
Задача полезной модели - повышение устойчивости в пространстве и управление беспилотнным летательным аппаратом гибридного типа.
Технический результат - устойчивость в пространстве и управление беспилотнным летательным аппаратом, достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате, включающем корпус в виде эллипсоида вращения со сквозным осевым отверстием, два воздушных тяговых винта с нерегулируемым шагом, размещенных соосно в отверстии на оси эллипсоида и закрепленных внутри цилиндра из углепластика, вращающихся в противоположные стороны, установлено не менее трех аккумуляторных батарей, размещенных симметрично относительно оси корпуса и снабженных электроприводами для перемещения аккумуляторных батарей в радиальном направлении по отношению к оси корпуса по симметрично расположенным направляющим осям, блока полезной нагрузки, источник питания двигателей воздушных винтов и электроприводов выполнен в виде солнечной батареи, установленной на наружной поверхности корпуса и соединенной с аккумуляторными батареями и электродвигателями посредством блока управления аппаратом.
На фиг. 1 изображена общая схема беспилотного летательного аппарата, которая содержит следующие обозначения:
1 - корпус в виде эллипсоида вращения - оболочка аэростата;
2 - солнечная батарея;
3 - вентильные электродвигатели основных тяговых винтов;
4 - воздушные тяговые винты;
5 - аккумуляторные батареи;
6 - оси крепления и перемещения аккумуляторных батарей;
7 - конструкция жесткого крепления электродвигателей внутри цилиндра из углепластика посредством шпангоутов и стрингеров;
8 - блок управления аппаратом;
9 - блок полезной нагрузки обтекаемой формы.
Корпус в виде эллипсоида вращения 1, заполняемый водородом, гелием или смесью этих газов, разделен внутри на отсеки, с полужесткой внешней оболочкой. Внутри отсеков смонтированы баллонеты и клапаны впуска выпуска газов (не показаны).
На верхней поверхности корпуса 1 установлена солнечная батарея 2, фотопреобразователи которой соединены с аккумуляторными батареями через электронное устройство управления распределением электрической энергии, блоком управления аппаратом.
К корпусу 1 со стороны его внутреннего радиуса жестко крепятся статоры вентильных электродвигателей 3, вращающих воздушные тяговые винты 4, а также оси крепления и перемещения аккумуляторных батарей 6. Вентильные электродвигатели 3 с воздушными тяговыми винтами 4 создают подъемную силу или силы, опускающие аппарат вниз. При этом не возникает момент, поворачивающий корпус аппарата вокруг его оси. Блок полезной нагрузки 9 крепится к корпусу аппарата 1 в его нижней части и совместно с аккумуляторными батареями 5 играет роль балласта, устраняющего аэростатическую неуравновешенность.
Управление аппаратом в процессе полета осуществляют изменением скорости и направления вращения воздушных тяговых винтов 4 и за счет изменения центра тяжести аппарата путем перемещения аккумуляторных батарей 5, что в совокупности позволяет снизить энергопотребление аппарата.
На старте подъемная сила обеспечивается аэростатической силой корпуса 1 и тягой воздушных тяговых винтов 4. При этом аэростатическая сила с увеличением высоты уменьшается, что компенсируется тягой воздушных винтов 4. Таким образом, набор высоты до примерного значения 15000 м идет наиболее экономичным способом за счет аэростатической подъемной силы, затем основную работу выполняют воздушные тяговые винты 4 электродвигателей 3, которые поднимают аппарат вверх на высоту около 20000 м. На данной высоте максимально эффективно будет работать солнечная батарея 2, так как облачности, препятствующей проникновению солнечного излучения, нет. Для горизонтального перемещения аппарата в заданном направлении по сигналу с блока управления 8 смещается центр тяжести аппарата в этом направлении за счет перемещения аккумуляторных батарей 5. Корпус аппарата, имеющий центральную симметрию, наклоняется, и появляется горизонтальная тяга винтов, которая перемещает аппарат в горизонтальном направлении. Таким образом, не требуется разворачивать аппарат в направлении движения, что является важным качеством беспилотного аппарата.
Электрическая энергия, вырабатываемая солнечной батареей 2, расходуется на питание потребителей полезной нагрузки, питание электродвигателей 3, приводящих во вращение воздушные тяговые винты 4, моторов электроприводов, изменяющих положение центра тяжести аппарата и подзарядку аккумуляторных батарей 5.
Использование преобразования энергии солнечной радиации в электрическую энергию позволяет аппарату не регламентировано находиться в полете. Ночью, когда солнечное излучение прекращается, аппарат начинает снижаться. Аккумуляторные батареи 5 перемещаются к центру и занимают симметричное положение относительно оси корпуса 1. Воздушные тяговые винты работают в режиме авторотации, а электродвигатели 3 переходят в генераторный режим, отдавая энергию аккумуляторным батареям 5. Скорость снижения аппарата замедляется и стабилизируется. На высоте порядка 15000 метров воздушные тяговые винты 4 могут включиться снова для перемещения аппарата в исходную точку, если это потребуется. Утром, когда солнечное излучение возобновляется, аппарат начинает подниматься на заданную высоту. Далее весь цикл повторяется.
Для спуска аппарата предусмотрены впускные и выпускные клапаны в аэростате и включение тяговых электродвигателей в режиме посадки посредством смены направления вращения воздушных винтов.