Устройство спасения летательного аппарата

Область техники, к которой относится полезная модель
Полезная модель относится к устройствам, предназначенным для использования в воздушном транспорте для смягчения удара, преимущественно летательных аппаратов (ЛА) в аварийных ситуациях при соприкосновении с поверхностью. Устройство может использоваться как в пилотируемых аппаратах, так и беспилотных.
Уровень техники
Из уровня техники известна быстродействующая система амортизации для аварийного приземления летательного аппарата (RU 2443604, B64D 1/14, опубл. 27.02.2012). Быстродействующая система амортизации для аварийного приземления летательного аппарата содержит источник газонаполнения и оболочку с надуваемым элементом, одно из оснований которой прикреплено к нижней части фюзеляжа летательного аппарата в центре тяжести. Оболочка с надуваемым элементом выполнена в виде основного надувного устройства, представляющего собой замкнутый пневмокаркасный амортизирующий контур, наполняемый источником газа, состоящий из нижнего и верхнего надувных горообразных оснований, связанных надуваемыми стойками, и дополнительного наполняемого демпфирующего устройства, представляющего оболочку, сообщающуюся с внешней окружающей средой посредством перепускных отверстий, расположенных на внешней боковой поверхности, размещенную внутри пневмокаркасного амортизирующего контура. Верхнее основание пневмокаркасного амортизирующего контура выполнено меньшего диаметра, чем нижнее основание и прикреплено к нижней части фюзеляжа летательного аппарата.
Полезная модель направлена на снижение нагрузки при аварийной посадке. Быстродействующая система амортизации (БСА) предназначена для демпфирования ударных нагрузок.
Минусами данной системы спасения является: система амортизации выполнена в одном комплексе и занимает большой объём, большая парусность аппарата во время старта, а также большая вероятность повреждения аппарата.
Сущность полезной модели
Задачей настоящей полезной модели является обеспечение мягкой посадки в заданном районе земной поверхности с перегрузками, которые испытывает летательный аппарат (ЛА). Величина перегрузок и динамических нагрузок на элементы конструкции аппарата зависят от посадочной массы, посадочной скорости и характера посадки, а также плотности грунта заданного района. Система спасения включает в себя парашютную систему + пневматическую систему посадки, которая должна обеспечить посадку ЛА на конечном этапе спуска на неподготовленную площадку.
Технический результат заключается в повышении безопасности аварийного приземления летательного аппарата.
Заявленный технический результат обеспечивается за счет того, что устройство спасения летательного аппарата, содержащее парашютную, пневматическую системы, систему управления и силовые кабели, соединяющие систему управления устройства спасения, парашютную и пневматические системы, при этом парашютная система расположена в обтекателе, выполненном с возможностью закрепления парашютной системы на летательном аппарате, и состоит из установленных в обтекатель контейнера с парашютом, газогенерирующего устройства, выполненного в виде пиротехнического устройства, предназначенного для создания давления выброса в пространстве между дном обтекателя и дном контейнера в метательном механизме, и метательного механизма, расположенного под контейнером и выполненного с возможностью выброса контейнера и вытягивания парашюта, а пневматическая система состоит из трех пневмоамортизаторов, каждый из которых оснащен клапаном стравливания воздуха и расположен в сложенном состоянии в контейнере, при этом пневмоамортизаторы выполнены с возможностью раскрытия, а каждый контейнер каждого пневмоамортизатора выполнен с крышкой и с механизмом ее отстрела, причем контейнеры с пневмоамортизаторами расположены по одному в носовой части летательного аппарата и по одному в каждой консоли крыла летательного аппарата, и по меньшей мере одного баллона со сжатым воздухом, расположенного в корпусе фюзеляжа, и соединенного воздушными кабель-каналами с каждым пневмоамортизотором, причем управляющая система выполнена с возможностью подачи сигнала по силовым кабелям на пневматическую и парашютные системы.
В частном случае реализации заявленного технического решения парашют парашютной системы представляет собой парашют типа КС-1000.
В частном случае реализации заявленного технического решения парашютная система закреплена на фюзеляже летательного аппарата.
В частном случае реализации заявленного технического решения парашютная система размещена внутри фюзеляжа летательного аппарата, при этом летательный аппарат снабжен люком в фюзеляже для выхода контейнера парашютной системы.
В частном случае реализации заявленного технического решения контейнер парашютной системы выполнен с обтекателем.
В частном случае реализации заявленного технического решения обтекатель изготовлен из стеклопластика.
В частном случае реализации заявленного технического решения пневмоамортизаторы в выпущенном положении представляют собой два спаренных цилиндрических баллона.
В частном случае реализации заявленного технического решения баллоны пневмоамортизаторов выполнены из эластичного материала типа ПВХ с элементами армирования из металлического материала.
Краткое описание чертежей
Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного технического решения с использованием чертежей, на которых показано:
Фиг.1 – баллон в обжатом состоянии
Фиг.2 – общий вид парашюта КС-1000
Фиг.3 – схема пневмоамортизатора
Фиг.4 – пневмоамортизаторы в выпущенном положении
Фиг.5 – расположение мест крепления в аппарате
Фиг.6 –расположение зоны размещения парашюта
Фиг.7 – конструкция крыла ЛА
Фиг.8 – этапы работы системы
Фиг.9 – корпус
Фиг.10 – парашют
Фиг.11 – метательный механизм
Фиг.12 – конструкция ЛА
Фиг.13 – блок схема системы управления.
На фигурах обозначены следующие позиции:
1 – зона размещения контейнеров пневмоамортизаторов; 2 – зона крепления строп парашюта; 3 – контейнер быстродействующего парашютного контура спасения; 4 – створки люка; 5 – передняя стенка крыла; 6 – лонжерон крыла; 7 – лонжерон элевона; 8 – гондолы с приводами поворота киля; 9 – крышка контейнера; 10 – обтекатель; 11 – купол парашюта; 12 – стропы; 13 – соединительное звено; 14 – гайка; 15 – винт; 16 – пружина; 17 – ударник; 18 – корпус затвора; 19 – контргайка; 20 – патрон аварийно-спасательный; 21 – ствол с резьбовой втулкой; 22 – уплотнительные кольца; 23 – гайка; 24 – направляющая ствола с наконечником; 25 – силовой кабель; 26 – лонжероны; 27 – зона размещения баллонов со сжатым воздухом; 28 – зона размещения блока метательного механизма; 29 – раздвоенные элевоны (могут использоваться как тормозной щиток); 30 – блок управления системами спасения; Rа – радиус закругления пневмобаллона в раскрытом состоянии; б – длина пневмобаллона, не включая законцовки; øв – диаметр пневмобаллона; г – длина пневмобалона в сложенном состоянии; д – ширина пневмобаллона в сложенном состоянии; е – высота пневмобаллона в сложенном состоянии; ДК – датчик контроля; ДКО – датчик отстрела крышки; ДО – датчик открытия крышки люка; ПВД – приемник воздушного давления; ДД – датчик давления надува баллонов пневматической систем.
Раскрытие полезной модели
Устройство спасения летательного аппарата состоит из парашютной системы, пневматической системы и системы управления. Функциональное объединение данных систем происходит за счет системы управления, сигнал для механического перемещения органов спасения формируется в системе управления.
Система управления устройством спасения летательного аппарата также соединена с системой управления летательного аппарата и состоит из блока обработки и передачи информации, соединенного с датчиками контроля (ДК), датчиком отстрела крышки (ДОК), датчиками открытия (ДО), датчиками отстрела крышки люка (ДОКЛ) парашютной системы, приемником воздушного давления (ПВД) и датчиками давления (ДД) надува баллонов пневматической системы.
При этом все элементы устройства соединены сборочными операциями, образуя единое конструктивное техническое решение.
Парашютная система предназначена для безопасного снижения и приземления экипажа с летательным аппаратом. Парашютная система выполнена в контейнере с обтекателем. Обтекатель предназначен для закрепления парашютной системы на летательном аппарате, защиты контейнера с парашютной системой от механических и климатических воздействий, обеспечения заданного направления выброса контейнера; метательного механизма, предназначенного для обеспечения выброса контейнера и вытягивания парашютного контура; газогенерирующего устройства, предназначенного для создания давления выброса в метательном механизме; силового кабеля, идущего от системы управления, предназначенного для приведения в действие газогенерирующего устройства.
При этом обтекатель предназначен для: защиты контейнера с парашютом от механических и климатических воздействий; закрепления системы на летательном аппарате; обеспечения заданного направления выброса контейнера. Обтекатель изготовлен из стеклопластика. В дно обтекателя вклеена металлическая шайба с резьбовым отверстием для установки затвора метательного механизма. На одной из стенок обтекателя, являющейся его основанием, конструктивно выполнен прилив, в который изнутри обтекателя вклеена металлическая пластина с 8-ю анкерными гайками, составляющая основу узла крепления системы к летательному аппарату.
Метательный механизм расположен снизу контейнера БПС, предназначен для обеспечения выброса контейнера и вытягивания парашюта. Составные части метательного механизма: затвор, направляющая ствола, ствол, шариковый замок и предохранительная булавка.
Газогенерирующее устройство представляет собой пиротехническое устройство, при помощи которого в пространстве между дном корпуса и дном контейнера образуется избыточное давление, под воздействием которого контейнер с парашютом выбрасывается в пространство, где контейнер распадается и освобождает парашют, который в дальнейшем раскрывается под воздействием набегающего потока воздуха.
Силовой кабель предназначен для передачи системе управления сигнала на срабатывание метательного механизма.
Летательный аппарат для установки БПС содержит крепежные элементы для крепления контейнера парашютной системы и узла отцепки от него. При этом в конструкции летательного аппарата предусмотрен узел крепления монтажной площадки или упорного узла обтекателя БПС на силовом элементе летательного аппарата. Силовым элементом аппарата может выступать лонжерон фюзеляжа, расположенный в непосредственной близи с БПС. На одной из стенок обтекателя, являющейся его основанием, конструктивно выполнен прилив, в который, изнутри обтекателя, вклеена металлическая пластина с 8-ю анкерными гайками, составляющая основу узла крепления системы к летательному аппарату.
В конструкции летательного аппарата предусмотрен узел крепления соединительного звена парашютной системы или промежуточной подвесной системы с учетом возникающих перегрузок 6g в момент раскрытия парашюта.
В варианте реализации заявленного технического решения при размещении парашютной системы внутри фюзеляжа летательный аппарат выполнен с откидным или выбиваемым люком в фюзеляже для выхода контейнера парашютной системы (см. фиг.5). При этом парашютная система выполнена с возможностью обеспечения периодического монтажа, демонтажа систем и профилактического осмотра.
Номенклатура парашютных систем, предлагаемых промышленностью и апробированных в условиях полета, схожих с условиями эксплуатации аппарата (для различных масс аппарата, скоростей применения, скоростей снижения и масс ЛА), достаточно широка, в заявленном техническом решении применен парашют типа КС-1000. При этом параметры парашюта определяются в зависимости от характеристик летательного аппарата (масса аппарата в момент срабатывания БПС и желаемый диапазон высот, скоростные характеристики спуска аппарата, обеспечение минимальной или определенной скорости парашютирования).
Пневматическая система посадки должна обеспечить посадку ЛА на конечном этапе спуска на неподготовленную площадку.
Пневматическая система состоит из трех пневмоамортизаторов, расположенных по одному в носовой части летательного аппарата и по одному в каждой консоли крыла летательного аппарата. Пневматическая система состоит из:
• трех пневмоамортизаторов (пневматических баллонов), оснащенных клапаном стравливания воздуха, чтобы обеспечить нужное обжатие и обеспечить плавное спускание без риска отбрасывания аппарата
• трех контейнеров для пневмоамортизаторов, в которых они укладываются, контейнеры оснащаются крышкой и механизмом ее отстрела
• баллона или баллонов со сжатым воздухом для обеспечения необходимого давления в пневмоамортизаторе при приземлении (в данном варианте исполнения баллоны располагаются в корпусе фюзеляжа, воздух поступает за счет воздушных кабель-каналов, соединяющих баллон и пневмоамортизотор).
В выпущенном перед приземлением положении один из пневмоамортизаторов находится под носовой частью, два других – под консолями крыла. Каждый пневмоамортизатор в выпущенном положении представляет собой два спаренных цилиндрических баллона.
Каждый пневмоамортизатор в сложенном состоянии укладывается в контейнер и устанавливается внутри носовой части и консолей крыла. Конструкция контейнера представляет собой металлический короб с выбиваемой крышкой. Пневматическая система содержит балоны со сжатым воздухом, для каждого пневмоамортизатора предусмотрен свой балон со сжатым воздухом.
Баллоны пневмоамортизаторов выполнены из эластичного материала типа ПВХ с элементами армирования из металлического материала. Наддув баллонов воздухом до рабочего давления осуществляется после выпуска их в рабочее положение. Наддув баллонов происходит за счет сжатого воздуха из баллонов.
Габариты пневмоамортизаторов в сложенном состоянии:
Радиус закругления пневмоамортизатора в раскрытом состоянии Rа=300;
Длина пневмобаллона, не включая законцовки б=800;
Диаметр пневмобаллона øв=600;
Длина пневмобаллона в сложенном состоянии г=500;
Ширина пневмобаллона в сложенном состоянии д=170;
Высота пневмобаллона в сложенном состоянии е=100
Пример.
Приведем пример данной комбинированной системы спасения на основе парашютной и пневматической систем в тандеме с ЛА.
Основным исходным положением является величина энергии, погашаемой при срабатывании пневмоамортизаторов:
Для каждого из трёх пневмоамортизаторов величина погашаемой энергии составляет Е=14822,5 Н⋅м.
При обжатии пневмоамортизаторов на 0,3 м в каждом из них возникает сила, которую необходимо погасить. При этом принимаем, что перегрузка при обжатии баллонов равна 5. Следовательно, сила равна:
F = 14822,5/0,3⋅5 = 247041,5 Н.
Эта сила должна быть уравновешена давлением воздуха в баллонах, распределённым по площади касания земной поверхности после обжатия.
Отсюда можно посчитать какое рабочее давление должно быть в баллоне:
Известно, что надувные лодки, широко эксплуатируемые в условиях реки и моря, изготавливаются также из материала типа ПВХ и наддуваются воздухом с давлением 2,0 атм.
Таким образом, можно сказать, что рассмотренная конструкция пневмоамортизаторов для обеспечения приземления ЛА при принятых условиях работоспособна и в сложенном состоянии может быть размещена в конструкции планера.
Рассмотрим готовые решения быстродействующих парашютных систем (БПС)
Возможно применение готового парашюта КС-1000, рассчитанного на вес спасаемого летательного аппарата до 1000 кг.
Парашют обеспечивает спасение ЛА со скорости полета 310 км/ч в диапазоне высот от 40 до 4000 метров со скоростью снижения 7,7 м/с.
Парашют КС-1000 имеет габариты 225×280×630 и массу 30 кг.
Анализ траектории снижения ЛА показывает, что скорость, соответствующая требованиям по началу работы парашютной системы спасения (порядка 300 км/ч), реализуется в диапазоне высот 4000…1000 м.
На случай аварийной посадки ЛА (расчетный случай – увеличение посадочной массы ЛА до 2200 кг) могут рассматриваться два варианта:
- организация парашютной системы с использованием парашюта типа КС-2500 (масса парашютной системы КС-2500 составляет 50 кг, то есть на 20 кг превышает рассмотренный штатный вариант), что не приведет к значимым изменениям энерго-массовых характеристик ЛА при решении задачи;
- посадка с использованием парашютной системы КС-1000 с вертикальной посадочной скоростью 10,9 м/с. Увеличение посадочной скорости в этом случае компенсируется за счет разрушения системы мягкой посадки с последующей ее заменой без влияния на конструкцию ЛА.
Для расчётной оценки параметров пневмоамортизаторов приняты следующие условия:
ЛА перед приземлением 1000 кг;
для расчёта принимается масса 1500 кг (с коэффициентом 1,5);
масса величина обжатия каждого баллона 300 мм;
2
площадь касания земной поверхности каждым пневмоамортизатором в обжатом состоянии S = 1,342 м;
вертикальная скорость полёта при приземлении 7,7 м/с – данные принятой системы парашютного спасения.
Основным исходным положением является величина энергии, погашаемой при срабатывании пневмоамортизаторов:
При обжатии пневмоамортизаторов на 0,3 м в каждом из них возникает сила, которую необходимо погасить. При этом принимаем, что перегрузка при обжатии баллонов равна 5. Следовательно, сила равна 247041,5 Н.
Эта сила должна быть уравновешена давлением воздуха в баллонах, распределённым по площади касания земной поверхности после обжатия.
Отсюда посчитанное рабочее давление будет составлять 1,82 атм.
Таким образом, рассмотренная конструкция пневмоамортизаторов для обеспечения приземления ЛА при принятых условиях работоспособна и в сложенном состоянии может быть размещена в конструкции планера.
Данная комбинированная система спасения на основе парашютной и пневматической систем имеет непосредственные плюсы:
- система мягкой посадки более надежна за счет деления системы на отдельные агрегаты, независимые друг от друга;
- аппарат более устойчивый при срабатывании системы мягкой посадки за счет расположения пневмоамортизаторов (один из них в выпущенном перед приземлением положении находится под носовой частью, два других – под консолями крыла)
- объем занимаемого пространства системы мягкой посадки существенно уменьшен за счет деления системы на отдельные агрегаты;
- уменьшение массы парашютной системы за счет уменьшения количества строп (до одной). Стабилизация в пространстве осуществляется за счет расположения зоны крепления строп парашюта впереди центра масс.
Действия системы управления:
1.  Задействование тормозного щитка, путем подачи сигнала на элевоны, на угол 45° для уменьшения скорости снижения аппарата до заданной (расчетной)
2.  Сигнал на открытие створок люка
3.  Подача сигнала на метательный механизм
4.  Сигнал на механизмы отстрела крышек контейнеров пневмоамортизаторов
5.  Сигнал на открытие клапанов баллонов со сжатым воздухом
Работа комбинированной системы спасения ЛА на основе парашютной и пневматической систем средств спасения происходит в несколько этапов. Покажем основные, относящиеся непосредственно к работе системы.
1 этап – открытие створок люка ЛА, выбрасывание контейнера с парашютной системой;
2 этап – выход из контейнера тормозного каскада с последующим вытягиванием основного парашюта;
3 этап – спуск ЛА под парашютной системой;
4 этап – открытие люков пневмоамортизаторов, наддув баллонов;
5 этап – приземление, происходит гашение кинетической энергии ЛА за счет работы воздушных амортизаторов. Происходит процесс стравливания воздуха при наличии избыточного давления, обеспечивающий достаточную энергоемкость и отсутствие «подскока» после удара о землю.