БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ, АДАПТИВНЫЙ К УСЛОВИЯМ ПРИМЕНЕНИЯ
UNMANNED FLYING VEHICLE ADAPTIVE TO CONDITIONS OF USE

Изобретение относится к области авиационной техники и может найти применение при создании беспилотных летательных аппаратов (БЛА) гражданского и двойного назначения. К эффективности и экономичности летательных аппаратов указанных типов предъявляются весьма жесткие повышенные требования. Показатели эффективности этих летательных аппаратов в значительной мере зависят от ограничений, налагаемых на условия базирования, которые, в свою очередь, зависят от предусмотренных способов старта.
Известен БЛА горизонтального старта «Скаут», который требует для своего базирования выровненной площадки с взлетно-посадочной полосой более 100 метров. Этот БЛА, как и большинство БЛА горизонтального старта, прост по конструкции, экономичен и имеет высокий коэффициент весовой отдачи (масса полезной нагрузки, отнесенная к полной массе ЛА). Силовые установки БЛА горизонтального старта развивают тягу в десятки процентов от их стартового веса. Тяговооруженность этих БЛА µ≅0,3÷0,5. «Коэффициент весовой отдачи» достигает величины
Известен БЛА вертикального старта «Сентинелл» CL-227/337, способный базироваться на площадках ограниченных размеров, протяженностью в несколько десятков метров. Силовые установки этих БЛА должны развивать тягу, превышающую взлетный вес (тяговооруженность µ≅1,1÷1,2); конструкция их отличается повышенной сложностью, а коэффициент весовой отдачи имеет умеренную величину . Близкими характеристиками обладают и БЛА, стартующие с использованием специальных устройств (пусковых установок, транспортно-пусковых установок и т.д.) [1].
Практически все БЛА указанных типов, в том числе и выше приведенные, не обеспечивают необходимых уровней показателей эффективности и стоимости при их применении в невоенных целях, в частности для обеспечения действий при выполнении задач, связанных с ликвидацией чрезвычайных ситуаций, с мониторингом наземных объектов в районах, не имеющих развитой авиационной инфраструктуры. При выполнении указанных задач необходимо обеспечить оперативное и относительно длительное использование БЛА в разнообразных условиях. БЛА вертикального взлета могут быть применены практически всегда, но их эксплуатация приводит к высоким затратам, а масса полезной нагрузки ограничена. БЛА горизонтального старта экономичны и способны нести значительную полезную нагрузку, но могут быть применены только в операционных районах, в которых имеются взлетно-посадочные полосы достаточно большой длины.
Выявляется необходимость создания экономичного БЛА, адаптивного к условиям применения, т.е. способного при базировании на взлетно-посадочные полосы ограниченной длины (соизмеримой с размерами площадок для пуска БЛА вертикального старта) нести полезную нагрузку, превышающую по массе таковую у БЛА вертикального старта, а при этом указанный БЛА должен быть относительно прост по конструкции и способен превышать по массе полезной нагрузки БЛА горизонтального старта при использовании взлетно-посадочных полос равной длины. Перечисленными возможностями потенциально может обладать БЛА с силовой установкой отклоняемого вектора тяги, используемой для обеспечения короткого взлета и посадки (КВП).
Техника КВП довольно глубоко проработана для пилотируемых летательных аппаратов. Одним из наиболее эффективных транспортных самолетов КВП является Ан-74 [2], близкий по назначению и функциональным возможностям к заявленному объекту и принятый поэтому в качестве прототипа. Этот самолет, как и перечисленные БЛА при оперативном применении в слабоподготовленных районах, имеет следующие недостатки:
- ускорение при разбеге имеет малую величину из-за того, что отклонение вектора тяги осуществляется с момента начала движения (согласовано с предварительным отклонением механизации крыла во взлетное положение);
- управление отклонением вектора тяги на взлете слабо согласовано с конкретной величиной взлетной массы;
- управление самолетом и силовой установкой на взлете требует высокой квалификации летчика, принимающего решение при разбеге на основе информации о параметрах движения самолета.
Целью данного изобретения является устранение указанных недостатков и выполнение требований к БЛА гражданского назначения, используемого при выполнении оперативных задач.
Это достигается тем, что силовая установка БЛА снабжается устройством для отклонения вектора тяги с быстродействующим приводом, срабатывающим по сигналу блока адаптивного управления силовой установкой. БЛА осуществляет разбег при неотклоненном векторе тяги (совпадающим по направлению с вектором скорости), чем достигается максимальное ускорение и соответственно минимальная протяженность участка взлетной полосы, необходимой для набора скорости отрыва (с учетом возможностей отклонения вектора тяги). При достижении указанной скорости вектор тяги отклоняется вверх на максимальный угол, определяемый условием достаточности продольной составляющей силы тяги для продолжения полета БЛА на воздушном участке. Такое управление силовой установкой БЛА позволяет полностью использовать возможности силовой установки:
- для сокращения длины разбега БЛА;
- для уменьшения скорости взлета БЛА.
Величина скорости взлета (отрыва) БЛА в данном случае зависит от его массы, аэродинамического качества, тяговооруженности. Эта величина и момент ее достижения (отклонения вектора тяги) определяются блоком адаптивного (к массе и иным характеристикам БЛА) управления силовой установкой. В состав блока входят устройства ввода данных; измеритель скоростного напора; измеритель стартового веса, вычислитель; командное устройство и др.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, на которых представлены:
на фиг.1 - общий вид БЛА;
на фиг.2 - функциональная схема блока адаптивного управления силовой установкой;
на фиг.3 - зоны располагаемых сочетаний нормированных значений взлетной массы и протяженности площадки базирования.
Беспилотный летательный аппарат (фиг.1) включает в себя корпус с оперением (1), в котором размещены оборудование и полезная нагрузка; несущие поверхности (2); силовую установку с устройствами отклонения вектора тяги (3). Устройство отклонения вектора тяги выполняется таким образом, чтобы подвижные элементы имели наименьшие значения массы и моментов инерции, например, в виде совокупности отклоняемых планов [3], чем достигается возможность его срабатывания за наименьший интервал времени по сигналу блока адаптивного управления силовой установкой. Блок адаптивного управления силовой установкой (фиг.2) входит в состав бортового оборудования и включает:
- устройство ввода исходных данных (4);
- измеритель величины стартового веса (5);
- измеритель силы тяги (6);
- вычислитель (7);
- командное устройство (8);
- измеритель скоростного напора (9).
Вычислитель (7) обеспечивает определение величины потребной скорости взлета с учетом исходных данных (о наличии или отсутствии внешних подвесок и т.д.), которые вводятся через устройство (4) оператором; информации о величине стартового веса от устройства (5), снабженного тензометрическими датчиками на конструктивных элементах силовой установки. Величина потребной скорости взлета сопоставляется командным устройством (8) со значением истинной скорости движения БЛА, определяемой по величине скоростного напора с использованием устройства (9). В момент совпадения значений потребной скорости взлета и истинной скорости движения устройство (8) подает исполнительную команду на привод устройства отклонения вектора тяги силовой установки (3).
Расчеты, приведенные с использованием соотношений работы [4], показали, что заявленный БЛА может использоваться с площадок, необходимых для БЛА вертикального и горизонтального старта, обеспечивая повышенные значения массы полезной нагрузки. Сопоставительные расчеты приведены для трех БЛА, имеющих силовые установки, создающие одинаковую тягу: для заявленного адаптивного БЛА; для БЛА вертикального взлета и посадки (БЛА ВВП); для БЛА обычного взлета и посадки (БЛА ОВП).
о
0
0
0
Предполагалось, что БЛА ОВП при номинальной расчетной массе т имеет тяговооруженность µ=0,5 и длина потребной для взлета площадки равна L. БЛА ВВП при той же тяги силовой установки может иметь взлетную массу m≤0,44m. Определение длины разбега при взлете БЛА ОВП и адаптивного БЛА проводилось в предположении, что их аэродинамическое качество во взлетной конфигурации K=5, а коэффициент трения качения шасси по взлетной полосе f=0,1. Предусматривались вариации взлетной массы за счет изменения массы полезной нагрузки. Полученные расчетные допустимые значения взлетной массы m и потребной длины площадки L относились к соответствующим номинальным значениям для БЛА ОВП: , . Результаты расчетов представлены на фиг.3 в виде зон допустимых сочетаний  и  для БЛА ВВП (10); БЛА ОВП (11); заявленного адаптивного БЛА (12). Видно, что адаптивный БЛА может эксплуатироваться с тех же площадей, что и БЛА ОВП и БЛА ВВП, существенно превосходя их по величине взлетной массы и соответственно массы полезной нагрузки
Таким образом, представленное техническое решение адаптивного БЛА позволяет использовать его в различных условиях с большей эффективностью, нежели известные БЛА ОВП и БЛА ВВП, т.е. позволяет создать летательный аппарат, отвечающий современным требованиям к БЛА гражданского и двойного назначения.
Источники информации
1. Основы устройства, проектирования, конструирования и производства летательных аппаратов (дистанционно-пилотируемые аппараты). Под. ред. И.С.Голубева и Ю.И.Янкевича, М., МАИ, 2005 г.
2. Шупков В.Н. Самолеты спецназначения, Минск, «Харвест», 1998 г.
3. Решетчатые крылья в ракетостроении, космонавтике, авиации. Под ред. С.М.Белоцерковского, В.П.Фролова, В.А.Подобедова, В.П.Плаунова, М., «Новый центр», 2007 г.
4. Курочкин Ф.П. Основы проектирования самолетов с вертикальным взлетом и посадкой, М., Машиностроение, 1970 г.