Способ запуска и разгона беспилотных летательных аппаратов с турбореактивным двигателем и устройство для его осуществления
METHOD FOR LAUNCHING AND ACCELERATING UNMANNED AERIAL VEHICLES WITH A TURBOJET ENGINE AND A DEVICE FOR ITS IMPLEMENTATION

Область техники
Изобретение относится к ракетной технике, а именно к системам взлета и разгона беспилотных летательных аппаратов.
Уровень техники
Одним из главных этапов влета любого летательного аппарата с земной поверхности является разгон его до скорости, на которой обеспечивается требуемая для полета подъемная сила и устойчивость (так называемой эволютивной скорости).
Из уровня техники известны различные решения, направленные на реализацию способов разгона летательных аппаратов до эволютивной скорости, такие как:
- Взлет по самолетному принципу;
- Взлет за счет создания избыточной тяги, превышающей вес БПЛА;
- Разгон летательного аппарата с помощью катапульты.
Изобретение относится к катапультному способу разгона беспилотных
летательных аппаратов.
Способ запуска в существующих катапультах заключается в создании и накоплении энергии, с последующим преобразованием ее в силу, позволяющую разогнать летательный аппарат по направляющим устройствам.
Конкретными примерами могут служить:
- катапульты на упругих элементах;
- катапульты пневматические;
- катапульты паровые (на авианосцах);
- катапульты электромагнитные (рельсотроны).
Все приведенные выше примеры катапульт имеют внешние источники энергии и рельсовые направляющие, по которым движется разгоняемый аппарат.
Катапульты на упругих элементах используют чаще всего в качестве накопителя энергии резиновые шнуры. Имея достаточно простую конструкцию, данные катапульты используются только для разгона очень легких БПЛА и имеющих малую эволютивную скорость. Это связано с малой энергоемкостью упругих элементов катапульты.
Катапульты пневматические используют для разгона энергию сжатого газа, накапливаемую в баллонах высокого давления (ресивера). В состав катапульты входят:
- рельсовые направляющие;
- ресиверы высокого давления;
- компрессоры высокого давления;
- пневматические цилиндры;
- трансмиссии, передающие энергию на каретку, движущуюся по направляющим, к которой прикреплен летательный аппарат;
- устройства торможения движущихся механизмов для гашения остаточной энергии поршня и трансмиссии после запуска ЛА.
Пневматические катапульты достаточно эффективны для разгона БПЛА и широко применяются в различных беспилотных комплексах. Однако, они имеют громоздкую конструкцию, сложны и небезопасны в эксплуатации и малый ресурс агрегатов.
Паровые катапульты используются на авианосцах. По сути это пневматические катапульты, использующие имеющуюся на борту энергию, вырабатываемую ходовыми паровыми котлами. Для запуска БПЛА в сухопутных условиях их применение нецелесообразно.
Набирающие в настоящее время популярность электромагнитные катапульты имеют преимущества в управляемость скорости и ускорения разгона, что очень важно для плавного и равномерного разгона самолетов. Но применение рельсотронов в комплексах беспилотных летательных аппаратов в настоящее время не оправдано.
Известен минометный способ старта, который широко используется в практике запуска ракет различного назначения.
В Википедии дано следующее определение минометного старта:
«Минометный старт («холодный» старт) - способ запуска ракеты, при котором она выбрасывается из пусковой установки (транспортно-пускового контейнера) за счет давления, создаваемого в замкнутом объеме каким-либо источником, расположенным вне ракеты. Таким источником может служить, например, пороховой аккумулятор давления (ПАД) или парогазогенератор. Двигатель ракеты при этом запускается уже после того, как ракета выйдет из пусковой установки.»
Имеется большое число патентов и реальных образцов, но все они, являются лишь способами быстрого выброса изделия из транспортно-пускового контейнера, но не разгона летательного аппарата до эволютивной скорости. Способ разгона во всех случаях применения минометного старта, это применение избыточной тяги самого двигателя или пороховых ускорителей. Кроме того, все они имеют внешние источники энергии. Это либо баллоны высокого давления, или так называемые вышибные пороховые заряды. В патенте РФ №2240489 таким вышибным зарядом является двигатель малой тяги, при этом разгон производится, опять, пороховым двигателем большой тяги.
То есть, все приведенные в патентах решения и известные устройства катапультного старта не являются устройствами разгона летательного аппарата.
Раскрытие изобретения Технической проблемой, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является осуществление разгона беспилотных летательных аппаратов до эволютивной скорости при наземном старте с минимальными затратами.
Технический результат заявленного изобретения заключается в том, что старт и разгон беспилотного летательного аппарата производится «по минометному» принципу, причем источником энергии является турбореактивный двигатель самого аппарата тем самым может обеспечиваться наземный старт группы беспилотных летательных аппаратов без подвода внешней энергии с минимальными затратами.
Для достижения указанного технического результата предлагается способ запуска и разгона по меньшей мере одного беспилотного летательного аппарата с турбореактивным двигателем заключающийся в запуске и разгоне летательного аппарата до скорости взлета минометным способом характеризующимся раскрытием сопла летательного аппарата, запуском двигателя летательного аппарата, надувом ресивера выхлопными газами турбореактивного двигателя летательного аппарата, регулировкой необходимого для запуска давления редукционным клапаном ресивера, освобождением пыжа с закрепленным на нем беспилотным летательным аппаратом посредством стопорно-пускового механизма, отделением пыжа от беспилотного летательного аппарата и приведением сопла турбореактивного двигателя в штатное состояние после выхода последнего за пределы ствола миномета.
Так же предлагается устройство для запуска и разгона беспилотных летательных аппаратов с турбореактивным двигателем включающее по меньшей мере один ствол миномета, жестко установленный на емкости-ресивере снабженной редукционным клапаном, плотно вставленный и зафиксированный стопорно-пусковым механизмом, расположенным на стволе миномета в ствол пыж, на котором хвостовой частью установлен и закреплен фиксатором летательный аппарат с турбореактивным двигателем, при этом сопло турбореактивного двигателя летательного аппарата выполнено двухрежимным с возможностями, как полного раскрывания, так и штатного и установлено в газопроводный канал пыжа соединенный с емкостью ресивера.
В предпочтительных вариантах в случаях использования нескольких стволов миномета:
- емкость-ресивер снабжена вентиляционным клапаном;
- между пыжом и ресивером расположены стволовые атмосферный и ресиверный клапаны;
- до запуска двигателей открывают атмосферные клапаны стволов, после запуска открывают ресиверный клапан одного из стволов и закрывают атмосферный клапан данного ствола, после выхода летательного аппарата из ствола посредством вентиляционного клапана осуществляют вентиляцию ресивера.
Совокупность приведенных выше существенных признаков приводит к тому, что:
- Обеспечивается быстрый запуск и разгон до эволютивной скорости без использования пороховых ускорителей и внешних источников энергии;
- Стоимость запуска ничтожно мала по сравнению с аналогами;
- Появляется возможность обеспечить массовый запуск беспилотных летательных аппаратов с наземной пусковой установки для создания «роя».
Таким образом, предложенное решение позволяет снизить стоимость наземного запуска аппаратов более чем в 40 раз.
Краткое описание чертежей
На фиг. 1-3 показаны схемы, одноствольного миномета, вид по фиг. 1 в исходном состоянии, вид по фиг. 2 в режиме наддува ресивера, вид по фиг. 3, 4 в режиме разгона БПЛА, позициями обозначены:
1 - Ствол;
2 - Беспилотный летательный аппарат (БПЛА)
3 - Турбореактивный двигатель БПЛА;
4 - Стопорно-спусковой механизм;
5 - Пыж;
6 - Ресивер;
7 - Редукционный клапан ресивера.
На фиг. 5-7 показаны схемы, многоствольного миномета, вид по фиг. 5 в исходном состоянии, вид по фиг.6 в момент готовности к пуску, вид по фиг. 7 в режиме готовности к пуску и наддува ресивера, позициями обозначены:
1 - Первый ствол;
2 - Беспилотный летательный аппарат в первом стволе (БПЛА-1)
3 - Турбореактивный двигатель БПЛА-1
4 - Стопорно-спусковой механизм первого ствола;
5 - Пыж первого ствола;
6 - Ресивер;
7 - Редукционный клапан ресивера;
8 - Стволовой атмосферный клапан первого ствола (САК-1);
9 - Стволовой ресиверный клапан первого ствола (СРК-1)
10 - Вентиляционный клапан ресивера;
11 - Второй ствол;
12 - Беспилотный летательный аппарат во втором стволе (БПЛА-2);
13 - Турбореактивный двигатель БПЛА-2
14 - Стопорно-спусковой механизм второго ствола;
15 - Пыж второго ствола;
16 - Стволовой атмосферный клапан второго ствола (САК-2);
17- Стволовой ресиверный клапан второго ствола (СРК-2)
На фиг. 8, 9 показаны схемы, многоствольного миномета, вид по фиг. 8 в режиме вентиляции ресивера, вид по фиг. 9 в режиме наддува ресивера вторым БПЛА, позициями обозначены:
4 - Стопорно-спусковой механизм первого ствола;
7 - Редукционный клапан ресивера;
8 - Стволовой атмосферный клапан первого ствола (САК-1);
9 - Стволовой ресиверный клапан первого ствола (СРК-1);
10 - Вентиляционный клапан ресивера;
17 - Стволовой ресиверный клапан второго ствола (СРК-2)
Осуществление и примеры реализации изобретения
Заявленное изобретение по фиг. 1-9 представляет собой способ и устройство, работающее по принципу миномета, где разгон происходит по стволу 1 за счет создания давления за летательным аппаратом 2, а источником энергии, преобразованной в давление и силу, является газогенератор турбореактивного двигателя 3.
По сути, заявляемое устройство, это пневматическая катапульта, использующая энергию сжатого газа.
От классической пневматической катапульты, предлагаемый способ и устройство имеет следующие отличия:
- в качестве направляющей системы используется ствол 1 миномета;
- разгоняемый БПЛА 2 наводится внутри ствола 1;
- в качестве расширительного цилиндра, преобразующего накопленную энергию сжатых газов используется ствол 1 с пыжом 5;
- в миномете отсутствует трансмиссия, передающая энергию от расширительного цилиндра на ЛА 2 - энергия передается прямо на разгоняемый аппарат 2 через пыж 5;
- не требуется торможения штока пневматического цилиндра и трансмиссии - одноразовый дешевый пыж 5 просто вылетает из ствола;
- не требуется внешний компрессор для накопления энергии сжатого газа источник энергии газогенератор турбореактивного двигателя 3, разгоняемого БПЛА 2;
- давление в ресивере 6 крайне малое 1,7-2 атм., в отличие от 20-60 атм. на существующих катапультах и в этом смысле катапульта абсолютно безопасна.
- время накопления энергии крайне малое -4-5 секунд и несоизмеримо с накачкой ресивера 6 60 атм. компрессором;
на один ресивер 6 могут работать несколько стволов 1,11 фиг. 2, что
обеспечивает запуск группы БПЛА 2,12. Простейшая реализация заявляемого способа в виде одноствольного миномета представлена на Фиг. 1-4
Простейший «миномет» состоит из ствола 1, жестко соединенного с ресивером 6. Ствол представляет собой гладкую трубу круглого сечения. Соединенный со стволом ресивер представляет собой емкость, выдерживающий избыточное давление 200 кПа.
В стволе устанавливается размещенный на пыже 5, беспилотный летательный аппарат (БПЛА) 2 с турбореактивным двигателем 3.
Пыж 4 вставлен в ствол с уплотнением, обеспечивающим удержание давления в ресивере 6. На пыж 5 хвостовой частью устанавливается БПЛА 2 и закрепляется на нем фиксатором (на чертежах не показан), обеспечивающем жесткую связь БПЛА 2 с пыжом 5, при нахождении их в стволе 1 и их расстыковку при выходе из ствола 1.
Сопло ТРД 3 устанавливается в сквозной газопроводный канал, расположенный на пыже 5. Газопроводный канал пыжа 5, одной стороны плотно подсоединен к регулируемому соплу турбореактивного двигателя 3, а с другой выводит газы в ресивер 6.
Турбореактивный двигатель 3 БПЛА 2 имеет регулируемый сопловой аппарат, имеющий два режима - с полностью раскрытым соплом и с соплом штатного сечения. Управление режимами соплового аппарата двигателя 3 производится либо путем изменения положения центрального тела сопла, либо раскрытием створок.
В режиме раскрытого сопла тяга ТРД 3 пропадает, при этом газогенератор двигателя 3 способен работать на противодавлении, равном нормальному давлению за турбиной.
На пыже 5 смонтировано устройство, управляющее режимами сопла. При соединении БПЛА с пыжом 5 в стволе 1 миномета сопло механически раскрывается, и тяга двигателя 3, разменивается на давление в ресивере 6. При выходе из ствола 1 сопловой аппарат приводится в штатное состояние и появляется тяга, необходимая для полета БПЛА 2.
Ствол 1 снабжен стопорно-спусковым механизмом 4, обеспечивающим фиксацию пыжа с БПЛА в стволе до пуска и освобождения их при пуске.
На ресивере 6 имеется редукционный клапан 7, обеспечивающий поддержание заданного давления в ресивере 6.
Заявляемый способ, по Фиг. 1-9 заключается в придании скорости беспилотному летательному аппарату 2, при движении по стволу миномета 1. Разгон осуществляется за счет давления газов за пыжом 5, на котором установлен БПЛА 2. Напор газов создается газогенератором турбореактивного двигателя 3 разгоняемого аппарата 2, который накачивает ресивер 6 до давления, соответствующему давлению за турбиной ТРД 3.
На фиг. 2 показан режим наддува ресивера 6 миномета. ТРД 3 запущен и подает через воздуховод выхлопные газы в ресивер 6. Для поддержания заданного давления в ресивере 6 установлен редукционный клапан 7, который сбрасывает излишки газа, выполняя роль соплового аппарата реактивного двигателя. Клапан 7 поддерживает давление в ресивере около 170=200 кПа. Это давление создает силу на пыже 5.
На Фиг. 3. изображен процесс разгона БПЛА 2. Стопорно-спусковой механизм 4 освобождает пыж 5, который начинает вместе с БПЛА 2 двигаться по стволу 1.
На Фиг. 4. изображен выход БПЛА 2 из ствола 1. Пыж 5 отделяется от летательного аппарата 2 и падает. Сопло двигателя 3 принимает нормальное положение, обеспечивая тягу, необходимую для полета. Фиксатор пыжа к соплу двигателя отделяется в момент выхода БПЛА 2 из ствола 1.
Пример осуществления
Особенностью изобретение является возможность реализации многоствольного миномета фиг. 5-9, использующего один ресивер 6 для разгона БПЛА 2 и 12 по нескольким стволам в примере 1 и 11. Двуствольный миномет по Фиг. 5-7 включает в себя следующие элементы:
- Ресивер, предназначенный для накопления энергии сжатого газа 7
- Стволы миномета 1 и 11;
- Систему клапанов, управляющую потоками газов в каждом стволе расположенные между пыжом и ресивером:
• стволовой атмосферный клапан первого ствола (САК-1) 8;
• стволовой ресиверный клапан первого ствола (СРК-1) 9;
• стволовой атмосферный клапан второго ствола (САК-2) 16;
• стволовой ресиверный клапан второго ствола (СРК-2) 17;
- Стопорно-спусковые механизмы стволов 4 и 14;
- Клапаны, управляющие давлением и потоками газов в ресивере 6:
• редукционный клапан ресивера 7;
• вентиляционный клапан ресивера 10;
- Пыжи 5, 15, на которых размещаются разгоняемые беспилотные летательные аппараты 2 и 12.
Пуск двух БПЛА 2 и 12 происходит в следующем порядке:
Открываются атмосферные клапаны стволов САК-1 и САК-2. Последовательно запускаются двигатели обоих БПЛА. Газы из двигателей через САК отводятся наружу в атмосферу и миномет переходит в режим готовности к пуску Фиг. 6
Для разгона первого летательного аппарата открывается стволовой ресиверный клапан 9 первого ствола СРК-1, а САК-1 закрывается. Газы из двигателя 3 поступают в ресивер 6 и осуществляют наддув, увеличивая в нем давление. После достижения критического значения, открывается редукционный клан 7, сбрасывающий излишки газов в атмосферу и поддерживающий рабочее давление в ресивере 6. За счет этого давления на пыже 5 создается сила, обеспечивающая минометный разгон.
Старт и разгон происходит после снятия пыжа 5 со стопора 4. Сила, действующая на пыж 5 разгоняет БПЛА 2 до выхода пыжа 5 из ствола 1. В свободном пространстве пыж 5 отделяются от БПЛА 2 и раскрывается крыло (не показано на чертежах).
После выхода БПЛА 2 из ствола 1 производится вентиляция ресивера Фиг. 8
Через освободившийся ствол 1 происходит выход газов сбрасывание давления, после чего на ресивере 6 открывается вентиляционный клапан 10, через который разогретый воздух замещается атмосферным.
Для обеспечения пуска второго БПЛА 12 СРК-1 закрывается, изолируя первый ствол 1 от ресивера 6. Вентиляционный клапан 10 также закрывается, герметизируя ресивер 6.
Операция пуска повторяется для второго ствола 12 в аналогичном пуску первого ствола порядке, изображенном на Фиг 9.
Открывается СРК-2 и закрывается САК-2, после чего осуществляется наддув ресивера 6 из второго ствола 12 с последующим пуском второго БПЛА 12 и вентиляцией ресивера 6. Сбрасывающий клапан- редукционный 7 ресивера 6 служит для быстрого сброса давления при необходимости прекратить наддув ресивера 6, например, при внезапной остановке двигателя 13.