БЕСПИЛОТНЫЙ ВЕРТОЛЕТ

Техническое решение относится к авиационной технике, в частности к конструкции беспилотных винтокрылых аппаратов с несущими винтами и устройствами управления этими винтами.
Известен беспилотный вертолет, разработанный компанией «Стрела» (г. Жуковский, Моск. обл.), конструкция которого изложена в проспекте (см. в интернете http://nppstrela.ru/products/ufv/ и http://nppstrela.ru/niokr/). Вертолет выполнен с одним несущим винтом и рулевым винтом, на колесном шасси с хвостовой опорой. Управление несущим винтом выполнено с применением автомата перекоса типа «паук» (см. Дудник В.В. Конструкция вертолета, Ростов-на-Дону, 2005. Стр. 85).
Известен беспилотный вертолет с самонесущим корпусом по патенту RU 2374136 от 27.05.2005. Вертолет выполнен с одним несущим винтом и рулевым винтом на трехопорном упругом шасси. Корпус вертолета выполнен самонесущим в виде «скорлупы» из армированной углеродными волокнами пластмассы (CFK).
Вертолет оснащен одним двигателем внутреннего сгорания, который через трансмиссию передает мощность на несущий винт и рулевой винт. Для охлаждения двигателя применен радиатор с охлаждающей жидкостью. Радиатор расположен в носовой части самонесущего корпуса фюзеляжа и ориентирован одной из решетчатых сторон к поверхности корпуса.
В полости самонесущего корпуса размещен силовой узел, к которому закреплен упомянутый двигатель внутреннего сгорания с системами, обеспечивающими его работу, а полое пространство, окружающее силовой узел выполнено в виде топливного бака.
К недостаткам известного технического решения следует отнести повышенную пожароопасность, например в случаях:
- технических неполадок с двигателем, в частности с его электросистемой;
- грубой посадке вертолета с подломом главных опор шасси.
Кроме того, конструктивно-компоновочный облик корпуса фюзеляжа затрудняет решение задачи внешней навески различного оборудования на вертолет, ввиду ограниченных мест вывода силовых элементов на поверхность фюзеляжа.
Известен беспилотный вертолет по патенту RU 56331 от 20.03.2006. Вертолет выполнен по соосной схеме несущих винтов в виде трансформера, позволяющего переоборудовать его в пилотируемый или беспилотный варианты. В беспилотном варианте применения в системе управления соосными несущими винтами сохраняются известные для пилотируемых вертолетов рычажно-вращательные устройства управления лопастями и только вместо командных органов управления введены электромеханические рулевые привода, для обеспечения работы которых вертолет оснащается бортовым вычислителем/компьютером.
Управляющие сигналы траекторным полетом вертолета, поступающие в бортовой вычислитель/компьютер, обрабатываются последним и транслируются на электромеханические рулевые привода.
Техническое решение по патенту RU 56331 характерно для многофункциональных беспилотных вертолетов с широкой номенклатурой бортового целевого оборудования, большой дальностью и продолжительностью полета. Для таких беспилотных вертолетов создание алгоритмов автономного управления полетным заданием только программными средствами крайне сложно и не всегда оптимально выполнимо. Поэтому желательно иметь банк апробированного материала поведенческих данных вертолета конкретной конфигурации в различных условиях внешней среды и прогнозируемых условий полетных заданий.
Решение этой задачи (получение апробируемого материала) хорошо адаптируется только при наличии начального пилотируемого варианта будущего беспилотного вертолета.
Известен беспилотный вертолет БПВ-500 разработки НПП «Радар ММС» (см. рекламный материал в интернете «Новый беспилотник от «Радар ММС», Авиатранспортный обзор от 22 августа 2017).
Вертолет выполнен по соосной схеме несущих винтов на полозковом шасси. Конструкция упомянутого беспилотного вертолета наиболее полно изложена в патенте RU 2628873 от 10.10.2016, так как этот патент касается стенда для испытания элементов беспилотного вертолета с соосными винтами, в частности, конструкции упомянутого беспилотного вертолета БПВ-500.
По совокупности отличительных признаков патент RU2628873 принят за прототип.
Стенд по упомянутому патенту содержит каркас фюзеляжа ферменного типа (см. фиг. 3), в точности отражающий каркас фюзеляжа беспилотного вертолета БПВ-500, соосные несущие винты, смонтированные на главном редукторе, двигатель внутреннего сгорания, выходной вал которого через муфту соединен с главным редуктором. Для охлаждения двигателя стенд как и вертолет БПВ-500 оборудован жидкостным радиатором с охлаждающей жидкостью и электровентилятором, обеспечивающим циркуляцию воздуха через радиатор (см. фиг. 15).
Для управления соосными несущими винтами на выходных валах главного редуктора смонтированы автоматы перекоса каждого из несущих винтов, которые посредством механических устройств, аналогичных устройствам на пилотируемом варианте вертолета, соединены с приводами управления (электромеханического типа) (см. фиг. 7), которые в свою очередь имеют информационные связи с вычислителем, которым оснащен стенд беспилотного вертолета.
К недостаткам этого технического решения, а следовательно и недостаткам беспилотного вертолета БПВ-500, следует отнести отдельные технические решения, заимствованные от его пилотируемого аналога - вертолета Р-30, разработки ООО «Роторфлай» (Башкортостан, Куюргазинского р-н. п/п Холмогоры), на базе которого и был создан беспилотный вертолет БПВ-500, в частности:
1. Каркас фюзеляжа вертолета БПВ-500 выполнен ферменной конструкции по габаритам и конфигурации аналогичный каркасу фюзеляжа пилотируемого вертолета Р-30. Это осложняет компоновочные решения по размещению целевой нагрузки и, что не мало важно, увеличивает габаритные размеры беспилотного вертолета, особенно по высоте, осложняя задачи мобильной транспортировки вертолета и его технического обслуживания.
2. В управлении автоматами перекоса сохранены механические связи управления шагом лопастей несущих винтов, аналогичных управлению пилотируемого вертолета Р-30, что увеличивает вес конструкции.
3. Полозковое шасси беспилотного вертолета осложняет установку на нем радиоэлектронных средств кругового обзора и так же задачи мобильной транспортировки.
Задачей настоящего технического решения является создание беспилотного вертолета, в конструкции которого заложена простота изготовления и надежность работы таких особо ответственных агрегатов и систем, как соосный несущий винт, двигатель, легкая доступность эксплуатационного облуживания и высокая мобильность транспортировки.
Технический результат поставленной задачи достигается тем, что в известном беспилотном вертолете, содержащим фюзеляж, шасси, силовую установку с двигателем и трансмиссией в виде главного редуктора, на валах которого соосно смонтированы нижний и верхний несущие винты взаимопротивоположного вращения, устройства управления по общему, дифференциальному и циклическому шагу лопастей несущих винтов, выполненных в виде рулевых приводов электромеханического типа, взаимодействующих с бортовым вычислителем/компьютером, несущие винты оснащены одним автоматом перекоса, смонтированным на подвижном в осевом направлении полом стакане, установленном на цилиндрической части носка верхнего картера главного редуктора, а рулевые привода управления циклическим шагом лопастей закреплены посредством кронштейна на этом полом стакане и исполнительными качалками кинематически соединены с автоматом перекоса, подвижность полого стакана обеспечивается одним из рулевых приводов управления общим и дифференциальным шагом лопастей, закрепленного на верхнем картере главного редуктора, и исполнительной качалкой упомянутый привод кинематически соединен с двуплечим рычагом, одним из его плеч, который закреплен посредством коромысла на картере главного редуктора, а вторым плечом двуплечий рычаг шарнирно соединен с полым стаканом, обеспечивая стакану ориентированное перемещение, другой рулевой привод управления общим и дифференциальным шагом лопастей закреплен на донной части картера главного редуктора и исполнительной качалкой кинематически соединен с многоплечим ползуном, смонтированным над плоскостью вращения верхнего несущего винта на выступающей части его вала, это обеспечивает управление углами установки лопастей нижнего несущего винта подвижным в осевом направлении автоматом перекоса, а управление углами установки лопастей верхнего несущего винта выполнено многоплечим ползуном, при этом, взаимодействие бортового вычислителя/компьютера с рулевыми приводами выполнено в диалоговом режиме так, что управление по общему шагу лопастей обоих несущих винтов обеспечивается в режиме одно полярности сигнала на соответствующие рулевые привода, а управление по дифференциальному шагу лопастей обоих несущих винтов - в режиме разной полярности сигнала на упомянутые рулевые привода, кроме того двигатель расположен вне замкнутого обшивкой объема фюзеляжа в зоне его аэродинамической тени, но при необходимости двигатель может быть оснащен капотом.
Проведенный заявителем анализ уровня техники показал, что совокупность существенных признаков заявленного технического решения является новой и промышленно осуществимой для достижения указанного технического результата и соответствует условию патентоспособности полезной модели.
Сущность технического решения беспилотного вертолета поясняется чертежами, где:
3
4
на фиг. 1. - показан общий вид в / беспилотного вертолета;
на фиг. 2. - показано компоновочное аэродинамическое решение по размещению двигателя в фюзеляже;
на фиг. 3. - показан главный редуктор со смонтированными на нем несущими винтами и рулевыми приводами управления шагом лопастей;
на фиг. 4. - показан узел автомата перекоса со смонтированными рулевыми приводами;
на фиг. 5. - показан полый стакан;
на фиг. 6. - приведена конструктивная трасса управления многоплечим ползуном;
на фиг. 7. - структурная схема взаимодействия бортового вычислителя/компьютера с рулевыми приводами.
Беспилотный вертолет содержит фюзеляж 1 с носовой частью 2, поверхность 3 которой по аэродинамическим обводам формы близка к поверхности эллипсоида, хвостовую балку 4 в форме конической поверхности, сформированную на продолжении нижней поверхности фюзеляжа 1. Хвостовая балка 4 оснащена вертикальным килем 5 с посадочной опорой 6 и стабилизатором 7. Основные опоры 8 шасси выполнены колесного типа и смонтированы на упругой поперечной балке 9, закрепленной в зоне нижнего обвода носовой части 2 фюзеляжа 1.
На беспилотном вертолете применен двигатель внутреннего сгорания 10, который посредством трансмиссионного вала (условно не показан) подает мощность на главный редуктор 11, на валах 12, 13 которого смонтированы соответственно нижний несущий винт 14 и верхний несущий винт 15 взаимопротивоположного вращения. Система охлаждения двигателя 10 комбинированного типа, жидкостное и свободное воздушное для охлаждения цилиндров. Для обеспечения жидкостного охлаждения двигателя 10 вертолет оснащен жидкостным радиатором (условно не показан), установленным в носовой части 2 фюзеляжа 1, на верхней поверхности которой выполнены жалюзи 16 для забора воздуха, а режим свободного воздушного охлаждения обеспечивается компоновочным решением размещения двигателя 10. В качестве одного из вариантов применен двигатель 10 с горизонтальным оппозитным расположением цилиндров 17, 18 и 19, 20.
Для обеспечения необходимого воздушного потока для охлаждения цилиндров, двигатель 10 расположен вне замкнутого обшивкой объема фюзеляжа 1 в зоне близкой к условному донному срезу 21 эллипсоидной поверхности 3 носовой части 2. Как показывают аэродинамические исследования обтекания эллипсообразных тел с отсеченной донной поверхностью, воздушные линии тока 22 на некотором расстоянии от условного донного среза 21 сохраняют свою устойчивость и деформируются в вихревые токи, по конфигурации близкие к кольцам 23, на расстоянии несколько меньше 2-х значений поперечного размера в условном донном срезе 21 (см. Ученые записки ЦАГИ №3, том VIII от 1977 г. «Исследования отрывного обтекания усеченных эллипсоидов вращения с плоской донной поверхностью»).
В предлагаемом техническом решении поперечные размеры двигателя 10 соизмеримы с размером в условном поперечном донном срезе 21 эллиптической поверхности 3 носовой части 2, а продольный размер двигателя 10, выступающий за пределы условного донного среза 21 существенно меньше поперечного размера упомянутого донного среза.
Это свидетельствует, что в предлагаемом техническом решении двигатель 10 находится в зоне аэродинамической тени носовой части 2 фюзеляжа 1 и не способствует увеличению ее донного сопротивления, а цилиндры 17, 18 и 19, 20 двигателя 10 располагаются в зоне слабого турбулентного обтекания. При таком расположении двигателя 10 обеспечиваются достаточные условия воздушного охлаждения цилиндров 17, 18 и 19, 20 без применения дефлекторов, которые, как правило, имеют достаточно сложные конфигурации и затратные в производстве. В экстремальных условиях эксплуатации беспилотного вертолета, как например в условиях низких температур, предусмотрена возможность установки капота двигателя (условно не показано) с соответствующей системой обеспечения работоспособности двигателя 10.
Управление соосными несущими винтами 14 и 15 выполнено рулевыми приводами 24, 25, 26 и 27 электромеханического типа, взаимодействующих с бортовым вычислителем/компьютером 28, получающего управляющие сигналы траекторным полетом беспилотного вертолета от внешней управляющей системы 29.
Несущие винты 14 и 15 беспилотного вертолета оснащены одним автоматом перекоса 30, смонтированным на подвижном в осевом направлении полом стакане 31, который установлен на цилиндрической части (условно не показано) носка 32, как направляющей, верхнего картера 33 главного редуктора 11. При этом, рулевые привода 24 и 25, обеспечивающие управление циклическим шагом лопастей, закреплены посредством кронштейна 34 на полом стакане 31 и кинематически посредством исполнительных качалок (условно не показано) и тяг 35 и 36 соединены с автоматом перекоса 30.
Перемещение полого стакана 31 обеспечивается одним из рулевых приводов управления общим и дифференциальным шагом лопастей -рулевым приводом 26, который закреплен на упомянутом картере 33.
Рулевой привод 26 своей исполнительной качалкой 37 посредством тяги 38 соединен с двуплечим рычагом 39, в частности, его плечом 40. Сам двуплечий рычаг 39 посредством коромысла 41 так же закреплен на верхнем картере 33, вблизи цилиндрической части его носка 32.
Вторым плечом 42 двуплечий рычаг 39 шарнирно соединен с полым стаканом 31, обеспечивая стакану ориентированное перемещение по цилиндрической части носка 32 картера 33.
Другой рулевой привод 27, так же обеспечивающий управление общим и дифференциальным шагом лопастей, закреплен на донной части 43 главного редуктора 11 и своей исполнительной качалкой 44 кинематически соединен с многоплечим ползуном 45, смонтированным над плоскостью вращения верхнего несущего винта 15 на выступающей части 46 его вала 13.
Упомянутое кинематическое соединение выполнено подвижной в осевом направлении тягой 47, смонтированной в полости вала 13, и которая одним концом жестко соединена с многоплечим ползуном 45, другим посредством вращательной пары 48, установленной подвижно в осевом направлении в донной части 43 главного редуктора 11, через не вращающийся сердечник 49, упомянутой пары, соединена с исполнительной качалкой 44.
Управление траекторным полетом беспилотного вертолета выполнено за счет подвижного в осевом направлении автомата перекоса 30, обеспечивающего изменения шага лопастей нижнего несущего винта 14, и многоплечего ползуна 45, обеспечивающего изменение шага лопастей верхнего несущего винта 15. Этим самым, продольное и поперечное управление беспилотным вертолетом обеспечивается соответствующим изменением шага лопастей только на нижнем несущем винте 14. А режим путевого управления вертолетом, режимы взлета, висения и посадки обеспечиваются соответствующими изменениями шага лопастей на обоих несущих винтах 14 и 15.
В основу такого выбора системы управления был положен ряд взаимосвязанных особенностей присущих предлагаемому техническому решению:
1. беспилотный вертолет рассматривается как устойчивая подвижная платформа, не требующая выполнения фигур высшего пилотажа. Поэтому балансировочные величины углов циклического шага лопастей при продольно-поперечном управлении, управлении общим и дифференциальным шагом лопастей рассматриваются в границах наиболее общего случая криволинейного установившегося движения вертолета.
2. соосный вертолет, как правило, имеет меньшие моменты инерции, особенно продольный, из-за более компактной весовой компоновки;
3. соосные несущие винты обладают повышенной эффективностью и мощностью управления, особенно продольного управления.
δB
Z
Актуальность этих особенностей в том, что продольно-поперечное управление в предлагаемом техническом решении обеспечивается только нижним несущим винтом. Достаточность предлагаемого управления можно оценить, рассмотрев выражение эффективности продольного управления M от параметров несущего винта (см. Э.А. Петросян «Аэродинамика соосного вертолета», Москва. Полигон-Пресс.2004 стр. 233-336, 470).
где Т - тяга соосного несущего винта;
кср
y - расстояние от центра масс (ЦТ) вертолета до точки приложения тяги;
л
К - количество лопастей на соосном несущем винте;
л
Ц - центробежная сила лопасти;
гш
L - вынос горизонтального шарнира от оси вращения винта;
1
б- угол регулятора взмаха лопасти.
δВ
Z
Поскольку тяга Т соосного несущего винта равна сумме тяг нижнего винта - Тн и верхнего винта - Тв, то в нашем случае выражение для Mможно записать в виде
Варьируя параметрами нижнего несущего винта, такими как:
гш
- вынос горизонтального шарнира L в сторону его увеличения;
н
в
- тягой винта Т в пределах увеличения ее на 10…15% за счет увеличения угла циклического шага δ лопасти можно получить приемлемые значения эффективности продольного управления беспилотным вертолетом сравнимые с эффективностью продольного управления на вертолетах с одним несущим винтом.
Управление рулевыми приводами 24, 25, 26 и 27 выполнено бортовым вычислителем/компьютером 28 в диалоговом/цифровом режиме, причем управление по общему шагу лопастей обоих несущих винтов обеспечивается в режиме однополярного сигнала на рулевые привода 26 и 27, а управление по дифференциальному шагу обоих несущих винтов - в режиме разной полярности сигнала на упомянутые рулевые привода.
Предложенная в заявленном техническом решении схема управления траекторным полетом беспилотного вертолета позволяет минимизировать конструктивные кинематические связи от управляющего сигнала до исполнительного органа на несущей системе, обеспечить функциональную целостность конструкции, ее технологичность.
А общее компоновочное решение беспилотного вертолета обеспечивает легкую доступность эксплуатационного обслуживания систем управления соосным несущим винтом и силовой установки, а так же мобильность транспортировки беспилотного вертолета за счет колесного шасси.