БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ МНОГОРАЗОВОГО ПРИМЕНЕНИЯ

Полезная модель относится к авиационной технике, конкретно, к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) многоразового применения с посадкой при вертикальном положении фюзеляжа. Назначение - ведение воздушной фото-, теле- и радиолокационной разведок с передачей данных на командный пункт в режиме реального времени, а также для решения других специальных задач.
Существующие БЛА многоразового применения используют вспомогательные системы для осуществления посадки (парашюты+амортизирующие посадочные опоры), либо производят посадку на шасси (по - самолетному) на специально подготовленную посадочную полосу. Так в качестве прототипа полезной модели выбран БЛА многоразового применения «Пчела-1T» отечественного комплекса «Строй-П» (Справочник Jane′s по беспилотным ЛА и мишеням, выпуск 22, май 2004 г., стр.124).
Данный БПЛА содержит фюзеляж, крыло прямоугольной формы в плане, расположенное на фюзеляже по схеме «верхнеплан», органы управления, двигатель внутреннего сгорания, толкающий винт постоянного шага, помещенный в кольцевой канал, парашют, 4-ре посадочных опоры рессорного типа, расположенные на центральной части фюзеляжа. В состав органов управления входят: элероны, расположенные на консолях крыла, рули высоты и направления, установленные в кольцевом канале двигателя за воздушным винтом. Характеристики двигательной установки (винт+двигатель внутреннего сгорания) выбраны из условия обеспечения крейсерского полета БЛА.
Существенными признаками прототипа, совпадающими с существенными признаками предлагаемого технического решения, являются следующие - беспилотный летательный аппарат многоразового применения, включающий фюзеляж, крыло с органами управления, двигатель внутреннего сгорания, воздушный винт и посадочное устройство.
Старт прототипа осуществляется с рельсовых направляющих посредством пороховых ускорителей. При заходе на посадку раскрывается парашют, который переводит аппарат из режима горизонтального полета в режим снижения и одновременно уменьшает скорость полета до заданной посадочной величины, при этом после выпуска парашюта полет прототипа подвержен ветровому влиянию и, как следствие, посадка нередко сопровождается механическими повреждениями аппарата.
Предлагаемое техническое решение направлено на решение следующей технической задачи - снижение ветрового влияния при посадке аппарата, а, следовательно, обеспечение его целостности.
Для решения данной технической задачи беспилотный летательный аппарат многоразового применения, выполненный по аэродинамической схеме, включающий фюзеляж, крыло с органами управления, двигатель внутреннего сгорания, воздушный винт и посадочное устройство, выполнен по аэродинамической схеме «бесхвостка», органы управления выполнены в виде элевонов, винт выполнен тянущим изменяемого шага, а параметры двигателя и винта выбраны, исходя из условий выполнения аппаратом крейсерского полета и взлета-посадки при вертикальном положении фюзеляжа; посадочное устройство выполнено с возможностью опоры на него при посадке в вертикальном положении фюзеляжа.
При этом наилучшим вариантом компоновки является следующая -крыло выполнено трапециевидной формы в плане с переменными углами стреловидности по передней и задней кромкам, с изломом плоскости хорд на полуразмахе консолей; посадочное устройство состоит из трехстоечного шасси, одна опора которого расположена на законцовке киля, а две на центральной части крыла. Также, дополнительно, для гарантирования точной и безопасной посадки в состав посадочного устройства включена тросовая система принудительной посадки, содержащая бортовую систему выброса троса.
Отличительными признаками предлагаемого технического решения являются следующие - БПЛА выполнен по аэродинамической схеме «бесхвостка», органы управления выполнены в виде элевонов, винт выполнен тянущим изменяемого шага, а параметры двигателя и винта выбраны, исходя из условий выполнения аппаратом крейсерского полета и взлета-посадки при вертикальном положении фюзеляжа; посадочное устройство выполнено с возможностью опоры на него при посадке в вертикальном положении фюзеляжа. Также, дополнительно, крыло выполнено трапециевидной формы в плане с переменными углами стреловидности по передней и задней кромкам, с изломом плоскости хорд на полуразмахе консолей; посадочное устройство состоит из трехстоечного шасси, одна опора которого расположена на законцовке киля, а две на центральной части крыла; в состав посадочного устройства включена тросовая система принудительной посадки, содержащая бортовую систему выброса троса.
Аэродинамическая схема БЛА типа «бесхвостка» (с трапециевидным крылом переменного угла стреловидности по передней и задней кромкам и изломом на полуразмахе) выбрана из следующих условий:
- размещения трехстоечного посадочного шасси, одна опора которого расположена на законцовке киля, две - на центральной части крыла;
- обеспечения статической аэродинамической устойчивости и управляемости БЛА на крейсерском участке полета и режимах взлета-посадки;
- для уменьшения опрокидывающего момента от ветровой нагрузки при вертикальном положении БЛА на этапе посадки.
Заключительная фаза посадки выполняется в автоматическом режиме или с участием оператора. При посадке с участием оператора может быть задействована тросовая система принудительной посадки, трос которой выпускается при зависании БЛА на высоте ~ 30 м. Наземный персонал закрепляет трос в наземное устройство (лебедку), которое подтягивает БЛА к месту установки лебедки.
Технический результат, достигаемый данной полезной моделью, проявляется в том, что посадка аппарата обеспечивается под действием тяги винта при вертикальном положении фюзеляжа. При этом бортовая система управления (БСУ) регулированием тяги винта и положения аппарата в пространстве обеспечивает управляемую посадку в заданном районе с допустимыми скоростями снижения, нейтрализуя возможный боковой ветровой снос аппарата.
Предлагаемое техническое решение поясняется фиг.1-4.
На фиг.1 изображен БЛА.
На фиг.2 приведен график зависимости расчетных значений тяговых характеристик винта в зависимости от скорости полета БЛА.
На фиг.3 изображена траектория посадки БЛА.
На фиг.4 изображена траектория посадки БЛА с помощью бортовой системы выпуска троса и наземной системы намотки троса.
На фиг.1-3 изображен БЛА, выполненный по схеме «бесхвостой», он имеет фюзеляж 1, крыло 2 с элевонами 3 и киль 4. В носовой части фюзеляжа расположен тянущий воздушный винт 5, приводимый в действие двигателем внутреннего сгорания 6. При посадке аппарат опирается на 3 посадочные опоры - шасси 7. Габариты элевонов 3 выбраны из условия парирования крутящего момента винта. Тросовая система принудительной посадки фиг.4 состоит из бортовой системы выпуска троса 8 и наземной системы 9 намотки троса 8.
Винт 5 оснащен механизмом для установки лопастей на стартовый (взлетно-посадочный) и крейсерский режимы полета. Взлетно-посадочный угол установки лопастей используется для создания максимальной тяги винта 5 при старте и на посадке БЛА, крейсерский - в горизонтальном полете.
Крыло 2 выполнено трапециевидной формы в плане с переменными углами стреловидности по передней и задней кромкам, переменным углом поперечного V (-30° у корневой части консоли и 0° - у концевой части, с изломом плоскости хорд консоли на полуразмахе). Посадочное устройство состоит из трехстоечного шасси 7, одна опора которого расположена на законцовке киля 4, две - на центральной части крыла 2.
На режиме посадки винт 5 должен развивать тягу, не менее, чем на 15-20% превышающую вес БЛА, в крейсерском же полете потребная тяга составляет лишь 0.1-0.15 веса аппарата. Для перекрытия такого широкого диапазона потребных тяг необходимо использовать винт 5 изменяемого шага, предусмотрев, при необходимости, слив излишка топлива при заходе на посадку. В этом случае вопросы старта БЛА с полной заправкой топлива необходимо решать применением катапультного устройства.
На фиг.2, для примера, показаны расчетные значения тяговых характеристик винта 5 в зависимости от скорости полета БЛА. Расчеты выполнены для 4-х лопастного винта 5 при следующих исходных данных:
МАХ.ДВИГ.
ВИНТА max
ВИНТА
N=120 л.с., n=2000 об/мин., D=2 м.
Из расчетов видно, что данный винт 5 может обеспечить взлет-посадку БЛА массой до 280 кг. При отклонении оси аппарата ~ на 20° от вертикали тяга винта в 310 даН уравновешивает вес БЛА и создает боковую силу ~ 100 даН. Данная боковая сила позволяет выполнить маневр по выбору ошибки выхода БЛА в район посадки или нейтрализовать силовое воздействие на аппарат постоянного бокового ветра до ~ 20 м/с.
Катапультное устройство снижает требования к тяге винта 5 с точки зрения старта БЛА, и приведенные на фиг.2, характеристики винта 5 позволяют обеспечить старт БЛА массой до 350 кг, если катапульта сообщает скорость аппарату в 30 м/с с углом наклона траектории в 30°.
Составные участки траектории БЛА при посадке показаны на фиг.3. БЛА входит в район посадки (участок а-б) и затем выполняет маневр типа «горка» до вертикального набора высоты (б-в), на участке (в-г) продолжается вертикальный набор высоты, который завершается в момент падения скорости до 0. Далее на участке (г-д) БЛА снижается вертикально и зависает на высоте ≈30 м, где выпускается трос 8 системы принудительной посадки (участок д-е).
Более подробно конечная фаза приземления БЛА с использованием тросовой системы принудительной посадки показана на фиг.4.
Оператор наземной обслуживающей команды захватывает трос 8 и вручную подводит аппарат к месту посадки, где закрепляет трос в наземную систему 9 намотки троса 8. В процессе этих мероприятий двигатель аппарата работает в режиме максимальной тяги, чем обеспечивается натяжение троса 8 и улучшаются условия посадки аппарата.
На участках траектории (б-в) и (в-г) углы установки лопастей винта 5 соответствуют крейсерскому режиму полета. Все последующие фазы посадки лопасти винта 5 работают с настройками стартового, разгонного режима.