СОЛНЕЧНЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
UNMANNED SOLAR AIRCRAFT

Настоящее изобретение относится к разработке и изготовлению беспилотных летательных аппаратов.
Более конкретно настоящее изобретение относится к беспилотным летательным аппаратам с неподвижным крылом, которые приводятся в действие фотоэлементами.
Беспилотные летательные аппараты с неподвижным крылом соответствуют беспилотным летательным аппаратам, которые приводятся в движение электродвигателями и содержат крылья, что обеспечивает достаточную подъемную силу для полета беспилотного летательного аппарата, начиная с заданной скорости перемещения беспилотного летательного аппарата. Эти беспилотные летательные аппараты с «неподвижным крылом» отличаются от беспилотных летательных аппаратов с «несущим винтом», в которых подъемная сила обеспечивается одним или несколькими роторами.
Летательные аппараты этого типа могут иметь различные размеры и приводиться в движение различными типами приводов.
Беспилотные летательные аппараты, оснащенные электроприводом, обладают преимуществами длительного полета. Например, в предшествующем уровне техники раскрыты такие беспилотные летательные аппараты, предназначенные для полета в течение длительного периода на большой или средней высоте.
Электрические аккумуляторы и фотогальванические элементы используются для питания электроэнергией этих беспилотных летательных аппаратов. В течение дня фотоэлементы служат для питания электроэнергией беспилотного летательного аппарата и перезарядки электрических аккумуляторов. Электрические аккумуляторы начинают работать ночью, так что беспилотный летательный аппарат может продолжать полет до тех пор, пока фотоэлементы снова не подвергнутся воздействию солнечного света.
В предшествующем уровне техники раскрыты решения для повышения длительности полета и несущей способности беспилотного летательного аппарата путем накопления электрической энергии, получаемой от солнечного света.
Таким образом, известны беспилотные летательные аппараты с одним фюзеляжем и одним несущим крылом, покрытым фотоэлементами, с очень большим размахом крыла относительно длины беспилотного летательного аппарата.
Кроме того, известны беспилотные летательные аппараты с несколькими фюзеляжами, расположенными параллельно, которым также присущ длинный размах крыла, причем фюзеляжи и крыло полностью покрыты фотоэлементами.
Другие известные беспилотные летательные аппараты содержат элементы большого размера для увеличения площади беспилотного летательного аппарата, которая может быть покрыта фотоэлементами. Существуют беспилотные летательные аппараты с килем большого размера.
Эти различные решения могут увеличить площадь поверхности летательного аппарата, на которой могут быть установлены фотоэлементы. Однако этим решениям присущи многочисленные недостатки.
Между тем в известных решениях используются конфигурации беспилотных летательных аппаратов, которые могут вызывать высокие структурные напряжения при полете беспилотного летательного аппарата. Эти структурные напряжения могут быть результатом чрезмерного размаха крыла и требуют использования высокотехнологичных композиционных материалов. Структурные напряжения, присущие этим конфигурациям, сопровождаются большим размахом крыла и высокой стоимостью изготовления беспилотных летательных аппаратов.
Кроме того, известные конфигурации приводят к ненадлежащему размещению фотоэлементов относительно структурных элементов беспилотного летательного аппарата, в результате чего уменьшается глобальная инсоляция, которой подвергаются фотоэлементы, установленные на этом беспилотном летательном аппарате. Например, в конфигурациях, использующих несколько фюзеляжей, могут создаваться теневые зоны на поверхностях беспилотных летательных аппаратов, где установлены фотоэлементы. Следовательно, такие конфигурации отрицательно влияют на количество солнечного света, воздействующего на фотоэлементы, при этом указанные фотоэлементы увеличивают массу беспилотного летательного аппарата. Таким образом, наблюдается снижение производительности и длительности полета беспилотного летательного аппарата, разработанного на основе одной из этих конфигурацией.
Пример беспилотного летательного аппарата с конфигурацией, в которой используются несколько фюзеляжей, раскрыт в документе, опубликованном под номером CN 104890859 А.
Кроме того, известны беспилотные летательные аппараты, которые могут оптимизировать ориентацию фотоэлементов в зависимости от положения Солнца. Такой беспилотный летательный аппарат раскрыт в патентном документе US 2009/0292407 А1.
Одной конкретной целью настоящего изобретения является преодоление этих недостатков предшествующего уровня техники.
Более конкретно, целью настоящего изобретения является создание беспилотного летательного аппарата с неподвижным крылом, в котором подача электроэнергии осуществляется фотоэлементами и который имеет лучшие характеристики длительности полета, чем это возможно в соответствии с предшествующим уровнем техники.
Другой целью настоящего изобретения является создание беспилотного летательного аппарата, который обладает оптимизированными аэродинамическими характеристиками по сравнению с эквивалентными беспилотными летательными аппаратами, раскрытыми в предшествующем уровне техники.
Еще одной целью настоящего изобретения является создание беспилотного летательного аппарата, который обладает конфигурацией, накладывающей малое количество структурных ограничений, и оптимизация его способности накапливать электроэнергию с использованием фотоэлементов.
Эти и другие цели, которые станут более очевидными далее, достигаются посредством настоящего изобретения, которое относится к беспилотному летательному аппарату, содержащему:
- фюзеляж, состоящий из единого центрального корпуса;
- несущую поверхность, состоящую из:
- переднего несущего крыла, задаваемого площадью А1 поверхности крыла, размахом Е1 крыла и хордой С1, где A1=E1×C1;
- заднего несущего крыла, задаваемого площадью А2 поверхности крыла, размахом Е2 крыла и хордой С2, где А2=Е2×С2;
при этом заднее несущее крыло смещено по высоте и по длине на фюзеляже относительно переднего несущего крыла, причем переднее несущее крыло и заднее несущее крыло представляют собой прямые крылья;
- двигательную установку, оснащенную по меньшей мере электрическими аккумуляторами и/или фотоэлементами;
- при этом фотоэлементы по существу покрывают верхние наружные поверхности переднего несущего крыла и заднего несущего крыла;
характеризующемуся тем, что:  переднее несущее крыло непосредственно прикреплено к нижнему уровню на центральном корпусе, выступая из этого центрального корпуса, и характеризуется нулевым или отрицательным углом поперечного V (угол между двумя аэродинамическими поверхностями);
- заднее несущее крыло непосредственно прикреплено к верхнему уровню на центральном корпусе, выступая из этого центрального корпуса, и характеризуется нулевым или положительным углом поперечного V (угол между двумя аэродинамическими поверхностями);
- Е1>Е2;
- площадь А2 поверхности крыла по существу равна площади А1 поверхности крыла.
Такой беспилотный летательный аппарат согласно настоящему изобретению имеет большую общую площадь поверхности крыла, так что он может удерживать большое количество фотоэлементов, каждый из которых характеризуется хорошими аэродинамическими свойствами.
Тандемное расположение несущих поверхностей и размер двух крыльев относительно друг друга не требуют использования тяжелых и/или дорогих материалов для изготовления одного большого несущего крыла или основного несущего крыла, размер которого намного больше размера второго меньшего несущего крыла.
Более конкретно, единый центральный корпус фюзеляжа и непосредственное прикрепление несущих крыльев к этому центральному корпусу таковы, что аэродинамические характеристики беспилотного летательного аппарата не ухудшаются по сравнению с использованием фюзеляжа с несколькими корпусами и/или кронштейнами, выполненными с возможностью поддержки несущих крыльев.
Смещение крыльев по высоте и по длине на фюзеляже способствует созданию тандемной комбинации несущих крыльев, что увеличивает общую площадь поверхности крыльев и количество фотоэлементов, снижает при этом общую ширину беспилотного летательного аппарата и максимально увеличивает теоретическое воздействие солнца на фотоэлементы.
Благодаря тому, что площадь А2 поверхности крыла по существу равна площади А1 поверхности крыла, оптимизируется соотношение между общей доступной площадью поверхности крыла для фотоэлементов и аэродинамическими свойствами (хорошая общая стабильность и т.п.) беспилотного летательного аппарата (и его энергетическими потребностями). Фактически, это решение может удвоить площадь поверхности крыльев, доступную для фотоэлементов (два несущих крыла с одинаковыми площадями поверхности), добавив незначительную массу по отношению к общей массе беспилотного летательного аппарата.
Переднее и заднее несущие крылья, являясь прямыми крыльями, оптимизируют способность беспилотного летательного аппарата летать на дозвуковых скоростях, уменьшая при этом вероятность наложения тени одного крыла на другое благодаря постоянному расстоянию между крыльями.
По сути, принцип настоящего изобретения заключается в предоставлении большой площади поверхности фотоэлементов в сочетании с оптимизированными аэродинамическими характеристиками, что способствует значительному увеличению автономности беспилотного летательного аппарата.
Согласно одному предпочтительному варианту осуществления заднее несущее крыло характеризуется положительным углом поперечного V, и переднее несущее крыло характеризуется нулевым углом поперечного V.
Этот вариант осуществления улучшает продольную стабильность беспилотного летательного аппарата в полете.
Согласно одной предпочтительной особенности положительный угол поперечного V, присущий заднему несущему крылу, составляет от 1 градуса до 5 градусов.
Такой положительный угол поперечного V может сделать беспилотный летательный аппарат достаточно стабильным в полете, при этом фотоэлементы на летательном аппарате могут быть наклонены, чтобы получить выгоду от интенсивного теоретического солнечного света.
Преимущественно, переднее несущее крыло и заднее несущее крыло смещены по длине вдоль фюзеляжа на расстояние DL разнесения в продольном направлении, составляющее от 2,5×С1 до 3,5×С1.
Предпочтительно, переднее несущее крыло и заднее несущее крыло смещены по высоте вдоль фюзеляжа на расстояние DH разнесения по высоте, составляющее от 0,4×С1 до 0,6×С1.
Эти взаимные положения несущих крыльев могут улучшить продольную стабильность беспилотного летательного аппарата в полете.
Эти относительные положения могут также оптимизировать аэродинамические характеристики беспилотного летательного аппарата и тем самым снизить его энергетические потребности для полета. Кроме того, эти положения оптимизируют инсоляционную способность фотоэлементов, расположенных на верхних поверхностях несущих крыльев, что предотвращает появление тени от одного несущего крыла на другом.
Согласно другой преимущественной особенности переднее несущее крыло характеризуется отрицательной круткой, составляющей от -1 градуса до -4 градуса.
Эта характеристика может привести к эллиптическому распределению подъемной силы вдоль крыла. Кроме того, сваливание начинается с корневой части, а не с конца крыла.
Другие характеристики и преимущества настоящего изобретения станут более понятными после ознакомления с нижеследующим описанием одного предпочтительного варианта осуществления настоящего изобретения, приведенного в качестве иллюстративного и неограничивающего примера, и прилагаемыми фигурами, где:
- на фиг. 1 представлен схематический вид сбоку беспилотного летательного аппарата согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 2 представлен схематический вид сверху беспилотного летательного аппарата согласно настоящему изобретению;
- на фиг. 3 представлен схематический вид спереди беспилотного летательного аппарата согласно настоящему изобретению.
Беспилотный летательный аппарат согласно настоящему изобретению, проиллюстрированный на фиг. 1, 2 и 3, содержит:
- фюзеляж;
- несущую поверхность, состоящую из двух несущих крыльев, расположенных в тандеме;
- вертикальный стабилизатор 4.
Беспилотный летательный аппарат оснащен двигательной установкой (не показана), оснащенной по меньшей мере электрическими аккумуляторами и/или фотоэлементами. Эта двигательная установка может быть выполнена в форме одного или нескольких электродвигателей, которые снабжены винтами и связаны с фюзеляжем и/или несущими крыльями.
Рассмотрим фиг. 1-3, беспилотный летательный аппарат также содержит фотоэлементы 3, которые по существу покрывают верхние наружные поверхности двух несущих крыльев.
Таким образом, беспилотный летательный аппарат относится к типу «солнечный беспилотный летательный аппарат». Фотоэлементы 3 позволяют беспилотному летательному аппарату питать электроэнергией двигательную установку и перезаряжать электрические аккумуляторы, когда указанные фотоэлементы подвергаются воздействию солнечного света.
Более конкретно, беспилотный летательный аппарат содержит крылья, состоящие из переднего несущего крыла 1 и заднего несущего крыла 2. Эти несущие крылья представляют собой прямые крылья.
Выражение «состоит из» означает, что беспилотный летательный аппарат содержит крылья, образованные исключительно двумя несущими крыльями. Следовательно, крылья беспилотного летательного аппарата не включают в себя третью горизонтальную плоскость, которая обеспечивала бы подъемную силу в полете.
Переднее несущее крыло задано площадью А1 поверхности крыла, размахом Е1 крыла и хордой С1, где A1=E1×C1;
Заднее несущее крыло задано площадью А2 поверхности крыла, размахом Е2 крыла и хордой С2, где А2=Е2×С2.
Согласно принципу настоящего изобретения, размах Е1 переднего несущего крыла 1 больше, чем размах Е2 заднего несущего крыла 2 с целью улучшения аэродинамических характеристик беспилотного летательного аппарата и его общей площади поверхности крыльев. Предпочтительно, размах Е2 крыла по существу на 11% меньше размаха Е1 крыла. В результате, возмущения (вихревые следы), создаваемые несущим крылом, имеют меньшую тенденцию влиять на заднее несущее крыло и, таким образом, ухудшать глобальные характеристики беспилотного летательного аппарата.
Также согласно принципу настоящего изобретения, и как проиллюстрировано на фиг. 2, площадь А2 поверхности крыла по существу равна площади А1 поверхности крыла.
Согласно настоящему изобретению хорда С2 больше хорды С1 с целью компенсации того, что размах Е2 заднего несущего крыла 2 меньше размаха Е1 переднего несущего крыла 1.
Рассмотрим фиг. 1 и 3, переднее несущее крыло 1 смещено по высоте и по длине вдоль фюзеляжа относительно заднего несущего крыла 2.
Более конкретно, и как проиллюстрировано на этих фигурах, фюзеляж состоит из одного центрального корпуса 5, которое характеризуется нижним уровнем 50 и верхним уровнем 51. Этот фюзеляж состоит из одного корпуса и имеет продолговатую форму. На этом фюзеляже переднее несущее крыло 1 непосредственно прикреплено к нижнему уровню 50 центрального корпуса 5 и проходит от этого центрального корпуса, и заднее несущее крыло 2 непосредственно прикреплено к верхнему уровню 51 центрального корпуса и проходит от этого центрального корпуса.
Как проиллюстрировано на фиг. 1, верхний уровень 51 центрального корпуса 5 покрыт фотоэлементами 3.
Согласно предпочтительному варианту осуществления, проиллюстрированному на фиг. 3, заднее несущее крыло 2 характеризуется положительным углом поперечного V, а переднее несущее крыло 1 характеризуется нулевым углом поперечного V. Положительный угол поперечного V, присущий заднему несущему крылу, преимущественно составляет от 1 градуса до 5 градусов. В результате возмущения, создаваемые передним несущим крылом, оказывают меньшее влияние на заднее несущее крыло по сравнению с конфигурацией, в которой несущие крылья, если смотреть спереди, накладываются друг на друга. Переднее несущее крыло также характеризуется отрицательной круткой, составляющей от -1 градуса до -4 градусов.
Менее предпочтительно, заднее крыло может характеризоваться нулевым углом поперечного V и/или переднее несущее крыло может характеризоваться отрицательным углом поперечного V.
Рассмотрим фиг. 2, переднее несущее крыло и заднее несущее крыло смещены по длине вдоль фюзеляжа на расстояние DL разнесения в продольном направлении, составляющее от 2,5×С1 до 3,5×С1. Расстояние DL разнесения в продольном направлении измеряется, в частности, между фокусами двух крыльев.
Как проиллюстрировано на фиг. 3 и как указано выше, переднее несущее крыло 1 и заднее несущее крыло 2 смещены по высоте вдоль фюзеляжа на расстояние DH разнесения по высоте, составляющее от 0,4×С1 до 0,6×С1.
В целях ознакомления длина фюзеляжа предпочтительного беспилотного летательного аппарата, описанного выше, составляет приблизительно 3 метра, а максимальный размах крыла составляет приблизительно 5 метров. Этот беспилотный летательный аппарат оптимизирован с точки зрения аэродинамики (количество необходимой для полета энергии) и энергетики (способность генерировать энергию).
Этот беспилотный летательный аппарат относится к классу NATO 1 (-150 кг) и минимальной категории (2-20 кг).