Сборно-разборный беспилотный летательный аппарат блочной конструкции

Область техники, к которой относится полезная модель.
Полезная модель относится к области малогабаритных беспилотных авиационных систем самолетного типа, предназначенных для аэрофотографирования и воздушного наблюдения с возможностью передачи информации, получаемой бортовыми датчиками, на наземную станцию управления в реальном масштабе времени.
Уровень техники
Известны многие малогабаритные беспилотные авиационные системы самолетного типа, например, по патентам на изобретения США №7,152,827, 5,035,382 и 7,360,741, по заявке на изобретение РФ №2010148003, по патенту на полезную модель РФ №83483, по публикации РСТ № WO 2011002331 А1 20110106. В их состав входят наземная станция управления, бортовые и наземные средства радиосвязи, навигации и управления полетом, пусковое устройство и несущий полезную нагрузку беспилотный летательный аппарат. Они широко используются в гражданской и военной технике. Хотя системы названы малогабаритными, в собранном виде беспилотные летательные аппараты имеют довольно большие габариты и, главное, весьма сложную и непрочную внешнюю форму, резко ограничивающую возможность их транспортировки в собранном виде из-за опасности повреждения и неудобных габаритов. Поэтому эти системы, как правило, собирают и приводят в рабочее состояние на объекте, запускают входящий в систему малогабаритный летательный аппарат, приборы и устройства, установленные на нем, производят заданные действия, измерения, обработку, фиксацию и передачу информации наземным устройствам системы. По окончании работы системы на данном объекте систему разбирают и укладывают в транспортную упаковку, в которой она содержится до сборки на новом рабочем объекте. Тестируемые объекты обычно расположены не рядом, поэтому процессы сборки-разборки операторы производят довольно часто, иногда по несколько раз в день. Поэтому для таких систем очень важны характеристики процессов сборки и разборки, которые должны быть простыми, надежными, а используемые для их реализации устройства должны иметь небольшую массу.
Наиболее часто модульная система содержит фюзеляж летательного аппарата, его крылья, носовую часть и устройство запуска летательного аппарата. При этом полезная нагрузка и все элементы органов управления могут быть заранее установлены в
фюзеляже, носовой части и на крыльях. Сложность применения беспилотных авиационных систем многократно увеличивается тем обстоятельством, что для их грамотного эффективного применения, в том числе для сборки, разборки, подготовки к применению требуются заметное время, специалисты довольно высокой квалификации и наборы специальных инструментов.
Наиболее ответственными соединениями, проблемными для вышеуказанных условий реализации, являются элементы конструкций и приемы для надежного крепление крыльев летательного аппарата к его фюзеляжу и их фиксации. Эти задачи частично решены в вышеперечисленных патентах. Они содержат описание нескольких устройств соединения блоков беспилотного летательного аппарата, их скрепления и разборки, обеспечивающих надежное соединение и разъединение указанных блоков в условиях частых сборок-разборок при транспортировке системы и посадках летательного аппарата для зарядки аккумулятора из-за недостаточной длительности полета на одной зарядке. Длительность полета на одной зарядке аккумулятора в настоящее время составляет от десятка минут до одного-полутора часов. Для повышения времени полета беспилотного летательного аппарата необходимы аккумуляторы большей емкости, но они увеличивают вес летательного аппарата и его размеры, в частности размеры крыльев. Например, для увеличения веса беспилотного летательного аппарата в три раза необходимо увеличить площадь крыла в два раза, для чего надо увеличить его длину в 1,4 раза. Чтобы поместить такую летательную систему в транспортировочную укладку необходимо крыло так же сделать разборным, то есть состоящим из нескольких частей. Разборные крылья беспилотных летательных аппаратов состоят не более чем из двух частей (консоль и законцовка), так как при большем количестве составных частей очень усложняется конструкция крыла и снижается его прочность.
Наиболее близкое решение в этой области предложено в заявке на изобретение РФ №2010148003. Оно выбрано в качестве прототипа заявленной полезной модели по большинству существенных признаков и логике устройства. Прототип представляет собой переносную малогабаритную беспилотную авиационную систему, в которой беспилотный летательный аппарат модульной конструкции состоит из оперативно соединяемых частей: фюзеляж и носовая часть с установленной на них полезной нагрузкой, причем фюзеляж имеет центральный лонжерон, узлы прикрепления и замочного соединения носовой части и крыльев к фюзеляжу. При этом центральный лонжерон фюзеляжа выполнен в виде съемной трубки из композитных материалов, средняя часть которой плотно размещена внутри дополнительно расположенного в фюзеляже и прикрепленного к его боковым стенкам центрального цилиндрического держателя, продольная ось которого перпендикулярна продольной оси фюзеляжа, а периферийные части указанной трубки плотно входят в соосно установленные в крыльях боковые цилиндрические держатели. На торцах съемной трубки центрального лонжерона фюзеляжа, входящих в указанные боковые держатели в левой и правой частях крыла, установлены дисковые вставки из композитного материала. Один край боковых цилиндрических держателей прикреплен к первым нервюрам левой и правой частей крыла, примыкающим к фюзеляжу, а второй край боковых цилиндрических держателей, проходящих через вторые нервюры левой и правой частей крыла, жестко прикреплен к первым относительно передней кромки крыла лонжеронам левой и правой частей крыла. Замочные соединения левой и правой частей крыла с фюзеляжем включают два металлических болта, ввернутых своей резьбовой частью в дополнительно установленные на торцевых частях крыла втулки с регулируемым зазором между первыми нервюрами левой и правой частей крыла, прилегающими к фюзеляжу, и внутренними поверхностями головок металлических болтов за счет вкручивания или выкручивания указанных болтов. Два боковых отверстия в фюзеляже, соосно расположенные с указанными металлическими болтами, диаметр которых слегка превышает диаметр головок металлических болтов так, чтобы они свободно входили в эти отверстия при сборке и выходили при разборке беспилотного летательного аппарата. Две вертикальные штыревые пружины, расположенные внутри фюзеляжа и состоящие из отрезков стальной проволоки, нижние концы которых жестко закреплены под указанными боковыми отверстиями в фюзеляже, а верхние концы свободно проходят через продольные прорези в верхней части фюзеляжа над указанными боковыми отверстиями в фюзеляже, выполненные так, чтобы в отогнутом вперед, в направлении носовой части беспилотного летательного аппарата, состоянии указанные отрезки стальной проволоки не препятствовали введению головок указанных металлических болтов в боковые отверстия фюзеляжа в процессе присоединения левого и правого крыльев к фюзеляжу, а в отпущенном состоянии, при возврате назад к своему первоначальному положению, плотно входили в зазоры, образованные между внутренними поверхностями введенных внутрь фюзеляжа головок металлических болтов и внутренними боковыми поверхностями фюзеляжа. Таким образом, указанные вертикальные штыревые пружины являются стопорными элементами замочных соединений, благодаря которым полностью исключается возможность самопроизвольного отсоединения крыльев от фюзеляжа в полете. Средние части отрезков стальной проволоки вертикальных штыревых пружин надежно удерживаются в образованных зазорах не только за счет возвращающего действия сил внутренней деформации при их изгибе, но и за счет дополнительного давления на отрезки проволоки, возникающего от воздействия набегающего воздушного потока. Для повышения прочности съемная трубка центрального лонжерона фюзеляжа может быть выполнена в виде многослойной структуры, состоящей из нескольких слоев разных композитных материалов.
Задача полезной модели
Использованные в прототипе узлы крепления и замочные соединения частей крыла с фюзеляжем имеют существенную массу, что при прочих равных условиях снижает продолжительность полета летательного аппарата и ограничивает возможность установки на нем большего числа и более эффективных полезных нагрузок. Кроме того, элементы крепления и фиксации частей имеют сложные формы, а их точное, правильное соединение требует применения специального инструмента и участия в сборке достаточно квалифицированного оператора. Такие условия во многих реальных случаях эксплуатации обеспечить невозможно. Задача полезной модели - уменьшить вес элементов скрепления и фиксации крыльев беспилотного летательного аппарата к фюзеляжу и упростить их конструкцию и процессы сборки и разборки летательного аппарата при сохранении надежности системы.
В целом крепление крыльев к фюзеляжу должно исключить возможность их отцепления от фюзеляжа (падение и сдвиг по стержню) и поворота крыльев относительно фюзеляжа. В прототипе эти задачи выполнены с помощью стержня, проходящего сквозь фюзеляж в крылья, который связан с элементами крыльев несколькими резьбовыми и замковыми скреплениями. Это предохраняет крылья от падения, сдвига по стержню (до отсоединения) и поворота вокруг стержня.
Сущность изобретения
Патентуемая полезная модель предлагает другие конструктивные решения по скреплению и фиксации крыльев к фюзеляжу, упрощению процедур сборки и разборки летательного аппарата без снижения его надежности. Это позволит увеличить массу полезной нагрузки, увеличить время полета беспилотного летательного аппарата, снизить требования к квалификации обслуживающего персонала, то есть повысит эффективность работы малогабаритной беспилотной системы.
Сущность полезной модели состоят в том, что в известную малогабаритную беспилотную авиационную систему, включающую наземную станцию управления, бортовые и наземные средства радиосвязи, навигации и управления полетом, пусковое устройство и несущий полезную нагрузку сборно-разборный беспилотный летательный аппарат модульной конструкции, содержащий крылья и фюзеляж, при этом фюзеляж соединен с крыльями стержнем, вставленным в прочно прикрепленную к фюзеляжу перпендикулярно его продольной оси первую центральную направляющую, при этом периферийные части указанного стержня плотно входят в первые установленные в крыльях направляющие, соосные центральной направляющей, внесены существенные изменения, а именно:
- фюзеляж соединен с крыльями вторым стержнем, для чего в фюзеляже прочно установлена вторая центральная направляющая, параллельная первой, в крылья прочно установлены вторые периферийные держатели, соосные второй центральной направляющей, сквозь вторую направляющую и вторые периферийные держатели вставлен второй стержень;
- фюзеляж соединен (скреплен) с крыльями внешними фиксирующими связями;
- внешняя фиксирующая связь для беспилотных летательных аппаратов с неразборными крыльями, образована тем, что фюзеляж летательного аппарата имеет отдельную крышку, боковины которой частично накрывают крылья, на обеих боковинах крышки фюзеляжа установлен штырь, направленный вниз, а на верхних поверхностях крыльев выполнены гнезда, расположенные соосно штырям, при этом штыри плотно введены в гнезда крыльев;
- внешняя фиксирующая связь для беспилотных летательных аппаратов с крыльями из двух частей (далее - разборные крылья), образована тем, что фюзеляж связан с консолями крыльев, а консоли крыльев с законцовками крыльев резиновыми стяжками, при этом консоли крыльев прижаты к фюзеляжу, а законцовки прижаты к консолям резиновыми стяжками, концы которых закреплены на связываемых частях летательного аппарата, причем один конец каждой стяжки закреплен несъемно на одной связываемой части, второй - надет с натягом на штырь со шляпкой на поверхности другой связываемой части аппарата;
- незакрепленный конец резиновой стяжки может быть оборудован хлястиком для удобства ее одевания на штырь и съема с него.
Различные формы фиксации крыльев летательного аппарата обусловлены тем, что штыри удерживаются в гнездах неразборных крыльев сравнительно небольших легких аппаратов летательных за счет жесткости фюзеляжа, который плотно обжимает крыло между своей нижней частью и крышкой. Так как основная нагрузка на крылья и фюзеляж в ходе полета, приложенная перпендикулярно стрежням их скрепления, представляет собой вес крыльев, то нагрузка на штыри, удерживающие крылья от перемещения вдоль стрежней, небольшая. Удерживающего сопротивления штыря вполне достаточно для надежной фиксации крыла. Крылья более крупных летательных аппаратов состоят из двух частей. Они имеют значительно больший вес и габариты, и представляют существенно большую нагрузку на крепление крыльев таких летательных аппаратов. Для обеспечения необходимой надежности крепления и фиксации крыла применена более прочная внешняя фиксирующая связь на резиновых стяжках.
Технический результат предложенных решений состоит в упрощении устройств крепления и фиксации крыльев беспилотного летательного аппарата к фюзеляжу, снижении веса летательного аппарата, упрощении его сборки и разборки без снижения надежности. Это позволяет увеличить массу полезной нагрузки, увеличить время полета беспилотного летательного аппарата, снизить требования к квалификации обслуживающего персонала, то есть повысит эффективность работы малогабаритной беспилотной системы.
Перечень фигур
Фиг. 1 - Сборка беспилотного летательного аппарата с неразборным крылом.
Фиг. 2 - Фиксация неразборного крыла летательного аппарата к фюзеляжу.
Фиг. 3 - Сборка беспилотного летательного аппарата с разборным крылом.
Фиг. 4 - Фиксация частей разборного крыла к фюзеляжу и между собой.
На фигурах приняты следующие обозначения 1 - фюзеляж, 2 - крышка фюзеляжа, 3 - цилиндрические направляющие, 4 - стержни, для крепления крыла (консоли крыла), 5 - крылья, 6 - держатели в крыльях (консолях и законцовках крыльев), 7 - штырь на нижней поверхности крышки фюзеляжа, 8 - гнездо на верхней поверхности крыла, 9 - консоль крыла, 10 - законцовка крыла, 11 - стрежни для крепления законцовки крыла, 12 - штырь со шляпкой, 13 - резиновая стяжка с хлястиком.
Описание работы системы
Крепления крыльев к фюзеляжу в собранном летательном аппарате с однозвенным крылом выполнено следующим образом (Фиг. 1). Нижняя часть фюзеляжа 1 скреплена с крыльями 5 двумя длинными стержнями 4, вставленными в цилиндрические направляющие 3 жестко установленными в фюзеляже 1 перпендикулярно оси фюзеляжа, причем концы стержней плотно вставлены в соответствующие держатели 6, жестко установленные в крыльях 5. Боковины крышки фюзеляжа 2 накрывают части крыльев 5, прилегающих к фюзеляжу 1. На нижней части крышки фюзеляжа 2 накрывающей крылья 5 установлены штыри 7, направленные вниз, к крыльям 5, на которых соосно штырям 7 выполнены гнезда 8. Штыри 7 введены в гнезда 8.
На фиг. 2 представлена фиксация крыла введением штыря 7, размещенного на боковине крышки фюзеляжа 2 в гнездо 8 на поверхности крыла 5.
На фиг. 3 представлено крепление частей составного крыла к фюзеляжу и между собой. Нижняя часть фюзеляжа 1 скреплена с консолями крыльев 9 двумя длинными стержнями 4, вставленными в цилиндрические направляющие 3, жестко установленными в фюзеляже 1 перпендикулярно оси фюзеляжа, причем концы стержней плотно вставлены в соответствующие держатели 6, жестко установленные в консолях крыльев 9. Законцовка крыла 10 соединена с консолью крыла 9 с помощью стержней 11, которые вставлены в соосные держатели 6, установленные в консоли и законцовке крыла.
На фиг. 4 представлена фиксация консоли крыла 9 к фюзеляжу 1 и фиксация законцовки 10 к консоли крыла 9. Консоли крыла 9 прикреплены к фюзеляжу 1 резиновой стяжкой 13, прикрепленной одним концом к фюзеляжу 1. Она с натягом надета на штырь со шляпкой 12 на поверхности консоли крыла. Законцовка 10 прикреплена к консоли крыла 9 резиновой стяжкой 13, прикрепленной одним концом к законцовке 10, она с натягом надета на штырь со шляпкой 12, на поверхности консоли крыла 9. Естественно, места неразъемного крепления резиновых стяжек 13 и места размещения штырей со шляпками 12, на которые с натягом надеваются концы резиновых стяжек, могут взаимно меняться местами.
Малогабаритная беспилотная авиационная система перевозится в штатной упаковке. Упаковка представляет собой транспортировочный кейс (чемодан) в котором уложены разобранный беспилотный летательный аппарат с полезной нагрузкой, наземная станция управления, средства радиосвязи и сложенное в отдельном чехле пусковое устройство. Полезная нагрузка и бортовые средства связи размещены и закреплены в корпусе фюзеляжа или крыльях и не требуют действий по их монтажу при сборке беспилотного летательного аппарата.
Для сборки беспилотного летательного аппарата извлекают его составляющие из укладки. Стержни 4 вставляют в соответствующие цилиндрические направляющие 3, расположенные в нижней части фюзеляжа 1. Правое и левое крылья 5 закрепляют на периферийных концах указанных стержней, надвинув их до упора в держатели 6. Подключение электрических разъемов для питания и управления оборудованием, размещенным в крыльях, осуществляется коммутацией соответствующих разъемов при надвигании крыльев на стержни. Затем устанавливают аккумуляторную батарею. Фиксацию крыльев осуществляют при установке верхней крышки фюзеляжа 2, которую надевают на нижнюю часть фюзеляжа 1. При этом штыри 7, расположенные на нижней кромке крышки фюзеляжа 2 вводят в гнезда 8, расположенные на верхних поверхностях крыльев. Фиксацию крышки фюзеляжа к нижней части фюзеляжа производят резиновыми стяжками. Полезную нагрузку хранят и транспортируют в корпусе фюзеляжа или крыльях, что упрощает процесс сборки и разборки планера, исключает возможность неправильной установки полезной нагрузки в полевых условиях.
Сборку заявленного беспилотного летательного аппарата с неразборными крыльями производит один человек без применения каких-либо инструментов, это занимает 3-5 минут, причем для сборки не требуется какого-либо инструмента и длительного обучения исполнителя.
Сборка беспилотного летательного аппарата с разборными крыльями отличается тем, что вначале прикрепляют консоли крыльев 9 к фюзеляжу 1 практически аналогично процессу сборки, описанному выше. Отличие состоит в установке внешней фиксирующей связи 13, которую устанавливают после соединения фюзеляжа с консолями крыльев стержнями. У фиксирующей связи - резиновая стяжка 13, один конец прикреплен к фюзеляжу 1, второй свободен. Надевают с натягом второй конец этой резиновой стяжки на штырь со шляпкой 12, установленный на консоли крыли 9. Подключение электрических разъемов для питания и управления оборудованием, размещенным в крыльях, осуществляется коммутацией соответствующих разъемов при надвигании крыльев на стержни. Затем прикрепляют законцовки 10 крыльев к консолям 9. Для этого стержни 11, соединяющие эти части крыльев устанавливают в параллельные направляющие держатели, жестко установленные в соединяемых сторонах консоли 9 и законцовки 10 крыла соосно и перпендикулярно оси фюзеляжа 1. Фиксируют скрепление звеньев внешней фиксирующей связью 13, надев с натягом свободный конец резиновой стяжки 13, прикрепленной к законцовке 10 крыла, на штырь со шляпкой 12, установленный на консоли 9. Затем устанавливают аккумуляторную батарею, и фиксируют крышку фюзеляжа к нижней части фюзеляжа. Полезную нагрузку хранят и транспортируют в корпусе фюзеляжа или крыльях, что упрощает процесс сборки и разборки планера, исключает возможность неправильной установки полезной нагрузки в полевых условиях. Сборку заявленного беспилотного летательного аппарата с разборными крыльями производит один человек без применения каких-либо инструментов, это занимает 5-7 минут, причем для сборки не требуется какого-либо инструмента и длительного обучения исполнителя.
Подготовка к работе наземной станции управления заканчивается подключением к ней и запуском программного обеспечения для полетного задания и управления беспилотным летательным аппаратом в ходе полета.
После этого система готова к запуску и выполнению заданных действий, измерений или операций. Запускают летательный аппарат, он выполняет заданные ему операции, производя необходимую передачу, сигнализацию, обработку результатов, подчиняясь при необходимости сигналам управления, генерируемым наземными средствами управления.
Промышленная применимость
Каркас системы может быть выполнен из хорошо известных легких и прочных материалов, например, композитных. Разнообразная комплектующая измерительная, контрольная, сигнальная, связная, питающая аппаратура, устанавливаемая в блоки системы, изготавливается многими предприятиями в России и за границей в большом ассортименте. Обычно для малогабаритных беспилотных летательных систем выбирают наиболее легкие и экономичные приборы, обеспечивающие требуемые характеристики точности и надежности. Предусмотренное полезной моделью взаимодействие средств реализуется в известных технологических процессах в области авиастроения и использования пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов различного назначения. Беспилотная авиационная система, реализующая заявляемую полезную модель, была изготовлена и неоднократно экспериментально проверена в опытных партиях продукции предприятия-заявителя.
В частности, малогабаритная беспилотная экспериментальная система с неразборным крылом имеет вес в сборе 3,1 кг, размах крыльев 130 см, время работы в воздухе - 60 минут, скорость полета - 64 - 130 км/час, максимальный вес полезной нагрузки до 0,8 кг, время сборки 4-5 минут (без укладки парашюта).
Малогабаритная беспилотная экспериментальная система с разборным крылом и повышенным временем полета имеет вес в сборе 9 кг, размах крыльев 230 см, время работы в воздухе - до 150 минут, скорость полета - 64 - 130 км/час, максимальный вес полезной нагрузки до 1,5 кг, время сборки 5-7 минут (без укладки парашюта).
Полезная модель предназначена для использования в малогабаритных беспилотных авиационных системах самого различного назначения. В состав комплекса входят беспилотный летательный аппарат с установленной полезной нагрузкой (фотоаппаратом или видеокамерой (видимого или ИК-диапазона) на стабилизированной управляемой платформе, пусковое устройство, наземная станция управления, радиомодем с антенной. Обслуживание комплекса осуществлялось техническим расчетом из двух человек с неподготовленных в инженерном отношении площадок при скорости ветра до 10 метров в секунду. Время подготовки к старту из походного положения - не более 15 минут. Время подготовки беспилотного летательного аппарата к повторному вылету - не более 10 минут, в том числе на сборку беспилотного летательного аппарата не более 5-и минут. Время зарядки бортовой аккумуляторной батареи - не более 2 часов.
При этом сборку и разборку системы проводили начинающие работники невысокой квалификации, ранее не имевшие опыта применения беспилотных авиационных систем. Испытуемые системы многократно вывозили на многодневные натурные испытания, в том числе - в сельские некомфортные условия. Для сборки и разборки не использовались никакие слесарные и измерительные инструменты. Тем не менее, время сборки системы обучаемыми работниками не превышало 5 минут и за время испытаний не было случаев расстыковки блоков и нарушения контактных соединений системы. После первых же сборок исполнителей перестали контролировать. Разборка и транспортная упаковка вообще не выявили каких-либо проблем.
Эксперименты подтвердили наше предположение, что предложенные нами простые механизмы скрепления фюзеляжа с крыльями и его фиксация достаточно надежны. Введение второго стержня значительно укрепило летательный аппарат, упростило устройства его скрепления и фиксации, исключило возможность поворота крыла относительно фюзеляжа. Устройства гораздо легче механизма прототипа, они предельно просты и удобны для сборки-разборки. Максимальный вес полезного груза беспилотной системы при прочих равных условиях - заметно больше, крепления и сборка несравненно проще. Надежность скрепления вполне достаточная для многомесячных длительных работ даже в очень скудных и сложных походных некомфортных условиях.