КАТАПУЛЬТА ДЛЯ ВЗЛЕТА ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
AIRCRAFT LAUNCHING CATAPULT

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к устройствам для взлета беспилотных летательных аппаратов (БЛА).
Известно устройство для запуска беспилотных летательных аппаратов (см. патентную заявку Великобритании №2132577, МПК B64F 1/06, 11.071984 г.), содержащее наклонную направляющую, тележку, на которой устанавливается БЛА, перемещаемую по направляющей разгонным устройством, разгонное устройство, включающее в себя маховик с приводом от электромотора, систему сцепления и передачи механической энергии от маховика к тележке.
Перед запуском с помощью стыковочного устройства летательный аппарат присоединяют к тележке, расположенной на катапульте в стартовом положении, а после ее разгона разгонным устройством до требуемой скорости летательный аппарат отсоединяют от тележки, а тележку тормозят.
Недостатком данного устройства является ограниченная надежность, обусловленная большим количеством механических звеньев.
Известна катапульта для старта летательных аппаратов (см. патент Украины №65062 A, МПК B64F 1/00, 15.03.2004 г.), принятая за прототип. Устройство содержит корпус, направляющие с тележкой, систему разгона тележки по направляющим, корпус выполнен как цилиндрическая емкость со сжатым газом с установленными на ней направляющими с тележкой, силовым цилиндром с поршнем, автоматикой подачи сжатого газа, тросовой системой, полиспастом, систему крепления БЛА на тележке, тормозные амортизаторы.
Устройство работает следующим образом. В пункте дислокации проводят заправку катапульты сжатым газом. После прибытия в район запуска катапульту переводят в рабочее положение. Летательный аппарат устанавливают и закрепляют на тележке, установленной на направляющих. Проверяют системы, которые обеспечивают старт, запускают двигатель БЛА и подают рабочее давление из емкости со сжатым газом в силовой цилиндр с поршнем, взаимодействующим через тросово-блоковую систему с тележкой. После набора стартовой скорости тележка контактирует с амортизаторами, при этом раскрываются узлы крепления БЛА на тележке, аппарат взлетает. Возвратив тележку в исходное положение, можно проводить старт следующего БЛА. После одной заправки емкости можно произвести запуск нескольких БЛА.
К недостаткам прототипа следует отнести невысокую надежность взлета летательного аппарата, обусловленную возможностью его контакта с элементами катапульты и тележки, возникающей в результате их взаимного относительного движения на близком расстоянии друг от друга, что может приводить к касанию хвостовой части БЛА и в результате к поломке летательного аппарата.
Запуск нескольких БЛА после однократной заправки емкости сжатым газом приводит по мере расходования газа к снижению давления в емкости, и, соответственно, к нестабильности динамических и кинематических параметров разгона тележки с БЛА, что, в свою очередь, может быть причиной поломки летательного аппарата на старте.
Отсутствие фиксатора стартового положения тележки с регулируемым тарированным усилием страгивания приводит к неопределенности момента начала движения тележки и нестабильности параметров разгона, поскольку при такой конструкции момент начала движения тележки зависит от стартовой массы и тяги силовой установки БЛА (например, двигатель с винтом или турбореактивный двигатель), климатических условий окружающей среды, состояния контактирующих элементов тележки и направляющей, и ряда других факторов.
Поскольку подача сжатого газа в силовой цилиндр не прекращается в процессе движения тележки, возникают высокие ударные перегрузки тележки в момент контакта с амортизаторами, эти перегрузки могут приводить к поломке тележки.
Применение тросовой системы с полиспастом практически неприемлемо в случае запуска летательных аппаратов, имеющих стартовую массу свыше 15…20 килограммов, по причине большого количества перегибов троса с длинными линиями контакта с блоками (до 0,5 окружности) при высоких передаваемых импульсах силы и ускорениях. Что, с одной стороны, при малых сечениях троса приводит к его обрыву, а с другой, при увеличении сечения, к резкому снижению коэффициента полезного действия за счет затрат энергии на деформацию троса.
Раскрытие узлов крепления БЛА на тележке после контакта с амортизаторами приводит к передаче ударных перегрузок от тележки летательному аппарату, что может при определенных условиях приводить к его выходу из строя.
Задачей изобретения является повышение надежности запуска летательного аппарата, увеличение ресурса устройства, снижение стоимости его эксплуатации, расширение его функциональных возможностей.
Техническим результатом изобретения является разработка конструкции катапульты для взлета летательного аппарата, имеющей систему отделения БЛА от тележки, исключающую возможность поломки аппарата; жестко определенные параметры разгона тележки с БЛА, возможность запуска БЛА с большими стартовой массой и тягой силовой установки, большое количество запусков БЛА без дозаправки устройства, пониженные ударные перегрузки при торможении тележки, повышение безопасности.
Указанный технический результат достигается тем, что в катапульте для взлета летательного аппарата, содержащей направляющую с тележкой, разгонное устройство тележки, включающее в себя силовой пневмоцилиндр с поршнем и трос с блоками, один конец троса соединен с тележкой, на тележке смонтирован узел стыковки с летательным аппаратом, на направляющей установлено тормозное устройство, новым является то, что на направляющей и тележке установлено устройство фиксации стартового положения тележки с регулируемым тарированным усилием страгивания, разгонное устройство содержит источник сжатого газа и ресивер, источник сжатого газа соединен с ресивером через вентильное устройство, на ресивере установлены манометр и клапан сброса избыточного давления, силовой пневмоцилиндр сообщен с ресивером через электропневмоклапан, электропневмоклапан управляется от программируемого контроллера, узел стыковки с летательным аппаратом содержит закрепленные в верхней части тележки симметрично относительно вертикальной продольной плоскости симметрии тележки свободно вращающиеся ролики в количестве не менее четырех, а также выступы, фиксирующие летательный аппарат по всем степеням свободы за исключением перемещения по направлению «вперед», выдвигающиеся стопоры, фиксирующие летательный аппарат от перемещения по направлению «вперед», второй конец троса закреплен на поршне, при этом контроллер обеспечивает прекращение подачи сжатого газа в силовой пневмоцилиндр до момента контакта тележки с тормозным устройством, стопоры убираются до момента контакта тележки с тормозным устройством, ролики контактируют с нижними поверхностями летательного аппарата, выступы и стопоры взаимодействуют с ответными силовыми элементами летательного аппарата, ускорение тележки с летательным аппаратом, создаваемое разгонным устройством, превышает ускорение летательного аппарата, создаваемое его силовой установкой.
Установка на направляющей и тележке устройства фиксации стартового положения тележки с регулируемым тарированным усилием страгивания позволяет обеспечить стабильные параметры разгона тележки с летательным аппаратом, обеспечить возможность запуска БЛА с различными стартовыми массой и тягой силовой установки независимо от климатических условий окружающей среды, состояния контактирующих элементов тележки и направляющей, и других факторов.
Введение в состав разгонного устройства отдельных источника сжатого газа и ресивера, соединение источника сжатого газа с ресивером через вентильное устройство, установка на ресивере манометра и клапана сброса избыточного давления, сообщение силового пневмоцилиндра с ресивером через электропневмоклапан, управление электропневмоклапаном от программируемого контроллера позволяют жестко определять параметры разгона тележки с БЛА, исключить поломки летательного аппарата на старте, обеспечить большое количество запусков БЛА без дозаправки устройства, повысить безопасность.
Обеспечение контроллером прекращения подачи сжатого газа в цилиндр до момента контакта тележки с тормозным устройством позволяет снизить ударные перегрузки при торможении тележки и исключить ее поломку.
Конструкция узла стыковки с летательным аппаратом, включающая в себя закрепленные в верхней части тележки симметрично относительно вертикальной продольной плоскости симметрии тележки свободно вращающиеся ролики в количестве не менее четырех, а также выступы, фиксирующие летательный аппарат по всем степеням свободы за исключением перемещения по направлению «вперед», выдвигающиеся стопоры, фиксирующие БЛА от перемещения по направлению «вперед» и убираемые до момента контакта тележки с тормозным устройством, контактирование роликов с нижними поверхностями БЛА, взаимодействие выступов и стопоров с ответными силовыми элементами летательного аппарата, величина ускорения тележки с БЛА, создаваемого разгонным устройством, превышающая ускорение летательного аппарата, создаваемого его силовой установкой, позволяют избежать поломки летательного аппарата при запуске.
Закрепление второго конца троса на поршне определяет конструкцию разгонного устройства с минимальным количеством перегибов троса при линиях контакта с блоками меньших половины окружности, что дает возможность запускать БЛА с большой стартовой массой без обрыва троса и снижения коэффициента полезного действия.
Совокупность конструктивных элементов, их взаимное расположение, форма выполнения элементов и связь между ними позволяют обеспечить высокую надежность запуска летательного аппарата, большой ресурс устройства, снизить стоимость эксплуатации, расширить функциональные возможности устройства.
Сущность предлагаемого изобретения поясняется чертежами, где на
- фиг.1 - устройство в исходном состоянии с установленным на нем летательным аппаратом (система пневмопитания разгонного устройства не показана);
- фиг.2 - устройство в исходном состоянии с установленным на нем летательным аппаратом (вид сверху);
- фиг.3 - (выносной элемент А) пружинный блок устройства фиксации стартового положения до начала движения тележки;
- фиг.4 - (выносной элемент А) пружинный блок устройства фиксации стартового положения после начала движения тележки (стрелками показаны направления движения тележки и ползунов);
- фиг.5 - (выносной элемент Б) откидная планка устройства фиксации стартового положения до начала движения тележки;
- фиг.6 - (выносной элемент Б) откидная планка устройства фиксации стартового положения после начала движения тележки (стрелками показаны направления движения тележки и вращения откидной планки);
- фиг.7 - (выносной элемент В) - узел стыковки с летательным аппаратом до начала движения тележки (стопор выдвинут);
- фиг.8 - (выносной элемент В) - узел стыковки с летательным аппаратом в момент контакта тележки с тормозным устройством (стопор убран, БЛА катится по роликам, стрелками показаны направления движения БЛА и вращения роликов);
- фиг.9 - устройство в момент контакта тележки с тормозным устройством (стрелкой показано направление движения БЛА);
- фиг.10 - пневматическая схема разгонного устройства.
В состав катапульты входят направляющая 1 с тележкой 2, тормозное устройство 3 и разгонное устройство.
Направляющая 1 представляет собой короб квадратного сечения, устанавливаемый на опорах 4 в наклонном положении, при этом верхняя и нижняя продольные грани короба находятся в вертикальной плоскости.
Внутри короба установлен силовой пневмоцилиндр 5 с поршнем 6.
В нижней части направляющей 1 закреплены откидная планка 7 (фиг.5) устройства фиксации стартового положения тележки 2, а также тросики 8 с чеками 9 (фиг.7) для фиксации выдвигающихся стопоров 10 узла стыковки тележки с летательным аппаратом. Стопоры 10 удерживаются в выдвинутом положении чеками 9, соединенными с тросиками 8, вторые концы тросиков закреплены на направляющей 1.
В верхней части направляющей 1 установлено тормозное устройство 3, в случае, показанном на фиг.2, оно представляет собой резиновые буферы. На верхнем торце направляющей также установлены свободно вращающиеся блоки 11 для троса 12.
Тележка 2 расположена на направляющей 1 с возможностью перемещения по ней под действием разгонного устройства, снабжена узлом стыковки с летательным аппаратом и пружинным блоком 13 (фиг.3, 4) устройства фиксации стартового положения.
В нижней части тележки 2 установлены две пары свободно вращающихся роликов 14 с возможностью качения по двум противоположным граням направляющей 1, расположенным в наклонной плоскости.
В верхней части тележки 2 размещен узел стыковки с летательным аппаратом.
Он состоит (фиг.4) из установленных симметрично относительно вертикальной продольной плоскости симметрии тележки свободно вращающихся роликов 15, а также двух выступов 16 и двух выдвигающихся стопоров 10.
В задней части тележки установлен (фиг.3, 4) пружинный блок 13 устройства фиксации стартового положения тележки 2, состоящий из двух подпружиненных ползунов с регулируемым усилием поджатия, соединенных штифтом (на чертежах позиции не показаны).
Разгонное устройство тележки 2 включает в себя силовой пневмоцилиндр 5 с поршнем 6, трос 12 с блоками 11, (далее фиг.10) источник сжатого газа 17, ресивер 18. Источник сжатого газа соединен с ресивером через вентильное устройство 19. На ресивере установлены манометр 20 и клапан 21 сброса избыточного давления. Силовой пневмоцилиндр 5 сообщен с ресивером через электропневмоклапан 22. Электропневмоклапан 22 управляется от программируемого контроллера 23.
Корпус силового пневмоцилиндра 5 выполнен в виде цилиндрической трубы с закрытыми торцами, в одном из которых выполнено отверстие для троса. Поршень 6 размещен в корпусе силового пневмоцилиндра 5 с возможностью перемещения вдоль его продольной оси и образования рабочей камеры, расположенной со стороны отверстия в торце корпуса силового пневмоцилиндра.
Трос 12 пропущен через отверстие в торце корпуса силового пневмоцилиндра, охватывает блоки 11, закрепленные на верхнем торце направляющей 1, один конец троса соединен с тележкой 2, а второй закреплен на поршне 6 по его оси.
Контроллер 23 электропневмоклапана 22 запрограммирован на прекращение подачи сжатого газа в силовой пневмоцилиндр 5 в определенный момент времени - до контакта тележки 2 с тормозным устройством 3.
Кроме того, в целях улучшения условий торможения, корпус силового пневмоцилиндра 5 может быть снабжен дренажными отверстиями, выполненными в его боковой стенке, при этом размеры и расположение дренажных отверстий по длине силового пневмоцилиндра подбираются исходя из условия сообщения полости рабочей камеры с окружающей средой перед контактом тележки 2 с тормозным устройством 3, а также условия образования около закрытого торца силового пневмоцилиндра 5 при смещении к нему поршня 6 замкнутой по объему камеры торможения поршня.
Катапульта работает следующим образом.
Первоначально устройство находится в стартовом состоянии, показанном на фиг.1, 2. Тележка 2 размещена в начале направляющей 1 и удерживается устройством фиксации стартового положения, состоящим из откидной планки 7 и пружинного блока 13, на котором проводится установка тарированного усилия страгивания.
Летательный аппарат 24 установлен на тележку 2, закрепленные в верхней части тележки ролики 15 контактируют с нижними поверхностями БЛА. Выступы 16 и стопоры 10 взаимодействуют с ответными силовыми элементами летательного аппарата 24. Выступы 16 и ролики 15 фиксируют летательный аппарат 24 по всем степеням свободы, за исключением перемещения по направлению «вперед». Стопоры 10 выдвинуты вверх и фиксируют летательный аппарат от перемещения по направлению «вперед».
От источника сжатого газа 17, которым может служить компрессор (с приводом от электромотора либо двигателя внутреннего сгорания) или заправленный газом под давлением порядка 100 атм. баллон, через вентильное устройство 19 ресивер 18 заправляется газом (например, воздухом) до определенного давления (порядка десятков атмосфер). Величина давления определяется в зависимости от стартовой массы и тяги силовой установки БЛА. При использовании в качестве источника 17 баллона высокого давления можно дополнительно применить для заправки ресивера 18 пневморедуктор, настроенный на нужное давление.
С помощью манометра 20 контролируется уровень давления в ресивере 18. При излишнем давлении в ресивере клапан 21 произведет его сброс в атмосферу.
Далее запускают силовую установку БЛА и выводят ее на режим максимальной тяги, после чего подают электрическую команду на программируемый контроллер 23 (программированием контроллера 23 устанавливают время отключения подачи сжатого газа в силовой пневмоцилиндр 5, это время определяют в зависимости от давления в ресивере 18, стартовой массы и тяги силовой установки БЛА 24).
Контроллер 23 открывает электропневмоклапан 22, сжатый газ подается в рабочую камеру силового пневмопилиндра 5.
Сила давления газа на поршень 6 через трос 12, перекинутый через блоки 11, передается к тележке 2. При достижении на тележке величины тяги, соответствующей усилию срабатывания устройства фиксации стартового положения откидная планка 7 сбрасывается со штифта пружинного блока 13. Тележка 2 начинает движение по направляющей 1 катапульты и разгоняется вместе с летательным аппаратом 24. После начала движения тележки чеки 9 выдергиваются из отверстий стопоров 10, стопоры под действием установленных на них пружин убираются внутрь тележки и освобождают летательный аппарат 24 от фиксации по направлению «вперед». Однако БЛА удерживается на тележке за счет взаимодействия с роликами 15 и выступами 16, поскольку ускорение тележки с летательным аппаратом, создаваемое разгонным устройством, превышает ускорение летательного аппарата, создаваемое его силовой установкой.
До наступления контакта тележки 2 с тормозным устройством 3 катапульты контроллер 23 закрывает электропневмоклапан 22, подача газа в рабочую камеру силового пневмоцилиндра 5 прекращается. При этом около закрытого торца силового пневмоцилиндра 5 при смещении к нему поршня 6 образуется замкнутая по объему камера торможения поршня.
При оборудовании силового пневмоцилиндра 5 дренажными отверстиями, перед контактом тележки 2 с тормозным устройством 3 происходит выпуск сжатого газа из рабочей камеры через открывающиеся дренажные отверстия, что способствует торможению тележки 2. Это позволяет снизить перегрузки, возникающие при ударе тележки 2 по тормозному устройству 3.
После перемещения по всей длине направляющей 1 тележка 2 вместе с летательным аппаратом 24 приобретает скорость, необходимую для взлета БЛА.
В конце направляющей 1 тележка 2 взаимодействует с тормозным устройством 3, которое гасит ее скорость.
При торможении тележки 2 летательный аппарат 24 за счет тяги силовой установки и сил инерции движется по направлению «вперед» и своей нижней поверхностью катится по роликам 15 тележки, сходит с нее и начинает автономный полет.