БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ВЕРТОЛЕТНОГО ТИПА

Область техники
[1] Полезная модель относится к области беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа, предназначенных для запуска из тубы и характеризующихся цилиндрическим корпусом, который при нахождении в полете занимает вертикальное положение.
Предпосылки к созданию полезной модели
[2] Беспилотные летательные аппараты вертолетного типа (далее - БПЛАВТ) обладают рядом существенных достоинств, связанных с возможностью БПЛАВТ зависать над местом наблюдения или местом доставки груза. Однако для самостоятельного подъема БПЛАВТ требуется значительная энергия, которая могла бы быть направлена на увеличение времени полета или его дистанции. В настоящее время известны решения, в которых для повышения указанных эксплуатационных характеристик запуск БПЛАВТ может быть осуществлен с помощью внешнего источника энергии, придающего БПЛАВТ исходный импульс и выводящий его на заданную высоту. Таким внешним источником энергии служит пусковое устройство пневматического или взрывного действия, при этом запуск БПЛАВТ производят с использованием вертикально устанавливаемой тубы.
[3] Следует также отметить, что размещение БПЛАВТ в тубе обеспечивает удобство его транспортировки, а сам запуск может быть произведен из ограниченного или скрытого пространства, что не представляется возможным для традиционных БПЛА. Тем не менее использование тубы для транспортировки и запуска БПЛАВТ накладывает на конструкцию БПЛАВТ определенные ограничения, а именно: корпус БПЛАВТ должен иметь цилиндрическую форму, соответствующую форме тубы, а лопасти должны быть выполнены с возможностью их складывания в компактное состояние при размещении БПЛАВТ в тубе и с возможностью их перевода в развернутое состояние сразу после запуска. В известных конструкциях при нахождении БПЛАВТ в полете его корпус занимает вертикальное положение, а две противоположно вращающиеся пары лопастей расположены с одной или с обеих торцевых сторон корпуса.
[4] Патентная публикация WO 2020247198 A2, 10.12.2020 раскрывает БПЛАВТ, предназначенный для запуска из тубы и последующего управляемого спуска в заданную точку. Внешняя поверхность корпуса имеет заглубленные участки, вмещающие в себя лопасти при их нахождении в компактном состоянии. Благодаря этому внешняя поверхность корпуса на других своих участках может находиться в контакте с внутренней поверхностью тубы, что в свою очередь, является условием для эффективного запуска БПЛАВТ и безопасности его транспортировки. Ввиду упомянутой специфики применения данного БПЛАВТ, предусматривающей только управляемый спуск, сами лопасти имеют достаточно малый продольный размер и малую толщину. В целях сохранения прочности корпуса толщина его стенки не должна существенно уменьшаться, поэтому заглубленные участки внешней поверхности требуют выполнения соответствующих выпуклостей на внутренней поверхности, что несколько уменьшает полезное пространство внутри корпуса. В известном из указанной публикации БПЛАВТ за счет малого размера лопастей такое уменьшение полезного пространства не является критическим.
[5] Тем не менее, если БПЛАВТ предназначен для дальнейшего набора высоты с возможностью маневрирования и длительного нахождения в полете, он должен быть оснащен лопастями существенно большего размера, которые в компактном состоянии могут пролегать на всю длину корпуса. При осуществлении вращения такие лопасти подвержены значительным нагрузкам, вследствие чего они выполняются с увеличенной толщиной по меньшей мере в области их крепления к ведущим валам. Занимаемый такими лопастями объем требует выполнения на внешней поверхности корпуса БПЛАВТ заглубленных участков большой глубины, а поскольку при этом должна быть сохранена требуемая прочность корпуса, то заглубленные участки не могут быть выполнены за счет уменьшения толщины стенки корпуса. Соответственно, выпуклости на внутренней поверхности корпуса также оказываются большими и приводят к уже весьма значительному уменьшению полезного пространства внутри корпуса. В результате этого возникают существенные ограничения для размещения в корпусе как оборудования, обеспечивающего работоспособность БПЛАВТ, например аккумуляторной батареи, так и целевой нагрузки, например наблюдательного оборудования.
[6] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в максимизации внутреннего объема корпуса БПЛАВТ, транспортируемого в тубе и обладающего возможностью запуска из тубы.
Сущность полезной модели
[7] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложен беспилотный летательный аппарат, предназначенный для запуска из тубы, который содержит корпус и две пары лопастей, способных находиться в развернутом и компактном состояниях. Корпус содержит основную стенку, выполненную в виде трубы, а лопасти обеих пар закреплены своими первыми концами с первой торцевой стороны основной стенки. Внешняя поверхность основной стенки образует четыре продольно расположенных заглубленных участка, которые вмещают в себя лопасти при их нахождении в компактном состоянии. С продвижением от первых концов лопастей к их вторым концам толщина лопастей уменьшается, а с продвижением от первой торцевой стороны основной стенки к ее второй торцевой стороне заглубленные участки удаляются от продольной оси основной стенки. Толщина основной стенки при этом остается постоянной на всей площади заглубленных участков.
[8] Технический результат полезной модели состоит в том, что с продвижением вдоль продольной оси основной стенки от первой ее торцевой стороны ко второй торцевой стороне увеличивается внутренний поперечный размер основной стенки при сохранении неизменности ее толщины, что, в свою очередь, увеличивает полезное пространство внутри корпуса, пригодное для размещения штатного оборудования или целевой нагрузки, без ослабления прочности корпуса.
[9] В первом частном случае полезной модели с продвижением от первых концов лопастей к их вторым концам ширина лопастей уменьшается. В этом исполнении с продвижением вдоль продольной оси основной стенки от первой ее торцевой стороны ко второй торцевой стороне, объем заглубленных участков может уменьшаться еще быстрее, что обеспечивает дополнительное увеличение полезного объема корпуса.
[10] Во втором частном случае полезной модели при нахождении лопастей в компактном состоянии зазор между поверхностями лопастей и заглубленными участками уменьшаться с уменьшением толщины лопастей. В этом исполнении обеспечивается максимизация внутреннего поперечного размера основной стенки. Однако возможен случай, когда зазор между поверхностями лопастей и заглубленными участками остается неизменным на всей длине лопастей. Такое исполнение позволяет обеспечить достаточную степень увеличения внутреннего поперечного размера основной стенки при исключении контакта лопасти с основной стенкой, если указанный контакт представляется нежелательным.
Краткое описание чертежей
[11] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - общий вид предложенного БПЛАВТ;
Фиг. 2 - вид предложенного БПЛАВТ сбоку;
Фиг. 3 - вид корпуса и лопастей предложенного БПЛАВТ в разрезе А-А с Фиг. 2;
Фиг. 4 - вид корпуса и лопастей предложенного БПЛАВТ в разрезе Б-Б с Фиг. 2, более точно: вид участков корпуса и лопастей между секущими плоскостями А-А и Б-Б.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов БПЛАВТ и их причинно-следственную связь с техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[12] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших известных авторам примерах ее реализации, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[13] Беспилотный летательный аппарат вертолетного типа (БПЛАВТ) 1, выполненный согласно полезной модели и представленный на Фиг. 1 и 2, содержит две одинаковые пары лопастей 10 и корпус 20.
[14] БПЛАВТ 1 предназначен для транспортировки в тубе (не показана) с возможностью запуска из тубы. В этих целях корпус 20 снабжен основной стенкой 30, которая выполнена в виде трубы. Внешняя поверхность 31 основной стенки 30 представляет собой поверхность, содержащую четыре дуговых участка 32 (Фиг. 3 и 4), принадлежащих одной и той же цилиндрической поверхности. По одному дуговому участку 32 при этом расположено в каждой из четырех областей пространства, которые образованы двумя плоскостями, проходящими через пары осей X-Z и Y-Z. При размещении БПЛАВТ 1 в тубе дуговые участки 32 расположены с минимальным зазором или находятся в контакте с внутренней поверхностью тубы, при этом внутренняя поверхность тубы также является цилиндрической поверхностью. Данное обстоятельство способствует надежной фиксации БПЛАВТ 1 в тубе на этапе транспортировки и задает для БПЛАВТ 1 направление во время запуска.
[15] Двигатель, редуктор, аккумуляторная батарея, ведущие валы и другое оборудование БПЛАВТ 1 размещены в полости 33 основной стенки 30 известным специалисту в данной области образом. Аналогично этому, в полости 33 может быть размещено целевое оборудование, такое как средства наблюдения, радиосвязи и т.п., а также отделяемый груз.
[16] Первая пара лопастей 10 расположена над второй парой лопастей 10, причем обе пары лопастей 10 находятся с одной и той же торцевой стороны основной стенки 30, в качестве которой выступает первая торцевая сторона 34. Лопасти 10 каждой пары закреплены своими первыми концами 11 на своем ведущем валу, причем оба ведущих вала расположены коаксиально друг другу и вращаются в противоположных направлениях, что позволяет компенсировать крутящий момент, передаваемый каждым из ведущих валов на корпус 20. Более точно, ведущий вал лопастей 10 первой пары проходит внутри ведущего вала лопастей 10 второй пары.
[17] Лопасти 10 могут находиться в компактном и развернутом состояниях. В компактном состоянии (Фиг. 2-4) лопасти 10 расположены так, что их передние грани 13 проходят вдоль продольной оси Z. Для осуществления полета БПЛАВТ 1 лопасти 10 переводятся в развернутое состояние (Фиг. 1), в котором они расположены так, что их передние грани 13 проходят перпендикулярно продольной оси Z. Следует отметить, что с целью увеличения подъемной силы БПЛАВТ 1 лопасти 10 имеют длину, которая является максимально возможной в данной конфигурации, т.е. при нахождении в своем компактном состоянии лопасти 10 второй пары пролегают на всю длину основной стенки 30. Поскольку все лопасти 10 являются одинаковыми, то в дальнейшем изложении будет описана одна из них.
[18] При вращении лопасти 10 испытываемая ей нагрузка концентрируется вблизи ее первого конца 11 и постепенно уменьшается с продвижением ко второму концу 12, определенному в продольном направлении лопасти 10. С целью обеспечения прочности и легкости лопасти 10 ее толщина у первого конца 11 является максимальной, при этом с продвижением ко второму концу 12 толщина лопасти 10 уменьшается. Другими словами, с продвижением от первого конца 11 ко второму концу 12 нижняя поверхность 15 лопасти 10 приближается к верхней поверхности 16, и когда лопасть 10 находится в компактном состоянии, указанное схождение ее нижней и верхней поверхностей 15 и 16 сопровождается удалением нижней поверхности 15 от продольной оси Z. Одновременно с этим аналогичным образом может уменьшаться и ширина лопасти 10.
[19] В контексте настоящего изложения толщина лопасти 10 на каком-либо поперечном сечении определяется как максимальное расстояние между ее верхней и нижней поверхностями 15 и 16. В свою очередь, ширина лопасти 10 на каком-либо поперечном сечении определяется как максимальное расстояние между передней гранью 13 и противоположной ей задней гранью 14.
[20] Внешняя поверхность 31 основной стенки 30 образует четыре продольно расположенных заглубленных участка 35. Глубина какого-либо из заглубленных участков 35 на выбранном поперечном сечении представляет собой разность между расстоянием от продольной оси Z до любого дугового участка 32 и минимальным расстоянием от продольной оси Z до данного заглубленного участка 35.
[21] При нахождении в своем компактном состоянии лопасть 10 размещается внутри своего заглубленного участка 35 так, что в радиальном направлении верхняя поверхность 16 лопасти 10 не выходит за пределы цилиндрической поверхности, задаваемой дуговыми участками 32, а значит, не препятствует перемещению БПЛАВТ 1 по тубе. Одновременно с этим зазор между нижней поверхностью 15 и заглубленным участком 35 остается постоянным на всей длине лопасти 10. Таким образом, с продвижением от первой торцевой стороны 34 основной стенки 30 к ее второй торцевой стороне 36 каждый заглубленный участок 35 удаляется от продольной оси Z основной стенки 30 вместе с обращенной к нему нижней поверхностью 15 лопасти 10.
[22] В свою очередь, внутренняя поверхность 37 основной стенки 30 образует четыре продольно расположенных выпуклых участка 38, расположенных в радиальном направлении напротив заглубленных участков 35 так, чтобы толщина основной стенки 30 оставалась постоянной на всей площади заглубленных участков 35. В предпочтительном случае толщина основной стенки 30 является постоянной на всей площади внешней поверхности 31.
[23] На Фиг. 3 основная стенка 30 и лопасти 10 представлены в разрезе А-А, выполненном на уровне, близком к первой торцевой стороне 34. Толщина лопастей 10 вместе с глубиной заглубленных участков 35 на данном уровне являются сравнительно большими. Линия 39 пересечения секущей плоскости с каким-либо выпуклым участком 38 внутренней поверхности 37 на Фиг. 3 совпадает с самим выпуклым участком 38.
[24] В противоположность этому на Фиг. 4, показывающей разрез Б-Б, выполненный ближе ко второй торцевой стороне 36, толщина лопастей 10, а вместе с ней и глубина заглубленных участков 35 существенно уменьшаются. В результате этого заглубленные участки 35 удаляются от продольной оси Z, а поскольку толщина основной стенки 30 остается постоянной на всей площади заглубленных участков 35, то вместе с заглубленными участками 35 от продольной оси Z удаляются и выпуклые участки 38.
[25] На Фиг. 4 линия 40 пересечения секущей плоскости с каким-либо выпуклым участком 38 внутренней поверхности 37 уже не совпадает с самим выпуклым участком 38, поскольку данная линия также удаляется от продольной оси Z. В связи с этим поперечный размер L2 полости 33 основной стенки 30, определенный на уровне Б-Б, становится больше, чем поперечный размер L1 полости 33, определенный на уровне А-А. Данное увеличение поперечного размера ΔL=L2-L1 создает дополнительное полезное пространство внутри основной стенки 10 без увеличения ее внешних габаритов.
[26] Более того, поскольку указанное полезное пространство увеличивается с продвижением ко второй торцевой стороне 36, располагающейся при полете БПЛАВТ 1 внизу, то больший объем и вес размещенного оборудования приходится именно на нижнюю часть основной стенки 30, что улучшает устойчивость БПЛАВТ 1 в полете. Следует также отметить, что толщина основной стенки 30 при этом не уменьшается, что гарантирует требуемую прочность основной стенки 30.
[27] Далее, в исполнении БПЛАВТ 1, показанном на Фиг. 3 и 4, зазор между нижними поверхностями 15 и заглубленными участками 35 остается постоянным на всей длине лопастей 10. Тем не менее, возможен случай, когда данный зазор уменьшается с продвижением от первой торцевой стороны 34 основной стенки 30 к ее второй торцевой стороне 32, что еще больше увеличивает полезное пространство внутри основной стенки 30.