СПОСОБ ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЙ ЗАЩИТЫ КРЫЛА МАЛОРАЗМЕРНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
METHOD FOR ANTI-ICING PROTECTION OF WING OF SMALL UNMANNED AERIAL VEHICLE

Способ противообледенительной защиты крыла малоразмерного беспилотного летательного аппарата с использованием водонепроницаемого покрытия крыла, сбрасываемого при намерзании на нем льда, предназначен для обеспечения безопасного полета в условиях обледенения на дозвуковых скоростях беспилотного летательного аппарата (БпЛА). Реализация способа не требует внесения изменений в конструкцию крыла и отбора энергии бортового генератора малоразмерного БпЛА.
Изобретение относится к авиационной технике, в частности, к оборудованию летательных аппаратов для удаления или предотвращения образования льда на внешних поверхностях самолета с помощью автоматических средств, связанных с индикаторами обледенения.
Мощность бортовых генераторов малоразмерных БпЛА самолетного типа не превышает нескольких десятков Вт, при этом отбор энергии бортового генератора для функционирования противообледенительных систем не предусмотрен, а конструктивное исполнение обшивки, нервюр и лонжеронов из-за их невысокой прочности исключает в процессе эксплуатации внесение каких-либо конструктивных изменений.
Наиболее близким по технической сущности является устройство для защиты конструкции летательного аппарата от обледенения, раскрытое в описании изобретения (Патент RU №2027640, С1, МПК B64D 15/00, опубликован 27.01.1995, Бюллетень №3), выполненное в виде многослойного покрытия из гидрофобного материала, нанесенного на защищаемую поверхность, со встроенными плоскими электромагнитными катушками, подключенными к источнику тока. Сущность изобретения состоит в повышении эффективности сбрасывания образующегося льда с гидрофобного слоя на защищаемой поверхности за счет уменьшения адгезии путем влияния создаваемого магнитного поля на траекторию частиц мелкодисперсных капель влаги, пролетающих близко от защищаемой поверхности. Недостатком является зависимость эффективности противообледенительной защиты от мощности бортового генератора, что неприемлемо для малоразмерных БпЛА, не имеющих резервов мощности бортового генератора. Следствием этого является крайне малая продолжительность безопасного полета БпЛА, не оборудованных противообледенительными средствами, в условиях обледенения.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является увеличение продолжительности безопасного полета БпЛА в условиях обледенения без использования энергии бортового генератора и внесения изменений в конструкцию крыла. Техническим результатом изобретения является увеличение продолжительности полета дозвукового БпЛА от нескольких минут до нескольких часов в зависимости от метеоусловий в зонах обледенения [см., например, Бобрусь В.А., Лосев И.В., Мельников А.В. Эффективность способа механической защиты от обледенения крыла легкого беспилотного летательного аппарата. Актуальные вопросы исследований в авионике: теория, обслуживание, разработки [текст]: Сб. науч. ст.по материалам докладов VI Международной научно-практической конференции «АВИАТОР» (14-15 февраля 2019 г.): - Воронеж: ВУНЦВВС «ВВА», 2019. - 434 с. С.3-8].
Указанный технический результат в изобретении - способе достигается определением толщины льда на водонепроницаемом покрытии, предварительно установленном на передней кромке крыла, сравнении толщины льда с заданным значением, и последующего сброса с крыла покрытия вместе с намерзшим льдом заданной толщины.
Указанный технический результат в изобретении - устройстве достигается тем, что противообледенительная система крыла включает: водонепроницаемые покрытия по числу консолей крыла, размер каждого из которых соответствует размерам зон захвата капелек влаги на консолях крыла, верхняя часть покрытия выполнена утолщенной с углублением прямоугольной формы, имеющим съемную крышку, N узлов крепления покрытия к верхней поверхности консоли и N узлов крепления покрытия к нижней поверхности консоли, при этом каждый узел крепления имеет неподвижный элемент и ответную часть, причем ответная часть верхних узлов крепления выполнена с возможностью их принудительного отсоединения от неподвижного элемента, а нижние узлы крепления - самостоятельного отсоединения после отсоединения верхних узлов, неподвижный элемент верхних узлов жестко закреплен на верхней поверхности консоли, а нижних узлов - на нижней поверхности консоли; N гибких стяжных элементов, снабженных устройствами зацепления, при этом длина гибких стяжных элементов в растянутом состоянии соответствует расстоянию между неподвижными элементами пары узлов крепления на верхней и нижней плоскостях консоли; последовательно соединенные датчик толщины льда, установленный на крыле, схема сравнения, блок управления, а также первый и второй механизмы отсоединения ответных частей верхних узлов крепления, установленных на крыле, каждый из которых взаимодействует с верхними узлами крепления правой и левой консоли, при этом первый и второй выход блока управления соединены с входом соответствующего механизма отсоединения.
Указанный технический результат в изобретении - устройстве достигается тем, что ответная часть верхних узлов крепления выполнена в виде люверсов в дне прямоугольного углубления у кромки верхней части покрытия, а нижних узлов крепления - у кромки нижней части покрытия, при этом внутренний диаметр люверсов больше наружных диаметров соответствующих неподвижных элементов верхнего и нижнего узлов крепления.
Указанный технический результат в изобретении - устройстве достигается тем, что теплопроводность водонепроницаемого покрытия меньше, чем теплопроводность обшивки крыла.
Сущность изобретения заключается в следующем. Известно, что большая часть массы льда, образующего на всех аэродинамических поверхностях, сосредоточена на передней кромке (в зоне захвата капелек влаги) крыла дозвукового летательного аппарата [см., например, Методическая разработка по учебной дисциплине «Авиационная метеорология», тема №8 «Влияние обледенения на деятельность авиации». Военная кафедра Российского государственного метеорологического университета. - СПб. 2006. www.meteo_t8zl.pdf (дата обращения 28.05.2019)]. Поэтому на переднюю кромку крыла перед вылетом, согласно изобретению, на каждую консоль устанавливают водонепроницаемое покрытие, размер которого соответствует размеру зон захвата капелек влаги. Образование льда происходит на покрытии. В силу того, что материал водонепроницаемого покрытия имеет меньшую по сравнению с материалом обшивки крыла теплопроводность, то время образования одного и того же объема льда на покрытии будет более продолжительным, чем время образования льда на материале обшивки крыла, [см. Дмитриев В.Л. Образование льда при контакте холодного тела и жидкости // Исследования в области естественных наук. 2015. №3 [Электронный ресурс]. URL: http://science.snauka.ru/2015/03/9716 (дата обращения 08.07.2019)]. Такое покрытие может быть выполнено, например, из полиэтилена [см. Бобрусь В.А., Лосев И.В., Мельников А.В. Способ механической защиты от обледенения крыла легкого беспилотного летательного аппарата [Текст] // Академические Жуковские чтения. Сборник материалов VI Международной НПК «АВИАТОР»,- Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», (14-15 февраля 2019 г.): - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2019. - 434 с. С.3-8]. При достижении толщины слоя льда больше заданного происходит принудительное отсоединение ответных частей верхних узлов крепления от неподвижных элементов и гибкие стяжные элементы стягивают покрытие со льдом с верхней кромки крыла. Отсоединение покрытия от нижних узлов крепления и его сбрасывание происходит под действием аэродинамического напора набегающего потока и сил гравитации. Таким образом достигается указанный в изобретении технический результат.
Способ может быть реализован с помощью устройства, изображенного на фиг. 1-7.
На фиг. 1 приведен вариант исполнения водонепроницаемого покрытия, где обозначено: 1 - полотно покрытия; 2 - утолщение в верхней части покрытия; 3 - углубление прямоугольной формы (паз); 4 - легкосъемная крышка паза в нерабочем положении; 5 - люверсы верхней части покрытия; 6 - люверсы нижней части покрытия. Внутренний диаметр люверсов 5 и 6 больше наружных диаметров соответствующих неподвижных элементов верхнего и нижнего узлов крепления.
На фиг. 2 приведено изображение верхнего узла крепления в варианте исполнения неподвижного элемента 7 в виде конуса, где обозначено: 7 - конус со сквозным отверстием под чеку; 8 - чека; 9 - слой клеевого состава для крепления к обшивке поверхности консоли; 10 - вытяжной тросик консоли механизма отсоединения. На фиг. 3 приведено изображение верхнего узла крепления в варианте исполнения неподвижного элемента 7 в виде кольца из шнура, закрепленного с помощью клеевого состава 9 на поверхности консоли, пропущенного через люверс 5. Полотно покрытия 1, в котором имеются люверсы 5, на фигурах 2 и 3 не показано.
На фиг. 4 приведено изображение нижнего узла крепления, где обозначено: 11 - крючок с изгибом в сторону хвостового оперения; 12 - слой клеевого состава для крепления к обшивке нижней поверхности консоли.
На фиг. 5 приведено изображение гибкого стяжного элемента 13 на концах которого установлены устройства зацепления, выполненные в виде крючка 14 для зацепления за люверс 5 и петли 15 для зацепления за нижний узел крепления 11.
На фиг. 6 приведена блок-схема механизма отсоединения покрытия от крыла, включающая: 10 - вытяжной тросик консоли; 19 и 20 - микроэлектродвигатели механизма отсоединения левой и правой консоли крыла соответственно; 21 - источник постоянного тока. Кроме этого на фигуре 6 обозначены элементы, взаимодействующие с механизмом отсоединения: 16 - датчик толщины льда, устанавливаемый на крыле; 17 - схема сравнения; 18 - блок управления микроэлектродвигателями.
На фиг. 7 приведено изображение противообледенительной системы в сборе на консоли крыла. Легкосъемная крышка 4 показана в нерабочем положении.
Верхний узел крепления предназначен для удержания люверсов 5 верхней части полотна 1 с помощью чеки 8 на неподвижном элементе 7. Неподвижный элемент 7 из твердого материала выполнен в варианте, например, конуса из пластмассы, металла со сквозным отверстием параллельно основанию конуса 7 для установки чеки 8, а в варианте кольца выполнен из шнура, закрепленного с помощью клеевого состава 9 на поверхности консоли, пропущенного через люверс 5. [см., например, Псурцев П.А. Устройство парашюта. Звено раскрытия [Электронный ресурс]. URL: www.skyjumper.ru/files/parashut.pdf (дата обращения 06.12.2019)].
Чека 8 может быть выполнена из металлопроката круглого сечения с диаметром, соответствующим диаметру отверстия в конусе 7.
Паз 3 в верхней части покрытия 1 и легкосъемная крышка 4 предназначены для предотвращения обледенения верхних узлов крепления с зачеко-ванными люверсами 5 и гибкими вытяжными тросиками 10, при этом высота паза 3 в утолщении 2 превышает высоту неподвижных элементов 7 узлов крепления покрытия к верхней поверхности консоли на значение толщины легкосъемной крышки 4. Утолщение 2 и легкосъемная крышка 4 выполнены из материала покрытия.
Стяжной элемент 13 предназначен для принудительного стягивания покрытия с намерзшим льдом после его отсоединения от верхних узлов крепления. Он может быть выполнен, например, из пружины, эластичной резины [см., например, Псурцев П.А. Устройство парашюта. [Электронный ресурс]. URL: www.skyjumper.ru/files/parashut.pdf (дата обращения 06.12. 2019].
Источник постоянного тока 21, предназначенный для приведения в действие микроэлектродвигателей 19 и 20 механизма отсоединения и для питания датчика толщины льда 16, схемы сравнения 17 и блока управления 18, может быть выполнен, например, в виде малогабаритной батареи литий-полимерного типа [см., например, Бобрусь В.А., Лосев И.В. Выбор химического источника тока автономной противообледенительной системы крыла легкого беспилотного летательного аппарата. Сборник статей по материалам VI Межвузовской НПК курсантов и слушателей «Молодежные чтения памяти Ю.А. Гагарина». - Воронеж: ВУНЦ ВВС «ВВА», 2019. С.27-33]. Гибкий вытяжной тросик 10 механизма отсоединения предназначен для выдергивания чеки 8 из неподвижного элемента 7 при расчековке люверсов 5. Датчик толщины льда 16 может быть выполнен, например, в виде электрокондуктивного датчика.
Противообледенительная система работает следующим образом:
1) перед вылетом на заранее обозначенных местах крыла с помощью клеевого состава крепятся:
неподвижные элементы узлов крепления покрытия - на верхней и нижней поверхности консолей;
механизм отсоединения верхней части узлов крепления правой и левой консоли - на центроплане и консолях;
датчик толщины льда - на крыле;
схема сравнения, блок управления, и сточник постоянного тока - на центроплане;
вытяжные тросики механизма отсоединения верхних узлов крепления для левой и правой консоли размещаются на дне углубления в утолщении покрытия;
гибкие стяжные элементы своими устройствами зацепления крепятся за неподвижные элементы узлов крепления покрытия к нижней поверхности консоли и за люверсы верхней части покрытия, люверсы нижней части покрытия зацепляются за неподвижные элементы узлов крепления покрытия к нижней поверхности консоли;
покрытие натягивается на верхнюю часть консоли с преодолением при этом сопротивления растяжению гибких стяжных элементов, люверсы верхней части покрытия накидываются на неподвижные элементы узлов крепления покрытия, каждый из которых зачековывается с помощью чеки;
легкосъемная крышка устанавливается в рабочее положение (утапливается в паз);
2) во время полета, при появлении на выходе схемы сравнения сигнала о достижении на датчике толщины льда слоя заданного значения блок управления подключает к источнику постоянного тока микроэлектродвигатели механизма отсоединения, вытяжные тросики правой и левой консоли одновременно выдергивают из каждого неподвижного элемента узла крепления чеку, люверсы верхней части покрытия полностью отсоединяются от верхних узлов крепления (расчековываются);
водонепроницаемое покрытие с намерзшим слоем льда стягивается к передней кромке крыла под действием кинетической энергии натянутых гибких стяжных элементов, легкосъемная крышка самостоятельно отделяется от покрытия и сбрасывается под действием аэродинамического напора с крыла, люверсы нижней части покрытия самостоятельно отсоединяются от узлов крепления нижней плоскости консолей и покрытие со льдом и гибкими стяжными элементами сбрасывается с крыла под действием аэродинамического напора.