АВАРИЙНО-СПАСАТЕЛЬНЫЙ БУЙ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
EMERGENCY MARKER BUOY FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE

Изобретение относится к спасательным средствам, в частности к спасательным плавучим средствам, которые потерпевший крушение беспилотный летательный аппарат выбрасывает из глубины.
Беспилотный летательный аппарат (далее по тексту БПЛА) - летательный аппарат не имеющий на борту экипажа (пилота) и способный самостоятельно целенаправленно перемещаться в воздухе в автономном режиме или посредством дистанционного управления [1].
Расширение спектра применения БПЛА ставит ряд новых задач, среди которых его полеты над водной территорией. В процессе полета могут возникнуть неполадки, которые могут привести к падению БПЛА, такие как [2]:
- неисправные роторы;
- нет сигнала GPS;
- ошибки работы компаса;
- потеря передачи видео;
- слишком рано нажата кнопка «Возврат (RTH)»;
- неверно указанная «домашняя точка»;
- низкий уровень заряда батареи;
- недостаточный заряд батареи для безопасного возвращения;
- авария с участием другого БПЛА;
- ошибки навигации.
Известен «Поплавковый буй для обозначения места затонувшей бронетанковой техники в воде» (Патент на полезную модель №151401 МПК В64С 7/26, В63В 22/08 от 27.01.2014 г.) [3], который выполнен в виде составной герметичной цилиндрической оболочки с крышкой, состоящий из пенопластового корпуса, телефонного разъема, платы, радиопередатчика, разъединительного устройства, светового сигнализатора, антенны и лампы.
Буй снабжен системой удержания в виде гибкой кинематической связи с корпусом. Система удержания выполнена из тканой ленты с элементами крепления, например проушины с осями, продетыми через петли на концах ленты. Одна сторона системы удержания выполнена разветвленной с двумя концами разветвлений равной длины, соединенными равномерно по периметру с крышкой цилиндрической оболочки поплавкового буя. Лента и провод размещены упорядоченно уложенными в спиральную кольцевую бухту вокруг корпуса буя с возможностью самоскручивания при разматывании выходом его. Достигается сокращение времени поиска и обнаружения затонувшей бронетанковой техники и спасения экипажа.
Принцип срабатывания заключается в следующем: при срабатывании разъединительного устройства поплавковый буй отделяется от реактивного двигателя и остается на поверхности воды.
От бортового источника питания затонувшего объекта по проводам напряжение подается на схему для световой сигнализации и на радиопередатчик, которые выполняют работу автоматически.
Для световой сигнализации на схеме применен мультивибратор с частотой импульсов 1 Гц. В коллекторную цепь любого транзистора ставится лампочка, и она при подаче на мультивибратор напряжения, будет вспыхивать 1 раз в секунду.
Подключение бортового источника питания к средствам обозначения и оповещения места затопления происходит после срабатывания барометрического датчика или в качестве дублирования непосредственно членами расчета, экипажа.
К недостаткам данной полезной модели можно отнести ее питание от бортового источника и габаритные размеры.
Известна «Аварийно-сигнальная система» (Патент на изобретение №2355603 МПК B64D 25/20, G08B 25/10 от 31.10.2007 г.) [4], которая включает в себя радиобуй с упором, толкатель, узел соединения строп, парашют, размещаемые в специальной нише летательного аппарата; управляющий блок, принимающий сигналы датчиков, фиксирующих параметры полета, и соединенный с тумблером, расположенным в кабине экипажа; механизм вывода с замком; буксировочный фал, соединенный с конструкцией летательного аппарата узлом и с радиобуем посредством устройства расцепления.
Парашют состоит из подпружиненных пластин с фиксатором, а радиобуй снабжен датчиком наличия воды и надувным плавательным средством.
Аппаратура радиобуя содержит последовательно включенные приемную антенну, приемник GPS-сигналов, микроконтроллер и контроллер электропитания, второй вход которого соединен с выходом батареи электропитания, а выходы подключены к соответствующим функциональным блокам, последовательно включенные генератор псевдослучайной последовательности (ПСП), сумматор, второй вход которого соединен с вторым выходом микроконтроллера, фазовый манипулятор, второй вход которого соединен с выходом задающего генератора, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом микрофона, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель первой промежуточной частоты, дуплексер, вход-выход которого связан с приемо-передающей антенной, усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель четвертой промежуточной частоты, амплитудный ограничитель, синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя четвертой промежуточной частоты, и громкоговоритель.
Аппаратура обнаружения потерпевших аварию содержит последовательно включенные задающий генератор, амплитудный модулятор, второй вход которого соединен с выходом микрофона, первый смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель третьей промежуточной частоты, дуплексер, вход-выход которого соединен с приемо-передающей антенной, усилитель высокой частоты, второй смеситель, второй вход которого соединен с выходом гетеродина, усилитель второй промежуточной частоты, амплитудный ограничитель, синхронный детектор, второй вход которого соединен с выходом усилителя второй промежуточной частоты, и громкоговоритель, последовательно подключенные к выходу амплитудного ограничителя умножитель фазы на два, первый узкополосный фильтр, делитель фазы на два, второй узкополосный фильтр, фазовый детектор, второй вход которого соединен с выходом амплитудного ограничителя, и блок регистрации.
Система работает следующим образом.
При возникновении аварийной ситуации, которая характеризуется критическими значениями ряда параметров полета летательного аппарата 8 (например, запредельными величинами углов, скоростей снижения, недопустимых перегрузок и опасного сближения с землей), управляющий блок 9, приняв сигнал от соответствующего датчика или непосредственно от пилота, включившего тумблер, формирует сигнал на срабатывание механизма вывода 10. При этом открывается замок 11 и в результате воздействия на толкатель 3 механизма вывода 10 радиобуй 1, соединенный в узле 4 со стропами 5 парашюта 6 и скрепленный упором 2 с фиксатором 16 подпружиненных пластин 15 парашюта 6, выталкивается из специальной ниши 7. Раскрывшийся посредством подпружиненных пластин 15 парашют 6 вытягивает радиобуй 1, удаляя последний от летательного аппарата на длину буксировочного фала 12. Буксировка радиобуя продолжается до момента столкновения летательного аппарата с землей или с водной поверхностью. При контакте с водной поверхностью установленный в радиобуе датчик на раскрытие надувного плавсредства 18, а в случае полного погружения корпуса радиобуя в воду - на срабатывание устройства 14 расцепления, разъединяет, таким образом, радиобуй с летательным аппаратом.
Если катастрофической ситуации удалось избежать, радиобуй с парашютом, буксируемый за самолетом, не помешает завершению полета.
Одновременно с выводом из специальной ниши 7 радиобуя 1 включается микроконтроллер 21, который управляет контроллером 22 питания, подключающим батарею 23 электропитания ко всем функциональным блокам аппаратуры радиобуя.
Для определения координат места аварии (ширины и долготы) используется приемник 20 GPS-сигналов с антенной 19, который принимает специальный навигационный сигнал в виде бинарного фазоманипулированного (ФМн) сигнала, манипулированного по фазе псевдослучайной последовательностью (ПСП). В сигнале зашифровываются два вида кодов. Код С/А доступен широкому кругу гражданских потребителей, в том числе и предлагаемой системе. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения аварийного радиобуя с точностью до 50 метров, поэтому называется «грубым» кодом. Передача кода С/А осуществляется на частоте f=1575 МГц с использованием фазовой манипуляции несущей частоты псевдослучайной последовательностью длительностью 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью года Голда. Период повторения С/А-кода - 1 мс, тактовая частота - 1.023 МГц.
Если потерпевшие не имеют физической возможности для установления дуплексной голосовой связи со спасателями, то предлагаемая система обеспечивает автоматическую передачу спасателям аварийного ФМн-сигнала, содержащего сведения о летательном аппарате, потерпевшем аварию (страна, тип ЛА, его бортовой номер, состав экипажа и т.п.) и координатах места аварии. При этом вывод из специальной ниши радиобуя и автоматическая передача тревожного ФМн-сигнала происходит не в момент соприкосновения с землей, а заблаговременно, при возникновении аварийной ситуации, причем время работы радиобуя увеличивается, а вероятность повреждения его при столкновении с землей снижается.
Таким образом, предлагаемая аварийно-спасательная система обеспечивает повышение точности определения местоположения летательного аппарата потерпевшего аварию. Это достигается использованием глобальных навигационных спутниковых систем GPS или ГЛОНАСС, которые позволяют определять место аварии с точностью до нескольких десятков метров, что в полной мере удовлетворяет требованиям систем поиска и спасения. В настоящее время появились малогабаритные приемники GPS-сигналов с малым потреблением мощности. Стало возможным встроить такой приемник в аппаратуру радиобуя и передавать в эфир координаты местоположения аварии. Для этого используются сложные сигналы с комбинированной фазовой модуляцией и амплитудной модуляцией (ФМн-АМ), которые также обеспечивают установление дуплексной голосовой радиосвязи между потерпевшими аварию и спасателями.
Сигналы с фазовой манипуляцией открывают новые возможности в технике передачи аварийных сообщений. Они позволяют применять новый вид селекции - структурную селекцию. Это значит, что появляется новая возможность разделять сигналы, действующие в одной и той же полосе частот и в одни и те же промежутки времени.
С точки зрения обнаружения сложные ФМн-сигналы обладают высокой энергетической и структурной скрытностью. Это особенно важно в случае аварийной посадки на вражескую территорию, когда военная аварийно-сигнальная система должна обеспечивать скрытность передачи информации, так как по сигналам аварийного радиобуя противник может обнаружить и захватить потерпевших бедствие.
С развитием микропроцессорной техники, спутниковой навигации, цифровой радиосвязи хорошо отработаны технические решения, позволяющие разработать аварийно-сигнальную систему с техническими характеристиками, требуемыми при выполнении задач поиска и спасения. Существующая элементная база позволяет реализовать аппаратуру в заданных весах и габаритах.
Тем самым функциональные возможности системы расширены, что позволяет надеяться на ее широкое использование аварийно-спасательными службами гражданской и военной авиации.
К недостаткам данного изобретения можно отнести его неавтономность (зависимость от бортовой сети), когда питание может пропасть полностью и управляющий блок не сработает.
Известен «Сигнальный буй» (Патент на изобретение №2155699 МПК В63С 7/26, В63В 22/22 от 28.08.1996 г.) [5], который состоит из: корпуса-поплавка, выполненного из эластичной газо- и водонепроницаемой ткани, светового отсека и грузового отсека. Световой отсек ограничен верхней прозрачной эластичной оболочкой и верхней частью корпуса-поплавка. Световой отсек заполнен одним из компонентов хемилюминесцентного раствора. Внутри отсека размещена капсула, выполненная в виде двух полых цилиндров, герметично вставленных один в другой. В боковой поверхности цилиндра вблизи днища расположены радиальные отверстия, которые герметично перекрываются цилиндром, когда в него вставлен цилиндр. Внутри капсулы, образуемой цилиндрами, находится второй компонент хемилюминесцентного раствора. К наружным днищам цилиндров прикреплены концы тросиков, противоположные концы которых закреплены на периметре днища светового отсека. В исходном положении тросики ослаблены, а в рабочем положении (корпус-поплавок полностью раздут) - натягиваются и разъединяют цилиндры. Нижний грузовой отсек ограничен эластичными днищами поплавка и отсека соответственно. Днище имеет отверстие в виде апендикса, герметизированное жгутом. Внутри отсека расположены радиосигнальное устройство с антенной, а также контейнер для размещения донесений и баллон со сжатым воздухом. На корпусе размещены травяще-предохранительный клапан и легочный автомат, который соединен шлангом с баллоном. Для обеспечения надува корпуса-поплавка от стационарной воздушной системы ПЛ может быть использован шланг с разъемом.
Сигнальный буй работает следующим образом.
В исходном (в сложенном, не надутом) состоянии сигнальный буй хранится в отсеках ПЛ на штатных местах. В аварийной ситуации, когда требуется обозначить место аварии, буй снимается со штатного места и через отверстие грузового отсека в контейнер вкладываются донесение с координатами места аварии и информация о состоянии ПЛ. Затем открывается вентиль баллона и включается радиосигнальное устройство. После чего отверстие герметизируется жгутом. Подготовленный буй закладывается в одно из шлюзовых устройств ПЛ (например, спасательный люк). Шлюзовое устройство заполняется забортной водой, после чего начинается выравнивание давления внутри шлюзового устройства с забортным, при этом давление в шлюзовом устройстве воздействует на мембрану легочного автомата, который автоматически наполняет внутреннюю полость корпуса воздухом. По мере наполнения буя воздухом до рабочего состояния (положение Б) нижнее эластичное днище светового отсека распрямляется и натягивает тросики, которые сдвигают цилиндры относительно друг друга. При этом открываются радиальные отверстия цилиндра и вследствие образовавшегося в капсуле разряжения происходит засасывание раствора внутрь капсулы. В момент достижения рабочего состояния буя цилиндры полностью выходят из зацепления и компонент хемилюминесцентного раствора выливается из капсулы и перемешивается с раствором. Наличие радиальных отверстий цилиндра обеспечивает качественное перемешивание компонентов хемилюминесцентного раствора, что приводит к интенсивному свечению. После выравнивания давления в шлюзовом устройстве с забортным открывается наружная крышка этого устройства и сигнальный буй за счет положительной плавучести начинает всплывать. По мере всплытия на поверхность избыток воздуха вытравливается в воду через травяще-предохранительный клапан. После выхода на поверхность клапан автоматически закрывается и поддерживает заданный объем буя.
При использовании в качестве шлюзового устройства спасательных люков, оборудованных средствами поддува от стационарной воздушной системы, наполнение буя воздухом осуществляется через шланг и шланговый разъем, который автоматически разъединяется за счет положительной плавучести буя в момент выхода из шлюзового устройства. На поверхности световой отсек буя обеспечивает видимость на большие расстояния, а радиосигналы от устройства, излучаемые антенной, позволяют обнаружить буй в условиях плохой видимости. При обнаружении буя координаты места аварии ПЛ определяются по данным донесения в контейнере.
За базовый объект принимается сигнальный буй (прототип). По сравнению с базовым предлагаемый буй может быть выпущен из любого шлюзового устройства ПЛ. Он может служить как резервным, так и основным средством связи аварийной ПЛ с поверхностью. Повышается надежность связи ПЛ с надводными силами и средствами спасения. Значительно уменьшаются массогабаритные характеристики буя как средства спасения. Он может храниться непосредственно в отсеках ПЛ.
Недостатками данного изобретения являются: применение манипуляций с привлечением личного состава, непригодность применения данного буя в беспилотном летательном аппарате в связи с громосткостью.
Известен «Аварийно-сигнальный радиобуй» (Патент на изобретение №2393972 МПК В63С 7/26, В63В 22/18, G01S 1/02 от 08.08.2008 г.) [6], содержащий вертикально ориентированный частично погруженный непроницаемый цилиндрический прочный корпус, нейтрализаторы волновых возмущающих сил и моментов, твердый балласт, радиоаппаратуру и другие полезные грузы, располагающиеся внутри непроницаемого прочного корпуса, геометрические размеры которого определяются из совместного решения уравнений масс и плавучести, остойчивости и заданной степени нейтрализации волновых нагрузок и ограничений вертикальных размеров, отличающийся тем, что нейтрализатор волновых моментов выполнен из диэлектрического материала в виде 2-х взаимно перпендикулярных вытянутых в вертикальном направлении пластин (ВП) длиной, не меньшей половины осадки Т, и шириной, не меньшей диаметра верхнего прочного цилиндрического корпуса D=2R, жестко крестообразно соединенных своими серединами между собой под прямым углом и с верхним непроницаемым прочным корпусом, в нижней части этих вертикальных пластин устанавливается конический демпфер-нейтрализатор вертикальных волновых сил (КНВС) с образующей, наклоненной не более 20° к горизонту, с диаметром основания, равным наибольшей ширине крестообразных вертикальных пластин, между дном верхнего непроницаемого цилиндрического корпуса и нижним КНВС при необходимости устанавливаются такие же промежуточные КНВС, бую в надводном рабочем положении обеспечивается запас плавучести 20-30% и расположение центра масс ниже центра плавучести на величину не менее 0,2 осадки Т непроницаемого корпуса, при этом пластинчатые нейтрализаторы волновых моментов выполнены гофрированными в вертикальном направлении, в гофрах ВП установлена батарея гальванических элементов, представляющая собой совокупность электродов из металлов разной электрохимической активности или металлосодержащих паст, например, на основе серебра-палладия (катоды) и кадмий-магния (аноды), соединенных в батарею, способную создавать в морской воде ЭДС для питания аварийного радиопередатчика и маяка.
К недостаткам данного изобретения можно отнести: наличие большого количества аппаратуры и полезных грузов в корпусе буя, что является неприемлемым в беспилотном летательном аппарате.
Целью предлагаемого авторами изобретения является оперативное определение местонахождения затонувшего при крушении БПЛА. Одним из направлений решения определенной выше задачи является разработка конструкции технического средства, с возможностью его размещения непосредственно на корпусе БПЛА [7], фиг. 2.
Поставленная цель достигается тем, что в аварийно-спасательном буе корпус выполнен в виде составной герметичной цилиндрической оболочки, состоящей из (фиг. 1): защитной крышки-фиксатора (1), поплавка (2), водорастворимой мембраны (3), шайбы (4), проушины поплавка (5), нити (6), верхней проушины (7), основания (8), катушки-фиксатора (9), нижней крышки (10), нижней проушины (11).
Функционирование буя осуществляется следующим образом: упав в водоем, БПЛА идет ко дну, буй принимает вертикальное положение. За счет наличия свободного пространства между защитной крышкой-фиксатором (1) (фиг. 1) и поплавком (2) (фиг. 1) внутрь корпуса проникает вода, при этом происходит растворение мембраны (3) (фиг. 1), вследствие чего высвобождается поплавок (2) (фиг. 1) и начинает всплывать на поверхность воды под действием подъемной (выталкивающей) силы (фиг. 3, 4) разматывая нить (6) (фиг. 1). При этом защитная крышка-фиксатор обеспечивает надежную защиту водорастворимой мембраны от преждевременного высвобождения поплавка.
Использованная литература:
1. Официальный сайт Большая российская энциклопедия https://bigenc.ru/technology and technique/text/4087725. Дата обращения: 15 октября 2021.
2. http://www.djimsk.ru/guides/2018/05/25/drone-crash/. Дата обращения: 15 октября 2021.
3. Патент на полезную модель №151401 МПК В64С 7/26, В63В 22/08 от 27.01.2014 г.
4. Патент на изобретение №2355603 МПК B64D 25/20, G08B 25/10 от 31.10.2007 г.
5. Патент на изобретение №2155699 МПК В63С 7/26, В63В 22/22 от 28.08.1996 г.
6. Патент на изобретение №2393972 МПК В63С 7/26, В63В 22/18, G01S 1/02 от 08.08.2008 г.
7. Аварийно-спасательный буй для беспилотного летательного аппарата. Удостоверение на рационализаторское предложение №11372 от 16.10.2020 г., Филиал ВА МТО (г. Пенза), авторы: Васильев В.А., Труханов А.В.