ГИБРИДНЫЙ КВАДРОКОПТЕР
HYBRID QUADCOPTER

Изобретение служит многофункциональным целям авиации, включая подъем и перевозку грузов, соединяя в гибридном аппарате воздухоплавательные и летательные качества.
Устройство относится, прежде всего, к винтокрылым летательным аппаратам с двумя и более воздушными винтами, а также к подъемным устройствам специального назначения.
Из развития авиационной техники известны мультикоптеры, основными достоинствами которых являются использование в качестве беспилотного устройства, способность стабильного зависания в атмосфере и высочайшая маневренность аппаратов. Однако время полета мультикоптеров в среднем составляет не более 30 минут, что накладывает наибольшее ограничение на их радиус действия и дальность полета, не превышающую 7-12 км при грузоподъемности 2-3 кг, позволяющей поднять в воздух не более чем небольшую фото или кинокамеру. Лишь отдельные модели справляются с весовой нагрузкой в 20-30 кг. Легкие мультикоптеры чувствительно реагируют на возмущения в атмосфере, утрачивая при этом свою пространственную устойчивость. Самой безопасной модификацией данных устройств являются квадрокоптеры, которые при отказе одного из авиадвигателей могут избежать аварийного падения.
Известны летательные гибридные аппараты, в которых для повышения их грузоподъемности в дополнении к аэродинамической подъемной силе, создаваемой воздушно-винтовыми авиадвигателями, используется аэростатическая подъемная сила оболочек, заполненных газом легче воздуха. В воздухоплавательном устройстве (патент RU 2581971 С1, 20.04.2015) мягкая оболочка представляет из себя, набираемый из изолированных эластичных секций, вертикальный цилиндр, являющийся таким образом многозвенным и опирающимся, как и воздушно-винтовые авиадвигатели переменной тяги, на горизонтальную ферму. Устройство позволяет увеличить грузоподъемность аппарата до максимального достижимого значения при наполнении всех секций оболочки легким газом. При этом возможно изменение грузоподъемности аппарата газонаполнением не всех, а лишь части секций многозвенной оболочки, создавая при этом аэростатическую силу, способную поднять в воздух груз, весом менее максимально достижимого. Без такого регулирования грузоподъемностью аппарат не смог бы перевозить легкие грузы, т.к. при полностью заполненной легким газом оболочке наберет высоту разряженных слоев атмосферы, где оболочка будет разорвана. Однако, решая задачу повышения грузоподъемности, в данном аппарате увеличивается собственный вес воздухоплавательной конструкции, так как возникает необходимость дополнительно установить на ферме несколько лебедок, натяжением тросов сплющивающими не заполняемые газом секции оболочки, компрессора с пневмобаллоном, связать секции оболочки газовым коллектором. Изменения грузоподъемности такого гибридного мультикоптера носит ступенчатый характер и кратно объему одной газовой секции. В другом транспортном средстве специального назначения (патент RU 2609660 С1, 10.11.2015) газонаполненная оболочка выполнена в форме жесткого купола, в который закачивается ровно такой объем легкого газа, который придаст аппарату способность устойчивого зависания в воздухе при аэростатической подъемной силе равной собственному весу воздухоплавательной конструкции в полном сборе и весу полезной нагрузки. Таким образом изменение грузоподъемности такого устройства осуществляется при предстартовой подготовке аппарата дозировкой объема легкого газа, закачиваемого в оболочку. Изменения тяги воздушно-винтовых авиамоторов по сравнению с этим ничтожно влияет на грузоподъемность аппарата, служат отрыву его от земли и пространственному маневрированию в процессе полета.
В качестве прототипа выбран гибридный дирижабль (WO 2008025139 А1, 06.03.2008), состоящий из шаровидной оболочки фиксированного объема, заполненной легким газом, установленной на воздухоплавательном отсеке, от которой крестообразно отходят в стороны кронштейны с воздушно-винтовыми авиадвигателями на их оконечностях. Аэростатическая подъемная сила газонаполненной оболочки существенно увеличивает грузоподъемность аппарата. Однако разные по весу грузы требуют разной величины аэростатической подъемной силы, достигаемой при различных объемах наполнения оболочки легким газом. Если оболочка выполнена мягкой, ее неполное газозаполнение ведет к утрате ею шаровидной формы, ткань оболочки будет свисать произвольными складками без натяжения, что ухудшает обтекаемость и повышает парусность аппарата. Подъем груза будет осуществлен, но его перемещение под напором и порывами ветра станет нестабильным. Жесткое же исполнение оболочки является не рациональным ибо увеличивает собственный вес устройства, что ведет к большему потреблению дорогого легкогазового наполнителя. Существенное увеличение парусности аппарата при введении в его состав габаритной оболочки вынудило оснастить гибридное устройство двумя турбинами, подвешиваемыми с боков оболочки на половине ее высоты и действующими против напора и порывов ветра. Устойчивость аппарата достигнуто ценой нового увеличения собственного веса дирижабля, его габаритов, расхода легкого газа и затрат энергии от бортовой аккумуляторной батареи (АКБ).
Между тем, имеются летательные винтокрылые системы, в которых использованы сходные с предлагаемым квадрокоптером технические решения. Так в пилотируемом вертолете (патент GB 2366274 А, 06.03.2002) с газонаполненной оболочкой эллипсоидальной формы, в многовинтовом беспилотном летательном аппарате (патент RU 2403183 С2, 30.01.2009), применены полые вертикальные колонны.
Аппарат (патент RU 2652322 С1, 25.04.2018) отличается применением гондолы в виде сильфона, изменяющего габариты при сжатии или расширении воздуха в нем под воздействием внутреннего пневмодомкрата - еще одного нового потребителя энергии от бортового АКБ. Кроме того технические термины «гондола и сильфон» употреблены в данном устройстве некорректно, поскольку по существу изобретения гондола является пустотелой герметичной оболочкой в форме эллипсоида и не нуждается в волнисто-гофрированной поверхности. Не случайно в следующей модификации воздухоплавательного аппарата (RU 2652373 С1, 25.04.2018) гондоле была придана эллипсоидальная форма, более соответствующая сути обеих устройств и их целям, обозначенным, в том числе, как снижение затрат электроэнергии при маневрировании посредством управления парусностью аппаратов. В обеих последних устройствах легкий газ не используется, аппараты не обладают аэростатической подъемной силой.
Приведенными конфигурациями газонаполненных оболочек модификации воздухоплавательных аппаратов не исчерпываются. Известна оболочка в форме полой двояковыпуклой линзы, что входит в состав аэровысотного ветрогенератора (патент RU 2535427 С1, 24.12.2013).
Перечисленные и прочие винтокрылые летательные устройства, совмещенные с газонаполненными оболочками, могут использоваться на практике, что однако не наблюдается. Причина состоит в том, что включение оболочек в состав аппаратов резко увеличивает их парусность и воздействие напора ветра в таком случае делают невозможным удержание гибридных мильтикоптеров в режиме зависания, смещает их с траектории полетов. Данный недостаток может быть преодолен очевидным способом снижения парусности гибридных систем воздухоплавания, что однако не решает проблемы полностью. Представляется необходимым не только достигать большей грузоподъемности аппаратов, но и увеличивать их время полета, что позволит летательным мультикоптерам, подобно планерам, находить попутные атмосферные потоки и успешно следовать, используя их и благодаря тяги авиадвигателей, к пункту назначения. На такое сочетание полета с планированием требуется продолжительное маневрирование в воздухе, которое могут предоставить более емкие аккумуляторные батареи большей массивности. При этом часть аэростатической подъемной силы газонаполненных оболочек гибридных мультикоптеров по прежнему должна быть направлена на повышение грузоподъемности устройств, а другая часть компенсировать использование более емких и массивных АКБ, увеличивающих собственный вес винтокрылых летательных аппаратов.
Сущность технического решения состоит в том, что квадрокоптер сочетается с газонаполненной оболочкой в форме двояковыпуклой линзы с мягкой горизонтально-складчатой поверхностью высокой обтекаемости и низкой парусности. Внутренняя центрально-осевая опора такой оболочки представляет из себя телескопическую колонну, высота которой меняется вместе с вертикальным габаритом оболочки на больший размер при закачивании легкого газа внутрь оболочки до тех пор, пока аппарат не достигнет максимальной грузоподъемности, и уменьшается, когда газ из оболочки стравливается до минимально допустимого объема, обеспечивающего нейтральную плавучести (зависание в воздухе) полностью собранного аппарата с уменьшенной или отсутствующей весовой нагрузкой. В результате таких действий обтекаемость оболочки остается практически прежней, парусность колеблется незначительно, при этом сохраняется возможным регулирование аэростатической подъемной силой аппарата. Жесткость оболочки может быть усилена установкой на уровне периферийной кромки оболочки в виде двояковыпуклой линзы внутреннего твердого обода с радиально направленными спицы. Так же возможно улучшить обтекаемость складчатой поверхности оболочки ветром, для чего на оболочку может быть одет гладкий эластичный чехол.
Целью изобретения является минимизация до незначительной изменяемости парусности гибридного квадрокоптера при разных весовых нагрузках на аппарат, усиление жесткости мягкой газонаполненной оболочки, улучшение обтекаемости ее горизонтально-складчатой поверхности.
Поставленная цель достигается тем, что квадрокоптер имеет газонаполненную оболочку в виде двояковыпуклой линзы с мягкой горизонтально-складчатой поверхностью и жесткими выпуклой крышкой и плоским днищем. Горизонтальная симметричность и опора оболочки обеспечивается внутренней телескопической колонной с вложенными и свободно перемещающимися в ее корпусе звеньями. При этом часть корпуса выступает вниз за пределы оболочки, имея на конце заглушку и крепежные захваты. К верхнему торцу центрально-осевого вложенного звена колонны прикреплена выпуклая крышка газонаполненной оболочки, а начало выступающей из оболочки вниз части колонны соединено с плоским днищем оболочки, оснащенным двумя автоматическими клапанами подачи и стравливания легкого газа. Под этим днищем к корпусу колонны подвешена гондола, заполненная аппаратурой электронного управления беспилотным квадрокоптером, аккумуляторной батареей, и оснащенная крестообразно выдвинутыми наружу воздушно-винтовыми авиадвигателями переменной тяги, способными работать в реверсивном режиме. Жесткость газонаполненного элемента конструкции может быть усилена твердым ободом, вставленным изнутри периферийной кромки двояковыпуклой оболочки и через радиальные распорные спицы соединенным со втулкой, одетой на соосное вложенное звено телескопической колонны. Обтекаемость складчатой поверхности газонаполненной оболочки ветряными потоками может быть улучшена, если на оболочку одеть гладкий эластичный чехол.
На фиг. 1 показан общий вид гибридного квадрокоптера под максимально возможной весовой нагрузкой; на фиг. 2 - тот же квадрокоптер увеличенного радиуса действия при уменьшенной или отсутствующей весовой нагрузке.
Устройство содержит газонаполненную оболочку 1 в виде двояковыпуклой линзы с мягкой горизонтально-складчатой поверхностью. Оболочка с горизонтальной симметричностью одета на внутреннюю телескопическую колонну, имеющую центрально-осевое звено 2 и соосное звено 3, свободно вложенные в ее корпус 4, часть которого выступает вниз за пределы оболочки, заканчивается заглушкой 5 и захватами 6, используемыми для крепежа специального оборудования и/или груза. Опора оболочки на телескопическую колонну осуществляется за счет соединения жесткой выпуклой крышки 7 оболочки с верхним торцом центрально-осевого вложенного звена телескопической колонны, а также через соединение жесткого плоского днища 8 оболочки, имеющего врезанные автоматические клапана подачи 9 и стравливания 10 легкого газа, с корпусом той же колонны в месте, где он выдвигается из оболочки. Гондола 11 с бортовыми электротехническими средствами, включая прежде всего аккумуляторную батарею, и электроникой, крестообразно отходящими в стороны кронштейнами 12, на конца которых установлены реверсивные воздушно-винтовые авиадвигатели 13 переменной тяги, размещена под днищем оболочки, будучи подвешена к корпусу телескопической колонны. Для усиления жесткости газонаполненной части квадрокоптера может быть использован твердый обод 14, помещаемый внутри периферийной кромки двояковыпуклой оболочки. Обод спицами 15 соединен враспор со втулку 16, одетой на соосное вложенное звено телескопической колонны. В целях достижения лучшей обтекаемости части поверхности аппарата, являющейся складчатой, возможно применение гладкого эластичного чехла 17, одеваемого снаружи на газонаполненную оболочку.
Для раскрытия возможностей гибридного квадрокоптера следует рассмотреть работу аппарата в двух режимах его использования. Для осуществления режима применения настоящего квадрокоптера, направленного на достижение максимально возможной грузоподъемности гибридного устройства (фиг. 1) оно комплектуется АКБ средней емкости, из применяемых на практике, т.к. основную работу подъема груза на высоту будет выполнять не тяга воздушно-винтовых авиадвигателей, а аэростатическая подъемная сила газонаполненной оболочки. Крепежными захватами внизу аппарата к нему присоединяется массивный груз. В оболочку подается легкий газ, который создает в ней избыточное давление, достаточное чтобы крышка оболочки с центрально-осевым вложенным звеном, а затем и соосное вложенное звено выдвинулись до предела вверх из корпуса телескопической колонны. Складки на мягкой поверхности оболочки раздвигаются и она приобретает форму линзы с большим вертикальным габаритом, получает большую двоякую выпуклость и газонаполненный объем, который придает нагруженному аппарату нейтральную плавучесть, что выражается в зависании устройства у поверхности земли. Из этого статического положения аппарат выводится включением воздушно-винтовых авиадвигателей, тяга которых поднимает гибридный квадрокоптер вверх вместе с закрепленным грузом и перемещает всю конструкцию в воздухе. Чтобы опустить груз на землю воздушно-винтовые авиадвигатели переключаются в реверсивный режим работы. На все упомянутые действия энергия АКБ тратится более экономно, чем у практикуемых мультикоптеров, что делает возможным более продолжительные манипуляции с массивными грузами. Однако используемая в предлагаемом квадрокоптере форма газонаполненной оболочки при ее большом вертикальном габарите лишь незначительно снижает парусность аппарата по сравнению с прототипом. Остается высокой вероятность, что устройство под напором ветра сместиться в нежелательную сторону, управление им затруднится или будет потеряно. Таким образом в первом режиме использования квадрокоптера действует ограничение, его надежное и безопасное применение будет иметь место только при слабых ветрах или их полном отсутствии. Преимущество изобретения при этом сводится к практической неизменности парусности аппарата, в оболочку которого закачивается разный объем легкого газа в зависимости веса конкретного груза.
При втором режиме использования настоящего квадрокоптера (фиг. 2) решается задача создания условий для более продолжительного полета винтокрылого летательного аппарата на дальние расстояния, при этом достижение максимальной грузоподъемности отодвигается на второй план. АКБ устройства комплектуется дополнительными секциями, увеличивающими емкость батареи. Из оболочки стравливается избыток легкого газа до объема, способного создать нейтральную плавучесть конструкции с умеренно утяжеленной АКБ и уменьшенным грузом. Под тяжестью соединения выпуклой крышки оболочки с центрально-осевым вложенным звеном телескопической колонны горизонтальные складки мягкой поверхности оболочки сближаются до полного смыкания, когда нижний торец упомянутого звена упрется в заглушку, которой заканчивается снизу корпус колонны, а вертикальный габарит оболочки не станет при этом уменьшен по меньшей мере в два раза. Таком образом линзовая форма оболочки преобразуется из утолщенного двояковыпуклого состояния в более сплюснутое с минимизированной парусностью. Горизонтально-складчатая оболочка может быть укрыта гладким эластичным чехлом, создающим лучшую обтекаемость поверхности, после чего включаются воздушно-винтовые авиадвигатели, аппарат отрывается от земли и набирает высоту. В виду резко сниженной парусности оболочки напор ветров уже не оказывает существенного влияния на полет гибридного квадрокоптера. Благодаря большей емкости АКБ, снижения энергетических затрат при минимизированной парусности и улучшенной обтекаемости оболочки, аппарат может дольше находиться в полете и преодолевать большие расстояния. При этом если наделить бортовую систему электроники способностью находить попутные ветряные потоки посредством вертикальных перемещений и встраивать в них настоящее летящее устройство с нейтральной плавучестью, гибридный квадрокоптер способен перейти в категорию авиационной техники со средним и более дальним радиусом действия.