БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности к беспилотным летательным аппаратам аэродинамического самолетного типа со специальной полезной нагрузкой.
Все большую популярность в мире и России в последние годы приобретают беспилотные летательные аппараты (БПЛА), которые используются для решения самых разных задач в интересах военных и гражданских пользователей. Существуют различные конструкции БПЛА. Из них наиболее известны самолеты и вертолеты, которые используются и для оперативного дистанционного зондирования Земли (аэрофотосъемки).
Очень важно, чтобы БПЛА был надежен, портативен и не требовал длительной подготовки к старту. Надежность прежде всего определяется используемыми материалами. Они должны быть легкими и достаточно прочными, чтобы выдержать полетные нагрузки и, что не менее важно — нагрузки во время приземления.
Портативность БПЛА достигается такими решениями, как складная рама или модульная конструкция. Удобнее всего те беспилотники, которые можно поместить в прочный транспортировочный кейс и перевозить в багажнике автомобиля. Время подготовки беспилотника к полету одним оператором не должно превышать нескольких минут.
Композитные материалы обеспечивают необходимую жесткость и прочность, но могут быть недостаточно гибкими и устойчивыми к ударным нагрузкам. Полимерные материалы способны выдерживать удары, не ломаться при деформации и сохранять форму, но не способны обеспечить жесткость конструкции. Поэтому наиболее оптимальным является совместное использование полимеров и композитных материалов: для фюзеляжа - стеклопластик, эпоксидная смола, а для крыла и стабилизатора - стеклопластик, углепластик, эпоксидная смола и конструкционный пенопласт.
Известные по литературным источникам и по данным информационных баз Интернета беспилотные летательные аппараты наряду с высокими техническими характеристиками имеют ограниченные удобства при транспортировании и хранении в нерабочем состоянии, большую себестоимость при изготовлении, а также сложное и затратное техническое обслуживание.
Для создания плоских и объемных карт протяженной местности, осуществляется воздушный фото- и видеомониторинг с помощью беспилотных летательных аппаратов самолетного типа класса "Е" - ZALA 421-16E или ZALA 421-16EM. Если необходимо провести обследование локальных участков местности на удалении до 5 км, рентабельно применять БЛА вертолетного типа - ZALA 421-21 или ZALA 421-22. Это дорогие БПЛА, со  сложным и затратным техническим обслуживанием (см. http://zala.aero/).
Данные беспилотники разработаны и используются в военных целях, поэтому имеют специфические требования к конструкции.
Известны БПЛА Геоскан  для съемок обширных территорий, протяженных объектов и работы на значительном удалении. В их конструкции применяется сочетание современных материалов — композитного корпуса и крыльев из вспененного полипропилена — это делает  самолеты ударостойкими при посадках и облегчает ремонт в полевых условиях.
Все самолеты Геоскан работают полностью автоматически. Для запуска достаточно просто поставить его на катапульту и запустить аппарат с наземной станции управления. Закончив полет, беспилотник  спустится на парашюте в точку запуска (см. https://www.geoscan.aero/ru/products/geoscan201/agro).
Особенностью и недостатком данного аппарата является его объемный фюзеляж. Из-за него невозможно запустить аппарат с руки. Для запуска аппарата необходимо использовать специальное устройство-катапульта, это в свою очередь снижает мобильность данного самолета.
Известен «Телеуправляемый летательный аппарат» (Макеев В. Маленький самолет - большие возможности // Моделист-конструктор. 1980, №10), предназначенный для сельскохозяйственных работ - рассеивание полезных насекомых, причем летательный аппарат представляет собой подкосный моноплан с крылом большого удлинения. Фюзеляж БПЛА - типа монокок и представляет собой гондолу, на которой размещено все оборудование и силовая установка, соединенную балкой переменного сечения с хвостовым оперением, которое представлено килем с рулем поворота и цельноповоротным стабилизатором. Силовая установка представлена двигателем внутреннего сгорания с толкающим воздушным винтом, баком и рулевой машинкой «газа». Рулевые машинки (за исключением элеронных) закреплены на общей плате в передней части фюзеляжа. Элеронные же машинки установлены на крыле. Управление БПЛА осуществляется бортовым радиоэлектронным оборудованием, представленным пропорциональной авиамодельной аппаратурой, блоки которой размещены в передней части гондолы.
Однако он имеет ряд ограничений в эксплуатации при проведении экологического и радио мониторинга:
- крыло ЛА не членится, тем самым представляя трудности при транспортировке;
- имеет излишний вес как за счет веса двигателя,  топлива, так и конструкции.
Проведенный поиск не позволил выбрать прототип с соответствующим назначением и характеристиками.
Техническая проблема, решаемая  полезной моделью, - разработка и создание беспилотного летательного аппарата малого веса с хорошими аэродинамическими и маневренными характеристиками, с полезной нагрузкой в виде аппаратуры для одновременной съемки сельскохозяйственных угодий в режиме видимого спектра и для построения мультиспектральных планов, с увеличенной продолжительностью (или дальностью) полета.
Поставленная задача достигается тем, что в разработан беспилотный летательный аппарат (БПЛА), выполненный по аэродинамической самолетной схеме моноплана, содержащий фюзеляж, соединенный с хвостовым оперением посредством углепластиковой трубки, закрепленной по продольной оси летательного аппарата, съемные крылья, соединенные с фюзеляжем посредством углепластиковых трубок, проходящих через фюзеляж   и зафиксированных с помощью резьбовых и контровочных соединений,   два электродвигателя с электрическими аккумуляторами, связанных с тянущими воздушными винтами, установленными симметрично на крыльях, причем фюзеляж, крылья и хвостовое оперение  БПЛА  выполнены из  пенопласта, фюзеляж выполнен полым и снабжен расположенной в нижней части фюзеляжа жесткой деревянной опорой, несущей оборудование для выполнения сьемки ортографических схем и построения мультиспектральных планов, и выполняющей функцию посадочного полотна, а для управления БПЛА установлен   автопилот.
Фюзеляж, крылья и хвост  БПЛА  выполнены из специализированного прочного и облегченного пенопласта EPO (Expanded PolyOlefin) путем формования и склеивания отдельных частей.
Оборудование для выполнения сьемки ортографических схем и построения мультиспектральных планов состоит из двух камер.
Для выполнения съемки в режиме видимого спектра  установлена камера Sony A6000.
Для построения мультиспектральных планов  установлена камера Micasence redadge.
В качестве автопилота может быть использован PIXHAWK Open Source Autopilot.
Технический результат от использования всех существенных признаков заявляемой полезной модели заключается в улучшении летных и эксплуатационных характеристик при упрощении конструкции летательного аппарата.
Выполнение БПЛА по аэродинамической самолетной схеме моноплана, содержащего фюзеляж, соединенный с хвостовым оперением посредством углепластикоквой трубки, закрепленной по продольной оси летательного аппарата, съемные крылья, соединенные с фюзеляжем посредством углепластиковых трубок, проходящих через фюзеляж   и зафиксированных с помощью резьбовых и контровочных соединений, снабженного двумя электродвигателями с электрическими аккумуляторами, связанными с тянущими воздушными винтами, установленными симметрично на крыльях и выполнении полого фюзеляжа, снабженного жесткой деревянной опорой, на которой установлено оборудование для выполнения сьемки ортографических схем и построения мультиспектральных планов, выполнение фюзеляжа,  крыльев и хвостового оперения  БПЛА  из  пенопласта, а также использование для управления БПЛА автопилота, позволяет обеспечить улучшение летных  и эксплуатационных характеристик и при значительном упрощении конструкции аппарата.
Применение пенопласта значительно облегчает вес конструкции, что сказывается на улучшении летных и эксплуатационных характеристик, а именно, продолжительности полета.
Применение двух двигателей, связанных с тянущими воздушными винтами, размещенными в крыльях,  влияет на улучшении летных и эксплуатационных характеристик, поскольку значительно повышает устойчивую  работу БПЛА во время полета по курсу и при выполнении маневров.
Выполнение посадочного полотна фюзеляжа в виде деревянной опоры позволяет улучшить летные  и эксплуатационные характеристики за счет  обеспечения посадки БПЛА на брюхо без повреждений фюзеляжа.
Применение съемных крыльев позволяет повысить эксплуатационные характеристики БПЛА за счет упрощения конструкции. При этом облегчается транспортировка или переноска БПЛА, что также положительно влияет на эксплуатационные характеристики летательного аппарата.
Применение углепластиковых трубок, проходящих через фюзеляж   БПЛА и несущих съемные крылья и хвостовое оперение, позволяет повысить эксплуатационные характеристики БПЛА за счет увеличения поперечной жесткости БПЛА, повышения прочностных характеристик конструкции в целом.  Дополнительно обеспечивается ускорение разборки - сборки конструкции, что также положительно влияет на эксплуатационные характеристики летательного аппарата.
Суть предложенной полезной модели поясняется изображением беспилотного летательного аппарата.
Фиг.1 - вид спереди,
Фиг.2 - вид сверху,
Фиг.3 – сечение фюзеляжа в месте установки оборудования,
Фиг.4 - вид снизу.
БПЛА выполнен по аэродинамической самолетной схеме моноплана и содержит фюзеляж 1, соединенный с хвостовым оперением 2 посредством углепластиковой трубки 3, закрепленной по продольной оси Х-Х  летательного аппарата.   С фюзеляжем 1 посредством углепластиковых трубок 4, 5, проходящих через фюзеляж 1  и зафиксированных с помощью резьбовых и контровочных соединений (условно не показаны) соединены съемные крылья 6.    На крыльях 6 симметрично установлены два электродвигателя 7, снабженные электрическими аккумуляторами 8 и связанные с тянущими воздушными винтами 9. Фюзеляж 1, крылья 6 и хвостовое оперение 2  БПЛА  выполнены из  пенопласта,  предпочтительно  из специализированного прочного и облегченного пенопласта EPO (Expanded PolyOlefin) путем формования и склеивания отдельных частей. Фюзеляж 1 выполнен полым и снабжен расположенной в нижней части фюзеляжа жесткой деревянной опорой 10, несущей оборудование 11 для выполнения сьемки ортографических схем и построения мультиспектральных планов. Деревянная опора 10 выполняет функцию посадочного полотна. Для управления БПЛА установлен   автопилот 12. В качестве автопилота может быть использован PIXHAWK Open Source Autopilot.
Оборудование 11 для выполнения сьемки ортографических схем и построения мультиспектральных планов состоит из двух камер: для выполнения съемки в режиме видимого спектра может быть установлена камера 13 (предпочтительно Sony A6000), а для построения мультиспектральных планов установлена камера 14 (предпочтительно Micasence redadge). Камеры крепятся к опоре 10 лентой велкро.
Устройство работает следующим образом.
Комплект разработанного летательного аппарата в виде, пригодном к быстрому развертыванию и приведению в рабочее состояние, доставляют на место старта в заплечных контейнерах или любым транспортом. Взлет производится с руки, а посадка на  свободную необорудованную грунтовую площадку или части дороги, без специализированных аэродромных средств, длиной не менее 50 м. Для осуществления полета, сборки и разборки предложенного беспилотного летательного аппарата необходимо 2 человека обслуживающего персонала.
БПЛА  выполняет полет в соответствии с логикой, заложенной в системе автопилота 12, управляющего двигателями 7, хвостовым оперением 2 на всех режимах и элеронами 15 при посадке.
Применена нормальная аэродинамическая схема (классическая), при которой БПЛА имеет горизонтальное оперение (стабилизатор), расположенное после крыла. Нормальная аэродинамическая схема имеет наиболее простое решение вопросов продольной управляемости и устойчивости на различных режимах полёта. При нормальной аэродинамической схеме БПЛА может оснащаться прямым или стреловидным крылом, крылом переменной стреловидности, комбинацией крыльев (биплан, триплан), плоским или крестообразным крылом (крылатые ракеты). Хвостовое оперение может быть классическим, V-образным, Т-образным с цельно поворотными килями и/или горизонтальными рулями, с одним или несколькими килями, крестообразным. Крылья БПЛА снабжены закрылками 16, элеронами 15 для осуществления более легкого взлета и мягкой посадки.
БПЛА предназначен для облета полей по маршруту с целью фотофиксации поверхности земли, а также для учебно-тренировочных полетов по маршруту и по кругу.
Требования к БПЛА:
- вес не более 6 кг, негорючий материал,
- дальность полета до 25 км,
- время полета не менее 120 минут,
- полезная нагрузка не более 1,5 кг.
- форма: планер с двумя крыльями, одним хвостом,
- наличие двух электромоторов, по одному на каждой стороне,
- габариты: длина не более 300 см, размах крыльев не более 300 см, высота не более 50 см.
Был изготовлен опытный образец БПЛА, в котором предусмотрена установка батарей, в соответствии с произведенными расчетами, один комплект которых обеспечивает нахождение в воздухе БПЛА в течение 120 минут, а покрываемая площадь за один полет составляет около 200 Га, при средней скорости 70 км/ч.
Системы эксплуатации БПЛА.
Силовая установка и ее системы соответствуют ТУ 30.30.32.-001-28477235-2018.
Установлены бесколлекторные электродвигатели TM2814-710, мощностью 500 Вт
каждый.
Винты могут быть установлены двух видов:
а) трехлопастной воздушный винт 10х6...10х8,
б) двухлопастной воздушный винт 11х5,5...11х8.
В качестве контроллера двигателей установлен регулятор хода для бесколлекторных двигателей номиналом 40А.
Энергетическая система включает два ходовых аккумулятора 6S по 10000 мАЧ.
Установлен автопилот PIXHAWK Open Source Autopilot.
Для электроснабжения установлены импульсные стабилизаторы (BEC) напряжения 5 В и 12 В.
Для сервоприводов установлены управляющие плоскости Hitec HS70MG.
Вспомогательное оборудование Hitec HS82MG.
Механизация крыла выполнена с помощью простых закрылок с сервоэлектроприводом с отклонением 0-30.
Единая электронная система опытного образца представляет собой совокупность всех электрических узлов (двигатель, сервопривод), установленных на борту БПЛА под управлением контроллера.
Для выполнения сьемки ортографических схем и построения мультиспектральных планов на борту БПЛА предусмотрено одновременное использование 2-х камер:
а) для выполнения съемки в режиме видимого спектра предусмотрена установка камеры Sony A6000, данная камера позволяет получить высококачественную картинку при воздушной съемке, имея при этом небольшие размеры.
б) для построения мультиспектральных планов предусмотрена установка камеры Micasence redadge – мультиспектральная камера имеющая возможность съемки в 5 независимых спектральных каналах.
Мультиспектральная камера, установленная на БПЛА, позволяет контролировать здоровье растений на сельскохозяйственных территориях. Чем больше диапазонов длин волн охватывает камера, тем больше информации можно получить. Увеличивать количество регистрируемых длин волн можно двумя способами: либо устанавливать несколько разных камер, либо объединять несколько диапазонов в одной камере. Мультиспектральная камера, установленная на беспилотном летательном аппарате полезна для наблюдения за состоянием полей и здоровьем посевов. Такая система помогает фермеру определить участки, нуждающиеся в удобрении, поливе или чрезмерно увлажненные. Объединяет в себе камеру видимого изображения и камеры различных цветов: красного, зелёного, ближнего инфракрасного (невидимого глазу человека) и граничного цвета между видимым красным и инфракрасным (red edge). Специальный датчик солнечного света учитывает степень освещенности, чтобы оценка состояния растений не зависела от погоды.
БПЛА самолетного типа позволяют получать информацию в сжатые сроки тогда, когда она  необходима.
Наличие мультиспектральной камеры позволяет производить съемку в разных спектральных диапазонах.
Расчет нескольких индексов дает возможность уже на этапе предоставления данных выявить причину проблемной зоны, оценку всхожести, контроль и анализ критических периодов у растений.
Ключевые решаемые задачи:
-мультиспектральная съемка для опытных и селекционных полей;
- оценка применения химических средств защиты растений;
- сравнительная оценка сортов с/х культур при различной технологии возделывания;
- накопленная за длительный период информация позволит анализировать процессы в динамике.
Карта с использованием мультиспектральной съемки с высоким пространственным разрешением получается в процессе съемки и камеральной обработки продолжительностью не более суток.
Беспилотный самолет специально разработан для мониторинга в реальном времени и аэрофотосъемки с оптимальной продолжительностью полета. Уникальный по соотношению цена-качество беспилотный самолет позволяет оперативно выполнять картографирование при помощи камер.
Как показали результаты испытаний полностью решена поставленная техническая задача: создание недорогого в изготовлении и эксплуатации, пригодного к легкому транспортированию и использованию в различных условиях,  беспилотного летательного аппарата малого веса с полезной нагрузкой в виде аппаратуры для одновременной съемки сельскохозяйственных угодий в режиме видимого спектра и для построения мультиспектральных планов. А также с элементами конструкции, которые обеспечивают посадку на грунтовое покрытие, разборку и сборку основных элементов конструкции для удобного транспортирования и хранения летательного аппарата, а также устойчивую его работу во время полета по курсу и при выполнении маневров.
Разработанный БПЛА может быть изготовлен с использованием существующего оборудования и современных материалов.