Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, предназначенный для ведения воздушной топографической съемки

Полезная модель относится к области авиации, в частности к конструкциям беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета и посадки (конвертопланам), предназначенным для производства воздушной топографической съемки (топографической аэрофотосъемки).
Производство воздушной топографической съемки задает ряд требований к носителю аэрофотосъемочного оборудования, заключающимся в необходимости обеспечения высокой продольной и поперечной устойчивости полета летательного аппарата продолжительное время с возможно малыми отклонениями по курсу полета. Снижение стабильности полета аппарата влияет на точность аэрофотосъемки, в частности увеличивает количество «смазанных» фотоснимков, произведенных в ходе воздушной топографической съемки, что ведет к дальнейшей невозможности их использования при составлении карт местности.
Техническим результатом заявленной полезной модели является повышение устойчивости полета беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки в целях повышения качества производства воздушной топографической съемки (топографической аэрофотосъемки).
Уровень техники.
Известен беспилотный тяжелый электроконвертоплан по патенту РФ № 2532672 [1], имеющий планер из композитного углепластика с передним горизонтальным оперением и двухкилевым оперением, смонтированным к консолям высокорасположенного крыла на разнесенных балках, содержит с внешних сторон килей консоли стабилизатора, двигатели силовой установки, передающие мощность через главный редуктор и валы трансмиссии на поворотные тянущий и толкающий винты, расположенные соответственно в носовой и кормовой части фюзеляжа, обеспечивающие горизонтальную и соответствующим отклонением вертикальную тягу, трехстоечное убирающееся колесное шасси, с носовой вспомогательной опорой, отличающийся тем, что он выполнен с разновеликими крыльями по дупланной аэродинамической схеме, включающей высокорасположенное первое крыло и большее второе крыло, и концепции тандемного расположения трехвинтовых модулей, выполненных с возможностью работы при различных углах их отклонения в вертикальной плоскости и различного типоразмера, два передних из которых одинакового по взлетной мощности типоразмера смонтированы на консолях цельноповоротного первого крыла и один задний большего по взлетной мощности типоразмера, равного сумме двух передних - на межкилевом цельноповоротном стабилизаторе Н-образного хвостового оперения, как с обеспечением разнесения поперечных осей их поворота соответственно ближе и дальше от центра масс, так и с возможностью преобразования его полетной конфигурации с вертолета девятивинтовой несущей схемы, имеющей при этом от всех несущих винтов полную компенсацию реактивных крутящих моментов и не только при противоположном направлении вращения между тянущим и толкающими винтами в каждом модуле, но и при одинаковом направлении вращения между собой как левого тянущего с правыми толкающими винтами, так и правого тянущего с левыми толкающими винтами передней группы и противоположного - между тянущими винтами левым передним и задним, но и парой толкающих винтов левых передних и парой задних, в полетную конфигурацию самолета, позволяющего достичь третьей или второй крейсерской скорости полета с шести- или четырехвинтовой движительной системой, соответственно с тремя или двумя парами толкающих винтов в соответствующих трехвинтовых модулях.
Известен многовинтовой гибридный электроконвертоплан по патенту РФ № 2543120 [2], содержащий планер из композитных материалов с трапециевидным крылом, на поворотных консолях которого смонтированы в мотогондолах двигатели с редукторами и винтами, создающими горизонтальную и соответствующим их отклонением вертикальную тягу, синхронизирующую Т-образную в плане систему валов трансмиссии, связывающую между собой два двигателя и их с рулевыми соосными винтами, смонтированными за Т-образным оперением на конце удлиненной балки, трехстоечное убирающееся колесное шасси, с носовой вспомогательной и главными опорами, убираемыми в носовой и бортовые отсеки, отличающийся тем, что на поворотных частях консолей крыла типа «чайка», имеющих по размаху разновеликие внутренние и внешние секции соответственно с положительным и отрицательным углом их поперечного V и оснащенных на нижней части изломов крыла гибридными мотогондолами трехвинтовых модулей, выполненных с возможностью работы при различных углах их отклонения в вертикальной плоскости, имеющих разновеликие тянущие винты, каждый левый и правый больший из которых, установленный в соответствующей гибридной мотогондоле с передним расположением силовой ее установки, вынесен вперед за переднюю кромку крыла и от плоскости вращения двух меньших винтов, размещенных ближе к передней кромке крыла и вокруг большего винта за внешним и внутренним его квадрантами по системе распределенной тяги разновеликих винтов (РТРВ) в соответствующих каплевидной формы мотогондолах с передним расположением электродвигателя, установленных на концах верхних и нижних пилонов, смонтированных соответственно сверху на больших внутренних и снизу на конце меньших внешних секций крыла таким образом, что при синхронном повороте их всех и создании ими вертикальной тяги передние внешние и задние внутренние меньшие винты, имеющие равновеликие расстояния от вертикальных осей их вращения до поперечной плоскости, проходящей через центр масс и вертикальные оси вращения больших винтов, располагающиеся с вертикальными осями меньших винтов в направлении полета в расходящейся V-образной конфигурации в плане относительно крыла, и снабжен возможностью изменения полетной его конфигурации с многовинтового гибридного электровертолета с шестью флюгерно-реверсивными несущими винтами, размещенными в двух поперечных системах РТРВ-(Х1+2), имея при этом ярусное расположение тянущих винтов, обеспечивают вертикальный взлет, посадку и висение при полной компенсации реактивных крутящих моментов от всех несущих винтов, имеющих противоположное направление вращения между левым и правым большими винтами трехвинтовых модулей, а также между меньшими винтами как в каждой левой и правой их паре, так и в каждой передней и задней их паре, но и при одинаковом направлении вращения между несущими винтами в каждой диагональной группе меньших винтов, в полетную конфигурацию электросамолета, позволяющего достичь первой или второй крейсерской скорости полета с двух- или четырехвинтовой движительной системой, соответственно с одной или двумя парами винтов в соответствующих трехвинтовых модулях.
Известен многоцелевой криогенный конвертоплан по патенту РФ № 2394723 [3], выполненный в виде моноплана трехбалочной схемы, содержащий низкорасположенное трапециевидное крыло, разнесенные балки, соединяющие крыло с киль-шайбами, связанные с вертикальным оперением и стабилизатором, силовую установку, включающую двигатели, установленные в передних окончаниях разнесенных балок, трансмиссию с редукторами и соединительными валами, обеспечивающую равномерное распределение их мощности между консольными и межбалочными винтами в поворотных кольцевых каналах, создающими горизонтальную тягу и соответствующим отклонением вертикальную или наклонную тягу, трехстоечное колесное шасси, убирающееся, с передней носовой и главными боковыми опорами, отличающийся тем, что он снабжен возможностью преобразования его полетной конфигурации с самолета трехбалочной компоновки, выполненной по продольной схеме триплана, с расположенными тандемом на консолях переднего горизонтального оперения и хвостового стабилизатора соответственно двух носовых и двух межкилевых винтов в поворотных кольцевых каналах, преобразующих цельноповоротными соответствующие эти консоли, в полетную конфигурацию вертолета четырехвинтовой несущей схемы 2+2 и обратно, при этом переднее горизонтальное оперение с винтами в поворотных кольцевых каналах, оснащенных на их выходе серворулями высоты, выполненное в виде управляемого дестабилизатора, установленного в носовом обтекателе фюзеляжа, к нижней части которого под дестабилизатором смонтирован цельноповоротный передний киль непосредственного управления боковой силой, оснащенный соосно вертикальной оси его поворота в носке килевой поверхности амортизационной стойкой с передним колесом шасси, а вертикальное оперение, представляющее собой кормовой пилон двухкилевого оперения, выполненного Н-образным, снабженным стабилизатором, смонтированным в хвостовом обтекателе кормового пилона, Н-образная в плане трансмиссия, включающая наряду с Т-образными передним и задним промежуточными редукторами, расположенными соответственно в носовом и хвостовом обтекателях и связанными поперечными валами, проходящими соответственно в плоскостях переднего горизонтального оперения и стабилизатора с редукторами носовых и межкилевых винтов, оснащена Г-образными в продольной плоскости системами валов с угловыми редукторами, обеспечивающими их перегибы в носовом обтекателе и кормовом пилоне, и продольным валом, связывающими соответственно передний и задний промежуточные редукторы с главным редуктором, приводимым силовой установкой и объединяющим эти системы таким образом, что винты в поворотных кольцевых каналах, расположенные по диагонали, снабжены возможностью одинакового направления их вращения и противоположного - между их диагональными группами, при этом межкилевые винты, размещенные сзади, имеют при висении расположение плоскости вращения их лопастей выше плоскости вращения лопастей носовых винтов, комбинированная силовая установка, имеющая криогенные топливные баки в разнесенных балках, киль-шайбах и в кормовом пилоне, снабжена по бокам последнего двумя подъемно-маршевыми газотурбинными двигателями и двумя подъемно-разгонными турбореактивными двухконтурными двигателями, смонтированными в межкилевых поворотных кольцевых каналах, рассчитанными на работу при различных углах их отклонения, выполненными соответственно с задним и передним выводом вала для отбора взлетной их мощности, при этом половина располагаемой мощности от турбореактивных двухконтурных двигателей передается на вертолетных режимах полета на редукторы межкилевых винтов и тем самым, наряду с реактивной их вертикальной тягой, обеспечивается увеличение вертикальной подъемной тяги этих винтов.
Известен конвертоплан по патенту РФ № 2657706 [4], включающий фюзеляж, планер и винтомоторную группу, характеризуется тем, что планер выполнен по схеме «летающее крыло» с положительной стреловидностью, а винтомоторная группа выполнена в виде двух передних тяговых двигателей и одного заднего двигателя, при этом два передних тяговых двигателя размещены на равном удалении от строительной оси конвертоплана и на расстоянии от передней кромки крыла, большем, чем радиус их винтов, имеют противоположное направление вращения винтов и установлены с возможностью изменения направления вектора тяги путем их независимого друг от друга поворота относительно фюзеляжа параллельно строительной оси конвертоплана, а задний двигатель размещен на строительной оси конвертоплана на расстоянии от задней кромки крыла, большем, чем радиус его винта, и установлен с заданным углом к горизонтальной плоскости.
Согласно выбранной схеме планера «летающее крыло» обеспечивается устойчивость и управляемость летательного аппарата в различных режимах работы. Схема «летающее крыло, в совокупности с винтомоторной группой мультироторного типа обеспечивает улучшение массогабаритных и конструкционно-прочностных характеристик летательного аппарата. Заявленная трехдвигательная винтомоторная группа обеспечивает управление по каналам крена и тангажа путем управления разницей частот вращения несущих винтов, а также управление по курсу за счет смены направления вектора тяги путем поворота двигателей. Установка заднего двигателя с заданным углом к горизонтальной плоскости компенсирует собственный момент вращения несущего винта. Заявленная установка двух передних поворотных двигателей обеспечивает минимизацию эффекта затенения потока корпусом самолета.
Данное техническое решение, как наиболее близкое к заявленному по техническому существу и достигаемому результату, принято в качестве его прототипа.
В данной конструкции решается задача расширения функциональных возможностей летательного аппарата за счет повышения устойчивости и управляемости летательного аппарата в различных режимах работы, а также улучшения его массогабаритных и конструкционно-прочностных характеристик.
В то же время прототип имеет ряд недостатков, не позволяющих достичь обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Недостатками прототипа являются недостаточное обеспечение продольной и поперечной устойчивости полета в ходе проведения воздушной топографической съемки из-за недостаточной ширины, излишней стреловидности и формы крыла, а также отсутствия рассчитанного расположения отсека полезной нагрузки, минимизирующего влияние полезной нагрузки на устойчивость полета летательного аппарата. Близкое относительно друг друга расположение передних тяговых двигателей и неэффективное взаимное расположение всех двигателей снижает стабилизацию полета аппарата по курсу (устойчивость на курсе).
Задачей заявленной полезной модели «Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, предназначенный для ведения воздушной топографической съемки» является устранение отмеченных недостатков. Сущность заявленного технического решения выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточных для достижения технического результата:
«Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, предназначенный для ведения воздушной топографической съемки» состоит из планера, выполненного по схеме летающее крыло без киля и стабилизаторов с положительной стреловидностью передней кромки, отрицательной стреловидностью середины задней кромки крыла, расположенным в центре масс летательного аппарата отсеком с видеокамерой топографической аэрофотосъемки, винтомоторной группы, выполненной в виде двух передних тяговых двигателей, размещенных на одинаковом удалении от оси фюзеляжа, равном 2/3 длины крыла аппарата и выполненных с возможностью изменения своего положения между вертикальным и горизонтальным положениями, одного заднего двигателя, расположенного в вертикальном положении, при этом все двигатели расположены на одинаковом удалении от центра масс аппарата и образуют равносторонний треугольник, что позволит повысить устойчивость полета.
Сущность заявляемого технического решения поясняется чертежами, на которых на фиг. 1 представлен общий вид заявленного беспилотного летательного аппарата вертикального взлета и посадки, предназначенного для ведения воздушной топографической съемки, на фиг. 2 – схема расположения винтомоторной группы и геометрические формы крыла, на фиг. 3 – расположение отсека с видеокамерой топографической аэрофотосъемки, и расположение двигателей винтомоторной группы для вертикального взлета, на фиг. 4 – расположение двигателей винтомоторной группы для горизонтального  полета.
Технический результат достигается редукцией фюзеляжа 1 с исключением киля и стабилизаторов, установкой в центре масс летательного аппарата отсека с видеокамерой топографической аэрофотосъемки 2, созданием планера 3 по схеме «летающее крыло» с положительной стреловидностью передней кромки, отрицательной стреловидностью середины задней кромки крыла, винтомоторной группы, каждый двигатель которой расположен в вершинах равностороннего треугольника, выполненной в виде двух передних тяговых двигателей 4, размещенных на одинаковом удалении от центра масс аппарата, равном 2/3 длины крыла аппарата и одного заднего двигателя 5. При этом передние тяговые двигатели 4 конструктивно имеют возможность изменять свое положение по вертикальной оси, что позволяет аппарату осуществлять вертикальные взлет и посадку, а также горизонтальный полет.
Заявленный «Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, предназначенный для ведения воздушной топографической съемки» работает следующим образом. Аппарат имеет несколько режимов полета таких, как вертикальный режим полета, в том числе взлет и посадку (передние тяговые двигатели направлены вверх), горизонтальный полет (передние тяговые двигатели направлены параллельно горизонтальной оси фюзеляжа). В ходе горизонтального полета по заданной траектории осуществляется воздушная топографическая съемка. Управление по каналам крена и тангажа производится путем управления разницей частот вращения несущих винтов (создания управляющих моментов) при сохранении общей тяги, необходимой для удержания аппарата в воздухе. Управление по курсу осуществляется за счет смены направления вектора тяги за счет разницы скорости вращения винтов прямого и обратного направления.
Покажем существенность отличительных признаков (новизна).
Размещение отсека с видеокамерой топографической аэрофотосъемки в центре масс аппарата позволяет снизить влияние полезной нагрузки на устойчивость полета аппарата, что позволит производить более точную аэрофотосъемку (получать меньше «смазанных» фотоснимков).
Увеличение площади планера типа «летающее крыло» с приданием положительной стреловидности передней кромке, отрицательной стреловидности середины задней кромки крыла позволяет повысить устойчивость полета аппарата.
Размещение двух передних тяговых двигателей на одинаковом удалении от оси фюзеляжа, равном 2/3 длины крыла аппарата позволяет повысить устойчивость на курсе.
Размещение трех двигателей винтомоторной группы в вершинах равностороннего треугольника позволяет повысить устойчивость полета аппарата.
Совокупность заявленных отличительных признаков позволит полезной модели повысить точность производства воздушной топографической съемки.
Промышленная применимость.
Заявленный «Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, предназначенный для ведения воздушной топографической съемки» может быть реализован с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.
Список использованных источников
1. патент РФ № 2532672.
2. патент РФ № 2543120.
3. патент РФ № 2394723.
4. патент РФ № 2657706.