Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета-посадки

Полезная модель относится к области авиационной промышленности, и может быть использована при разработке высотных беспилотных летательных аппаратов вертикального взлета-посадки.
Для оценки новизны и технического уровня заявленного решения рассмотрим ряд известных заявителю технических средств аналогичного назначения, характеризуемых совокупностью сходных с заявленным устройством признаков.
Известен беспилотный летательный аппарат (патент US 20100252690 компании Google) с вертикальным взлетом-посадкой и возможностью кратковременного зависания в вертикальном положении, с одним несущим крылом и с двумя винтами, приводимыми во вращение двигателями, расположенными на противоположных консолях крыла параллельно плоскости полета. Аппарат предназначен для доставки мелких грузов и снабжен удаленной станцией управления.
Недостатком этого аналога является чисто самолетная схема аппарата, подразумевающая, что основное время полета данный летательный аппарат совершает в режиме «по-самолетному», а возможность неподвижного зависания в вертикальном положении, подъема или опускания он может использовать лишь кратковременно, в основном на режимах взлета-посадки. Кроме этого, отсутствие осевой симметрии в расположении аэродинамических поверхностей приводит к анизотропии аэродинамических качеств аппарата, что является недопустимым при полетах в условиях порывистого ветра разной направленности, особенно на режимах зависания и взлета-посадки.
Известен беспилотный летательный аппарат (патент US 5114096) с вертикальным взлетом посадкой схемы Teilsitter с одним несущим крылом (самолетного типа), с четырьмя двигателями привода винтов постоянного шага, расположенными на вертикально расположенных (по отношению к плоскости полета) плоскостях малой площади, предназначенный для доставки мелких грузов покупателям Интернет магазинов.
Недостатком этого аналога, так же является чисто самолетная схема, подразумевающая, что основное время полета данный летательный аппарат совершает горизонтально, в режиме «по-самолетному», а возможность неподвижного зависания в вертикальном положении, подъема или опускания он может использовать лишь кратковременно, в основном на режимах взлета-посадки. В данном аппарате отсутствие осевой симметрии в расположении аэродинамических поверхностей, наличие главной несущей поверхности (крыла), так же приводит к анизотропии аэродинамических качеств аппарата, что является недопустимым при полетах в условиях порывистого ветра разной направленности, особенно на режимах зависания и взлета-посадки.
Известен летательный аппарат вертикального взлета-посадки XPIusOne, http://xcraft.io/x-plusone-drone/, оснащенный крестообразным крылом, с консолями приблизительно одинаковой площади, расположенными перпендикулярно друг другу, причем консоли наибольшей площади, на концах каждой из которых расположены электрические двигатели привода воздушных винтов не регулируемого шага, расположены в плоскости полета. Аппарат имеет два режима полета: горизонтально «по-самолетному», при этом главная ось аппарата располагается горизонтально, и режим взлета-посадки или зависания «по-вертолетному», при котором главная ось аппарата расположена вертикально.
Данная конструкция беспилотного летательного аппарата вертикального взлета-посадки принята нами в качестве прототипа заявленного технического решения.
Недостатком прототипа является чисто самолетная схема расположения главных несущих плоскостей, подразумевающая, что подъемная сила создается только плоскостями, расположенными в плоскости полета, а вторая, вертикально расположенная пара плоскостей имеет вспомогательную функцию и в данном случае, предназначена, в основном, лишь для монтажа двух других двигателей привода воздушных винтов. Кроме того, отсутствие возможности регулирования шага винтов и направления их вращения не обеспечивают достаточную управляемость аэродинамической схемы при полете, зависании и взлете-посадки с вертикальным положением фюзеляжа.
Задачей полезной модели является создание конструктивно простого, технологичного в изготовлении беспилотного летательного аппарата вертикального взлета-посадки, предназначенного для совершения вертикального взлета-посадки и полета на высотах 4500-9000 м, например, в горах; обеспечение улучшенной управляемости выбранной аэродинамической схемы при полете, зависании и взлете-посадки с вертикальным положением фюзеляжа за счет разной направленности вращения винтов с изменением частоты их вращения или с помощью аэродинамических рулей, расположенных на консолях крыла и находящихся в воздушном потоке от воздушных винтов; увеличение компактности аппарата в транспортном состоянии за счет съемных консолей крыла.
Сущность заявленной полезной модели как технического решения заключается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше технического результата, обеспечиваемого полезной моделью.
Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета-посадки, включающий крестообразное крыло с расположенными перпендикулярно друг другу консолями, на которых расположены электрические двигатели привода воздушных винтов, характеризуется тем, что крылья снабжены аэродинамическими рулями, установленными на крыльях в потоке от воздушных винтов, кроме того, аппарат снабжен управляемым бортовым полетным контроллером, осуществляющим управление аппаратом как путем изменения частоты вращения воздушных винтов, так и совместным и дифференциальным изменением шага.
В этом заключается совокупность существенных признаков полезной модели, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Кроме того, заявленное техническое решение характеризуется наличием ряда дополнительных факультативных признаков, а именно
- аккумуляторы летательного аппарата могут быть размещены внутри консолей крыла:
- съемные сменные консоли могут быть выполнены разной длины.
Технический результат, обеспечиваемый реализацией заявленной совокупности существенных признаков полезной модели, заключается в создании беспилотного летательного аппарата способного выполнять полет на больших высотах за счет использования электрических двигателей привода воздушных винтов, мощность которых не зависит от высоты полета, а также за счет использования винтов изменяемого шага, при увеличении которого тяга винтов на больших высотах может быть увеличена; осуществлять вертикальный взлет-посадку, а также зависание на месте за счет создания подъемной силы только тягой винтов; выполнять полет, при вертикальном положении фюзеляжа («по-вертолетному»), а также горизонтальный полет, при горизонтальном положении фюзеляжа («по-самолетному»), когда подъемная сила создается комбинированным способом как за счет тяги винтов, так и за счет подъемной силы крыла.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показан вид спереди заявленного аппарата, на фиг. 2 - вид сбоку, на фиг. 3 - вид сзади, на фиг. 4 - изометрическая проекция вида аппарата спереди, на фиг. 5 -изометрическая проекция вида аппарата сзади.
Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета посадки комбинированной аэродинамической схемы, включает в себя осесимметричный герметичный фюзеляж 1, внутри которого расположена полезная нагрузка (кормовая 2 и курсовая фото 3- или видеокамеры, аккумуляторы, полетный контроллер системы управления летательным аппаратом, радио- и видеоприемник с передатчиком и т.д.), Х-образное крыло 4, гондолы 5, расположенные на консолях крыла 4, внутри которых смонтирован двигатели привода воздушных винтов 6 и механизм изменения их шага. На крыле 4 в потоке от воздушных винтов 6 установлены аэродинамические рули управления 7 по углам рыскания и тангажа. Аппарат может быть снабжен посадочными стойками, расположенными на концах консолей крыла 4, которые одновременно могут быть использованы и для рассеивания статического электричества при выполнении полетов в облаках. Свободный внутрифюзеляжный объем занимает дополнительная полезная нагрузка: либо транспортируемый груз, либо дополнительные аккумуляторы, увеличивающие время полета летательного аппарата.
Заявленный летательный аппарат работает следующим образом.
При старте, находясь в вертикальном положении, после запуска двигателей, аппарат осуществляет вертикальный взлет, «по-вертолетному», только за счет тяги воздушных винтов. После набора высоты и необходимой скорости аппарат переходит в режим горизонтального полета «по-самолетному», при котором подъемная сила создается как за счет тяги воздушных винтов 6, так и за счет подъемной силы крыла 4. Процесс разворота из вертикального положения в горизонтальное производится либо за счет аэродинамических рулей 7, находящихся в потоке воздуха от воздушных винтов 6, либо посредством разницы в тяге воздушных винтов 6, находящихся выше и ниже плоскости полета.
Затем, при необходимости, в случае если необходимо осуществить зависание на месте или при необходимости осуществить посадку, тяга воздушных винтов 6 и скорость горизонтального полета уменьшается. Воздействием аэродинамических рулей или разницей в тяге винтов, расположенных сверху и снизу плоскости полета, беспилотный летательный аппарат переводится в вертикальное положение, при котором подъемная сила создается только тягой подъемных винтов, и летательный аппарат осуществляет зависание или, при постепенном уменьшении тяги, посадку.
Заявленный летательный аппарат может найти применение в качестве беспилотного летательного аппарата вертикального взлета-посадки для оказания авиационной поддержки при выполнении различного рода работ, например: горноспасательных работ, на больших высотах (4500-9000 м), а также в качестве аппарата для проведения аэрологических исследований в тропосфере, мониторинга земной поверхности в сложных атмосферных условиях с сильными, порывистыми ветрами разной направленности.
Заявленный аппарат может быть выполнен с использованием известного оборудования и материалов, изготавливаемых как отечественной, так и зарубежной промышленностью.