КРЫЛО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ФУНКЦИЕЙ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ (ВАРИАНТЫ)
WING OF UNMANNED AERIAL VEHICLE WITH AN ANTI-ICING FUNCTION (VERSIONS)

Область техники
[1] Изобретение относится к области летательных аппаратов, предпочтительно - к области беспилотных летательных аппаратов (далее - БПЛА), а более точно - к их крыльям, снабженным средствами для предотвращения обледенения.
Предпосылки к созданию изобретения
[2] Значительная часть полета БПЛА коммерческого назначения проходит на высотах, характеризующихся высоким риском активного льдообразования на внешних поверхностях БПЛА. Наиболее уязвимыми местами для возникновения ледяной корки являются передние кромки крыльев, взаимодействующие с набегающим потоком воздуха, а также сопряженные с ними участки верхней и нижней поверхностей крыльев.
[3] Патентная публикация RU2704699C1, 30.10.2019 раскрывает крыло летательного аппарата, снабженное двумя индукторами, которые закреплены внутри крыла в передней его части посредством кронштейнов, установленных на верхней и нижней стенках крыла. Индукторы расположены друг напротив друга, и при подаче на их обмотки импульсов напряжения индукторы отталкиваются друг от друга, вызывая контролируемую деформацию поверхности крыла, сопровождающуюся сбрасыванием льда. Существенным преимуществом данного крыла является то, что одна и та же пара индукторов способна воздействовать сразу на верхнюю и нижнюю стенки крыла.
[4] Однако изготовление крыла согласно указанному известному решению, являющемуся прототипом настоящих изобретений, требует осуществления множества технологических операций, таких как изготовление кронштейнов, закрепление их на стенках крыла и т.п., что ограничивает область использования прототипа сравнительно большими и сложными БПЛА. Одновременно с этим существует значительный спрос на недорогие БПЛА малой грузоподъемности, которые могут быть выпущены большим тиражом. Тем не менее даже упрощенные и массовые БПЛА должны оставаться надежными и безопасными, что среди прочего подразумевает эффективную защиту от возможного обледенения.
[5] Техническая проблема, на решение которой направлено изобретение, состоит в упрощении конструкции крыла БПЛА, способного к предотвращению обледенения, а также в упрощении технологии изготовления такого крыла.
Сущность изобретения
[6] Для решения указанной технической проблемы предложены два изобретения, являющиеся вариантами крыла летательного аппарата.
[7] В качестве первого изобретения заявлено крыло летательного аппарата, образованное скрепленными друг с другом передним и задним составными элементами и содержащее первый и второй индукторы, а также источник импульсного напряжения, соединенный с каждым из первого и второго индукторов. Передний составной элемент включает в себя верхнюю формообразующую стенку и расположенный на ее внутренней поверхности верхний крепежный выступ, а также нижнюю формообразующую стенку и расположенный на ее внутренней поверхности нижний крепежный выступ. Верхняя формообразующая стенка, верхний крепежный выступ, нижняя формообразующая стенка и нижний крепежный выступ выполнены из полимерного композитного материала заодно в виде единой детали. Первый и второй индукторы прикреплены соответственно к верхнему и нижнему крепежным выступам. При генерации упомянутым источником импульса напряжения первый индуктор способен оказывать воздействие на второй индуктор в направлении нижней формообразующей стенки, а второй индуктор способен оказывать воздействие на первый индуктор в направлении верхней формообразующей стенки.
[8] В качестве второго изобретения заявлено крыло летательного аппарата, образованное скрепленными друг с другом верхним и нижним составными элементами и содержащее первый и второй индукторы, а также источник импульсного напряжения, соединенный с каждым из первого и второго индукторов. Верхний составной элемент включает в себя верхнюю формообразующую стенку и расположенный на ее внутренней поверхности верхний крепежный выступ, которые выполнены из полимерного композитного материала заодно в виде единой детали. В свою очередь, нижний составной элемент включает в себя нижнюю формообразующую стенку и расположенный на ее внутренней поверхности нижний крепежный выступ, которые выполнены из полимерного композитного материала заодно в виде единой детали. Первый и второй индукторы прикреплены соответственно к верхнему и нижнему крепежным выступам. При генерации упомянутым источником импульса напряжения первый индуктор способен оказывать воздействие на второй индуктор в направлении нижней формообразующей стенки, а второй индуктор способен оказывать воздействие на первый индуктор в направлении верхней формообразующей стенки.
[9] Технический результат изобретений состоит в снижении числа деталей, необходимых для изготовления крыла летательного аппарата, которое способно к предотвращению обледенения. Еще один технический результат, достигаемый обоими изобретениями, заключается в уменьшении веса крыла.
[10] В первом частном случае изобретений полимерный композитный материал представляет собой углепластик. Крыло, изготовленное из данного материала, характеризуется малым весом и высокой прочностью.
[11] Во втором частном случае изобретений по меньшей мере один из верхнего и нижнего крепежных выступов выполнен полым, что позволяет уменьшить вес крыла.
[12] В третьем частном случае изобретений в теле по меньшей мере одного из верхнего и нижнего крепежных выступов расположен материал, плотность которого меньше плотности упомянутого полимерного композитного материала. Данное исполнение позволяет уменьшить вес крыла и одновременно с этим минимизировать снижение жесткости верхнего и/или нижнего крепежных выступов относительно случая выполнения соответствующего крепежного выступа сплошным.
[13] В четвертом частном случае изобретений первый и второй индукторы прикреплены соответственно к верхнему и нижнему крепежным выступам при помощи клея. Данный способ крепления позволяет избежать выполнения отверстий, снижающих прочность крыла.
Краткое описание чертежей
[14] Осуществление изобретения будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 - фрагмент передней части крыла летательного аппарата, выполненного согласно первому изобретению, в поперечном разрезе;
Фиг. 2 - фрагмент передней части крыла летательного аппарата, выполненного согласно второму изобретению, в поперечном разрезе;
Фиг. 3 - фрагмент передней части крыла летательного аппарата, выполненного согласно частному случаю второго изобретению, в поперечном разрезе.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов крыла летательного аппарата, а также их причинно-следственную связь с техническими результатами.
Осуществление изобретения
[15] Осуществление изобретений будет показано на наилучших примерах их реализации, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[16] Обратим внимание, что в контексте настоящего изложения понятия «элементы прикреплены друг к другу», «жестко соединены» и подобные им означают такую взаимную связь между какими-либо двумя элементами, при которой эти элементы по меньшей мере в области их соединения являются неподвижными друг относительно друга, или, другими словами, представляют собой одно целое, даже если между этими элементами расположены какие-либо промежуточные элементы. Далее, понятие «элементы выполнены заодно в виде единой детали» означает выполнение данных элементов в едином технологическом процессе так, что граница между данными элементами в объединяющем их объекте (единой детали) является условной, а разъединение этих элементов невозможно без разрушения объединяющего их объекта.
[17] Крыло 100 БПЛА, выполненное согласно первому изобретению и представленное на Фиг. 1 в поперечном разрезе, образовано передним и задним составными элементами 110 и 120, жестко соединенными друг с другом по поверхностям 101 и 102 сопряжения. Следует отметить, что задний составной элемент 120 именуется данным образом только по отношению к переднему составному элементу 110, при этом крыло 100 может быть образовано более чем двумя составными элементами, включая органы управления полетом. Непоказанные на Фиг. 1 составные элементы крыла 100, которые расположены за задним составным элементом 120 по направлению к задней кромке крыла, на осуществление первого изобретения влияния не имеют. Таким образом, признак первого изобретения «крыло летательного аппарата, образованное скрепленными друг с другом передним и задним составными элементами», включает в себя случай, когда скрепленные друг с другом передний и задний составные элементы 110 и 120 образуют только часть крыла 100.
[18] Передний составной элемент 110 включает в себя верхнюю формообразующую стенку 111 с наружной поверхностью 113 и внутренней поверхностью 107, а также нижнюю формообразующую стенку 112 с наружной поверхностью 114 и внутренней поверхностью 108. Наружные поверхности 113 и 114 образуют участок 103 наружной поверхности крыла 100, приходящийся на передний составной элемент 110, и условно соединяются по линии, в каждой точке которой касательная к упомянутому участку 103 проходит вертикально. Прямая, перпендикулярная данной касательной, определяет условную область соединения верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112.
[19] На внутренней поверхности 107 верхней формообразующей стенки 111 расположен верхний крепежный выступ 115 с опорной поверхностью 117, в то время как на внутренней поверхности 108 нижней формообразующей стенки 112 расположен нижний крепежный выступ 116 с опорной поверхностью 118. Верхний и нижний крепежные выступы 115 и 116 при этом выступают навстречу друг к другу от внутренних поверхностей 107 и 108 верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 так, что их опорные поверхности 117 и 118 оказываются обращенными друг к другу.
[20] На опорных поверхностях 117 и 118 закреплены соответственно первый и второй индукторы 104 и 105, каждый из которых представляет собой катушку индуктивности, намотанную на цилиндрическую полимерную оправку. Первый и второй индукторы 104 и 105 установлены при этом так, что их оси расположены вблизи и параллельно друг другу, а в предпочтительном случае - совпадают. В контексте настоящего изложения под осями первого и второго индукторов 104 и 105 понимаются оси их цилиндрических полимерных оправок. Следует также отметить, что в предпочтительном случае оси первого и второго индукторов 104 и 105 пересекают среднюю плоскость крыла 100 под углом, близким к прямому углу или равным ему, однако, это не создает какого-либо ограничения, и указанный угол может значительно отличаться от прямого угла.
[21] Первый и второй индукторы 104 и 105 соединены с источником импульсного напряжения (не показан) так, что при генерации данным источником импульса напряжения магнитные поля, возникающие вдоль осей первого и второго индукторов 104 и 105, имеют противоположное направление и вынуждают первый и второй индукторы 104 и 105 отталкиваются друг от друга. Другими словами, при подаче на первый и второй индукторы 104 и 105 импульса напряжения первый индуктор 104 оказывает воздействие на второй индуктор 105 в направлении нижней формообразующей стенки 112, а второй индуктор 105 оказывает воздействие на первый индуктор 104 в направлении верхней формообразующей стенки 111, как это показано стрелками F1 и F2.
[22] В результате этого верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 деформируются, что приводит к сбрасыванию ледяной корки с их наружных поверхностей 113 и 114, если таковая успела сформироваться. Генерация серии импульсов напряжения многократно усиливают данный эффект, и при заблаговременном включении источника импульсного напряжения образование льда на наружных поверхностях 113 и 114 верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 надежно предотвращается.
[23] Следует отметить, что для максимизации усилий F1 и F2 необходимо, чтобы первый и второй индукторы 104 и 105 располагались как можно ближе друг к другу. Верхний и нижний крепежные выступы 115 и 116 позволяют минимизировать расстояние между первым и вторым индукторами 104 и 105, благодаря чему становится возможным увеличение воздействия на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 111 и 112 либо использование в качестве первого и второго индукторов 104 и 105 моделей с меньшей мощностью, размером и весом.
[24] Передний и задний составные элементы 110 и 120 выполнены из полимерного композитного материала, предпочтительно из углепластика или стеклопластика, например, методом прессования предварительно изготовленных листов (препрегов), послойно уложенных на формовочную оснастку. Специалист в данной области осведомлен о множестве вариантов реализации данной технологии, включающих вакуумное воздействие со стороны формовочной оснастки, автоклавное формование, тепловое воздействие и т.п. Важным преимуществом данной технологии является возможность выполнения переднего и заднего составных элементов 110 и 120 с переменным поперечным сечением, сужающимся с удалением от места крепления к фюзеляжу. Кроме того, в этом случае в переднем составном элементе 110 верхний и нижний крепежные выступы 115 и 116 могут быть выполнены по месторасположению и форме первого и второго индукторов 104 и 105.
[25] Одновременно с этим для изготовления переднего и заднего составных элементов 110 и 120 возможно применение других материалов и технологий, таких как пултрузия или экструзия углепластика или других полимерных композитных материалов, способных обеспечить требуемую прочность крылу 100. Данные технологии существенно упрощают производство переднего и заднего составных элементов 110 и 120, однако, позволяют выполнить их лишь в виде профилей постоянного сечения. Тем не менее в случае небольшого размера крыла 100 и приоритета простоты конструкции и массовости производства, данное ограничение может рассматриваться как допустимое. Верхний и нижний крепежные выступы 115 и 116 в этом случае пролегают на всю длину переднего составного элемента 110.
[26] Монтаж первого и второго индукторов 104 и 105 на опорных поверхностях 117 и 118 производится через проем между поверхностями 101 и 102 сопряжения до того, как передний составной элемент 110 будет соединен с задним составным элементом 120. С точки зрения упрощения монтажа в качестве предпочтительного способа закрепления первого и второго индукторов 104 и 105 на опорных поверхностях 117 и 118 рассматривается приклеивание. Кроме того, использование клея не требует выполнения отверстий в теле верхнего и нижнего крепежных выступов 115 и 116, снижающих прочность переднего составного элемента 110.
[27] Далее, крыло 100 может содержать несколько пар индукторов, аналогичных описанной выше паре из первого и второго индукторов 104 и 105. В этом случае другие пары индукторов распределяются по длине переднего составного элемента 110, например так, что на его поперечном разрезе они все перекрываются парой из первого и второго индукторов 104 и 105.
[28] Задний составной элемент 120 может иметь любую конфигурацию с тем лишь ограничением, что на пересечении с поверхностями 101 и 102 сопряжения наружные поверхности 123 и 124 его верхней и нижней формообразующих стенок 121 и 122 совпадают соответственно с наружными поверхностями 113 и 114 верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 переднего составного элемента 110.
[29] Таким образом, верхняя формообразующая стенка 111, верхний крепежный выступ 115, нижняя формообразующая стенка 112 и нижний крепежный выступ 116 выполнены из полимерного композитного материала заодно в виде единой детали - переднего составного элемента 110, который представляет собой профиль переменного или постоянного сечения. Первый и второй индукторы 104 и 105 закрепляются непосредственно на переднем составном элементе 110 без промежуточных деталей, таких как кронштейны, которые в прототипе изготовлены отдельно под каждый из первого и второго индукторов 104 и 105. Благодаря этому крыло 100 может быть собранно из меньшего количества компонентов и с сокращенным числом технологических операций по сравнению с прототипом. Кроме того, вследствие меньшего числа крепежных элементов (болты, заклепки и т.п.) крыло 100 приобретает меньший вес относительно прототипа.
[30] Следует при этом отметить, что для выполнения переднего и заднего составных элементов 110 и 120 может быть использован как один и тот же полимерный композитный материал, так и разные полимерные композитные материалы. В последнем случае первый полимерный композитный материал, использованный для изготовления переднего составного элемента 110, выбирается более эластичным, а второй полимерный композитный материал, использованный для изготовления заднего составного элемента 120, выбирается более жестким по отношению друг к другу. В этом исполнении передний составной элемент 110 более приспособлен для деформации, что усиливает эффективность предотвращения обледенения, а задний составной элемент 120 обеспечивает требуемую жесткость крыла 100.
[31] В свою очередь, способы скрепления составных элементов крыльев, в т.ч. выполненных из полимерных композитных материалов, широко представлены в уровне техники, и выбор подходящей технологии для скрепления переднего и заднего составных элементов 110 и 120 не вызовет затруднений у специалиста в данной области техники.
[32] Крыло 200 БПЛА, выполненное согласно второму изобретению и представленное на Фиг. 2 в поперечном разрезе, образовано верхним и нижним составными элементами 210 и 220, жестко соединенными друг с другом по поверхностям сопряжения, одна из которых, а именно поверхность 201, показана на Фиг. 2. Аналогично первому изобретению признак второго изобретения «крыло летательного аппарата, образованное скрепленными друг с другом верхним и нижним составными элементами» включает в себя случаи, когда верхний и нижний составные элементы 210 и 220 образуют часть крыла 200 или все крыло 200 целиком.
[33] Верхний и нижний составные элементы 210 и 220 включают в себя соответственно верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 211 и 212, причем поверхность 201 сопряжения, по которой соединяются друг с другом верхний и нижний составные элементы 210 и 220, совпадает с поверхностью соединения верхней и нижней формообразующих стенок 211 и 212. Линия пересечения поверхности 201 сопряжения с наружной поверхностью 203 крыла 200 близка к линии, в каждой точке которой касательная к наружной поверхности 203 проходит вертикально, но не обязательно совпадает с ней, что не оказывает влияния на осуществление второго изобретения и достигаемые технические результаты.
[34] На внутренней поверхности 207 верхней формообразующей стенки 211 расположен верхний крепежный выступ 215 с опорной поверхностью 217, в то время как на внутренней поверхности 208 нижней формообразующей стенки 212 расположен нижний крепежный выступ 216 с опорной поверхностью 218. Верхний и нижний крепежные выступы 215 и 216 при этом выступают навстречу друг к другу от внутренних поверхностей 207 и 208 верхней и нижней формообразующих стенок 211 и 212 так, что их опорные поверхности 217 и 218 оказываются обращенными друг к другу.
[35] Верхняя формообразующая стенка 211 и верхний крепежный выступ 215 выполнены из полимерного композитного материала заодно в виде единой детали - верхнего составного элемента 210, который представляет собой профиль переменного или постоянного сечения. Аналогичным образом в виде единой детали, представляющей собой нижний составной элемент 220, выполнены нижняя формообразующая стенка 212 и нижний крепежный выступ 216. Данное решение обеспечивают крылу 200 те же самые преимущества, что были раскрыты ранее для крыла 100, а именно снижение количества предварительно изготавливаемых компонентов и уменьшение веса.
[36] На опорных поверхностях 217 и 218 закреплены соответственно первый и второй индукторы 204 и 205, конструкция и функционирование которых полностью аналогичны таковым, описанным выше для первого и второго индукторов 104 и 105. Монтаж первого и второго индукторов 204 и 205 на опорных поверхностях 217 и 218 производится до того, как верхний составной элемент 210 будет соединен с нижним составным элементом 220, и потому не вызывает затруднений.
[37] Далее, крыло 200 может содержать несколько пар индукторов, аналогичных паре из первого и второго индукторов 204 и 205. В этом случае другие пары индукторов распределяются по длине верхнего и нижнего составных элементов 210 и 220, например так, что на поперечном разрезе крыла 200 они все перекрываются парой из первого и второго индукторов 204 и 205.
[38] Для изготовления верхнего и нижнего составных элементов 210 и 220 могут быть применены те же самые материалы и технологии, что были указаны выше для переднего и заднего составных элементов 110 и 120. Следует при этом отметить, что верхний и нижний крепежные выступы 215 и 216 не обязательно должны быть сплошными. Для уменьшения веса верхнего и нижнего составных элементов 210 и 220 верхний и нижний крепежные выступы 215 и 216 могут быть выполнены тонкостенными и иметь полости 219 (Фиг. 3), которые в случае использования технологии прессования препрегов могут быть сформированы, например, при помощи извлекаемых оправок.
[39] Другим возможным решением, позволяющим уменьшить вес верхнего и нижнего составных элементов 210 и 220, является выполнение их сплошными, но неоднородными. В этом исполнении в теле верхнего и нижнего крепежных выступов 215 и 216 на месте полостей 219 расположены вставки из материала малой плотности. Данные вставки могут быть установлены на этапе прессования препрегов, однако, в отличие от извлекаемых оправок они предназначены для сохранения внутри верхнего и нижнего крепежных выступов 215 и 216, что повышает жесткость последних.
[40] В контексте настоящего изложения под материалом малой плотности понимается материал, плотность которого меньше плотности полимерного композитного материала, использованного для изготовления верхней и нижней формообразующих стенок 211 и 212. Например, если для изготовления верхней и нижней формообразующих стенок 211 и 212 использован углепластик, то в качестве материала малой плотности может выступать пенопласт, пористый или сотовый материал и т.п.
[41] Далее, верхний и нижний крепежные выступы 215 и 216 не обязательно должны быть полыми оба, возможен случай, когда полым выполнен только один из них. Аналогично, верхний и нижний крепежные выступы 215 и 216 не обязательно должны быть снабжены вставками из материала малой плотности оба, возможен случай, когда вставкой из материала малой плотности снабжен только один из них. Представляется возможным также исполнение, в котором один из верхнего и нижнего крепежных выступов 215 и 216 выполнен полям, а другой - снабжен вставкой из материала малой плотности.
[42] Описанные выше конфигурации верхнего и нижнего крепежных выступов 215 и 216 могут быть реализованы и в крыле 100, в котором верхний и нижний крепежные выступы 115 и 116 в целях уменьшения веса также могут быть выполнены полыми или включать в себя облегченный внутренний компонент.
[43] Следует отметить, что хотя первое и второе изобретения были показаны на примерах крыльев БПЛА, это не является ограничением. Предложенные изобретения могут быть также использованы в крыльях пилотируемых летательных аппаратов, главным образом, относящихся к малой авиации.