КРЫЛО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ПРОТИВООБЛЕДЕНИТЕЛЬНОЙ ЗАЩИТОЙ

Область техники
[1] Полезная модель 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 полезной модели
[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 обеих стенок 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 крыло, выполненное согласно указанному известному решению, являющемуся прототипом полезной модели, должно иметь достаточно большой внутренний вертикальный размер между верхней и нижней стенками крыла, чтобы оно было способно вместить в себя два индуктора, расположенные друг над другом. Кроме того, несколько пар индукторов, установленных по длине крыла, создают определенную весовую нагрузку на крыло, которая не играет существенной роли только в случае значительного собственного веса крыла. Таким образом, отмеченные обстоятельства ограничивают использование прототипа только БПЛА с большим размахом крыла.
[5] Одновременно с этим существует значительный спрос на недорогие и компактные БПЛА, которые могут быть выпущены большим тиражом. Тем не менее даже упрощенные, компактные и массовые БПЛА должны оставаться надежными и безопасными, что среди прочего подразумевает эффективную защиту от возможного обледенения. Однако использование прототипа для изготовления крыла компактного БПЛА приведет к неизбежному увеличению размера крыла и его утяжелению, в то время как для деформации его стенки, как правило имеющей небольшую толщину, воздействие со стороны двух индукторов является избыточным.
[6] В патентной публикации RU2329182C1, 20.07.2008 раскрыто крыло летательного аппарата, снабженное противообледенительным устройством, в котором вместо одного из индукторов использован токопроводящий экран, прикрепленный к обшивке крыла. Хотя такая замена могла бы позволить уменьшить размер и вес крыла, в раскрытой конфигурации указанные эффекты не достигаются ввиду того, что индуктор крепится к кронштейну, установленному на нервюре. Кроме того, закрепление индуктора на нервюре лишает данную конфигурацию основного преимущества прототипа - одновременное воздействие на верхнюю и нижнюю стенки крыла.
[7] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в уменьшении вертикального размера и веса крыла БПЛА, способного к предотвращению обледенения.
Сущность полезной модели
[8] Для решения указанной технической проблемы предложено крыло летательного аппарата, содержащее верхнюю и нижнюю формообразующие стенки, а также экран, индуктор и источник импульсного напряжения, соединенный с индуктором. Экран и индуктор прикреплены соответственно к верхней и нижней формообразующим стенкам со стороны их внутренних поверхностей. При генерации упомянутым источником импульса напряжения индуктор способен оказывать воздействие на экран в направлении верхней формообразующей стенки.
[9] Технический результат полезной модели состоит в уменьшении вертикального размера крыла, способного к предотвращению обледенения, и снижении его веса относительно прототипа.
[10] В первом и во втором частных случаях полезной модели верхняя и нижняя формообразующие стенки выполнены соответственно из полимерного композитного материала, такого как углепластик, или из алюминиевого сплава. Использование данных материалов позволяет получить верхнюю и нижнюю формообразующие стенки, характеризующиеся малым весом и высокой прочностью.
[11] В третьем частном случае полезной модели верхняя и нижняя формообразующие стенки выполнены заодно в виде единой детали, что позволяет уменьшить вес крыла за счет снижения числа крепежных деталей.
[12] В четвертом частном случае полезной модели крыло образовано передним и задним составными элементами, при этом упомянутые верхняя и нижняя формообразующие стенки представляют собой верхнюю и нижнюю формообразующие стенки переднего составного элемента. Данное исполнение позволяет выполнить верхнюю и нижнюю формообразующие стенки переднего составного элемента более эластичными по сравнению с таковыми у заднего составного элемента. Для деформации верхней и нижней формообразующих стенок в этом случае требуется меньшее усилие, благодаря чему индуктор и экран могут быть менее мощными, а значит более компактными и легкими. Кроме того, при выполнении верхней и нижней формообразующих стенок переднего составного элемента более тонкими можно дополнительно снизить вес крыла.
[13] В пятом частном случае полезной модели экран прикреплен непосредственно к внутренней поверхности верхней формообразующей стенки, что позволяет минимизировать вертикальный размер крыла.
[14] В шестом частном случае полезной модели индуктор прикреплен к крепежному выступу, закрепленному на нижней формообразующей стенке. Данное исполнение позволяет расположить индуктор в максимальной близости к экрану, что максимизирует создаваемое усилие и позволяет использовать индуктор меньшей мощности, размера и веса.
Краткое описание чертежей
[15] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуру, на которой представлен поперечный разрез передней части крыла БПЛА, выполненного согласно предпочтительному примеру полезной модели.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов, отображенных на фигуре, 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 техническим результатом.
Осуществление полезной модели
[16] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших примерах ее реализации, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[17] 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.
[18] Крыло 100 БПЛА, которое выполнено согласно предпочтительному примеру полезной модели и фрагмент которого представлен на фигуре в поперечном разрезе, образовано передним и задним составными элементами 110 и 120, жестко соединенными друг с другом по поверхностям 101 и 102 сопряжения.
[19] Передний составной элемент 110 включает в себя верхнюю формообразующую стенку 111 с наружной поверхностью 113 и внутренней поверхностью 109, а также нижнюю формообразующую стенку 112 с наружной поверхностью 114 и внутренней поверхностью 119. 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.
[20] Задний составной элемент 120 содержит свои верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 121 и 122, при этом крыло 100 может быть образовано более чем двумя составными элементами, включая органы управления полетом. Таким образом, признак полезной модели «крыло летательного аппарата, содержащее верхнюю и нижнюю формообразующие стенки», включает в себя случай, когда только часть крыла 100 образована верхней и нижней формообразующими стенками 111 и 112.
[21] На нижней формообразующей стенке 112 расположен крепежный выступ 116 с крепежной поверхностью 118. Верхняя формообразующая стенка 111 имеет опорный участок 115 с опорной поверхностью 117, которая по существу представляет собой участок внутренней поверхности 109 верхней формообразующей стенки 111. Крепежный выступ 116 выступает от внутренней поверхности 119 нижней формообразующей стенки 112 навстречу опорному участку 115 так, что крепежный выступ 116 оказывается обращенным в сторону опорного участка 115. Более точно, крепежная поверхность 118 крепежного выступа 116 обращена в сторону опорной поверхности 117 опорного участка 115.
[22] На крепежной поверхности 118 закреплен индуктор 105, который представляет собой катушку индуктивности, намотанную на цилиндрическую полимерную оправку. На опорной поверхности 117 расположен экран 104, который представляет собой пластину, выполненную из токопроводящего материала, такого как алюминий. Экран 104 на всей своей площади контактирует с опорной поверхностью 117 и прикреплен к опорному участку 115 посредством заклепки 106 и/или клея.
[23] Экран 104 предпочтительно выполнен в форме диска и установлен так, что в направлении своей оси он полностью перекрывает индуктор 105. Оси экрана 104 и индуктора 105 при этом расположены вблизи и параллельно друг другу, а в предпочтительном случае - совпадают. В контексте настоящего изложения под осью индуктора 105 понимается ось его цилиндрической полимерной оправки. Следует также отметить, что в предпочтительном случае оси экрана 104 и индуктора 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.
[24] Индуктор 105 соединен с источником импульсного напряжения (не показан) так, что при генерации данным источником импульса напряжения возникает магнитное поле, действующее вдоль оси индуктора 105 на экран 104. Вихревые токи, индуцируемые в экране 104, в свою очередь, также создают магнитное поле, которое имеет противоположное направление с магнитным полем индуктора 105, в результате чего индуктор 105 и экран 104 отталкиваются друг от друга. Другими словами, при подаче импульса напряжения индуктор 105 оказывает воздействие на экран 104 в направлении верхней формообразующей стенки 112, и воспринимает от экрана 104 силу реакции в направлении нижней формообразующей стенки 111, как это показано стрелками F2 и F1 соответственно.
[25] 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.
[26] Использование экрана 104 вместо второго индуктора, как это реализовано в прототипе, позволяет существенно уменьшить вертикальный размер крыла 100. Данный эффект особенно актуален для компактных БПЛА, в которых использование двух индукторов для деформации верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 представляется избыточным ввиду малой толщины последних.
[27] Следует отметить, что для максимизации усилий F1 и F2 необходимо, чтобы расстояние между индуктором 105 и экран 104 было минимально возможным. С помощью крепежного выступа 116 индуктор 105 может быть максимально приближен к экрану 104, расположенному на опорной поверхности 117. Повышение эффективности взаимодействия индуктора 105 и экрана 104 позволяет либо увеличить воздействие на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 111 и 112, либо использовать индуктор 105 меньшей мощности, размера и веса.
[28] Передний составной элемент 110 и опционально задний составной элемент 120 выполнены из полимерного композитного материала, предпочтительно из углепластика или стеклопластика, 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 составного элемента 110 с переменным поперечным сечением, сужающимся с удалением от места крепления к фюзеляжу.
[29] 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.
[30] В предпочтительном случае верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 выполнены заодно в виде единой детали - переднего составного элемента 110. Однако это не является ограничением, верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут быть выполнены отдельно с последующим жестким соединением между собой.
[31] 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 таком исполнении передний составной элемент 110 более приспособлен для деформации, что позволяет использовать индуктор 105 меньшей мощности, размера и веса. В свою очередь, требуемая жесткость крыла 100 обеспечивается за счет заднего составного элемента 120.
[32] В другом исполнении верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут иметь меньшую толщину по сравнению с верхней и нижней формообразующими стенками 121 и 122. Аналогично описанному выше случаю, более тонкие и легкие верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут быть деформированы при использовании индуктора 105 меньшей мощности, размера и веса, в то время как жесткость крыла 100 обеспечивается за счет более толстых и прочных верхней и нижней формообразующих стенок 121 и 122.
[33] Помимо полимерного композитного материала для изготовления крыла 100 может быть использован алюминиевый сплав. В этом случае верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут быть выполнены заодно путем гибки листа из алюминиевого сплава. Возможен также случай, в котором каждая из верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 выполнена из отдельных металлических пластин, соединенных между собой.
[34] В примере, показанном на фигуре, крепежный выступ 116 выполнен отдельно от нижней формообразующей стенки 112 и представляет собой кронштейн, закрепленный на нижней формообразующей стенке 112 со стороны ее внутренней поверхности 119. Для изготовления крепежного выступа 116 может быть использован металл, например алюминиевый сплав, или полимерный композитный материал.
[35] Монтаж крепежного выступа 116 на нижней формообразующей стенке 112 производится через проем между поверхностями 101 и 102 сопряжения до того, как передний составной элемент 110 будет соединен с задним составным элементом 120. Предварительно на опорной поверхности 118 может быть закреплен индуктор 105, например, при помощи клея. Закрепление крепежного выступа 116 на нижней формообразующей стенке 112 может быть осуществлено при помощи заклепок, болтов или клея. Использование клея упрощает монтаж и позволяет избежать выполнения отверстий в крепежном выступе 116 и нижней формообразующей стенке 112, снижающих прочность указанных элементов. Последнее соображение справедливо и для монтажа экрана 104.
[36] Далее, крыло 100 может содержать несколько пар индуктор-экран, аналогичных описанной выше паре из индуктора 105 и экрана 104. В этом случае другие пары индуктор-экран распределяются по длине переднего составного элемента 110, например так, что на его поперечном разрезе они все перекрываются парой из экрана 104 и индуктора 105.
[37] 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.
[38] 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.
[39]Следует также отметить, что хотя осуществление полезной модели было показано на примерах крыльев БПЛА, данное обстоятельство не является ограничением. Наряду с этим полезная модель может быть использована в крыльях пилотируемых летательных аппаратов, главным образом, относящихся к малой авиации.