БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) вертикального взлета и посадки, предназначенным для проведения широкого спектра работ, в том числе - обеспечения оперативной доставки видеоаппаратуры к месту видеосъемки, видеосъемки в труднодоступных местах, мониторинга территорий, промышленных предприятий и железнодорожных станций, портов, трасс трубопроводов, линий электропередач и т.п.
В последнее время значительно возрос интерес к использованию БЛА для решения множества задач, выполнение которых пилотируемыми летательными аппаратами в силу различных причин невозможно или нецелесообразно.
Наиболее активно в настоящее время БЛА используются для решения следующих задач:
- дистанционный мониторинг окружающей среды с взятием проб из труднодоступных мест с визуальным контролем проводимых замеров и мест отбора проб, а также доставка их к месту проведения анализа;
- поисково-спасательные операции;
- мониторинг морских и речных магистралей и водоемов, контроль объектов и трасс производства, добычи и транспортировки электрической энергии, природного газа, нефти и продуктов ее переработки, опасных химических и других веществ;
- патрулирование границ, военных, административных, экономических объектов, крупных промышленных предприятий с опасным производством, мониторинг стратегических транспортных магистралей, наблюдение за мобильными объектами и группами населения, контроль и обеспечение безопасности при массовых мероприятиях;
- оповещение о возникновении и развитии аварий, стихийного бедствия или опасных ситуаций в контролируемых зонах, выявление оперативной обстановки и наличия жертв в криминогенных местах, а также в местах химического заражения и др.
Для решения поименованных выше задач разработано большое количество конструктивных схем БЛА.
В настоящее время наиболее перспективными являются конструкции БЛА, обеспечивающие вертикальный взлет и посадку, горизонтальное перемещение в заданную точку, зависание БЛА в заданной точке.
Так, например, известен комбинированный БЛА, выполненный по бесфюзеляжной аэродинамической схеме "летающее крыло" и состоящий из следующих основных элементов: свободнонесущее крыло, подъемный двигатель, тяговый двигатель и стабилизатор.
Свободнонесущее крыло предназначено для размещения узлов и агрегатов аппарата. В передней части крыла установлен носовой обтекатель, внутри которого размещены блок управления, электронная аппаратура наблюдения, приемопередающий блок, антенны, пилотажно-навигационная система и др.
Передняя часть свободнонесущего крыла имеет форму, обеспечивающую минимальное аэродинамическое сопротивление, в задней части крыла установлены органы управления. На крыле установлено оборудование, которое в зависимости от назначения БЛА, может быть различным, например, для экологических целей.
Подъемный двигатель БЛА установлен в центре масс свободнонесущего крыла. Он предназначен для создания вертикальной тяги, необходимой для реализации режимов запуска, зависания над заданной точкой и приземления. Подъемный двигатель предназначен для вращения винта, ось которого вертикально закреплена внутри гильзы, размещенной в центре масс БЛА.
Тяговый двигатель предназначен для создания горизонтальной составляющей тяги. Он монтируется в задней части свободнонесущего крыла.
Стабилизатор БЛА предназначен для смещения центра давления в сторону от центра масс, что обеспечивает повышение запаса статической устойчивости БЛА. Стабилизатор выполнен в виде пластины, крепящейся с помощью хвостовых балок к свободнонесущему крылу под небольшим углом, который необходим для создания первоначальной подъемной силы, обеспечивающей планирующий полет БЛА. Стабилизатор установлен между хвостовыми балками с возможностью поворота относительно горизонтальной своей оси, обеспечивая управление БЛА по углу тангажа.
При запуске БЛА включается в работу подъемный двигатель. Тяговый двигатель находится в отключенном состоянии. Как только тяга, создаваемая подъемным двигателем, превысит стартовую массу БЛА, он отрывается от поверхности и вертикально поднимается вверх до набора нужной высоты. После набора нужной высоты по команде системы управления БЛА отключается подъемный двигатель и включается тяговый двигатель, посредством которого осуществляется горизонтальное перемещение БЛА.
При необходимости БЛА зависает в воздухе над заданной точкой. Для этого тяговый двигатель совместно с системой управления БЛА работает таким образом, чтобы БЛА расположился над заданной точкой поверхности. Затем он выключается, а подъемный двигатель включается.
Полет БЛА может происходить в соответствии с полетным заданием как по заданной программе, так и по радиокомандам, передаваемым оператором с наземного пункта дистанционного управления. Наземный пункт дистанционного управления вырабатывает команды, передаваемые по радиоканалу на бортовое радиоэлектронное оборудование, установленное на БЛА. При этом управление по углу тангажа осуществляется путем поворота стабилизатора вокруг оси, а управление по углу рысканья осуществляется с помощью поворота аэродинамических органов управления, которые представляют собой кили, соединенные между собой соединительным стержнем и установленные по обе стороны от стабилизатора.
Управление полетом БЛА осуществляется с помощью пилотажно-навигационной системы. При этом результаты дистанционного обзора местности, а также видео и телеметрической информации через приемопередающую антенну БЛА передаются на наземный пункт дистанционного управления.
Приземление БЛА осуществляется вертикально при остановке тягового двигателя и включении подъемного.
(см. патент РФ на полезную модель №98394, кл. В64С 27/22, 2010 г.).
В результате анализа конструкции известного БЛА необходимо отметить, что он обеспечивает возможность вертикального влета и посадки, горизонтального перемещения, зависания над заданной точкой. Однако используемая в известном БЛА конструктивная схема - один подъемный и один маршевый двигатель приводит к тому, что в процессе полета (зависания) всегда работает только один двигатель, а второй - отключен, то есть является балластом. Это приводит к повышению массы БЛА, в результате чего он не в состоянии развить высокую скорость. Размещение подъемного двигателя в центре масс крыла усложняет центровку оборудования при установке ее на крыло. При подъеме БЛА необходимо преодолевать аэродинамическое сопротивление крыла, что приводит к замедлению скорости подъема и повышенным нагрузкам на подъемный двигатель. Необходимо также отметить, что единственный винт подъемного двигателя создает момент вращения, который может привести к паразитному вращению летающего крыла при вертикальном взлете. Для управления закрылками такой аппарат необходимо оснащать довольно сложной системой радиоуправления. Это усложняет летательный аппарат, а также снижает его надежность и живучесть при падениях и столкновениях.
Известен многовинтовой БЛА вертикального взлета и посадки, состоящий из двух шарнирно соединенных модулей: подъемно-маршевого модуля, несущего четное количество силовых установок и модуля оборудования, управления и целевой нагрузки, внутри данного модуля размещен силовой шпангоут, в центральной части которого вертикально закреплена виброгасящая колонна, представляющая собой трубчатую мелкогофрированную конструкцию из композиционного материала.
В верхней части виброгасящей колонны установлен двухстепенной виброгасящий шарнир, прикрепленный посредством кольца к виброгасящей колонне. Подъемно-маршевый модуль имеет возможность качания вокруг осей, установленных в виброгасящей колонне. Виброгасящий шарнир содержит также кольцо, к которому посредством осей прикреплен оголовок подъемно-маршевого модуля. Такая конструкция двухстепенного виброгасящего шарнира позволяет свободно отклонять подъемно-маршевый модуль в двух плоскостях, обеспечивая управление аппаратом по осям ОХ и OZ. К оголовку подъемно-маршевого модуля прикреплены пилоны, по концам которых установлены двигатели двигательной установки, снабженные несущими винтами одиночного или соосного типа.
Отклонение подъемно-маршевого модуля обеспечивается сервоприводами посредством тяг управления.
Достаточно большое превышение плоскости несущих винтов над положением центра масс аппарата обеспечивает его высокую устойчивость при работе целевой нагрузки.
Взлет аппарата выполняется при вертикальном положении силовых установок. Вращаемые силовыми установками несущие воздушные винты отбрасывают воздушный поток вниз и обеспечивают тем самым отрыв аппарата от поверхности земли. Аппарат зависает на некоторой высоте над местом старта. Создаваемые силовыми установками вибрации и несущими винтами аэродинамические шумы и колебания гасятся при этом в виброгасящем шарнире. Часть непогашенных колебаний, передаваемых через виброгасящий шарнир, и окончательно гасится виброгасящей колонной, обеспечивая тем самым комфортные условия для работы целевой нагрузки аппарата.
Управление аппаратом по высоте обеспечивается изменением шага несущих винтов при соответствующем изменении мощности силовых установок по сигналам системы управления.
После взлета и набора высоты БЛА может перейти в горизонтальный полет, создавая пропульсивную силу наклоном подъемно-маршевого модуля и, соответственно, наклоном плоскостей воздушных винтов в сторону направления полета. Аэродинамическая компоновка аппарата позволяет ему перемещаться в любом направлении с одинаковой скоростью.
(см. патент РФ №2403183, кл. В64С 29/00, 2010 г.).
В результате анализа известного БЛА необходимо отметить, что в его конструкции двигатели двигательной установки обеспечивают работу БЛА как при подъеме (снижении), так и при горизонтальном полете, виброгасящие элементы снижают вибрации модуля оборудования, что повышает качество работы установленного на БЛА целевого оборудования. Однако существенным недостаткам известного БЛА является большое аэродинамическое сопротивление из-за необходимости перемещения БЛА в вертикальном и горизонтальном направлениях без изменения положения несущих аэродинамических поверхностей БЛА, а также размещения на них большого количества специального оборудования. Одним из недостатков данного двигателя является размещение двигателя вне центра масс, что приводит к неустойчивому положению БЛА при изменении режима полета. Все это приводит к снижению скорости и дальности полета. Отсутствие крыльев и, следовательно, не использование их подъемной силы, обуславливают малые скорость и дальность полета.
Известен комбинированный БЛА, содержащий свободнонесущее крыло, предназначенное для размещения и крепления узлов и агрегатов аппарата. В передней части крыла установлен носовой обтекатель, внутри которого размещаются блок управления, аппаратура наблюдения, приемопередающий блок, антенны, пилотажно-навигационная система и др. Передняя часть свободнонесущего крыла имеет форму, обеспечивающую минимальное аэродинамическое сопротивление. Внутри свободнонесущего крыла закрепляется специальное оборудование.
Двигательная установка БЛА состоит из четырех подъемных двигателей, расположенных симметрично относительно оси аппарата и вне его. Подъемные двигатели посредством балок жестко прикреплены к свободнонесущему крылу БЛА, а оси валов этих двигателей проходят через центр масс аппарата, при этом вся полезная нагрузка полностью занимает весь свободный объем свободнонесущего крыла. Каждый двигатель состоит из подъемного винта, прикрепленного с помощью скега к гильзе, которая соединяет поворотные двигатели с крылом БЛА.
Поворотные двигатели предназначены для создания тяги, необходимой для перемещения БЛА в горизонтальной плоскости, а также для вертикального взлета и посадки аппарата.
При запуске БЛА поворотные двигатели находятся в положении, обеспечивающим вертикальный подъем БЛА. Как только суммарная тяга, создаваемая двигателями, превысит стартовый вес БЛА, он отрывается от поверхности и начинает совершать подъем до набора нужной высоты. Так как оси валов подъемных двигателей проходят через центр масс БЛА, то в процессе его подъема аппарат является статически устойчивым.
После набора заданной высоты по команде системы управления, двигатели переводятся в режим горизонтального полета.
При необходимости БЛА зависает в воздухе над заданной точкой. Для этого двигатели работают таким образом, чтобы БЛА расположился над заданной точкой поверхности. Затем по команде они переводятся в режим зависания.
При этом суммарная тяга, создаваемая двигателями, должна равняться стартовому весу БЛА.
Приземление БЛА осуществляется при переводе двигателей в режим взлета и посадки. При этом БЛА плавно приземляется.
(см. патент РФ на полезную модель №71960, кл. В64С 39/00, 2008 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа известного БЛА необходимо отметить, что он обеспечивает вертикальный взлет и посадку, а также горизонтальное перемещение с возможностью зависания в заданной точке. Наличие четырех двигателей повышает надежность БЛА, так как он может работать при отказе двух из них. Вынесение двигателей на балках за контур крыла повышает его устойчивость. Однако неоптимальная аэродинамическая компоновка приводит к большому аэродинамическому сопротивлению, как при вертикальном, так и при горизонтальном полете. Это снижает скорость полета, а также длительность пребывания аппарата в воздухе и дальность полета. Вынесение двигателей на балках за контур крыла снижает надежность и живучесть БЛА при падениях и столкновениях.
Технический результат полезной модели заключается в улучшении технических характеристик аппарата, а именно в увеличении скорости и дальности как горизонтального, так и вертикального полета за счет уменьшения аэродинамического сопротивления на каждом этапе полета и обеспечения устойчивости БЛА в полете.
Указанный технический результат достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате, содержащем планер, на котором размещена двигательная установка, новым является то, что планер выполнен в виде двух параллельных крыльев, размещенных на балках, расположенных друг относительно друг друга крест-накрест, и зафиксированных на балках посредством стяжек, причем планер оснащен дополнительным крылом, прикрепленным к балкам между имеющимися крыльями и параллельно им, а двигатели двигательной установки размещены на балках в пространстве между крыльями и симметрично относительно дополнительного крыла, при этом, стяжки могут быть прикреплены к крыльям с возможностью съема, а дополнительное крыло и балки оснащены местами для установки полезной нагрузки. Крылья соединены с балками с возможностью разъединения, а балки соединены друг с другом с возможностью их разъединения или их относительного поворота.
Сущность заявленной полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
- на фиг. 1 - представлен БЛА, вид сбоку;
- на фиг. 2 - представлен БЛА, вид сверху при вертикальном полете или вид спереди при горизонтальном полете;
- на фиг. 3 - балки БЛА.
БЛА выполнен в виде планера, содержащего два параллельных друг относительно крыла 1 и 2, соединенных с концами балок 3 и 4. Соединение крыльев с концами балок может быть осуществлено различным известным образом, например, на крыльях выполняют глухие пазы, в которые при сборке БЛА заводят концы балок. Силовое замыкание собранных балок и крыльев осуществляют стяжками 5 и 6. Стяжки могут быть выполнены в виде тросиков или стержней, один конец каждого из которых с возможностью съема скреплен с крылом, а второй конец каждой из стяжек выполнен резьбовым. Так, пара стяжек размещена на крыльях по одной оси, а на их резьбовые концы навернута стягивающая муфта. Аналогично установлена другая пара стяжек. Стяжки могут иметь П-образную форму, поперечина каждой из которых проложена вдоль крыла, а их концы обращены друг к другу. Соединение (стягивание) стяжек 5 и 6 может быть осуществлено аналогично описанному выше (посредством резьбовых муфт) или быстрозажимным устройством, например, рычажного или эксцентрикового типа.
Приведенная выше компоновка планера образует легкую и весьма жесткую пространственную конструкцию.
Нетрудно заметить, что описанный выше планер БЛА выполнен по схеме «биплан», воплощая в себе все достоинства данной конструкции (устойчивость в полете, легкую управляемость, маневренность, что позволяет развивать высокую скорость полета в сочетании с эффективным управлением полета). Для повышения дальности полета и устойчивости БЛА (что особенно важно при использовании нестандартных подвесок, при которых трудно обеспечить должную центровку БЛА) на балках 3 и 4 закреплено, предпочтительно, съемно, дополнительное крыло 7, то есть, в данном случае, схема планера «биплан» преобразуется в схему «триплан». Такая схема позволяет обеспечить оптимальные условия полета по дальности и управляемости, например, при неблагоприятных погодных условиях. Дополнительное крыло 7 располагают между крыльями 1 и 2 и параллельно им.
Наиболее целесообразно дополнительное крыло крепить к балкам 3 и 4 в месте их скрещивания. Это обеспечивает соблюдение центровки БЛА.
На крыле 7 и/или балках 3 и 4 имеются места, например, кронштейны, установочные пазы и пр., для монтажа полезной нагрузки, например, видеокамер с углом обзора 360°, анализаторов проб воздуха и пр. На (в) крыле 7 размещают блок управления работой БЛА, приемопередающий блок, антенные устройства, пилотажное и навигационное оборудование и пр. Такое расположение позволяет избежать проблем с центровкой БЛА.
Двигательная установка БЛА выполнена в виде двигателей (винтовых или реактивных). Количество двигателей может быть различным, но не менее двух. Двигатели размещены на балках 3 и 4 симметрично относительно дополнительного крыла 7. Такое расположение необходимо для обеспечения центровки БЛА и управления его положением как при вертикальном, так и при горизонтальном полете. На фиг. 2 показан БЛА с четырьмя двигателями 8, 9, 10, 11, что не означает, что их количество не может быть иным. Двигатели двигательной установки смонтированы на балках 3 и 4 продольно, то есть, параллельно несущим плоскостям крыльев 1, 2 и 7.
Нетрудно заметить, что достоинством конструкции БЛА является также возможность его легкой сборки и разборки. Так силовое замыкание элементов планера обеспечивается за счет быстрого и удобного стягивания их стяжками. Такое соединение обеспечивается с помощью стандартных средств и не вызывает сложностей у специалистов. Балки 3 и 4 наиболее целесообразно соединять друг с другом с возможностью их разъединения или относительного поворота для складывания их в транспортное положение, при котором они занимают минимум места. Конструктивно это может быть обеспечено различным известным образом, например, стяжным болтом 12, пропущенным через отверстия балок, выполненные в месте их скрещивания. В рабочем положении стяжной болт пропущен в отверстия балок и за счет затянутой гайки обеспечивает жесткое соединение балок в рабочем положении. Для приведения балок в транспортное положение (или положение для хранения) усилие затяжки болта ослабляют, а балки относительно болта, который в данном случае является осью, разворачивают в транспортное положение, сводя их друг к другу. Если для транспортировки (а также ремонта или замены) необходимо разъединение балок, со стяжного болта свинчивают гайку, вынимают болт из отверстий балок и разъединяют балки Все узлы и агрегаты, использованные для компоновки БЛА, являются известными, стандартного исполнения, и используются по прямому назначению. Их конструктивное выполнение не является предметом патентной охраны в настоящей заявке. Средства программного обеспечения, используемые при управлении полетом БЛА, также являются стандартными.
БЛА работает следующим образом. Управление работой БЛА может осуществляться с наземного пункта управления или по программе, введенной в блок управления БЛА.
Работу БЛА рассмотрим на примере использования его для проведения видеосъемки аварийных ситуаций, катастроф и пр. Для проведения видеосъемки на штатные места крыла 7 или балок 3, 4 монтируют видеокамеры.
Стартовое положение БЛА - крылья 1 и 2 расположены несущими плоскостями вертикально, двигатели 8, 9, 10, 11 (пусть это будут двигатели, приводящие во вращение винты) двигательной установки расположены вертикально, что необходимо для создания вертикальной подъемной силы.
Взлет и вертикальный подъем БЛА осуществляется при включенных двигателях двигательной установки.
Вращаемые двигателями вертикально расположенные несущие воздушные винты отбрасывают воздушный поток вниз и обеспечивают, тем самым, отрыв БЛА от поверхности земли. Аппарат совершает вертикальный подъем и зависает на заданной высоте над местом старта. Учитывая, что при подъеме на заданную высоту крылья 1, 2, 7 планера расположены несущими поверхностями вертикально, то их аэродинамические поверхности практически не оказывают сопротивления процессу подъема БЛА на заданную высоту. Это позволяет значительно увеличить скорость подъема и снизить нагрузки на двигатель.
После взлета и набора заданной высоты БЛА переводят в режим горизонтального полета. Для этого БЛА за счет регулирования двигателей двигательной установки разворачивают на 90° в положение, при котором крылья 1, 2 и 7, а также и двигатели 8, 9, 10, 11 двигательной установки занимают горизонтальное положение.
В режиме горизонтального полета система управления по программе или в режиме ручного управления регулирует тягу двигателей для стабилизации и управления полетом по тангажу, курсу и крену, то есть, механизм поворота БЛА, как отдельный конструктивный блок отсутствует, что значительно упрощает конструкцию БЛА и снижает его массу.
После разворота на 90° БЛА совершает горизонтальный полет в заданную точку для проведения видеосъемки. Управление полетом осуществляется, как уже было отмечено выше, либо с пункта управления, либо по программе, введенной в блок управления БЛА. В процессе полета, крылья 1, 2 и 7 расположены горизонтально, то есть, планер в процессе горизонтального полета работает по схеме «триплан», используя все преимущества данной схемы. Использование такой схемы при горизонтальном полете обеспечивает высокую устойчивость БЛА, легкое маневрирование, а также позволяет развить высокую скорость полета. Аэродинамическое сопротивление при горизонтальном полете БЛА минимально.
По прибытии в точку съемки БЛА, аналогично описанному выше, совершает разворот на 90°, зависает в заданной точке. По команде блока управления или с пульта оператора включаются видеокамеры, производя съемку и передавая изображение на пульт оператора в режиме реального времени. Учитывая, что БЛА отличает весьма жесткая конструкция, вибрации при работе двигателей оказывают минимальное влияние на качество съемки.
После завершения процесса съемки отключают работу видеокамер, аналогично описанному выше разворачивают БЛА на 90°, после чего он совершает горизонтальный полет к месту приземления, которое осуществляется вертикальным перемещением БЛА вниз.
Благодаря выполнению планера по схеме «триплан» и возможности поворота БЛА на 90° обеспечиваются оптимальные аэродинамические характеристики БЛА как на режимах подъема - спуска так и горизонтального полета. Конструкция БЛА обладает высокой жесткостью за счет жесткого соединения крыльев и балок стяжками, что сводит к минимуму вибрации при полете и, тем самым, повышает качество видеосъемки, если БЛА предназначен для этой цели. Двигатели двигательной установки расположены в пространстве, ограниченном крыльями и стяжками, что позволяет надежно защитить их, не прибегая к дополнительным элементам защиты, что также позволяет снизить массу БЛА.
Весьма важно также и то, что в полете полезная нагрузка, которая зачастую имеет стоимость, намного превосходящую стоимость самого БЛА, надежно защищена сверху и снизу крыльями, а по бокам - стяжками, которые не мешают ее работе, так как в данном случае БЛА повернут на 90°.
После окончания работы БЛА может быть легко разобран для повышения его удобства при транспортировке или хранении.