ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к области авиационной техники, и может быть использована в конструкции летательных аппаратов (ЛА), совмещающих возможности укороченного и вертикального взлета и посадки, полета на заданное расстояние в горизонтальном режиме по-самолетному и зависания в зоне интереса в режиме квадрокоптера.
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
В патенте US 3035789 A, МПК B64C 29/00, опубл. 22.05.1962 описан конвертоплан, содержащий фюзеляж, два ротор-винта, установленных на концах крыла, которое выполнено с возможностью поворота всего крыла вокруг оси, поперечной к фюзеляжу, в соответствии с выбранными условиями полета в вертолетном и самолетном режимах. Недостатком известной конструкции конвертоплана является использование цельного крыла, что усложняет его сборку и транспортирование.
Известен конвертоплан по патенту US 6367736, МПК B64C 27/22, B64C 29/00, опубл. 09.04.2002, в котором поворотными являются два полукрыла на соответствующих концах которых расположены ротор-винты. Использование полукрыльев упрощает сборку и транспортирование аппарата. Однако, известные конвертопланы с одним несущим крылом имеют общий недостаток, заключающийся в сложности управления аппаратом в переходном и вертолетном режимах.
Конвертоплан по патенту RU 128182, МПК B64C 37/00, опубл. 20.05.2013, известный также как беспилотный летательный аппарат «Эра-100» (http://www.aviaport.ru/news/2014/03/14/278543.html), имеет два неподвижных разнесенных крыла, на концах консолей которых расположены четыре электродвигателя. Двигатели поворотные, что позволяет конвертоплану производить вертикальные взлет и посадку и совершать полет в горизонтальной плоскости относительно земли по-самолетному.
Известная конструкция обеспечивает повышение маневренности летательного аппарата на всех этапах полета, улучшение его устойчивости и аэродинамического качества, однако не обеспечивает взлет в более экономичном режиме по-самолетному.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемой полезной модели является квадроплан Quad-Tilt-Wing (QTW) UAV (Autonomous Flying Robots:Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles (Video Link) Chapter 4: Modeling and Control of an Autonomous Quad-Tilt-Wing (QTW) UAV), http://mec2.tm.chiba-u.jp/monograph/contents.html), который содержит фюзеляж с хвостовой балкой, хвостовое оперение, два тандемно расположенных крыла, каждое из которых выполнено в виде поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы, и расположенный в фюзеляже отсек с полезной нагрузкой. Основной недостаток у прототипа заключается в отсутствии шасси, что не обеспечивает взлет/посадку в более экономичном режиме по-самолетному.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание летательного аппарата, совмещающего возможности укороченного и вертикального взлета и посадки, полета на заданное расстояние в горизонтальном режиме по самолетному и зависания в зоне интереса.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели заключается в увеличении продолжительности и дальности полета, а также в упрощении управлением летательным аппаратом в переходном и вертолетном режимах.
Технический результат достигается тем, что в летательном аппарате, содержащем фюзеляж, хвостовую балку с хвостовым оперением, два тандемно расположенных крыла, каждое из которых выполнено в виде поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы, и отсек с полезной нагрузкой, согласно полезной модели, крылья расположены с разносом по высоте относительно центра масс летательного аппарата, лонжерон каждого крыла выполнен составным из лонжеронов полукрыльев и поворотного лонжерона, установленного внутри фюзеляжа, в качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы с электрическим приводом с раздельным управлением, винтомоторные группы закреплены на лонжеронах полукрыльев симметрично относительно оси летательного аппарата, фюзеляж снабжен съемным шасси, отсек полезной нагрузки расположен в передней части фюзеляжа между крыльями, а соединения фюзеляжа с полукрыльями и хвостовой балкой выполнены разъемными.
Технический результат достигается также тем что:
фюзеляж выполнен в виде монокока;
крылья снабжены закрылками;
шасси выполнено трехопорным и содержит переднюю и две задние стойки;
хвостовое оперение содержит два киля, установленных на концах стабилизатора, снабженного рулями высоты.
поворот крыльев осуществляют синхронно с помощью узлов поворота на угол от 0° до 90°;
в режиме висения летательный аппарат управляется изменением тяги винтомоторных групп;
управление выполнено автоматическим.
Технический результат обеспечивается возможностью взлета и посадки по-самолетному при наличии взлетно-посадочной полосы (ВПП), вертикального взлета и посадки в режиме квадрокоптера при отсутствии ВПП, и полета в горизонтальном режиме по-самолетному.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - общий вид ЛА в режиме вертикального взлета;
фиг. 2 - общий вид ЛА в режиме полета;
фиг. 3 - вид ЛА сверху в режиме полета;
фиг. 4 - вид ЛА сбоку в режиме полета;
фиг. 5 - вид ЛА спереди в режиме полета;
фиг. 6 - вид ЛА сбоку в режиме вертикального взлета;
фиг. 7 - сечение A-A фюзеляжа на виде, приведенном на фиг. 6.
На фиг. 1-7 введены обозначения:
1 - винтомоторная группа;
2 - нижнее крыло;
3 - верхнее крыло;
4 - закрылок;
5 - элерон крыла;
6 - фюзеляж;
7 - отсек полезной нагрузки;
8 - хвостовая балка с хвостовым оперением;
9 - руль высоты;
10 - киль;
11 - передняя стойка шасси;
12 - задняя стойка шасси;
13 - центр масс летательного аппарата;
14 - ось симметрии летательного аппарата;
15 - лонжерон полукрыла;
16 - узел поворота нижнего крыла;
17 - узел поворота верхнего крыла;
18 - поворотный лонжерон;
19 - стабилизатор.
Летательный аппарат, управление которым выполнено автоматическим, содержит фюзеляж 6, хвостовую балку 8 с хвостовым оперением, включающим два киля 10, установленных на концах стабилизатора 19, снабженного рулями высоты 9. Фюзеляж выполнен в виде монокока. Нижнее 2 и верхнее 3 крылья выполнены в виде поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы 1. Нижнее 2 и верхнее 3 крылья снабжены закрылками 4 и элеронами 5 и расположены с разносом по высоте относительно центра масс 13 летательного аппарата, что обеспечивает, дополнительно к аэродинамическому управлению положением летательного аппарата в режиме по-самолетному, управление за счет разнотяговости винтомоторных групп 1. Лонжерон каждого крыла выполнен составным из лонжеронов полукрыльев 15 и поворотного лонжерона 18, установленного внутри фюзеляжа 6. В качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы 1 с электрическим приводом с раздельным управлением. Винтомоторные группы 1 закреплены на лонжеронах полукрыльев 15 симметрично относительно оси симметрии 14 летательного аппарата и расположены на минимальном от основания полукрыльев расстоянии, обеспечивающим безопасную работу винтомоторных групп 1. Такое расположение снижает требования по прочности крыльев и обеспечивает снижение веса аппарата. Фюзеляж 6 снабжен съемным шасси, которое предпочтительно выполняется трехопорным и содержит переднюю 11 и две задние 12 стойки. Съемное шасси обеспечивает возможность запуска ЛА со стартовой установки. Для обеспечения стабильности центровки ЛА отсек 7 полезной нагрузки расположен в передней части фюзеляжа 6 между крыльями 2 и 3 вблизи центра масс. Соединения фюзеляжа 6 с полукрыльями и хвостовой балкой 8 выполнены разъемными, что упрощает хранение и транспортировку ЛА. Поворот крыльев 2 и 3 осуществляется за счет передачи вращения на поворотные лонжероны 18 от узлов поворота 16 и 17. Поворот осуществляется синхронно на угол от 0° до 90° в зависимости от режима полета. В режиме висения летательный аппарат управляется изменением тяги винтомоторных групп 1.
Для описания процесса функционирования ЛА целесообразно выделить следующие режимы работы: «Вертикальный взлет», «Висение 1», «Переходный режим 1», «Горизонтальный полет», «Переходный режим 2», «Висение 2», «Вертикальная посадка», «Взлет», «Посадка».
В режиме «Вертикальный взлет» ЛА стоит на земле, крылья с винтомоторными группами 1 переведены в вертикальное положение. После запуска всех двигателей и превышения тяги воздушных винтов веса ЛА, он взлетает с нулевой поступательной скоростью. Управление и стабилизация ЛА производится за счет разнотяговости винтомоторных групп 1, как в квадрокоптерах.
В режиме «Висение 1» ЛА висит в воздухе на заданной высоте с нулевой вертикальной и заданной поступательной скоростями. Необходимое перемещение на установленной высоте осуществляется наклоном ЛА в соответствующую сторону за счет разнотяговости винтомоторных групп 1.
В режиме «Переходный режим 1» ЛА переходит из режима «Висение 1» в режим «Горизонтальный полет» и набирает скорость, необходимую для горизонтального полета. Крылья с винтомоторными группами 1 переводятся из вертикального в горизонтальное положение. Управление - смешанное: за счет разнотяговости винтомоторных групп 1 и аэродинамическое за счет элеронов 5 крыльев и рулей высоты 9.
В режиме «Горизонтальный полет» подъемная сила создается крыльями за счет набегающего скоростного потока воздуха. Управление ЛА - аэродинамическое за счет элеронов 5 крыльев и рулей высоты 9.
В режиме «Переходный режим 2» ЛА переходит из режима «Горизонтальный полет» в режим «Висение 2» и снижает поступательную скорость до нуля. Крылья с винтомоторными группами 1 переводятся из горизонтального в вертикальное положение. Управление - смешанное: за счет разнотяговости винтомоторных групп 1 и аэродинамическое за счет элеронов 5 крыльев и рулей высоты 9.
В режиме «Висение 2» ЛА висит в воздухе на заданной высоте с нулевой вертикальной и заданной поступательной скоростями. Необходимое перемещение на установленной высоте осуществляется наклоном ЛА в соответствующую сторону за счет разнотяговости винтомоторных групп 1.
В режиме «Вертикальная посадка» ЛА приземляется с нулевой поступательной скоростью.
В режиме «Взлет» крылья с винтомоторными группами 1 расположены горизонтально. ЛА взлетает по-самолетному за счет подъемной силы крыльев. Управление ЛА - аэродинамическое.
В режиме «Посадка» крылья с винтомоторными группами 1 расположены горизонтально. ЛА приземляется по-самолетному, управление - аэродинамическое.
Таким образом, поворотные крылья с установленными винтомоторными группами позволяют создать ЛА, совмещающий большую продолжительность полета по-самолетному и возможность вертикального взлета и посадки, как в квадрокоптерах.