БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ ЛЕГЧЕ ВОЗДУХА
UNMANNED AERIAL VEHICLE LIGHTER THAN AIR

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА).
Для осуществления полетов БПЛА, в частности аппаратов легче воздуха, необходимо определить с основными принципами, по которым осуществляется воздухоплавание. Для начала необходимо оценить, если у нас имеется аппарат, наполненный самым обычным воздухом. Массу такого БПЛА удобно разбить на массу самого шара (масса корпуса и устройств, масса полезной нагрузки и т.п.) и масса того воздуха, которым он наполнен.
Архимедова сила, действующая на воздух в БПЛА:
1
1
1
F=g*ρ*V
1
где V - объем воздуха в БПЛА,
1
ρ - плотность воздуха.
Сила тяжести, действующая на воздух в БПЛА:
2
2
1
F=g*ρ*V
2
где ρ - плотность воздуха внутри БПЛА.
1
2
1
2
Так как на данном этапе воздух в БПЛА абсолютно такой же, как и воздух вне его, то ρ=ρ, а значит F=F, то есть Архимедова сила, действующая на воздух внутри БПЛА снизу вверх, равна силе тяжести воздуха в БПЛА, направленной сверху вниз, к земле. Силы эти равны и направлены друг против друга, а значит эффект от этого нулевой.
1
2
2
1
Для того чтобы БПЛА оторвался от земли необходимо сделать так, чтобы Архимедова сила, действующая на воздух внутри БПЛА, стала больше силы тяжести, тогда сила, толкающая вверх, станет больше силы, тянущей вниз, и БПЛА взлетит. Нам нужно, чтобы F было больше, чем F, то есть, чтобы ρ было больше, чем ρ. Для того чтобы изменить, т.е. уменьшить, плотность воздуха в БПЛА, его надо или заменить, или нагреть.
Для замены подойдет подъемный газ, скажем, водород или гелий, чья плотность в принципе меньше плотности воздуха, замена воздуха на который увеличит Архимедову силу. Дополнительный разогрев газа тепловыми элементами внутри БПЛА приведет к увеличению температуры газа, плотность его будет уменьшаться. Плотность воздуха внутри БПЛА станет меньше плотности газа вне шара, Архимедова сила станет больше силы притяжения Земли, как следствие, БПЛА начнет подниматься вверх. Но следует учесть, что поднять надо не только сам аппарат, но и полезную нагрузку на борту. Поэтому объем БПЛА должен быть рассчитан, чтобы разницу сил (Архимедова сила минус сила тяжести) хватило для поднятия как самого аппарата, так и полезной нагрузки.
Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является «Беспилотный комбинированный летательный аппарат» (патент RU 2485018 от 20 июня 2013 г.). Прототип выполнен в форме летающего крыла, корпус выполнен многосекционным из набора стрингеров, закрепленных на жесткой углепластиковой основе, сверху обтянут тонкой пленкой на тканевой основе, представляющей кремниевую солнечную батарею, внутри корпус разделен на герметичные, заполненные подъемным газом (гелий и др.) отсеки и негерметичные отсеки, имеющие воздухозаборник в носовой, в средней тепловые элементы для нагрева воздуха и сопло в задней части.
Недостаток этого устройства - ограниченные возможности вертикального взлета и посадки, приводящие к расходованию электроэнергии на взлет, занятие и поддержание заданной высоты полета за счет работы электродвигателей.
Задачей изобретения является создание летательного аппарата, обладающего возможностью взлета без разбега и посадки без пробега, возможностью выбора и изменения высоты над заданной точкой, маневренностью и управляемостью в полете, возможностью длительного нахождения в воздухе и пополнения в полете энергоресурсов.
Требуемый технический результат достигается тем, что в фюзеляже, состоящем из шпангоутов и стрингеров, расположена эластичная, воздухонепроницаемая оболочка, внутри которой находятся резервуар с подъемным газом под давлением, оборудованный травящим клапаном, и компрессор, в верхней части фюзеляжа имеется воздушный клапан для стравливания и поступления атмосферного воздуха. Сверху фюзеляж покрыт пленкой с кремневой солнечной батареей. Применены расположенные в хвостовой части фюзеляжа два электродвигателя для движения и поворотов влево и право поочередной работой соответствующего двигателя или выключением оного. Аккумуляторная батарея для накопления запаса энергии в случае нехватки или невозможности солнечной батареи производить необходимое количество энергии.
Система управления
Сравнительный анализ с прототипом показал, что заявленное техническое решение отличается наличием в фюзеляже эластичной, воздухонепроницаемой оболочки, внутри которой находятся резервуар с подъемным газом под давлением, оборудованный травящим клапаном, и компрессор.
Сущность изобретения поясняется чертежом, где на Фиг. 1 представлен беспилотный летательный аппарат, включающий в свой состав:
1 - объемный жесткий фюзеляж беспилотного летательного аппарата легче воздуха;
2 - система управления;
3 - тепловые элементы;
4 - компрессор;
5 - резервуар, заполненный подъемным газом под давлением;
6 - травящий клапан;
7 - аккумуляторная батарея;
8 - полезная нагрузка;
9 - воздушный клапан для стравливания и поступления атмосферного воздуха;
10 - эластичная воздухонепроницаемая оболочка.
Изобретение работает следующим образом: на травящий клапан (6) резервуара (5), заполненного подъемным газом под давлением, расположенного в эластичной воздухонепроницаемой оболочке (10) в объемном жестком фюзеляже БПЛА (1), система управления (2) выдает сигнал на стравливание подъемного газа. Расширяясь, газ заполняет эластичную воздухонепроницаемую оболочку (10) в объемном жестком отсеке (1), вытесняя из него воздух в атмосферу через воздушный клапан для стравливания и поступления атмосферного воздуха (9), атмосферный воздух внутри фюзеляжа заменяется на подъемный газ, скажем, водород или гелий, плотность которого меньше плотности воздуха, и замена которого увеличит Архимедову силу и создаст подъемную силу, и аппарат выполняет взлет на заданную высоту, после чего система управления (2) закрывает травящий клапан (6). Для поддержания подъемной силы на заданном уровне или изменения ее, открывается травящий клапан (6) или производится разогрев тепловых элементов (3) за счет электроэнергии, вырабатываемой солнечной и (или) аккумуляторной батарей (7). Система управления (2) осуществляет запуск электродвигателей для движения и управления аппаратом. Осуществляется полет по заданному маршруту или в точку над заданным объектом. При необходимости длительное время контролировать объект система управления (2) останавливает электродвигатели, и аппарат зависает над объектом, компенсируя высоту стравливанием или закачиванием подъемного газа в резервуаре (5) и(или) включением и выключением тепловых элементов (3). Для посадки подъемный газ закачивается компрессором (4) в резервуар (5), отсек (1) через воздушный клапан для стравливания и поступления атмосферного воздуха (9) заполняется воздухом из атмосферы, подъемная сила и БПЛА осуществляет посадку.
Наличие в бортовом комплексе аппаратуры модуля спутниковой глобальной навигационной системы ГЛОННАСС/GPS позволит сохранять заданное положение над объектом с высокой точностью, корректируя отклонения работой электродвигателей. Полезная нагрузка (8) бортового комплекта аппаратуры выполняется модульным, меняя которые решаются различные задачи, ограничения будут касаться только массогабаритных характеристик полезной нагрузки.
Беспилотный комбинированный летательный аппарат найдет свое применение в различных сферах деятельности, станет надежным помощником человека. Контроль над лесными массивами с целью предупреждения пожаров и помощь при тушении, контроль над посевами зерновых и других культур, контроль состояния трубопроводов в малообжитой и труднодоступной местности, контроль дорожного движения в крупных городах, экологическая и другие виды разведок и многое другое по плечу летательным аппаратам данного класса.