РАМА МУЛЬТИКОПТЕРА (ВАРИАНТЫ)
MULTICOPTER FRAME (OPTIONS)

Область техники
Изобретение относится к конструкциям рам летательных аппаратов (ЛА) вертикального взлета и посадки, в частности, к рамам мультикоптеров.
Уровень техники
Из уровня техники известна рама ЛА (см. заявку US 2015012154 на изобретение, опубл. 08.01.2015).
ЛА содержит раму из 16 горизонтально расположенных двигателей с пропеллерами, кабину пилота и аккумуляторную батарею в ней, систему спасения всего аппарата парашютного типа, датчики и блок обработки сигнала.
Недостатками известного технического решения являются:
- большие массогабаритные показатели и невозможность взлета-посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров вследствие наличия 16 двигателей с пропеллерами большого размера и массы;
- зависимая энергосистема, где все двигатели питаются от одной батареи, что не обеспечивает безопасности полета через резервирование, т.к. отказ батареи ведет к отказу всех двигателей сразу.
Из уровня техники известна рама БЛА (см. патент РФ 128868 на полезную модель, опубл. 10.06.2013).
Рама БЛА представляет собой корпус с посадочными опорами, силовую установку с, по меньшей мере, тремя двигателями, закрепленных на корпусе, на каждом из двигателей установлен по меньшей мере один пропеллер, ось которого расположена вдоль силы тяжести.
Недостатками известного технического решения являются:
- маленькая дальность, продолжительность и скорость прямолинейного полета;
- отказ хотя бы одного пропеллера или двигателя из четырех ведет к аварии, что приводит к низкой безопасности полета.
Из уровня техники известна платформа мультикоптера (см. патент РФ 2577822 на изобретение, опубл. 20.03.2016).
Мультикоптер содержит платформу винтомоторной группы из продольных силовых балок - лонжеронов, расположенных вдоль полета, к лонжеронам крепятся поперечные силовые балки, на оконечностях которых устанавливаются электромоторы с несущими воздушными винтами, снизу к платформе прикрепляется грузопассажирская кабина с пакетами аккумуляторов, при этом количество винтомоторных установок должно обеспечивать грузоподъемность мультикоптера в вариантах воздушного робота, воздушного мотоцикла, микроавтомобиля, грузотакси, автобуса, боевой машины пехоты и пр.
Недостатками известного технического решения являются:
- большие массогабаритные показатели вследствие наличия винтомоторной группы из множества продольных силовых балок - лонжеронов с поперечными силовыми балками, на которых установлены двигатели с винтами;
- невозможность взлета-посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров.
Из уровня техники известна рама воздушного такси (см. патент РФ 2609660 на изобретение, опубл. 02.02.2017).
Рама представляет собой несущую ферму, в центре которой расположен жесткий купол из легкого материала, заполненный газом легче воздуха, покрытый элементами солнечной батареи. По периметру рамы расположены машинные отделения с воздушными винтовыми электродвижителями, а снизу рамы расположены захваты для крепления грузовых контейнеров.
Недостатками известного технического решения являются:
- маленькая дальность, продолжительность и скорость прямолинейного полета ввиду отсутствия маршевого двигателя;
- отказ хотя бы одного пропеллера или двигателя ведет к аварии, что приводит к низкой безопасности полета.
Из уровня техники известна несущая платформа летающего мотоцикла (см. патент РФ 108016 на полезную модель, опубл. 10.09.2011).
Несущая платформа состоит из балок рамной конструкции крестового типа, на концевых площадках крестовых балок которой установлены моторы с пропеллерами, расположенными в кольцевых оправах с защитной дугой снизу; снизу к платформе крепятся стояночные опоры; сверху в середине несущей платформы на крепежной площадке устанавливается конструкция для размещения пилота, либо пилота и пассажира, либо пилота и груза, включающая сиденье для пилота, либо пилота и пассажира.
Недостатками известного технического решения являются:
- большие массогабаритные показатели и невозможность взлета-посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров;
- маленькая дальность, продолжительность и скорость прямолинейного полета;
- отказ хотя бы одного пропеллера или двигателя из четырех ведет к аварии, что приводит к низкой безопасности полета;
- рама плоского балочного типа не обеспечивает необходимой жесткости конструкции, стойкой к колебаниям пропеллеров большой массы, что приводит к резонансным колебаниям, влечет образование усталостных дефектов в конструкции и усложняет задачу стабилизации аппарата в воздухе, отказ хотя бы одного пропеллера из четырех (а также любых других элементов конструкции, обеспечивающих работу пропеллера) ведет к аварии. Пропеллеры большого диаметра и массы не могут быть быстро остановлены при аварии. Двигатели обладают большой массой и сильным шумом что исключает использование аппарата в условиях города.
Из уровня техники известен аэробайк (см. патент РФ 127039 на полезную модель, опубл. 20.04.2013).
Аэробайк включает несущую раму прямоугольной формы, восемь попарно установленных моторов с двух, трех или четырехлопастными пропеллерами, закрепленных на углах рамы, два блока горизонтальной стабилизации, фюзеляж и место пилота, два блока горизонтальной стабилизации. На углах прямоугольной рамы жестко крепятся восемь электромоторов.
Недостатками известного технического решения являются:
- маленькая дальность, продолжительность и скорость прямолинейного полета;
- большие массогабаритные характеристики и невозможность взлета/посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров;
- отказ хотя бы одного пропеллера или двигателя из четырех ведет к аварии, что приводит к низкой безопасности полета;
- сложность конструкции ввиду использования восьми попарно установленных моторов с пропеллерами.
Из уровня техники известен многороторный пассажирский ЛА (см. заявка AU 2016100121 на изобретение, опубл. 10.03.2016).
ЛА включает пассажирскую кабину и попарно расположенные, разнесенные от корпуса кабины пилота, двигатели с винтами. Первый винт и второй винт расположены вертикально на одном и том же плече ЛА. Винты меньшего размера установлены как выше, так и ниже каждого плеча воздушного судна. Шасси расположено в нижней части корпуса ЛА. Четыре двигателя с пропеллерами расположены симметрично относительно пассажирской кабины.
Недостатками известного технического решения являются:
- маленькая дальность, продолжительность и скорость прямолинейного полета;
- большие массогабаритные характеристики и невозможность взлета/посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров;
- сложность ввиду использования попарно установленных моторов с пропеллерами.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- уменьшение массогабаритных показателей и возможность взлета-посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров;
- увеличение дальности, продолжительности и скорости прямолинейного полета;
- увеличение безопасности полета.
Технический результат по первому варианту осуществления изобретения достигается тем, что рама мультикоптера представляет собой:
- несущую силовую платформу, выполненную из двух труб квадратного, круглого или прямоугольного сечения одинакового размера и длины, в перехлесте образующих крест, которые усилены и закреплены силовыми пластинами одинакового размера снизу и сверху;
- на концевых участках вышеуказанных труб несущей силовой платформы на лучах установлены независимо работающие двигатели с несущими пропеллерами, при этом соседние противоположные несущие пропеллеры, расположенные симметрично относительно продольной оси с двух концов - переднего и заднего, несущей силовой платформы, обеспечивают частичное перекрытие площади друг друга, а лучи выполнены с возможностью наклона в продольной плоскости для изменения угла положения несущих пропеллеров;
- сверху по центру на силовой пластине несущей силовой платформы предусмотрена возможность установки модуля с полезной нагрузкой, включающего, например: средства управления, бортовой летный компьютер, датчики, аккумуляторную батарею, генератор, бак для топлива;
- двигатели с несущими пропеллерами расположены по два, по обе стороны симметрично относительно центра тяжести и продольной оси;
- снизу вышеуказанных труб несущей силовой платформы в области лучей закреплены демпферы для взлета и посадки с поверхности;
- над модулем с полезной нагрузкой предусмотрена возможность установки, например, съемных кабины пилота, сиденья пилота, органов управления мотоцикла или грузового отсека;
- на корпусе съемной кабины пилота сверху предусмотрена возможность шарнирного закрепления складного крыла;
- с задней стороны корпуса съемной кабины пилота предусмотрена возможность установки маршевого двигателя с пропеллером;
- при этом во время полета при возникновении аварийных (нештатных) ситуаций на одном из четырех независимо работающих двигателей или несущих пропеллеров происходит мгновенное отключение противоположного относительно центра тяжести и продольной оси двигателя и равномерное перераспределение и увеличение тяги к другой паре работающих исправно, противоположных относительно центра тяжести и продольной оси, двигателей, которые выводятся на максимальный режим работы, обеспечивающий компенсацию потерь двух других двигателей.
Технический результат по второму варианту осуществления изобретения достигается тем, что рама мультикоптера представляет собой
- несущую силовую платформу, выполненную из двух труб квадратного, круглого или прямоугольного сечения одинакового размера и длины, в перехлесте образующих крест, которые усилены и закреплены силовыми пластинами одинакового размера снизу и сверху;
- на концевых участках вышеуказанных труб несущей силовой платформы на лучах установлены независимо работающие двигатели с несущими пропеллерами, при этом соседние противоположные несущие пропеллеры, расположенные симметрично относительно продольной оси с двух концов - переднего и заднего, несущей силовой платформы, обеспечивают частичное перекрытие площади друг друга, а лучи выполнены с возможностью наклона в продольной плоскости для изменения угла положения несущих пропеллеров;
- сверху по центру на силовой пластине несущей силовой платформы предусмотрена возможность установки модуля с полезной нагрузкой, включающего, например: средства управления, бортовой летный компьютер, датчики, аккумуляторную батарею, генератор, бак для топлива;
- двигатели с несущими пропеллерами расположены по два, по обе стороны симметрично относительно центра тяжести и продольной оси;
- под несущей силовой платформой предусмотрена возможность установки, например, съемных кабины пилота или грузового отсека с шасси, расположенным в нижней части корпуса съемной кабины пилота, для взлета и посадки с поверхности;
- с задней стороны корпуса съемной кабины пилота предусмотрена возможность установки маршевого двигателя с пропеллером.
- при этом во время полета при возникновении аварийных (нештатных) ситуаций на одном из четырех независимо работающих двигателей или несущих пропеллеров происходит мгновенное отключение противоположного относительно центра тяжести и продольной оси двигателя и равномерное перераспределение и увеличение тяги к другой паре работающих исправно, противоположных относительно центра тяжести и продольной оси, двигателей, которые выводятся на максимальный режим работы, обеспечивающий компенсацию потерь двух других двигателей.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняется в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежами (см. фигуры 1-14), где показано следующее.
На фиг. 1 - пример реализации несущей силовой платформы с усилением сверху и снизу алюминиевыми силовыми пластинами.
На фиг. 2 - пример реализации несущей силовой платформы с установленным сверху на алюминиевых силовых пластинах модулем с полезной нагрузкой.
На фиг. 3 - пример реализации рамы мультикоптера из несущей силовой платформы с модулем с полезной нагрузкой (вид сбоку) - 1 вариант.
На фиг. 4 - пример реализации рамы мультикоптера из несущей силовой платформы с модулем с полезной нагрузкой (вид сбоку) - 1 вариант.
На фиг. 5 - пример реализации рамы мультикоптера из несущей силовой платформы с модулем с полезной нагрузкой (вид сверху) - 1 вариант.
На фиг. 6 - пример реализации рамы мультикоптера со складным крылом (вид спереди) - 1 вариант.
На фиг. 7 - пример реализации рамы мультикоптера со складным крылом в сложенном состоянии (вид сбоку) - 1 вариант.
На фиг. 8 - пример реализации рамы мультикоптера (вид сбоку) - 1 вариант.
На фиг. 9 - пример реализации рамы мультикоптера с кабиной пилота, расположенной снизу несущей силовой платформы - 2 вариант.
На фиг. 10 - пример реализации рамы мультикоптера с кабиной пилота, расположенной снизу несущей силовой платформы (вид сбоку) - 2 вариант.
На фиг. 11 - пример реализации рамы мультикоптера с кабиной пилота, расположенной снизу несущей силовой платформы (вид сверху) - 2 вариант.
На фиг. 12 - пример реализации рамы мультикоптера с сиденьем пилота, расположенным сверху несущей силовой платформы (вид сбоку) - 1 вариант.
На фиг. 13 - пример реализации рамы мультикоптера с сиденьем пилота, расположенным сверху несущей силовой платформы (вид сзади) - 1 вариант.
На фиг. 14 - пример реализации рамы мультикоптера с сиденьем пилота, расположенным сверху несущей силовой платформы (вид спереди) - 1 вариант.
На фигурах 1-14 одинаковыми ссылочными позициями обозначено следующее:
1 - силовые алюминиевые пластины квадратной или прямоугольной формы;
2 - лучи на концевых участках труб квадратного, круглого или прямоугольного сечения;
3 - трубы квадратного, круглого или прямоугольного сечения;
4 - модуль с полезной нагрузкой;
5 - складное крыло;
6 - кабина пилота;
7 - несущий пропеллер;
8 - двигатель несущего пропеллера;
9 - маршевый двигатель с пропеллером;
10 - шарнирное крепление (узел);
11 - шасси;
12 - демпферы;
13 - сиденье пилота.
Осуществление и примеры реализации изобретения
Рама мультикоптера (варианты) (см. фигуры 1-14) состоит из несущей силовой платформы, выполненной из двух труб (3) квадратного, круглого или прямоугольного сечения одинакового размера и длины, в перехлесте образующих крест, которые усилены и закреплены силовыми пластинами (1) снизу и сверху. Трубы (3) несущей силовой платформы выполнены из алюминия и могут быть выполнены разной толщины, диаметром и сечения, для обеспечения высоких прочностных характеристик и минимального веса конструкции. Силовые пластины (1) выполнены квадратной или прямоугольной формы одинакового размера из алюминия и крепятся через клепки. На концевых участках труб (3) несущей силовой платформы на лучах (2) установлены независимо работающие двигатели (8) с несущими пропеллерами (7). На нижней части труб (3) в области лучей (2) закрепляют демпферы (12) для взлета и посадки с поверхности. Лучи (2) на концевых участках (площадках) труб (3) могут наклоняться относительно продольной плоскости для изменения угла положения несущих пропеллеров (7). При этом лучи (2) с демпферами (12) выполняют функцию шасси, что приводит к уменьшению веса и габаритов рамы мультикоптера. Несущие пропеллеры (7) обеспечивают частичное перекрытие площади друг друга - 20%÷40% площади - это дает уменьшение габаритов рамы для взлета/посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров. Сверху по центру на алюминиевой силовой пластине (1) несущей силовой платформы установлен модуль (4) с полезной нагрузкой. В состав модуля (4) могут входить, например: средства управления, бортовой летный компьютер, датчики, аккумуляторная батарея, генератор, бак для топлива. Двигатели (8) с несущими пропеллерами (7) устанавливают симметрично относительно центра тяжести и продольной оси и вынесены вверх над силовой несущей платформой для обеспечения наилучшей тяги несущих пропеллеров (7). Во втором варианте осуществления изобретения, съемные кабина пилота (6) или грузовой отсек с шасси (11), расположенным на нижней части корпуса съемной кабины пилота (6), для взлета и посадки с поверхности, устанавливаются под несущей силовой платформой. На кабине пилота (6) сверху с помощью шарнирного узла (10) закрепляется складное крыло (5). Шарнирное крепление (10) для размещения складного крыла (5) дает увеличение дальности полета и возможность обеспечения взлета/посадки со стандартного парковочного места размером 2,5×5 метров. Шарнирные элементы (10) складного крыла (5) позволяют сделать складную конструкцию для регулировки угла атаки лопастей в вертикальной и горизонтальной плоскостях. Сзади корпуса съемной кабины пилота (6) устанавливается маршевый двигатель (9) с пропеллером для создания дополнительной тяги и увеличения скорости прямолинейного горизонтального полета. Для горизонтального (прямолинейного) полета используется маршевый двигатель (9), а двигатели (8) с несущими пропеллерами (7) используются только для горизонтального взлета/посадки и во время прямолинейного полета отключаются, после чего во время полета они набегающим потоком раскручиваются, создавая тягу и подзаряжая аккумуляторную батарею (АКБ). Соединение модуля (4) с полезной нагрузкой на алюминиевых силовых пластинах (1) осуществляется сваркой с дополнительным усилением уголками. Кабина (6) и сиденье (13) пилота быстросъемны, что позволяет осуществить быстрый доступ к важным элементам конструкции и оборудованию для их замены или ремонта. Во время полета мультикоптера при возникновении аварийных (нештатных) ситуаций, на одном из четырех независимо работающих двигателей (8) или несущих пропеллеров (7) происходит мгновенное отключение противоположного относительно центра тяжести и продольной оси двигателя (8) и равномерное перераспределение и увеличение тяги к другой паре работающих исправно, противоположных относительно центра тяжести и продольной оси, двигателей (8), при этом два оставшихся работающих исправно двигателя (8) выводятся на максимальный режим работы, обеспечивающий компенсацию потерь двух других двигателей (8), осуществляя при этом стабилизацию мультикоптера в воздухе по горизонту и аварийную плавную посадку (снижение) по вертикали, обеспечивая тем самым безопасность полета, исключая раскрутку, заваливание (смещение) в разные стороны и падение.
Уменьшение массогабаритных показателей достигается за счет лучей с демпферами, выполняющих функцию шасси.
Уменьшение габаритов для взлета-посадки со стандартного парковочного места 2,5×5 метров достигается за счет расположения несущих пропеллеров с частичным перекрытием площади труб несущей силовой платформы.
Увеличение дальности полета достигается за счет размещения на верхней части корпуса кабины пилота складного крыла.
Для увеличения продолжительности полета модуль с полезной нагрузкой оснащен гибридной силовой установкой PFE на базе линейного генератора, работающего на любом топливе, в том числе водороде.
Высокая скорость прямолинейного полета достигается за счет установки на задней части корпуса кабины пилота маршевого двигателя с пропеллером.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных и идентичных существенным признакам заявленной «Раме мультикоптера (варианты)», отсутствуют, что указывает на соответствие условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных технических решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленной «Рамы мультикоптера (варианты)», показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанный авторами технический результат. Следовательно, заявленная группа изобретений соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Несмотря на то что заявленная группа изобретений показана и описана со ссылкой на определенные предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения с учетом описания и чертежей.
На данный момент изготовлены опытные образцы и успешно проведены испытания.