МНОГОЦЕЛЕВОЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) вертикального взлета и посадки.
В последнее время возрос интерес к использованию беспилотных летательных аппаратов для решения множества задач, выполнение которых пилотируемыми летательными аппаратами в силу различных причин нецелесообразно.
К основным направления использования БЛА относятся:
- дистанционный мониторинг окружающей среды с автоматическим взятием проб элементов окружающей среды из труднодоступных мест с визуальным контролем проводимых замеров и мест отбора проб, а также доставка их к месту проведения анализа;
- высокая оперативность и эффективность поисково-спасательных операций (состояние объектов и масштабы разрушений, опасные зоны и пожары, аварий, стихийных бедствий, техногенных катастроф и выявления в них пострадавших);
- мониторинг морских и речных магистралей и водоемов (выявления на них браконьерства), экологический мониторинг и контроль объектов и трасс производства, добычи и транспортировки электрической энергии, природного газа, сырой нефти и продуктов ее переработки, опасных химических и других веществ;
- непрерывное и скрытое ведение разведки (военной, радиационной, химической, биологической) в реальном масштабе времени и визуальная передача данных на монитор оператора;
- предотвращение попыток осуществления террористических актов на АЭС, ГЭС, ТЭЦ, радиационных, химических и биологических и других опасных объектах (последствия которых могут быть сопоставимы с применением оружия массового поражения), а также выявлении и предотвращении попыток хищения природного газа, сырой нефти, нефтепродуктов;
- патрулирование (сухопутных и водных) границ, военных, административных, экономических объектов, крупных промышленных предприятий с опасным производство, мониторинг стратегических (железнодорожных и автомобильных) транспортных магистралей, наблюдение за мобильными объектами и группами населения, контроль и обеспечение безопасности при массовых мероприятиях (на стадионах, площадях, саммитах, олимпиадах и др.) с применением (по целеуказанию или непосредственно с БЛА) нелетальных средств сдерживания;
- непосредственное участие в борьбе с террористами, а также участие в боевых действиях и военных конфликтах;
- скрытое патрулирование и охрана территории важных военных объектов, захват цели и/или целеуказания, сбор данных организация связи и передача данных, запуск ложных целей, сопровождение военных и опасных грузов, а также наведение ракет, управляемых боевых частей и реактивных снарядов на конечном участке траектории полета;
- геологические исследования, дистанционное наблюдение за вулканической или сейсмической деятельностью;
- оповещение о возникновении и развитии аварий, стихийного бедствия или опасных ситуаций в контролируемых зонах, выявление оперативной обстановки и наличия жертв в криминогенных местах (зоны, закрытые для доступа, места, где совершаются преступления), а также из в мест химического заражения и др.
Широкое распространение нашли конструкции БЛА вертолетной схемы.
Например, патент №2021165 от 15.10.1994 «Способ управления дистанционно-пилотируемым аппаратом и система управления для его реализации», МПК В64С 29/00, В64С 15/00. Однако для большинства из них характерны следующие недостатки:
- при большой удельной нагрузке поток от винта будет так силен, что не позволит работать под несущим винтом;
- большой расход топлива;
- небольшая скорость перемещения в горизонтальном направлении.
Частично данные недостатки устранены в схеме «винт в кольце». Однако для данного типа БЛА характерным недостатком является большое аэродинамическое сопротивление из-за размещения большого количества специального оборудования, что приводит к снижению скорости полета БЛА. Например, «Летательный аппарат вертикального взлета и посадки» по патенту №2089458 от 10.09.1997, МПК В64С 29/00.
Частично данные недостатки устранены в беспилотном летательном аппарате по патенту №2288140 от 27.11.2006, МПК В64С 39/00. Он содержит свободно-несущее крыло, снабженное аэродинамическими органами управления, вертикальное оперение, мотогондолу и один двигатель с воздушным винтом. Двигатель установлен в мотогондоле. Беспилотный летательный аппарат выполнен по бесфюзеляжной аэродинамической схеме "летающее крыло".
Однако одним из недостатков данного двигателя является низкий запас статической устойчивости, что приводит к его неустойчивому положению при взлете, когда стабилизатор еще неэффективен. Кроме того, не во всех случаях БЛА может быть использован.
Данные недостатки могут быть устранены в беспилотном летательном аппарате с двумя поворотными двигателями (патент РФ на ПМ №69839, 2008).
Недостатком БЛА является неустойчивое положение при взлете и в случае воздействия возмущающих факторов.
Наиболее близким по принципу действия и технической сущности к заявляемому устройству является беспилотный летательный аппарат с четырьмя поворотными двигателями (патент РФ на ПМ №71960, 2008).
Однако и этот патент полностью не устраняет неустойчивое положение БЛА как при взлете, так и в случае воздействия на него возмущающих факторов. Отсутствие синхронности в работе двигателей может привести к возникновению неустойчивости БЛА, а оно в свою очередь - к потере его работоспособности.
Задачей полезной модели является повышение запаса устойчивости БЛА в процессе работы двигателей и расширение диапазона его технических характеристик.
Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в расширении диапазона применения БЛА за счет размещения специального оборудования, в том числе для эвакуации пострадавших из района боевых или стихийных бедствий на поверхности свободнонесущего крыла.
Поставленная задача достигается тем, что многоцелевой беспилотный летательный аппарат представляет собой свободнонесущее крыло, включающее систему управления, двигательную установку, состоящую из четырех поворотных двигателей, расположенных вне корпуса, а также полезную нагрузку. Причем в него дополнительно введены системы горизонтирования, координатометрирования и аварийного ручного управления работой поворотных двигателей, состоящие из блоков управления и усилительно-преобразующих устройств, связанных с поворотными двигателями и которые равномерно занимают весь объем свободнонесущего крыла, а органы системы аварийного ручного управления размещаются на его поверхности, при этом передние поворотные двигатели расположены ближе к геометрической оси аппарата чем задние на расстоянии не менее одного наружного диаметра двигателя.
На фиг.1 изображен вид многоцелевого БЛА сверху, на фиг.2 вид сбоку и на фиг.3 - блочное устройство управления работой поворотными двигателями, где:
1 - свободнонесущее крыло;
2 - поворотные двигатели;
3 - носовой обтекатель;
4 - подъемный винт;
5 - скег;
6 - цилиндрическая оболочка;
7 - стержни крепления двигателя;
8 - колеса;
9 - система управления;
10 - блок системы аварийного ручного управления;
11 - система горизонтирования;
12 - устройство сравнения входных сигналов системы горизонтирования;
13 - блок преобразования системы горизонтирования;
14 - система координатометрирования;
15 - устройство сравнения входных сигналов системы координатометрирования;
16 - блок преобразования системы координатометрирования;
17 - усилительно-преобразующие устройства систем горизонтирования и координатометрирования;
18 - устройство сравнения входных сигналов системы аварийного ручного управления;
19 - блок преобразования сигналов системы аварийного ручного управления;
20 - усилительно-преобразующие устройство блока системы аварийного ручного управления.
Многоцелевой беспилотный летательный аппарат выполнен по бесфюзеляжной аэродинамической схеме "летающее крыло". Он состоит из следующих основных элементов: свободнонесущего крыла 1, поворотных двигателей 2.
Свободнонесущее крыло 1 предназначено для размещения и крепления всех составных частей аппарата. В передней части аппарата установлен носовой обтекатель 3, внутри которого размещаются элементы функционально связанных между собой электронной аппаратуры наблюдения, приемопередающего блока, приемопередающей антенны, пилотажно-навигационной системы и др.
Передняя часть свободнонесущего крыла 1 имеет форму, обеспечивающую минимальное аэродинамическое сопротивление. Внутри свободнонесущего крыла 1 закрепляется бортовое оборудование (система управления, система горизонтирования, система координатометрирования, источники питания). Специальное оборудование в зависимости от назначения многоцелевого БЛА может быть различным и крепится на наружной поверхности. Например, для экологических целей оборудование может быть представлено пробоотборниками, газоанализаторами и т.д.
Двигательная установка состоит из четырех поворотных двигателей 2, расположенных симметрично относительно оси аппарата и вне корпуса. Поворотные двигатели 2 независимо работают от единой системы управления и имеют 3 степени свободы вращения. Каждый двигатель 2 состоит из винта 4, закрепленного с помощью скега 5 к цилиндрической оболочке 6, которая с помощью стержней 7 соединена с корпусом многоцелевого БЛА.
Поворотные двигатели 2 предназначены для создания тяги, необходимой для перемещения многоцелевого БЛА по заданной траектории полета, а также для вертикального взлета и посадки аппарата.
При этом вся полезная нагрузка полностью занимает весь свободный объем свободнонесущего крыла 1.
Многоцелевой БЛА в исходном состоянии может устанавливаться или поступательно перемещаться по твердой поверхности с помощью колес 8. На исходной позиции проводится развертывание наземного пункта дистанционного управления беспилотным летательным аппаратом. Кроме того, проводится предполетная подготовка многоцелевого БЛА.
Многоцелевой БЛА может работать в следующих режимах: запуск, приземление, висение, полет, рабочий режим и ручной режим.
Режим - «Запуск». Запуск многоцелевого БЛА может проводиться как с мобильной, так и со стационарной стартовой установки. Кроме того, он может осуществляться как по командам оператора, находящегося в районе пункта управления, так и быть заложен в память системы управления 9, а также с борта многоцелевого БЛА. В первом случае запуск осуществляется с пусковой установки, а во втором - автономно с места трагедии, катастрофы, заражения и т.д.
При запуске многоцелевого БЛА двигатели 2 начинают свою работу. Как только суммарная тяга, создаваемая двигателями 2 превысит стартовый вес многоцелевого БЛА, он отрывается от поверхности и начинает совершать подъем до набора нужной высоты. Так как центр масс многоцелевого БЛА находится между геометрическими осями валов подъемных двигателей 2, то в процессе подъема аппарат является статически устойчивым. Следует отметить, что в данном случае для запуска БЛА не требуется наличия взлетно-посадочной полосы.
Режим - «Приземление». Приземление многоцелевого БЛА осуществляется при переводе подъемных двигателей 2 в режим взлета и посадки. При этом БЛА плавно приземляется. Следует отметить, что для приземления многоцелевого БЛА не требуется наличие взлетно-посадочной полосы (фиг.1 и фиг.2).
Режим - «Висение». При необходимости многоцелевой БЛА может зависать в воздухе над заданной точкой, например, для ведения наблюдений, разведки и т.д. Для этого поворотные двигатели 2 работают таким образом, чтобы многоцелевой БЛА расположился над заданной точкой пространства. При этом работают система управления и система координатометрирования, а при необходимости - система горизонтирования. Кроме того, для достижения заданной точки траектории может быть использована аварийная ручная система управления. Затем по команде поворотные двигатели 2 переводятся в режим зависания, т.е. создают только вертикально направленную тягу. При этом суммарная тяга, создаваемая двигателями 2, должна равняться стартовому весу многоцелевого БЛА (фиг.1, фиг.2).
Режим - «Рабочий режим». Данный режим используется в случае выполнения погрузочно-разгрузочных работ, проводимых с помощью многоцелевого БЛА и при нахождении его в состоянии «Висение». Для этого многоцелевой БЛА по командам системы координатометрирования занимает требуемые координаты места выполняемых работ: х, у на заданной высоте.
Однако выполнение работ, например, загрузка многоцелевого БЛА сопровождается нарушением координат и высоты его нахождения, а также горизонтирования (фиг.3). Например, в процессе выполнения каких-либо работ с применением БЛА или воздействия на него внешних возмущающих факторов происходит отклонение от его горизонтального положения. При этом с соответствующих датчиков горизонтирования в продольном и поперечном направлениях поступают текущие значения появившихся углов отклонений от горизонтального положения в разных плоскостях. Эти значения в устройстве сравнения входных сигналов 12 системы горизонтирования 11 сравниваются с заданными значениями параметров х, у, Н, которые вырабатывают сигнал рассогласования. Этот сигнал в дальнейшем поступает в блок управления системы горизонтирования 13, а затем на через усилительно-преобразующие устройства 17 поступает на все поворотные двигатели 2. При этом двигатели поворачиваются и изменяют число оборотов, а, следовательно, и тягу таким образом, чтобы многоцелевой БЛА принял горизонтальное положение в пространстве.
Например, в процессе выполнения каких-либо работ с применением многоцелевого БЛА или воздействия на него внешних возмущающих факторов с соответствующих датчиков высоты и координат поступают текущие значения параметров х, у, Н. Эти значения в устройстве сравнения входных сигналов 15 системы координатометрирования 14 сравниваются с заданными значениями параметров х, у, Н, которые вырабатывают сигнал рассогласования. Этот сигнал в дальнейшем поступает в блок управления системы координатометрирования 16, затем на через усилительно-преобразующие устройства 17 поступает на все поворотные двигатели 2. При этом двигатели поворачиваются и изменяют число оборотов, а, следовательно, и тягу таким образом, чтобы свести возникшее рассогласование между текущими и заданными значениями параметров х, у, Н к нулю. Это соответствует занятию БЛА прежнего положения в пространстве. Причем тяга, создаваемая поворотными двигателями 2, постоянно уравновешивает переменный вес многоцелевого БЛА, вызванный его загрузкой (разгрузкой). Это соответствует неизменному положения многоцелевого БЛА в пространстве, независимо от характера выполняемых работ, а также влияния возмущающих факторов.
Режим - «Полет». По команде системы управления поворотные двигатели 2 переводятся в режим горизонтального полета.
Полет многоцелевого БЛА может происходить в соответствии с полетным заданием как по заданной программе, так и по радиокомандам, передаваемым оператором с наземного пункта дистанционного управления. При этом наземный пункт дистанционного управления вырабатывает команды, передаваемые по радиоканалу на бортовое радиоэлектронное оборудование, установленное на многоцелевом БЛА. Эти команды предназначены для управения как полетом летательного аппарата, так и дистанционным обзором местности и передачей видео- и телеметрической информации через приемопередающую антенну на наземный пункт дистанционного управления.
Для поворота многоцелевого БЛА подается команда от системы управления на поворотные двигатели 2, которые непосредственно осуществляют его поворот. При этом изменение положения многоцелевого БЛА происходит по всем углам: тангажа α, рыскания ψ и вращения (крена) φ.
Изменение скорости полета V осуществляется изменением числа оборотов валов двигателей 2. В случае уменьшения скорости полета многоцелевого БЛА или осуществления реверса тяги необходимо или уменьшить число оборотов вала двигателей или осуществить его вращение в обратную сторону с заданной угловой скоростью. При необходимости набора заданной высоты Н поворотные двигатели 2 меняют угол тангажа α.
Так как передние поворотные двигатели расположены ближе к геометрической оси аппарата чем задние на расстоянии не менее одного наружного диаметра двигателя, то их работа не скажется на работоспособности задних двигателей в процессе полета БЛА.
Разработанный многоцелевой БЛА экономичен. Это достигается его формой, которая уменьшает его аэродинамическое сопротивление. Свободнонесущие крыло 1 позволяет БЛА планировать.
Ручной режим является аварийным и используется в экстренных случаях, например, в процессе эвакуации пострадавшего из района боевых или стихийных бедствий. При этом пострадавший может частично или полностью пользоваться ручными органами управления 10, расположенными на верхней плоскости свободнонесущего крыла или использовать возможности поддержания автоматического режима работы. В последнем случае работа элементов управления поворотных двигателей будет аналогична вышеописанным режимам.
При этом в устройстве сравнения входных сигналов 18 системы аварийного ручного управления 10 сравниваются текущие значения координат х, у, высота полета Н, скорость полета V и угловые отклонений БЛА α, φ, ψ, которые вырабатывают сигнал рассогласования. Этот сигнал в дальнейшем поступает в блок управления системы аварийного ручного управления 19, затем через усилительно-преобразующие устройства 20 поступает на все поворотные двигатели 2. При этом двигатели поворачиваются и изменяют число оборотов, а, следовательно, и тягу таким образом, чтобы свести возникшее рассогласование между текущими и заданными значениями вышеперечисленных параметров к нулю. Это соответствует занятию многоцелевым БЛА требуемого положения в пространстве.
Беспилотные летательные аппараты с четырьмя поворотными двигателями могут быть выполнены различных типоразмеров и для различных федеральных агенств и ведомств, что позволяет назвать его многоцелевым.
Основными преимуществами многоцелевого беспилотного летательного аппарата с четырьмя поворотными двигателями являются:
- возможность размещения различного специального оборудования на наружной поверхности крыла многоцелевого БЛА;
- возможность реализации шести режимов работы многоцелевого БЛА;
- возможность взлета и посадки многоцелевого БЛА на любую твердую поверхность, а также обеспечение режима висения над любой труднодоступной местностью (вода, болото, песок, горы, лес, овраг и т.д.);
- возможность автоматического поддержания заданного положения многоцелевого БЛА на траектории и в процессе выполнения работ в режиме «Зависания», а также его горизонтирования;
- возможность эвакуации пострадавших из района боевых действий, пожара, наводнения и из других труднодоступных мест;
- повышенная надежность из-за наличия сразу четырех двигателей.