БЕСПИЛОТНЫЙ КОЛЕОПТЕР

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть применена при создании новых конструкций беспилотных летательных аппаратов - колеоптеров.
Известен, беспилотный летательный аппарат, состоящий из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей описанный в патенте ЕР 2193994, кл. В64С 39/02, опубликован 09.06.2010.
Недостаток беспилотного летательного аппарата (колеоптера) заключается в том, что он имеет небольшую маневренность, в виду отсутствия системы управления.
Наиболее близким прототипом, является беспилотный летательный аппарат (колеоптер), описанный в патенте №2'530'906 от 18.10.2013 года.
Беспилотный летательный аппарат (колеоптер), описанный в патенте №2'530'906 от 18.10.2013 года, содержит фюзеляж, выполненный в форме кольцевого крыла, блок полезной нагрузки, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части блока полезной нагрузки, вентилятор-движитель, состоящий из входного направляющего аппарата с неподвижными лопатками, предназначенный для крепления блока полезной нагрузки к фюзеляжу, рабочего колеса и спремляющего аппарата, четыре независимых аэродинимических руля.
В этом техническом решении, на чертеже фиг. 1 показан максимальный угол крена, который составляет ±45°.
Недостаток прототипа, описанного в патенте №2'530'906 от 18.10.2013 года, является тот факт, что у прототипа отсутствует система управления четырьмя независимыми аэродинимическими рулями, отсюда можно сделать заключение о том, что прототип имеет низкую маневренность.
Исходя из этого, техническим результатом данной полезной модели, является повышение маневренности беспилотного колеоптера.
Технический результат достигается за счет того, что беспилотный колеоптер содержит фюзеляж, выполненный в форме кольцевого крыла, блок полезной нагрузки, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части блока полезной нагрузки, вентилятор-движитель, состоящий из входного направляющего аппарата с неподвижными лопатками, предназначенный для крепления блока полезной нагрузки к фюзеляжу, рабочего колеса и спремляющего аппарата, четыре независимых аэродинимических руля, дополнительно содержит, электродвигатель, выходной вал которого соединен с рабочим колесом, четыре сервопривода отклонения аэродинимических рулей, проволочное шасси, комплекс бортового оборудования, установленный в блоке полезной нагрузки, при этом, четыре поворотных независимых аэродинимических руля с одной стороны симметрично прикреплены к нижней части блока полезной нагрузки, с другой стороны прикреплены к четырем сервоприводам отклонения аэродинимических рулей, вместе с тем, четыре аэродинимических руля выполнены в виде коробчатых несущих поверхностей, содержащие входное и выходное окно, центральную лопасть, закрепленную к передней лопасти, левую, среднюю и правую лопасти, закрепленные с одной стороны к передней лопасти, с другой стороны закрепленные к задней лопасти, при этом, центральная лопасть имеет штырь, предназначенный для крепления аэродинамического руля к нижней части блока полезной нагрузки, одновременно с этим, средняя лопасть имеет винтовой штырь, используемого для крепления к сервоприводу.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующим чертежами: фиг. 1, на котором показан общий вид беспилотного колеоптера сбоку и сверху; фиг. 2, на котором показан общий вид вентилятора-движителя; фиг. 2, на котором показан общий вид аэродинимического руля; фиг. 4, на котором показана структурная схема комплекса бортового оборудования, фиг. 5, на котором показана схема полета беспилотного колеоптера с изменением угла крена.
Рассмотрим структуру и работу беспилотного колеоптера (БК) 1.
Как видно из чертежа фиг. 1, БК 1, содержит фюзеляж 2, выполненный в форме кольцевого крыла, блок полезной нагрузки 4, радиопрозрачный обтекатель 3, установленный в носовой части блока полезной нагрузки 4, вентилятор-движитель 5, состоящий из входного направляющего аппарата с неподвижными лопатками, предназначенный для крепления блока полезной нагрузки 4 к фюзеляжу 2, рабочего колеса и спремляющего аппарата (на чертеже не показано), четыре независимых аэродинимических руля 6, электродвигатель расположенный внутри блока полезной нагрузки 4, четыре сервопривода 7 отклонения аэродинимических рулей 6 и проволочное шасси 8.
Комплекс бортового оборудования (на чертеже не показан), установлен в блоке полезной нагрузки 4, шасси 8 с одной стороны симметрично закреплены к фюзеляжу 2.
Четыре аэродинимических руля 6 с одной стороны симметрично прикреплены к нижней части блока полезной нагрузки 4, с другой стороны прикреплены к четырем сервоприводам 7 отклонения аэродинимических рулей 6.
Как видно из чертежа фиг.2, вентилятор-движитель 5, содержит входной направляющий аппарат 9 с неподвижными лопатками, предназначенный для подачи воздуха к рабочему колесу 10 и крепления блока полезной нагрузки 4 к фюзеляжу 2, рабочее колесо 10 и спремляющий аппарат 11, предназначенный для придания воздушному потоку осевого направления.
Как видно из чертежа фиг. 3, аэродинимический руль 6 выполнен в виде коробчатых несущих поверхностей и содержит: входное 20 и выходное окно 21, центральную лопасть 12, закрепленную к передней лопасти 13, левую 15, среднюю 16 и правую 17 лопасти, закрепленные с одной стороны к передней лопасти 13, с другой стороны закрепленные к задней лопасти 14, при этом центральная лопасть 12 имеет штырь 18, предназначенный для крепления аэродинамического руля 6 к нижней части блока полезной нагрузки 4, одновременно с этим, средняя лопасть 16 имеет винтовой штырь 19, используемого для крепления к сервоприводу 7.
Как видно из чертежа фиг. 4, система управления БК 1 состоит из комплекса бортового оборудования (КБО) 23 и наземного пункта управления (НПУ) 24.
КБО 23 содержит бортовые датчики 25, бортовую вычислительную систему (БВС) 26, блок управления сервоприводами 29, контроллеры 30, 31, 32 и 33 управления сервоприводами 7, систему связи 28 и пилотажно-навигационный комплекс (ПНК) 27. Электродвигатель предназначен для вращения рабочего колеса 10, радиопрозрачный обтекатель 3 предназначен для защиты КБО 23 от аэродинамических сил. В блоке 4 может быть расположена оптико-электронная система (ОЭС) предназначенная для автономного или ручного (визуального) управления полетом БК 1 оператором НПУ 24 с использованием канала связи, образованного системой связи 28 входящей в состав КБО 23 и НПУ 24.
Как видно из чертежа фиг. 5, с использованием ПНК 27, рули 6 обеспечивают управление БК 1 по курсу и тангажу. Управление полетом БК 1 с вектором тяги достигается за счет отклонения воздушного потока четырех аэродинимических рулей 6 на всех направлениях тангажа, рыскания и крена.
Известны способы и устройства для управления вектором тяги, связанные с поворотом двигателя, сопла или его части (Володин В.В., Лисейцев Н.К., Максимович В.З. Особенности проектирования реактивных самолетов вертикального взлета и посадки. М.: Машиностроение, 1985). Недостатками этих устройств является то, что управляющие (боковые) силы создаются за счет соответствующего уменьшения силы тяги вдоль направления полета летательного аппарата (ЛА), необходимы сложные механизмы поворота и большие энергетические затраты для его осуществления. В предлагаемом техническом решении, аэродинимические рули 6 могут поворачиваться в диапазоне от ±90° в продольной плоскости фюзеляжа 2 БК 1 с помощью сервоприводов 7 управляемых КБО 23.
При вертикальном взлете БК 1, как показано на чертеже фиг. 5, аэродинимичекские рули 6 развернуты друг к другу для формирования единой струи (в противном случае две отдельные струи приводят к нежелательному образованию восходящего фонтана), при изменении курса полета 35 и 36, рули 6 отклонены на угол назад для создания горизонтальной составляющей тяги.
БК 1 имеет два режима работы и работает следующим образом.
Режим автономного полета. Оператор НПУ 24 вводит полетное задание в КБО 23 БК 1. Полетное задание содержит траекторию полета БК 1: 35 - 36 - 37 и информацию о точки приземления 38 с заданными координатами. С помощью КБО 23 включается электродвигатель. БК 1 с использованием вентилятора-движителя 5 и заранее введенного полетного задания, которое записывается в память БВС 26, совершает вертикальный 35, горизонтальный полет 36 по заданному маршруту и маневр (типа спираль) 37. ПНК 27 осуществляет: счисление и коррекцию углов ориентации, счисление и коррекцию координат, счисление и коррекцию скоростных параметров, прием навигационных сигналов от спутниковых навигационных систем 34. ПНК 27 содержит спутниковый навигационный приемник, бортовой вычислитель и инерциальный измерительный блок (ИИБ) - на чертеже не показано. ИИБ содержит три гироскопа и три акселерометра, которые непрерывно измеряют текущие ускорения БК 1 по трем перпендикулярных пространственным осям. Бортовой вычислитель ИИБ преобразует ускорения в скорости по трем осям, а после двукратного интегрирования - в три координаты в пространстве. Таким образом, инерциальный измерительный блок ПНК 27 знает текущую пространственную скорость БК 1, ее величину и направление в пространстве, а также текущие координаты БК 1. Угловое положение БК 1 в пространстве измеряется с помощью гироскопов ИИБ входящих в состав ПНК 27. ПНК 27 сравнивает измеренные и программные данные (скорость и координаты) для текущей секунды, определяя величину расхождений и вырабатывает команды для сервоприводов 7 аэродинимических рулей 6: как довернуть БК 1 относительно центра масс и воздушного потока, как сместить БК 1 в пространстве, чтобы привести положение БК 1 к расчетному. Навигационная информация поступает и от спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС/GPS 34 или ОЭС (на чертеже не показано).
БВС 26 предназначен для управления всеми блоками и агрегатами БК 1. Четыре аэродинимических руля 6 обеспечивают маневренность БК 1 в полете. При наличии в БК 1 ОЭС (на чертеже не показано), размещенной в блоке 4, ОЭС работает на основе корреляционно-экстремального метода, который заключается в следующем. В памяти БВС 26 БК 1 хранится загруженное перед пуском изображение местности вокруг точки приземления 38, снимок, который сделан ранее ЛА сверху в оптическом диапазоне. Подлетев к окрестности точки приземления 38, БК 1 начинает маневрирование и ее поиск, заканчивающийся обнаружением. Значит, БК 1 получил изображение местности вокруг точки приземления 38 с помощью своей ОЭС и распознал местность вокруг точки приземления 38 на полученной картинке.
ПНК 27 сравнивает хранящееся в памяти БВС 26 изображение местности вокруг точки приземления 38 с наблюдением от ОЭС. Они отличаются, так как местность и точка приземления 38 видны с некоторого текущего произвольного ракурса, под плавно меняющимся углом. Совпадение черт этих двух изображений называется корреляцией, а насколько они совпадают, характеризует степень корреляции, или коэффициент корреляции. При подлете к точке приземления 38, ПНК 27 и БВС 26 все время вычисляет текущую степень корреляции хранимой и наблюдаемой картинок. С приближением БК 1 к точке приземления 38 местность видна лучше, корреляция двух картинок возрастает, достигая максимума непосредственно у точки приземления 38. Программное обеспечение БВС 26 прогнозирует, какое изменение полета БК 1 увеличит корреляцию, и как в итоге привести БК 1 к максимуму корреляции и, как следствие, к точке приземления 38. Таким образом, корреляционно-экстремальный метод означает поиск и прогноз максимального совпадения наблюдаемого и эталонного изображения местности и точки приземления 38. По анализу текущей корреляции ПНК 27 и БВС 26 вырабатывают команды, отправляя их на блок управления сервоприводами 29, контроллеры 30, 31, 32 и 33 управления сервоприводами 7, исполнительные органы - аэродинамические рули 6, упомянутые выше, которые поворачиваются на заданный угол, и происходит маневрирование БК 1.
Режим ручного управления полетом. Оператор НПУ 24 с использованием ОЭС и системы связи 28, блока 25 и БВС 26, ПНК 27, блока управления сервоприводами 29 и контроллеров 30, 31, 32 и 33, управляет сервоприводами 7. Управление по курсу, тангажу и крену БК 1 обеспечивается управлением рулями 6, реализуемой по упомянутой цепи от органов управления КБО 23 к соответствующему сервоприводу 7, который перемещает рули 6 на заданный угол. Передача и прием сообщений (команд) на управление БК 1 происходит с использованием средств связи 28 входящими в состав КБО 23 и НПУ 24. Напряжение для электропитания КБО 23 подается от аккумуляторных батарей (на чертеже не показано) размещенных в фюзеляже 2. Основные технические характеристики БК 1 приведены в таблице 1. Наличие КБО 23, системы управления вектором тяги, для реализации которой используются КБО 23, аэродинимические рули 6 и сервоприводы 7, дают возможность БК 1 совершать маневрирование, под которым понимается способность летального аппарата быстро изменять свое положение в пространстве, скорость, высоту и направление полета. Известно, что одной из характеристик маневренности, является максимальный угол крена, который для полезной модели составляет ±90°, что в 2 раза выше, чем у прототипа. Исходя из вышеперечисленного, достигается технический результат данной полезной модели - повышение маневренности.
Опытный образец БК 1 был изготовлен. Испытания показали, что БК 1 соответствует всем заявленным характеристикам таблицы 1.