КРЫЛО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ФУНКЦИЕЙ ПРЕДОТВРАЩЕНИЯ ОБЛЕДЕНЕНИЯ

Область техники
[1] Полезная модель относится к области летательных аппаратов, предпочтительно - к области беспилотных летательных аппаратов (далее – БПЛА), а более точно - к их крыльям, снабженным средствами для предотвращения обледенения.
Предпосылки к созданию полезной модели
[2]  Значительная часть полета БПЛА коммерческого назначения проходит на высотах, характеризующихся высоким риском активного льдообразования на внешних поверхностях БПЛА. Наиболее уязвимыми местами для возникновения ледяной корки являются передние кромки крыльев, взаимодействующие с набегающим потоком воздуха, а также сопряженные с ними участки верхней и нижней поверхностей крыльев.
[3] Патентная публикация RU2704699C1, 30.10.2019 раскрывает крыло летательного аппарата, снабженное двумя индукторами, которые закреплены внутри крыла в передней его части посредством кронштейнов, установленных на верхней и нижней формообразующих стенках крыла. Индукторы расположены друг напротив друга так, что ось одного из индукторов является продолжением оси другого индуктора. При подаче на обмотки индукторов импульсов напряжения образующиеся магнитные поля воспроизводят противоположно направленные силы, действующие на индукторы вдоль их осей и вынуждающие индукторы отталкиваться друг от друга. В результате этого происходит контролируемая деформация верхней и нижней формообразующих стенок крыла, сопровождающаяся сбрасыванием льда с их поверхностей. Существенным преимуществом данного крыла является то, что одна и та же пара индукторов способна воздействовать сразу на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки крыла.
[4] Однако изготовление крыла согласно указанному известному решению, являющемуся прототипом полезной модели, зачастую осложнено компоновочными ограничениями. Недостаток прототипа состоит в том, что для размещения двух индукторов строго друг над другом крыло должно иметь свободное внутреннее пространство, форма которого позволяет вписать в него вертикальный цилиндр с диаметром, превышающим внешний диаметр корпуса индуктора. Особую остроту данный недостаток приобретает в БПЛА, крылья которых имеют сравнительно небольшой размер и при этом плотно насыщены внутренними элементами, не оставляющими свободного внутреннего пространства требуемой конфигурации. Для преодоления указанного недостатка обычно приходится осуществлять компромиссное перемещение силовых элементов, требующее дополнительных решений по усилению крыла, корректировке распределения массы и т.п.
[5] Одновременно с этим из патентной публикации US5152480A, 06.10.1992 известно, что взаимодействующие индукторы могут располагаться так, что их оси оказываются смещенными друг относительно друга в поперечном направлении, но при этом создаваемое этими индукторами воздействие на формообразующую стенку крыла является достаточным для предотвращения обледенения. Следует отметить, что согласно данному известному решению, именуемому в дальнейшем как «второе известное решение», каждая пара индукторов способна воздействовать только на одну формообразующую стенку, а не на две сразу. Хотя целью взаимного смещения индукторов во втором известном решении являлась концентрация воздействия на малой области формообразующей стенки, второе известное решение было принято авторами во внимание при создании полезной модели.
[6] Техническая проблема, на решение которой направлена полезная модель, состоит в разработке крыла, в котором для установки противообледенительных индукторов, воздействующих на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки крыла, может быть использовано свободное внутреннее пространство, имеющее расширенный ряд конфигураций. Здесь и далее под свободным внутренним пространством крыла понимается внутреннее пространство, не занятое другими элементами крыла и пригодное для размещения взаимодействующих индукторов.
Сущность полезной модели
[7] Для решения указанной технической проблемы в качестве полезной модели предложено крыло летательного аппарата, содержащее верхнюю и нижнюю формообразующие стенки, первый и второй индукторы, а также источник импульсного напряжения, соединенный с каждым из первого и второго индукторов. Первый и второй индукторы прикреплены соответственно к верхней и нижней формообразующим стенкам со стороны их внутренних поверхностей и имеют такое взаимное расположение, что при генерации упомянутым источником импульса напряжения первый индуктор способен оказывать воздействие на второй индуктор в направлении нижней формообразующей стенки, а второй индуктор способен оказывать воздействие на первый индуктор в направлении верхней формообразующей стенки. Первый и второй индукторы при этом расположены так, что их оси пролегают параллельно и разнесены друг относительно друга в поперечном направлении.
[8] Технический результат полезной модели состоит в том, что первый и второй индукторы оказываются смещенными друг относительно друга в горизонтальном направлении, а значит, они могут быть прикреплены к верхней и нижней формообразующим стенкам и воздействовать на них даже тогда, когда свободное внутреннее пространство крыла не допускает расположения двух индукторов строго один над другим.
[9] В первом частном случае полезной модели первый и второй индукторы выполнены одинаковыми. Данное исполнение позволяет максимизировать силу воздействия на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки.
[10] Во втором частном случае полезной модели каждый из первого и второго индукторов содержит проводник, закрученный вокруг оси индуктора с образованием ряда витков, расположенных бок о бок в направлении оси индуктора. В развитии второго частного случая каждый из первого и второго индукторов содержит два или больше рядов витков, при этом каждый последующий ряд относительно оси индуктора уложен поверх предыдущего ряда. Данное исполнение способно повысить напряженность магнитных полей, создаваемых первым и вторым индукторами, а значит и силу воздействия на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки крыла.
[11] В третьем частном случае полезной модели каждый из первого и второго индукторов содержит проводник, спирально закрученный вокруг оси индуктора так, что каждый последующий виток расположен относительно оси индуктора поверх предыдущего витка. Данное исполнение может быть реализовано, например, когда свободное внутреннее пространство имеет достаточно малый вертикальный размер.
[12] В развитии второго и третьего частных случаев ось каждого из первого и второго индукторов пролегает внутри ряда витков наименьшего диаметра другого индуктора. В этом исполнении первый и второй индукторы отталкиваются друг от друга главным образом в направлении их осей, что лишь незначительно снижает воздействие на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки крыла относительно прототипа.
[13] В четвертом частном случае полезной модели каждый из первого и второго индукторов прикреплен к крепежному выступу, закрепленному на соответствующей формообразующей стенке. Данное исполнение позволяет приблизить первый и второй индукторы друг к другу и максимизировать силу воздействия на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки.
Краткое описание чертежей
[14] Осуществление полезной модели будет пояснено ссылками на фигуры:
Фиг. 1 – фрагмент передней части крыла, выполненного согласно полезной модели, в поперечном разрезе;
Фиг. 2 – фрагмент внутренней структуры передней части крыла, выполненного согласно полезной модели;
Фиг. 3 – индуктор, используемый в предложенном крыле, в поперечном разрезе.
Следует отметить, что форма и размеры отдельных элементов, отображенных на фигурах, могут являться условными и могут быть показаны так, чтобы наиболее наглядно проиллюстрировать взаимное расположение элементов крыла летательного аппарата, а также их причинно-следственную связь с техническими результатами.
Осуществление полезной модели
[15] Осуществление полезной модели будет показано на наилучших примерах ее реализации, которые не являются ограничениями в отношении объема охраняемых прав.
[16] Обратим внимание, что в контексте настоящего изложения понятия «элементы прикреплены друг к другу», «жестко соединены» и подобные им означают такую взаимную связь между какими-либо двумя элементами, при которой эти элементы по меньшей мере в области их соединения являются неподвижными друг относительно друга, или, другими словами, представляют собой одно целое, даже если между этими элементами расположены какие-либо промежуточные элементы. Далее, понятие «элементы выполнены заодно в виде единой детали» означает выполнение данных элементов в едином технологическом процессе так, что граница между данными элементами в объединяющем их объекте (единой детали) является условной, а разъединение этих элементов невозможно без разрушения объединяющего их объекта.
[17] Крыло 100 БПЛА, которое выполнено согласно предпочтительному примеру полезной модели и фрагмент которого представлен на Фиг. 1 в поперечном разрезе, образовано передним и задним составными элементами 110 и 120, жестко соединенными друг с другом по поверхностям 101 и 102 сопряжения.
[18] Передний составной элемент 110 включает в себя верхнюю формообразующую стенку 111 с наружной поверхностью 113 и внутренней поверхностью 109, а также нижнюю формообразующую стенку 112 с наружной поверхностью 114 и внутренней поверхностью 119. Наружные поверхности 113 и 114 образуют участок 103 наружной поверхности крыла 100, приходящийся на передний составной элемент 110, и условно соединяются по линии, в каждой точке которой касательная к упомянутому участку 103 проходит вертикально. Прямая, перпендикулярная данной касательной, определяет условную область соединения верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112, которые по существу образуют обшивку крыла 100.
[19] Задний составной элемент 120 содержит свои верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 121 и 122, при этом крыло 100 может быть образовано более чем двумя продольно расположенными составными элементами, включая органы управления полетом. Следует отметить, что формообразующие стенки 111, 112, 121 и 122 помимо функции обшивки крыла 100 могут выполнять также несущую функцию, т.е. выступать в качестве силовых элементов крыла 100.
[20] Хотя это на фигурах не представлено, вместо переднего и заднего составных элементов 110 и 120 крыло 100 может быть образовано соединенными друг с другом верхним и нижним составными элементами, которые содержат соответственно верхнюю и нижнюю формообразующие стенки крыла 100 целиком. Таким образом, признак полезной модели «крыло летательного аппарата, содержащее верхнюю и нижнюю формообразующие стенки», включает в себя как случай, когда только часть обшивки крыла 100 образована верхней и нижней формообразующими стенками 111 и 112, так и случай, когда верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 образуют всю обшивку крыла 100 целиком.
[21] На верхней формообразующей стенке 111 расположен крепежный выступ 115 с опорной поверхностью 117, в то время как на нижней формообразующей стенке 112 расположен крепежный выступ 116 с опорной поверхностью 118. Крепежные выступы 115 и 116 при этом выступают навстречу друг к другу от внутренних поверхностей 109 и 119 верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 так, что их опорные поверхности 117 и 118 оказываются обращенными друг к другу.
[22]  На опорных поверхностях 117 и 118 закреплены соответственно первый и второй индукторы 104 и 105, соединенные с источником импульсного напряжения (не показан). Каждый из первого и второго индукторов 104 и 105 представляет собой катушку индуктивности, способную при подключении к источнику напряжения создавать магнитное поле, вектор магнитной индукции которого направлен вдоль оси катушки. Первый и второй индукторы 104 и 105 являются идентичными, что позволяет раскрыть конструкцию и функционирование обоих индукторов на примере второго индуктора 105, представленного на Фиг. 3.
[23] Второй индуктор 105 содержит обмотку 151, которая представляет собой проводник, закрученный вокруг оси О на некотором удалении от нее. Например, обмотка 151 может быть получена путем наложения проводника на цилиндрическую оправку с последующим ее извлечением. Соответственно ось обмотки 151, являющаяся осью полученной катушки индуктивности и далее именуемая как «ось второго индуктора 105», совпадает с осью ее внутреннего ряда 152 витков, обозначенной на Фиг. 3 позицией «О».
[24] Обмотка 151 заключена в полости корпуса 153, образованного соединенными друг с другом шайбообразными элементами 154 и 155, выполненными из полимерного материала. Для уменьшения потерь, связанных с распространением магнитного поля в теле корпуса 153, последний снабжен центральным отверстием 156, ось которого совпадает с осью О. Центровка и закрепление второго индуктора 105 на крепежном выступе 116 осуществляется при помощи шпилек 157.
[25] Обмотка 151 может состоять из одного только внутреннего ряда 152 витков, расположенных бок о бок в направлении оси второго индуктора 105, либо содержать два или больше рядов витков, когда каждый последующий ряд расположен поверх предыдущего ряда, как это показано на Фиг. 3. Возможен также случай, когда обмотка 151 выполнена в виде проводника, спирально закрученного вокруг оси второго индуктора 105 так, что каждый последующий виток расположен относительно оси второго индуктора 105 поверх предыдущего витка, т.е. каждый ряд витков состоит из одного витка.
[26] Первый и второй индукторы 104 и 105 последовательно соединены с источником импульсного напряжения в таком порядке, что вектора магнитной индукции магнитных полей, создаваемых первым и вторым индукторами 104 и 105, направлены друг к другу. При генерации указанным источником импульса напряжения данное обстоятельство вынуждает первый и второй индукторы 104 и 105 отталкиваются друг от друга. Другими словами, при подаче на первый и второй индукторы 104 и 105 импульса напряжения первый индуктор 104 оказывает воздействие на второй индуктор 105 в направлении нижней формообразующей стенки 112, а второй индуктор 105 оказывает воздействие на первый индуктор 104 в направлении верхней формообразующей стенки 111, как это показано на Фиг. 1 стрелками F1 и F2.
[27] В результате этого верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 деформируются, что приводит к сбрасыванию ледяной корки с их наружных поверхностей 113 и 114, если таковая успела сформироваться. Генерация серии импульсов напряжения многократно усиливают данный эффект, и при заблаговременном включении источника импульсного напряжения образование льда на наружных поверхностях 113 и 114 верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 надежно предотвращается.
[28] Следует отметить, что для максимизации усилий F1 и F2 необходимо, чтобы первый и второй индукторы 104 и 105 располагались как можно ближе друг к другу. Верхний и нижний крепежные выступы 115 и 116 позволяют минимизировать расстояние между первым и вторым индукторами 104 и 105, благодаря чему становится возможным увеличение воздействия на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 111 и 112 либо использование в качестве первого и второго индукторов 104 и 105 моделей с меньшей мощностью, размером и весом.
[29] В прототипе полезной модели первый и второй индукторы расположены так, что их оси совпадают, а значит воздействие индукторов друг на друга является максимальным. Тем не менее, имеющийся в крыле 100 силовой элемент 170 (Фиг. 1) препятствует такому наиболее эффективному расположению первого и второго индукторов 104 и 105, что делает использование прототипа в крыле 100 невозможным.
[30] Согласно полезной модели первый индуктор 104 смещен относительно второго индуктора 105 в переднюю сторону крыла 100, что позволяет разместить оба индуктора в свободном внутреннем пространстве крыла 100 и тем самым обеспечить его противообледенительную защиту даже тогда, когда свободное внутреннее пространство крыла 100 не допускает расположения первого и второго индукторов 104 и 105 строго один над другим.
[31] Смещение первого индуктора 104 относительно второго индуктора 105 означает разнесение их осей в поперечном направлении, т.е. в направлении, перпендикулярном их осям, притом что сами оси остаются параллельными друг другу. Хотя взаимное отталкивание первого и второго индукторов 104 и 105 в крыле 100 несколько ниже, чем в прототипе, оно все равно является достаточным для такого воздействия на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 111 и 112, которое способно обеспечить эффективное удаление льда с их наружных поверхностей 113 и 114, как это известно специалисту в данной области, осведомленному о втором известном решении.
[32] Оси первого и второго индукторов 104 и 105 могут быть смещены друг относительно друга на любое расстояние, например, в диапазонах от 0,1 до 0,5 мм, от 0,5 мм до 1 мм, от 1 мм до 5 мм, от 5 мм до 1 см. Тем не менее, по наблюдению авторов полезной модели является предпочтительным, чтобы ось каждого из первого и второго индукторов 104 и 105 пролегала внутри ряда витков наименьшего диаметра другого индуктора. В этом исполнении точки приложения сил F1 и F2, отталкивающих первый и второй индукторы 104 и 105, в поперечном направлении расположены достаточно близко друг к другу, и воздействие на верхнюю и нижнюю формообразующие стенки 111 и 112 остается на высоком уровне. Однако оси каждого из первого и второго индукторов 104 и 105 могут располагаться и за пределами внутреннего ряда витков другого индуктора, как это реализовано во втором известном решении.
[33] Передний составной элемент 110 и опционально задний составной элемент 120 выполнены из полимерного композитного материала, предпочтительно из углепластика или стеклопластика, методом прессования предварительно изготовленных листов (препрегов), послойно уложенных на формовочную оснастку. Специалист в данной области осведомлен о множестве вариантов реализации данной технологии, включающих вакуумное воздействие со стороны формовочной оснастки, автоклавное формование, тепловое воздействие и т.п. Важным преимуществом данной технологии является возможность выполнения переднего составного элемента 110 с переменным поперечным сечением, сужающимся с удалением от места крепления к фюзеляжу.
[34] В предпочтительном случае верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 выполнены заодно в виде единой детали - переднего составного элемента 110. Однако это не является ограничением, верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут быть выполнены отдельно с последующим жестким соединением между собой.
[35] Следует при этом отметить, что для выполнения переднего и заднего составных элементов 110 и 120 может быть использован как один и тот же полимерный композитный материал, так и разные полимерные композитные материалы. В последнем случае первый полимерный композитный материал, использованный для изготовления переднего составного элемента 110, выбирается более эластичным, а второй полимерный композитный материал, использованный для изготовления заднего составного элемента 120, выбирается более жестким по отношению друг к другу. В таком исполнении передний составной элемент 110 более приспособлен для деформации, что позволяет использовать первый и второй индукторы 104 и 105 меньшей мощности, размера и веса. В свою очередь, требуемая жесткость крыла 100 обеспечивается за счет заднего составного элемента 120.
[36] В другом исполнении верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут иметь меньшую толщину по сравнению с верхней и нижней формообразующими стенками 121 и 122. Аналогично описанному выше случаю, более тонкие и легкие верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут быть деформированы при использовании первого и второго индукторов 104 и 105 меньшей мощности, размера и веса, в то время как жесткость крыла 100 обеспечивается за счет более толстых и прочных верхней и нижней формообразующих стенок 121 и 122.
[37] Помимо полимерного композитного материала для изготовления крыла 100 может быть использован алюминиевый сплав. В этом случае верхняя и нижняя формообразующие стенки 111 и 112 могут быть выполнены заодно путем гибки листа из алюминиевого сплава. Возможен также случай, в котором каждая из верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 выполнена из отдельных металлических пластин, соединенных между собой.
[38] В примере, показанном на Фиг. 1, крепежные выступы 115 и 116 выполнены отдельно соответственно от верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112. Каждый из крепежных выступов 115 и 116 при этом представляет собой кронштейн, закрепленный соответственно на верхней формообразующей стенке 111 со стороны ее внутренней поверхности 109 и на нижней формообразующей стенке 112 со стороны ее внутренней поверхности 119. Для изготовления крепежных выступов 115 и 116 может быть использован металл, например алюминиевый сплав, или полимерный композитный материал.
[39] Монтаж крепежных выступов 115 и 116 соответственно на верхней и нижней формообразующих стенках 111 и 112 производится через проем между поверхностями 101 и 102 сопряжения до того, как передний составной элемент 110 будет соединен с задним составным элементом 120. Предварительно на опорных поверхностях 117 и 118 могут быть закреплены соответственно первый и второй индукторы 104 и 105 посредством упомянутых выше шпилек 157 и/или при помощи клея. Закрепление крепежных выступов 115 и 116 соответственно на верхней и нижней формообразующих стенках 111 и 112 может быть осуществлено при помощи заклепок, болтов или клея. Использование клея упрощает монтаж и позволяет избежать выполнения отверстий в крепежных выступах 115 и 116, а также в верхней и нижней формообразующих стенках 111 и 112, снижающих прочность указанных элементов.
[40] Далее, крыло 100 может содержать несколько пар из первого и второго индукторов, аналогичных описанной выше паре из первого и второго индукторов 104 и 105. В этом случае другие пары из первого и второго индукторов распределяются по длине переднего составного элемента 110, например так, что на его поперечном разрезе они все перекрываются парой из первого и второго индукторов 104 и 105.
[41] Задний составной элемент 120 может иметь любую конфигурацию с тем лишь ограничением, что на пересечении с поверхностями 101 и 102 сопряжения наружные поверхности 123 и 124 его верхней и нижней формообразующих стенок 121 и 122 совпадают соответственно с наружными поверхностями 113 и 114 верхней и нижней формообразующих стенок 111 и 112 переднего составного элемента 110.
[42] Способы скрепления составных элементов крыльев, в т.ч. выполненных из полимерных композитных материалов, широко представлены в уровне техники, и выбор подходящей технологии для скрепления переднего и заднего составных элементов 110 и 120 не вызовет затруднений у специалиста в данной области техники.
[43] На Фиг. 2 показано крыло 200, в котором силовой элемент 270 препятствует размещению первого и второго индукторов 204 и 205, закрепленных на крепежных выступах 215 и 216, строго один над другим. В целях упрощения чертежа верхняя и нижняя формообразующие стенки на Фиг. 2 не показаны. Исходя из расположения силового элемента 270, в переднюю сторону крыла 200 на этот раз смещен второй индуктор 205, что позволило разместить оба индуктора, не затрагивая силовую схему крыла 200. В остальном конструкция и функционирование всех элементов крыла 200 аналогична таковым в крыле 100.
[44] Следует также отметить, что хотя осуществление полезной модели было показано на примерах крыльев БПЛА, данное обстоятельство не является ограничением. Наряду с этим полезная модель может быть использована в крыльях пилотируемых летательных аппаратов, главным образом, относящихся к малой авиации.