ВЫСОКОСКОРОСТНОЙ СВЕРХМАНЕВРЕННЫЙ БЕСПИЛОТНЫЙ ВЕРТОЛЕТ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть применена при создании новых конструкций высокоскоростных сверхманевренных беспилотных вертолетов с соосными несущими винтами.
Максимальная скорость современных вертолетов построенных по традиционной аэродинамической схеме с рулевым винтом, ограничена возникновением срыва потока на лопастях несущего винта, именно поэтому максимальная скорость полета вертолетов не превышает 300 км/ч.
Соосная схема винтов вертолета в современном вертолетостроении применяется не часто.
Известен беспилотный вертолет по патенту №56331 от 20.03.2006, который содержит фюзеляж, двигатель, редуктор с соосными валами взаимопротивоположного вращения, на которых установлены несущие винты, два автомата перекоса, топливный бак, полозковое шасси, комплекс бортового оборудования.
В виду отсутствия толкающего винта, невозможно увеличить скорость полета беспилотного вертолета по патенту №56331 от 20.03.2006. Исходя из этого, недостаток беспилотного вертолета по патенту №56331 от 20.03.2006 - низкая скорость полета.
Известен беспилотный преобразуемый скоростной вертолет (БПСВ) по патенту №2601470 от 09.09.2015, снабженный системой распределенной тяги разновеликих винтов по схеме Х2+1, имеющей разновеликие перекрещивающиеся несущие винты, установленные на вертикальном пилоне в центральной части фюзеляжа на удлиненных V-образных выходных валах промежуточного редуктора, наклоненных соответственно на углы 12,5° от вертикали вперед и назад по оси симметрии, и один толкающий задний поворотный винт.
Недостаток БПСВ - низкая скорость полета, так как дизельная силовая установка, имеющая два турбовальных дизельных двигателя, выполненные для отбора их взлетной мощности с передним выводом вала, не обеспечивает равномерное перераспределение их мощности при переходе в режим крейсерского полета с несущих винтов на задний толкающий винт.
Известен беспилотный вертолет модели "К-МАХ" компании «Катап Aerospace» (США), описанный в патенте №2601470 от 09.09.2015. Беспилотный вертолет модели "К-МАХ" выполненный по двухвинтовой несущей схеме, содержит на верхней части фюзеляжа турбовальный двигатель Lycoming T53-L-17A, который передает крутящий момент через главный редуктор на двухлопастные поперечные винты, смонтированные на близко расположенных валах, наклоненных наружу на углы 15° от плоскости симметрии и закрытых обтекателями, вертикальное оперение, имеющее на конце стабилизатора киль-шайбы, трех-опорное колесное шасси. Трансмиссия включает главный редуктор, от которого обеспечивается привод обоих перекрещивающихся несущих винтов. Беспилотный вертолет модели "К-МАХ" имеет характеристики: диаметр несущих винтов 14,73 м, длину фюзеляжа 12,73 м, высоту 4,14 м, взлетный вес 5443 кг, вес пустого 2334 кг, практический потолок 7010 м и дальность полета 494 км.
Недостаток беспилотного вертолета модели "К-МАХ" - низкая максимальная/крейсерская скорость полета, которая составляет 193/185 км/ч.
Наиболее близкой по технической сущности и уровню эксплуатационных характеристик к патентуемой полезной модели является скоростной беспилотный вертолет, описанный в патенте Мосиенко С.А. на полезную модель №211 375 от 21.02.2022 (прототип).
Скоростной беспилотный вертолет (СБВ) содержит фюзеляж, включающий кабину с комплексом бортового оборудования, оптико-электронную систему, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части фюзеляжа, главный редуктор, систему соосных несущих винтов, верхний несущий трехлопастный винт и нижний несущий трехлопастный винт, два автомата перекоса, турбовальный двигатель, левый и правый боковые кили, установленные на хвостовой балке под углом к продольной оси вертолета хвостиками вниз, топливный бак, толкающий трехлопастный винт.
Недостаток СБВ - низкая скорость полета, которая составляет 400 км/ч.
Таким образом, техническим результатом данной полезной модели является увеличение скорости полета беспилотного вертолета.
Технический результат достигается за счет того, что высокоскоростной сверхманевренный беспилотный вертолет содержит фюзеляж, включающий кабину с комплексом бортового оборудования, оптико-электронную систему, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части фюзеляжа, главный редуктор, систему соосных несущих винтов, верхний несущий трехлопастный винт и нижний несущий трехлопастный винт, два автомата перекоса, турбовальный двигатель, левый и правый боковые кили, установленные на хвостовой балке под углом к продольной оси вертолета хвостиками вниз, топливный бак, толкающий трехлопастный винт, дополнительно содержит центральный горизонтальный киль, установленный на хвостовой балке, правое и левое крылья адаптивного размаха, закрепленные в верхней части фюзеляжа, при этом хвостовая балка имеет возможность вертикального изменения угла от продольной оси вертолета в полете, вместе с тем, левое и правое крылья адаптивного размаха содержат силовую панель, пропущенную через центральную часть фюзеляжа, правое и левое складывающиеся крылья, правую и левую законцовки крыльев, которые при опускании крыла адаптивного размаха выполняют роль полозкового шасси, одновременно с этим, правый и левый боковые кили имеют законцовки, выполняющие при посадке роль полозкового шасси, вместе с тем, законцовки левого и правого крыльев адаптивного размаха, правого и левого боковых килей выполнены из амортизационного материала для поглощения кинетической энергии посадочного удара при посадке.
Заявленная полезная модель иллюстрируется следующим чертежами: фиг. 1, на которой показана структурная схема высокоскоростного сверхманевренного беспилотного вертолета сзади; фиг. 2, на которой показана структурная схема высокоскоростного сверхманевренного беспилотного вертолета спереди; фиг. 3, на которой показана структурная схема высокоскоростного сверхманевренного беспилотного вертолета, сбоку на стоянке; фиг. 4, на которой показана структурная схема высокоскоростного сверхманевренного беспилотного вертолета сбоку в полете, при изменении углов хвостовой балки; фиг. 5, на которой показана структурная схема скоростного беспилотного вертолета без фюзеляжа; фиг. 6, на которой показана структурная схема комплекса бортового оборудования,
Рассмотрим структуру и работу высокоскоростного сверхманевренного беспилотного вертолета (ВСБВ) 1.
Как видно из чертежа фиг. 1, ВСБВ 1 содержит фюзеляж 2, включающий кабину с комплексом бортового оборудования (на чертеже не показано), оптико-электронную систему 11, радиопрозрачный обтекатель, установленный в носовой части фюзеляжа (на чертеже не показано), систему соосных несущих винтов 8, верхний несущий трехлопастный винт 9, нижний несущий трехлопастный винт 10, левый 5 и правый 4 боковые кили, втулка толкающего винта, толкающий трехлопастный винт 7 и центральный горизонтальный киль 7, установленный на хвостовой балке 3. Горизонтальный киль 7 позволяет улучшить аэродинамические характеристики при горизонтальном полете ВСБВ 1.
Как видно из чертежа фиг. 2, ВСБВ 1 содержит правое 12 и левое 13 крылья адаптивного размаха, закрепленные в верхней части фюзеляжа 2. Левое 13 и правое 12 крылья адаптивного размаха содержат силовую панель 14, пропущенную через центральную часть фюзеляжа 2, правое 15 и левое 17 складывающиеся крылья, правую 16 и левую 18 законцовки крыльев, которые при опускании крыла адаптивного размаха выполняют роль полозкового шасси. Крылья адаптивного размаха 12 и 13 предназначены для снижения нагрузки на несущие винты 9 и 10 на 20-30%, и также позволяют сократить расход топлива во время крейсерского полета ВСБВ 1.
Как видно из чертежа фиг. 3, правый 5 и левый 4 боковые кили имеют законцовки 19 и 20, выполняющие при посадке роль полозкового шасси, вместе с тем, законцовки левого 18 и правого 16 крыльев адаптивного размаха, правого 19 и левого 20 боковых килей выполнены из амортизационного материала для поглощения кинетической энергии посадочного удара при посадке. Отсутствие у ВСБВ 1 типового полозкового шасси позволяет уменьшить лобовое сопротивление и, как следствие, повысить скорость и дальность полета.
Как видно из чертежа фиг. 4, ВСБВ 1 содержит фюзеляж 2 с радиопрозрачным обтекателем 21. Хвостовая балка 3 имеет возможность вертикального изменения угла от продольной оси вертолета в полете: трансформация вверх 22, горизонтальное направление 23 и трансформация вниз 24. Благодаря трансформируемой хвостовой балки 3, обеспечивается сверхманевренность ВСБВ 1. Маневры с использованием вертикальных и тангенциальных перегрузок обеспечивают изменение траектории и скорости полета ВСБВ 1.
Сегодня термин «сверхманевренность» означает способность ВСБВ 1 маневрировать без ограничений на угол атаки, хотя и не полностью отражает все возможности беспилотного вертолета. Среди них есть такие, которые можно по аналогии назвать «сверхуправляемостью» - возможностью практически неограниченно изменять ориентацию ВСБВ 1 относительно направления полета. ВСБВ 1, использующий закритические углы атаки в условиях моделирования маневра в вертикальной плоскости типа горка, действительно получает преимущество благодаря энергичному развороту и уменьшению радиуса виража. Известно, что к традиционным типам маневров вертолетов в вертикальной плоскости относятся: горки, пикирования, набор высоты, снижения и петля Нестерова. Для выполнения горки, маневр в вертикальной плоскости, который используется для быстрого набора высоты, хвостовая балка 3 трансформируется вверх 22, далее - горизонтальный полет, при этом хвостовая балка 3 трансформируется горизонтально 23, далее идет пикирование - хвостовая балка 3 трансформируется вниз 24.
Важным показателем маневренности являются возможности набора вертолетом высоты по вертикали и по вертикальному снижению. Использование ВСБВ 1 хвостовой балки 3 трансформируемой вниз 24, позволяет получить на соосном вертолете высокую вертикальную скороподъемность. Вместе со скороподъемностью характерным показателем сверхманевренности является время вертикального набора высоты с учетом времени фиксации этой высоты.
Аэродинамические особенности соосных вертолетов, к которым относится ВСБВ 1, является отсутствие рулевого винта, что обеспечивает возможность выполнения принципиально новых типов криволинейных маневров в горизонтальной плоскости - воронок. Основной тактический смысл применения воронок заключается в том, что при применении этого сверхманевра, ВСБВ 1 может длительное время удерживать и направлять продольную ость в заданную область пространства, вверх или вниз, с использованием трансформируемой балки 3, которая опускается вверх 22 или вниз 24.
Как видно из чертежа фиг. 5, ВСБВ 1 имеет трансформируемый вал, который состоит из основного 26 и изменяемого вала 27.
Как видно из чертежа фиг. 6, система управления ВСБВ 1 состоит из КБО 25 и наземного пункта управления (НПУ) 36.
КБО 25 содержит бортовые датчики 28, блок приема-передачи управляющих сигналов (БПУС) 29, бортовую вычислительную систему (БВС) 30, блок управления электромеханическими рулевыми приводами (БУЭРП) 31, рулевые приводы 32, блок управления промежуточным редуктором (БУПР) 33, систему связи 34 и пилотажно-навигационный комплекс (ПНК) 35.
Турбовальный двигатель (ТВаД - на чертеже не показан) предназначен для вращения двух соосных винтов 9 и 10, система из двух соосных винтов 8 предназначена для параллельного вращения в противоположных направлениях вокруг общей геометрической оси двух винтов 9 и 10, радиопрозрачный обтекатель 21 предназначен для защиты КБО 25 от аэродинамических сил, полозковое шасси 16и 18, 19и 20, предназначено для посадки ВСБВ 1 на поверхность. Киль 6 обеспечивает повышение путевой устойчивости ВСБВ 1.
Заявленный ВСБВ 1 работает следующим образом.
По команде оператора НПУ 36 с автоматизированного рабочего места и средств связи (на чертеже не показано), с использованием КБО 25 включается ТВаД. ВСБВ 1 с использованием системы соосных несущих винтов 8, ОЭС 11 и ПНК 35, совершает вертикальный и горизонтальный полет по заданному маршруту (на чертеже не показано).
Управление ВСБВ 1 в пространстве осуществляется оператором НПУ 36 по каналам связи с применением ОЭС 11, путем визуального наблюдения и системой соосных несущих винтов 8. Оператор НПК 36 с использованием системы связи 34, БПУС 29, БВС 30, БУЭРП 31 и рулевых приводов 32, расположенных в ВСБВ 1, управляет направлением и силой тяги системы из двух соосных винтов 9 и 10, автоматами перекоса (на чертеже не показано).
Управление по курсу ВСБВ 1 обеспечивается созданием разности моментов на несущих винтах 9 и 10, реализуемой по упомянутой цепи от органов управления КБО 25 к соответствующему рулевому приводу 32, который перемещает рычаг и кинематически связанные с ним ползун (на чертеже не показано) со смонтированным на нем автоматом перекоса и второй рычаг, который также кинематически связан с автоматом перекоса (на чертеже не показано) системы соосных несущих винтов 8.
Управление ВСБВ 1 по тангажу и крену обеспечивается соответствующим наклоном автоматов перекоса с учетом данных, которые в режиме реального времени поступают от бортовых датчиков 28 и ПНК 35. Передача и прием сообщений (команд) на управление ВСБВ 1 происходит с использованием средств связи 34 входящими в состав КБО 25 и НПУ 36. Напряжение для электропитания ОЭС 11 и КБО 25 подается от генератора (на чертеже не показано).
Основные технические характеристики ВСБВ 1 приведены в таблице 1.
Для перехода в режим скоростного полета СБВ 1, оператор НПУ 36 передает сообщение (команду) на средства связи 34 КБО 25.
Бортовая вычислительная система 30, обрабатывает полученный от средств связи 34 управляющий сигнал и передает его на блок управления электромеханическими рулевыми приводами 31, рулевые приводы 32 и блок управления промежуточным редуктором 33.
Блок управления промежуточным редуктором 33 включает муфту (на чертеже не показано), которая осуществляет соединение промежуточного редуктора с валом 26, обеспечивающего взаимную кинематическую связь с валом 27 на котором установлен толкающий винт 7. Изменение углов хвостовой балки 3, крыла адаптивного размаха 12 и 13 происходит по команде оператора НПУ 36 с использованием рулевого привода 32.
Таким образом, крылья адаптивного размаха 12 и 13, позволяют улучшить аэродинамические характеристики ВСБВ 1, промежуточный редуктор обеспечивает перераспределение мощности ТВаД при переходе в режим скоростного полета с несущих винтов 9 и 10 на задний толкающий винт 7 и, как следствие, позволяет увеличить скорость полета ВСБВ 1 до 550 км/ч.
Исходя из вышеперечисленного, достигается технический результат данной полезной модели: увеличение скорости полета.
Испытания на цифровом двойнике ВСБВ 1 с использованием цифрового двойника ТВаД показали, что ВСБВ 1 соответствует всем заявленным характеристикам таблицы 1.