ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫЙ ЭЛЕКТРОПОЕЗД
AEROSPACE ELECTRIC TRAIN

Предполагаемое изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). В России интерес к воздухоплавательным аппаратам особый: стоит задача активного обживания просторов Сибири, Дальнего Востока, Крайнего Севера и земель и водных пространств Арктики. Транссибирская железнодорожная магистраль только на юге Сибири, чуть севернее - ничем не доберешься: советская система воздушного транспорта разрушена, машиной не проедешь, лошади давно нет…Воздухоплавательные аппараты не требующие аэродромов могут способствовать решению данной проблемы.
Условия работы летательных аппаратов трудные, экстремальные. Температура воздуха вблизи земли от -50 зимой до +30 летом. Сильный ветер, резкая смена погоды. Бескрайние просторы без аэродромов и возможные экстренные посадки без удобных площадок. Теплый сезон короткий, а объемы грузов запредельные. Летательное средство должно обладать большой грузоподъемностью и сравнительно большой скоростью, быть устойчивым к сильным ветрам и иметь большую прочность и надежность всех узлов на случай экстренных посадок в тайге или на торосы льда. Летательное средство должно обладать повышенной модульностью и легко разбираемой на фрагменты, ибо дальнейшая транспортировка груза и самого летательного аппарата после экстренной посадки, может осуществляться на других видах транспорта.
В настоящее время использование беспилотников приобрело массовое распространение. Военные БПЛА используют для разведки, корректировки огня, съемки координат объектов противника, замера расстояний и площадей. Наши беспилотники хорошо показали себя в Сирии, как и вся наша военная техника. Су-37 показал себя как самый виртуозный, самый маневренный самолет в мире. В ударных БПЛА мы резко отстаем от США. Там гиперзвуковые самолеты SR-72 и X-48 штурмуют скорости 5-7 МАХ. Известна китайская система Wing Loong и беспилотник - ударник CY-4, а также беспилотник Израиля Heron.
Российские ударные беспилотники «СКАТ» и ТУ-300 «Коршун», «Дозор 600», Т-10Э, ZALA 421 - 16ЕТ преимущественными показателями не обладают. Первые БПЛА появились в СССР, но сейчас позиции в этой области утрачены.
Проблемы распознавания целей породили проблемы юридического и морально-психологического характера.
Беспилотники в мирных целях могут быть использованы при различной деятельности: наблюдение за лесами, миграцией животных и птиц, рыбнадзор, состояние плотин и водоемов, контроль газовых и транспортных магистралей, разведка во время чрезвычайных ситуаций, пожарный контроль за состоянием зданий и других объектов; доставка грузов терпящим бедствие, потерявшимся людям, альпинистам, геологам и так далее, особенно беспилотники стоит применять там, где есть непосредственная угроза человеку в зонах радиактивного или химического заражения. Потребность применения дронов в черте городов большая (из-за пробок ни техническая, ни медицинская помощь быструю помощь оказать не могут), но дело упирается в юридические проблемы безопасности.
Сегодня множество компаний разрабатывает дроны в мирных целях:
ОКБ «Яковлева», ОКБ МиГ, ОКБ «Сухой», ОКБ «Сокол», «Транзас» (все военно-промышленного назначения); ZALA AERO GROUP, БЛАСКОР, Unmanned, Аэрокон (все гражданского назначения) и пр.
Стоимость от 500 тыс руб.
Наша задача отличается от задач военных и мирных дронов. Цель изобретения заключается в создании вохдухоплавательного аппарата большой груподьемности, способного перемещаться на большие расстояния в экстремальных условиях Сибири и Крайнего Севера.
За базовый вариант летательного устройства можно принять любой из беспилотников (БПЛА), квадрокоптеров или дронов, дополнив его элементами, обладающими новизной. Конструкций дронов в России и мире множество, как военного, так и гражданского предназначения [3, 4, 5], но все они, исключая ударные, малого или очень малого размера и грузоподъемностью, достаточной лишь для переноса видеокамеры и измерительных инструментов.
Мини-БПЛА стремительно обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолеты для фермеров Yamaha RMAX. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями [6].
В 2012 году компания Parrot завоевала рынок удачным и довольно доступным квадрокоптером AR.Drone, а недавно представила новую модель под названием Bebop Drone (AR.Drone 3.0). Она также предназначена для любительского пилотирования и аэрофотосъемки. Аппарат уже оборудован HD-камерой с продвинутой системой стабилизации и 180-градусным объективом. Также есть и встроенный модуль GPS. Управление может осуществляться со смартфона или планшета через WiFi. Кроме того в качестве опции доступен дополнительный пульт с удобными органами управления и дальнобойной антенной. Гарнитура виртуальной реальности Oculus Rift также имеет штатную поддержку. Недостатком новинки является слабый аккумулятор на 1200 мА*ч. Его хватит всего на 12 минут полета. Для повышения грузоподъемности квадрокоптера большинство его элементов выполняется из легких углепластов, а крыт э заполняется гелием. Желательно, чтобы квадрокоптер длительное время парил в воздухе без включения движителей.
В основе любого автоматического управления лежит простая последовательность: измерение, сравнение и парирование возмущающего воздействия. Как правило, в современном профессиональном бортовом комплексе навигации и управления, функцию измерения состояния системы выполняет малогабаритная инерциальная интегрированная система (МИНС) [7, 8].
Имея в своем составе множество инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометоров), а также, барометрический высотомер и трехосный магнитометр, и комплексируя данные этих датчиков с данными приемника GPS, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации. Типовая структурная схема автопилота включает: магнитный компас, барометрический датчик скорости, барометрический датчик высоты, ультразвуковой датчик высоты (для взлетов посадок), система спутниковой навигации, гировертикаль, пиродатчик горизонта, исполнительные механизмы и радарные устройства, отслеживающие ваздушную ситуацию по пути следования.
Для обеспечения поставленных задач, а также опредления координат, исследуемых участков местности АСУ мультикоптера должна содержать в своем составе: устройства получения видовой информации, спутниковую навигационную систему, устройства радиолинии видовой и телеметрической информации, устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством, устройство обмена командной информацией, устройство информационного обмена, бортовую цифровую вычислительная машину (БЦВМ), устройство хранения видовой информации. Для обеспечения связи на значительные расстояния и повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции в комплексах управления БПЛА широко используются остронаправленные антенные системы (АС) как на ПУ, так и на БЛА. Система управления остронаправленной АС включает в себя: Собственно остронаправленную АС, радиотехнические параметры которой выбираются, исходя из требований обеспечения необходимой дальности связи по радиолинии, Сервопривод АС, обеспечивающий пространственную ориентацию ДН АС в направлении ожидаемого появления излучения объекта связи, Систему автоматического, сопровождения по направлению (АСН), обеспечивающую устойчивое автосопровождение объекта связи в зоне уверенного захвата пеленгационной характеристики системы АСН, Радиоприемного устройства, обеспечивающего формирование сигнала «Связь», свидетельствующего о приеме информации с заданным качеством, Система управления антенной системой, обеспечивающий анализ текущего состояния системы управления АС, формирование сигналов управления сервоприводом для обеспечения пространственной ориентации АС в соответствии с полетным заданием и алгоритмом пространственного сканирования. Таким образом, наиболее важной составляющей беспилотного авиационного комплекса является система управления и связи. Координатное ориентирование осуществляется по системе « Гланас».
В настоящее время беспилотники выполняют научные задачи или используются в разведывательных целях. Полезную нагрузку, кроме управляющей и наблюдательной аппаратуры, они не несут.
Известно изобретение (http://wvwv.findpatent.ru/patent258/2581971.html © FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2016), которое относится к области воздухоплавательных аппаратов. Воздухоплавательный аппарат включает восьмиугольную ферму с электродвижителями по концам, системы наблюдения, ориентации, связи и автоматического управления. В центре восьмиугольной фермы расположена пневматическая полимерная труба, состоящая из герметично изолированных секций, армированных полимерными обручами и скрепленных между собой замковыми соединениями, поддерживаемая в вертикальном положении с помощью автоматических натяжных устройств. При заполнении легким газом полимерная труба создает подъемную силу, компенсирующую вес груза, подвешиваемого к ферме. Изобретение направлено на создание летательного аппарата, хорошо ориентирующегося в пространстве; принято в качестве прототипа.
Недостатком данного изобретения можно назвать следующее:
«Мягкая» оболочка секций полимерной трубы и большое лобовое сопротивление ветру уменьшают возможности воздухоплавательного аппарата для вертикального маневра.
Аппарат, в соответствии с физическими принципами, должен иметь форму близкою к форме эллипсоида (дискообразную или сигарообразную), причем сигарообразная форма целесообразна в основном для аппарата очень большой грузоподъемности, а дискообразная - для аппарата с высокой маневренностью. Условия Крайнего Севера России когда лето длится 1.5-2 месяца требуют быстрой доставки груза, поэтому воздухоплавательный аппарат должен обладать большой грузоподъемностью и сравнительно высокой скоростью. Особенностью передвижения людей и техники на Крайнем Севере является групповое передвижение: корабли по Ледовитому океану передвигаются караванами с ледоколами во главе, машины по Сибири перемещаются колоннами и воздухоплавательным аппаратам желательно перемещаться « стаями», тоже группами, при этом энергия на аппаратах не должна отсутствовать ни минуты.(оживить технику потом будет затруднительно).
Тактически наша задача решается следующим образом: вес груза компенсируется емкостями с легким газом. Группа воздухоплавательных аппаратов состоит из ведущего мощного мультикоптера с четырмя электродвижителями с изменяемым вектором тяги и двумя маршевыми электродвигателями и нескольких и нескольких ведомых мультикоптера. Особенностью ведущего аппарата является наличие на нем газогенератора электроэнергии, откуда пополняется энергия ведомых летательных аппаратов, множество которых выстроены линейно, для чего между ними имеются стыковочные устройства. Взлет и посадка каждого аппарата происходит индивидуально, а уже в воздухе аппараты выстраиваются в линию и объединяются в единый состав - электропоезд. Получается как бы воздушная электричка. Каждый аппарат может иметь свой груз и свой адрес доставки, с небольшим отклонением от маршрута электропоезда. Немаловажным является и модульное выполнение аппаратов: после неудачной экстренной посадки дальнейшая транспортировка груза и самого аппарата может осуществляться другим видом транспорта.
Предлагается конструкция ведущего воздухоплавательного аппарата: на фиг. 1 представлен вид на аппарат спереди с разрезом, на фиг. 2 - тот же аппарат сбоку с разрезом, на фиг. 3 - вид на аппарат сверху.
Ведущий аппарат состоит: 1 - панель солнечной батареи, 2 - газовые емкости, 3 -жесткая оболочка газовых емкостей, 4 - несущая ферма с консолью 5, 6 - электродвижитель с изменяемым вектором тяги, 7 - емкость с топливным газом, 8 - шасси с захватами 9 и пневмоамортизатором 10, 11 - груз, 12 - колесо, 13 - газогенератор электроэнергии, 14 - камера захвата воздуха для газогенератора, 15 - обтекатель, 16 - маршевые электродвигатели, 17, 18 - накопители электроэнергии, 19 - устройство стабилизации полета, 20 - электрогенератор, 20 - редуктор, 22 - газовая турбина, 22 приемная часть стыковочное устройства, 23 - крыло, 24 - корпус аппарата. Далее предлагается конструкция ведомого воздухоплавательного аппарата (которых может быть множество):
на фиг. 4 представлен вид на аппарат спереди с разрезом,
на фиг. 5 - вид на аппарат сверху.
Ведомый аппарат состоит: 25 - выдвижная штанга стыковочного устройства, 26 - распорная часть стыковочного устройства, 27 - приемная часть стыковочного устройства, 28 - газовые емкости, 29 - жесткая оболочка, 30 - газовая подушка, 31 - несущая рама мультикоптера, 32 - консоль рамы мультикоптера, 33 - электродвижитель с изменяемым вектором тяги, 34 - аккумуляторы электроэнергии, 35 - груз, 36 - шасси с захватом - 37 и пневмоамортизатором - 38, 39 - солнечная батарея (корпус заполненный газом).
Стыковочное устройство представляет собой штангу, внутри которой находится буксировочный трос и электрокабель.
Подъем и посадки ведомых аппаратов осуществляется индивидуально. В воздухе аппараты стыковочным устройство соединяются в единую цепь -электропоезд, при этом штанга входит в приемную часть стыковочного устройства и распирается (электрические контакты замыкаются, а трос жестко фиксируется). Это делается для постоянной подпитки каждого аппарата электроэнергией и для того, чтоб аппараты не разбросало при сильном ветре по всей Сибири. Сибирь серьезнее, чем Средиземное море для судов. Любой аппарат можно выделить из электропоезда (поломка или предвиденное отклонение от маршрута). Надеяться на быструю техническую помощь не приходится, - каждая авария; ликвидируется поисково-спасательной службой, поэтому надежность конструкции и бесперебойность поступления энергии приобретает особое значение для работы на крайнем Севере.
Основным отличием воздухоплавательного электропоезда, который состоит из ведущего и нескольких ведомых воздухоплавательных аппаратов, представляющих собой мультикоптеры с электродвижителями и газовыми емкостями, служащими для создания подъемной силы, компенсирующей вес груза, а также солнечными батареями, является то, что ведущий воздухоплавательный аппарат снабжен турбогазовым электрогенератором, состоящим из электрогенератора редуктора и газовой турбины, который посредством кабеля стыковочного устройства, соединяющего ведомые воздухоплавательные аппараты в единую цепь, постоянно подпитывает электроэнергией все аппарата воздухоплавательного поезда.
Другим отличием воздухоплавательного электропоезда, включающего ведущий и несколько ведомых воздухоплавательных; аппаратов, является то, что все аппараты объединены в единую цепь посредством стыковочного устройства, представляющего собой выдвижную штангу, внутри которой находится буксировочный трос и электрокабель, которая входит в приемную часть стыковочного устройства, находящуюся на соседнем аппарате, после чего газовыми полостями распирается, при этом буксировочный трос и электрокабель фиксируются в нужном положении.
Данный беспилотник должен иметь систему видионаблюдения, радар, систему ориентации и сопровождения по координатам «Гланас» систему связи, систему автоматического управления, а также громоотводную, систему.
Солнечная панель направляется по ходу солнца сервоприводами. Программное приложение позволяет просматривать пройденный маршрут по GPS- координатам и корректировать дальнейшую работу воздухоплавательного аппарата. Управление мультикоптером и работой всех устройств осуществляет блок АСУ, а так же оператор со смартфона или планшета (не исключено и специальное электронное устройство управления).
Объем газовых камер не ограничен ни по высоте, ни по диаметру, их количество тоже не ограничено, а это значит, что и перевозимый груз может быть значительным. Большинство элементов предлагаемого, устройства, выполняются из легких углепластиков, например, пластик ABS или волокна КЛЕВЛАР, которые прочнее стали, но легче ее.
На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы, способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 град. Углепластики очень легки и, в то же время, прочные материалы [9]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол» обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 град., химическая инертность к окислительным средам, не горит, в 1.5 раза легче алюминия и весьма прочен [10]. Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами [11]. За эту разработку российские ученые получили Нобелевскую премию в 2010 году. Углеграфитовые трубки могут достигать прочесть в 50 раз превышающую прочность стали.
Углеродные тонкие пленки, нанесенные путем напыления на стенки корпусов газовых камер изнутри, пред охраняют от утечки газа.
Для создания подъемной сылы, компенсирующий вес груза, используется гелий, а для работы электрогазогенератора используется специальная смесь пропана и бутана.
КПД турбогазовых электрогенераторов достигает 90%. Топливным газом заполняются емкости, расположенные под несущей фермой мультикоптера. Управляется воздухоплавательный поезд на автопилоте, по маршруту, заложенного в программе бортового компьютера и ориентирующегося по координатам системы «Глонас», при этом производится постоянное наблюдение и коррекция курса диспетчерской службой.
Воздухоплавательный электропоезд может быть использован и в степях Казахстана и пустынях Средней Азии и Монголии.
Не исключено, что в будущем, предлагаемый вид транспорта может быть использован и для транспортировки людей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Современные системы очистки газовых выбросов, www.coolreferat.com.
2. Патент РФ 2420425.
3-bp-la.ru/primenenie-bespilotayx-letatelnyx-apparatov/
4. А. Каримов, В. Ильин. «Военное обозрение», #46(268), 2013
5. 24gadget.ru/tags/дрон.
6. Н.С. Сенюшкин. Особенности классификации БПЛА самолетного типа. «Молодой ученый», - 2010, - №11, - с. 65-68.
7. А. Поскутников. Системы автоматического управления БПЛА. « Молодой ученый»,-2011, - №9, - с. 56-58.
8. В. Слосар. Радиолинии связи с БПЛА: Примеры реализации. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010, - №5. -с. 56050
9. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнисты материалы. M., Высшая школа, 2004.
10. http:highpol.com.
11. http:newchemistry.ru