БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ
DRONE

Изобретение относится к области транспортирования, а именно к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета с кольцевым крылом.
Из уровня техники известны беспилотные летательные аппараты (БПЛА) различных схем. Кроме аппаратов традиционных схем (самолетная, вертолетная), существуют так называемые аппараты вертикального взлета и посадки с вентилятором в канале (Ducted Fan VTOL UAV) в качестве несущей системы. Характерными аналогами являются аппараты iSTAR фирмы Allied Aerospace, T-Hawk фирмы Honeywell, IAV фирмы BAE Systems Inc.
Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является беспилотный летательный аппарат, состоящий из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей (см. патент EP 2193994, кл. B64C 39/02, опубл. 09.06.2010).
Общими недостатками известных устройств являются невысокий КПД, недостаточная мощность, плохая управляемость и малая аэродинамическая стабильность БПЛА.
вд
цил
вд
кк
вд
max
вд
нос
max
рк
рк
рк
рк
са
са
са
рк
цп
вд
цт
вд
hmax
max
нос
max
вых
вд
вна
рк
Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в улучшении аэродинамических характеристик БПЛА и, как следствие, в повышении эффективности его работы. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате, состоящем из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей, внутренняя поверхность кольцевого крыла включает цилиндрический участок диаметром D и длиной L=(0.45÷0.55)D, хорда кольцевого крыла составляет b=(1.1÷1.25)D, максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет h=(0.145÷0.18)D, a расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет L=(0.145÷0.165)h, при этом внутри цилиндрического участка расположен вентилятор-движитель, состоящий из входного направляющего аппарата, рабочего колеса и спрямляющего аппарата, входной направляющий аппарат состоит из радиальных аэродинамических элементов, соединяющих кольцевое крыло и центральное тело и имеющих симметричный профиль с хордой постоянной величины, рабочее колесо выполнено таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величина хорды b описывается линейной функцией от радиуса, угол установки профилей θ описывается кубической функцией от радиуса, величина прогиба f описывается полиномом пятой степени от радиуса, величина толщины профиля c описывается линейной функцией от радиуса, а спрямляющий аппарат выполнен таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величины хорды b и толщины c профиля постоянны, угол установки профилей θ описывается кубической функцией от радиуса, а величина прогиба f описывается полиномом пятой степени от радиуса. Центральное тело предпочтительно выполнено цилиндрическим с диаметром D=0.35D, а его длина составляет L=(1.75÷1.95)D. Расстояние от начала цилиндрического участка кольцевого крыла до точки максимальной толщины профиля предпочтительно составляет L=(0.18÷0.23)h. Высота от крайней передней точки кольцевого крыла до цилиндрического участка предпочтительно составляет h=(0.65÷0.8)h. Диаметр кольцевого крыла на выходе предпочтительно составляет D=(1.05÷1.19)D. Отношение числа радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата n к числу лопаток рабочего колеса n предпочтительно составляет 7/5.
На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого БПЛА;
на фиг.2 - поперечное сечение кольцевого крыла и центрального тела с характерными размерами;
на фиг.3 - общий вид вентилятора-движителя;
на фиг.4 - общий вид радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата;
на фиг.5 - то же, что на фиг.4, вид сбоку;
на фиг.6 - сечение А-А по фиг.5;
на фиг.7 - общий вид лопасти рабочего колеса;
на фиг.8 - то же, что на фиг.7, вид сбоку;
на фиг.9 - сечение А-А по фиг.8;
на фиг.10 - общий вид лопасти спрямляющего аппарата;
на фиг.11 - то же, что на фиг.10, вид сбоку;
на фиг.12 - сечение А-А по фиг.11.
Предлагаемый БПЛА состоит из кольцевого крыла 1, вентилятора-движителя, в состав которого входят входной направляющий аппарат 2, рабочее колесо 3 и спрямляющий аппарат 4, центральное тело 5, в котором размещается полезная нагрузка, и четыре или более независимых аэродинамических рулей 6. Указанные элементы имеют описанную ниже оптимальную аэродинамическую компоновку.
Кольцевое крыло 1 является телом вращения с несимметричным профилем, содержащим цилиндрический участок, в котором расположен вентилятор-двигатель. Относительная длина этого участка составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>L</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>ц</mi><mi>и</mi><mi>л</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>ц</mi><mi>и</mi><mi>л</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,45</mn><mo>…</mo><mn>0,55</mn></mrow>
цил
где L - размерная длина цилиндрического участка, а
вд
D - внешний диаметр вентилятора-движителя или диаметр цилиндрического участка крыла 1.
цт
вд
Центральное тело 5 выполнено цилиндрическим с диаметром D=0.35D. Его относительная длина составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>L</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>ц</mi><mi>т</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>ц</mi><mi>т</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,75</mn><mo>…</mo><mn>1,95</mn></mrow>
цт
где L - размерная длина центрального тела.
Геометрия кольцевого крыла 1 представлена на фиг.2.
вых
вд
Диаметр кольцевого крыла на выходе предпочтительно составляет D=(1.05÷1.19)D.
Безразмерная хорда кольцевого крыла составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>к</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,1</mn><mo>…</mo><mn>1,25</mn></mrow>
кк
где b - размерная хорда кольцевого крыла.
Безразмерная максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>h</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,145</mn><mo>…</mo><mn>0,18</mn></mrow>
max
где h - размерная максимальная толщина профиля кольцевого крыла.
Безразмерное расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>L</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,145</mn><mo>…</mo><mn>0,165</mn></mrow>
нос
где L - размерное расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла.
Безразмерная высота от крайней передней точки кольцевого крыла до цилиндрического участка составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>h</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>с</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>н</mi><mi>о</mi><mi>с</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,65</mn><mo>…</mo><mn>0,8</mn></mrow>
нос
где h - размерная высота от крайней передней точки кольцевого крыла.
Безразмерное расстояние от начала цилиндрического участка до точки максимальной толщины профиля составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>L</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>h</mi><mi>max</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>L</mi><mrow><mi>h</mi><mi>max</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>h</mi><mrow><mi>max</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,18</mn><mo>…</mo><mn>0,23</mn></mrow>
hmax
где L - размерное расстояние до точки максимальной толщины. Безразмерный диаметр кольцевого крыла на выходе составляет
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>D</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>ы</mi><mi>х</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>D</mi><mrow><mi>в</mi><mi>д</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>1,05</mn><mo>…</mo><mn>1,19</mn></mrow>
вых
где D - размерный диаметр кольцевого крыла на выходе.
вна
рк
Геометрия вентилятора-движителя представлена на фиг.3. Отношение числа радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата n к числу лопаток рабочего колеса n составляет 7/5.
Входной направляющий аппарат 2 состоит из радиальных аэродинамических элементов, выполняющих роль распорок и соединяющих кольцевое крыло 1 и центральное тело 5. Указанные элементы (см. фиг.4-6) имеют симметричный профиль с хордой постоянной величины, что позволяет выравнивать поток перед рабочим колесом 3 на различных режимах полета и приводит к увеличению тяги вентилятора-движителя.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
В рабочем колесе 3 (фиг.7-9) профили лопастей имеют среднюю линию, изогнутую по дуге окружности. Распределение величины хорды
профилей от радиуса описывается по линейному закону
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>0,162</mn><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>0,384</mn></mrow>
где r - текущий радиус рабочего колеса,
рк
R - внешний радиус рабочего колеса.
рк
Зависимость угла установки профилей θ от радиуса описывается кубической функцией
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>93,17</mn><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mn>275,6</mn><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>303,3</mn><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mn>144,6</mn></mrow>
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>f</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
Зависимость величины прогиба
от радиуса описывается полиномом пятой степени
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mover accent="true"><mi>f</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>1,509</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>5</mn></msup><mo>+</mo><mn>5,647</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>4</mn></msup><mo>−</mo><mn>8,498</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup><mo>+</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>+</mo><mn>6,548</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>2,653</mn><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>0,492</mn></mtd></mtr></mtable>
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>c</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow>
Зависимость толщины профиля
от радиуса описывается по линейному закону
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>c</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>0,077</mn><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>0,176</mn></mrow>
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>c</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow>
В спрямляющем аппарате 4 (фиг.10-12) для его лопастей величина хорды
и величина толщины профиля
постоянны и не зависят от текущего радиуса
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>b</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,297</mn></mrow>
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>c</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>c</mi><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,1</mn></mrow>
са
Зависимость величины угла установки профилей θ от радиуса описывается кубической функцией
<mrow><msub><mi>θ</mi><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mo>−</mo><mn>32,52</mn><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>3</mn></msup><mo>+</mo><mn>92,16</mn><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup><mo>−</mo><mn>94,87</mn><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>−</mo><mn>49,96</mn></mrow>
.
<mrow><msub><mover accent="true"><mi>f</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow>
Зависимость величина прогиба
от радиуса описывается полиномом пятой степени
<mtable columnalign="left"><mtr><mtd><msub><mover accent="true"><mi>f</mi><mo>¯</mo></mover><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub><mo>=</mo><mfrac><mrow><msub><mi>f</mi><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow><mrow><msub><mi>b</mi><mrow><mi>с</mi><mi>а</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>=</mo><mn>0,731</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>5</mn></msup><mo>−</mo><mn>5,592</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>4</mn></msup><mo>+</mo><mn>3,493</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>3</mn></msup><mo>−</mo></mtd></mtr><mtr><mtd><mo>−</mo><mn>2,147</mn><msup><mrow><mo>(</mo><mrow><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow><mn>2</mn></msup><mo>+</mo><mn>0,499</mn><mfrac><mi>r</mi><mrow><msub><mi>R</mi><mrow><mi>р</mi><mi>к</mi></mrow></msub></mrow></mfrac><mo>+</mo><mn>0,073</mn></mtd></mtr></mtable>
.
Экспериментально было показано, что такие геометрические параметры вентилятора-движителя обеспечивают создание необходимой тяги. Для того чтобы транспортировать необходимый вес полезной нагрузки, БПЛА может быть соответствующим образом промасштабирован с сохранением вышеприведенных соотношений, при этом изменится мощность, потребляемая вентилятором-движителем, и потребное число оборотов.