Трансформируемый беспилотный летательный аппарат
TRANSFORMABLE UNMANNED AERIAL VEHICLE

Изобретение относится к области авиационной промышленности, и может быть использовано при разработке беспилотных летательных аппаратов различного назначения, например, таких, как: аппараты вертикального взлета-посадки; самолеты типа «летающее крыло» с толкающим винтом; самолеты по схеме «Утка»; мотопланеры классической самолетной схемы и др.
Известен беспилотный летательный аппарат «Двухрежимный микросамолет» [патент РФ на полезную модель №65862, опубл. 27.08.2007], содержащий фюзеляж, крыло, электродвигатель, оборудование для управления полетом, приборы видеонаблюдения, при этом крыло дополнительно снабжено съемными консолями, которые прикреплены к концевым частям крыла, причем корневые хорды консолей равны концевой хорде крыла.
Недостатком известного технического решения является чисто самолетная схема аппарата, имеющая узкое функциональное назначение, поскольку аэродинамическая схема аппарата является не изменяемой, а монтируемые дополнительные аэродинамические плоскости (съемные консоли) изменяют только удельную нагрузку на крыло.
Известен высокоскоростной многофункциональный летательный аппарат вертикального взлета-посадки [заявка на изобретение US 2016144957, опубл. 26.05.2016], включающий по меньшей мере два ротора, создающих осевое усилие, расположенные на равном расстоянии от продольной оси летательного аппарата на главном крыле, и по меньшей мере два ротора, создающих осевое усилие, расположенные на равном расстоянии от продольной оси самолета на вертикальном крыле. Роторы могут приводиться в действие электродвигателями. Регулируя скорость вращения роторов, аппарат может перейти от вертикальной конфигурации полета к горизонтальной конфигурации полета и обратно. Таким образом, данный аппарат выполнен по схеме с крестообразным крылом, с тремя или четырьмя консолями приблизительно одинаковой площади, расположенными перпендикулярно друг другу, причем консоли наибольшей площади расположены в плоскости полета, а на концах каждой из них расположены электрические двигатели привода воздушных винтов не регулируемого шага. Аппарат имеет два режима полета: горизонтальный «по самолетному», при этом главная ось аппарата располагается горизонтально, и режим взлета - посадки или зависания «по вертолетному», при котором главная ось аппарата расположена вертикально.
Данная конструкция беспилотного летательного аппарата вертикального взлета-посадки выбрана в качестве прототипа заявленного технического решения.
Недостатком прототипа является мало трансформируемая чисто самолетная схема расположения главных несущих плоскостей, подразумевающая, что подъемная сила создается только плоскостями, расположенными в плоскости полета, а вертикально расположенные плоскости имеет вспомогательную функцию и предназначены, в основном, лишь для монтажа тяговых двигателей привода воздушных винтов. Кроме того, отсутствие возможности регулирования шага винтов и направления их вращения не обеспечивают достаточную управляемость аэродинамической схемы при полете, зависании и взлете - посадки с вертикальным положением фюзеляжа.
Задачей настоящего изобретения является создание конструктивно простого, технологичного в изготовлении, трансформируемого беспилотного летательного аппарата, который в зависимости от решаемых задач, способен реализовывать различные и отличные друг от друга аэродинамические схемы. Технический результат заявляемого технического решения заключается в повышении функциональности беспилотного летательного аппарата и расширении области его применения с одновременным упрощением конструкции.
Указанный технический результат достигается за счет того, что беспилотный летательный аппарат включает фюзеляж, снабженный приборным отсеком с постоянной полезной нагрузкой, антенным хозяйством и блоком питания, и соединенные с ним крылья, при этом крылья выполнены сменными, а в фюзеляже образованы по меньшей мере четыре посадочных места для установки и фиксации сменных крыльев, количество и расположение которых определяется в зависимости от выбранной аэродинамической схемы.
Возможны варианты развития основного технического решения, заключающиеся в том, что:
- имеется по меньшей мере два сменных крыла;
- имеется по меньшей мере один двигатель, установленный на сменном крыле или на фюзеляже;
- имеется по меньшей мере одна изменяемая полезная нагрузка;
- изменяемая полезная нагрузка установлена в приборном отсеке фюзеляжа или на внешней подвеске;
- сменные крылья выполнены разной длины и/или формы.
Технический результат, обеспечиваемый реализацией заявленной совокупности существенных признаков полезной модели, заключается в создании универсального трансформируемого беспилотного летательного аппарата реализующего различные аэродинамические схемы, отличающиеся друг от друга своими основными техническими характеристиками - способностью осуществлять вертикальный взлет-посадку или зависание в процессе полета; временем и дальностью полета; объемом, массой и составом полезной нагрузки в зависимости от удельной нагрузки на крыло при выбранной аэродинамической схеме. Также это техническое решение позволяет осуществлять модульное производство аппарата и существенно снизить потребные оборотные средства. А также повышается ремонтопригодность аппарата и уменьшается время на осуществление ремонта, поскольку пришедшее в негодность крыло можно быстро заменить.
Например:
- схему самолета вертикального взлета посадки с Х-образным крылом, консоли которого расположены под углом 45 градусов к плоскости полета, отличающейся большими критическими углами атаки, что особенно важно для полетов вблизи склонов гор, где наблюдаются сильные восходящие и нисходящие потоки;
- схему самолета вертикального взлета посадки с крестообразным крылом, с четырьмя, тремя или двумя консолями, с возможностью вертикального взлета посадки, по типу прототипа заявляемого технического решения (US 2016144957 (А1));
- схему самолета типа «Летающее крыло» с двигателями расположенными на концах консолей крыла или двигателем, с толкающим пропеллером, расположенным сзади, на торце фюзеляжа;
схему самолета типа «Утка», с органами управления расположенными на корпусе приборного отсека;
- классическую самолетную схему с V-образными органами управления, наилучшим образом подходящую для создания мотопланера с большим временем и дальностью полета;
- схему самолета с кольцеобразным крылом вертикального взлета посадки;
- и т.д.
Сущность заявленного технического решения поясняется чертежами, иллюстрирующими некоторые возможные варианты компоновок трансформируемого беспилотного летательного аппарата:
на Фиг. 1 показан внешний вид общего фюзеляжа;
на Фиг. 2 показана разнесенная сборка фюзеляжа;
на Фиг. 3 показан вариант компоновки с Х-образным крылом;
на Фиг. 4 показана разнесенная сборка компоновки с Х-образным крылом;
на Фиг. 5 показан вариант компоновки с кольцевым крылом;
на Фиг. 6 показан вариант компоновки с кольцевым крылом (вид сверху);
на Фиг. 7 показан вариант компоновки с кольцевым крылом (вид сбоку);
на Фиг. 8 показан вариант компоновки с крестообразным крылом;
на Фиг. 9 показана разнесенная сборка компоновки крестообразным крылом;
на Фиг. 10 показан вариант компоновки с крестообразным крылом с тремя сменными крыльями;
на Фиг. 11 показан вариант компоновки типа «Летающее крыло», на концах крыльев которого расположены двигатели с тянущими пропеллерами, уменьшающими вихревые потери крыла;
на Фиг. 12 показан вариант компоновки аппарата типа «Летающее крыло» с двигателем расположенным в торце фюзеляжа;
на Фиг. 13 показана разнесенная сборка варианта компоновки аппарата типа «летающее крыло»;
на Фиг. 14 показан вариант компоновки аппарата, выполненного по схеме «Утка», с крестообразными органами управления, расположенными с наружной стороны на корпусе удлиненного приборного отсека;
на Фиг. 15 показана разнесенная сборка варианта компоновки аппарата, выполненного по схеме «Утка»;
на Фиг. 16 показан вариант компоновки аппарата типа «мотопланер», построенного по классической самолетной схеме с V-образными аэродинамическими органами управления;
на Фиг. 17 показана разнесенная сборка варианта компоновки аппарата типа «мотопланер», построенного по классической самолетной схеме с V-образными аэродинамическими органами управления.
Беспилотный летательный аппарат (Фиг. 1-17) включает фюзеляж 1, снабженный приборным отсеком 2 с постоянной полезной нагрузкой 3, антенным хозяйством 4 и блоком питания 5, и соединенные с ним крылья 6. При этом крылья 6 выполнены сменными, а в фюзеляже 1 предусмотрены по меньшей мере четыре посадочных места 7 для установки и фиксации сменных крыльев 6. Количество и расположение крыльев 6 определяется в зависимости от выбранной аэродинамической схемы.
Фюзеляж 1 (Фиг. 1 и 2) представляет собой корпус, выполненный из легких материалов (например, углепластика), внутри которого расположены отсеки, предназначенные для установки в них оборудования. Корпус фюзеляжа 1 с торцов может быть закрыт съемными крышками (на чертеже не показано). Приборный отсек 2 расположен обычно в передней части фюзеляжа 1 и включает в себя постоянную полезную нагрузку 3 (например, полетный контроллер, приемники и передатчики радио и видео информации, менеджер питания и др.) и может быть снабжен изменяемой полезной нагрузкой 8 (например, датчиками контроля параметров атмосферы, датчиками визуального контроля поверхности земли (фото видео камерами), дополнительным аккумулятором, радиоспектральным датчиком и др.). При этом изменяемая полезная нагрузка 8 может быть расположена на внешней подвеске аппарата (Фиг. 12, 13), в этом случае она может включать парашют 10, аэрозольные шашки для обработки грозовых и градовых облаков, сетки перехвата дронов нарушителей, радиометрические датчики, баки с топливом, дополнительные аккумуляторные блоки.
Антенное хозяйство 4 расположено с внешней стороны поверхности фюзеляжа 1 и включает антенны системы радиоуправления, передачи телеметрической информации, передачи видеоинформации, GPS.
Блок питания 5 может быть расположен внутри фюзеляжа 1 или на его внешней поверхности. Аппарат может быть снабжен еще по меньшей мере одним дополнительным блоком питания (на чертеже не показано), расположенным на внешней поверхности фюзеляжа 1 или на внешней подвеске.
Аппарат снабжен по меньшей мере одним двигателем 9, установленным на сменном крыле 6 или на фюзеляже 1 (Фиг. 3-17).
Каждое посадочное место 7 представляет собой стыковочную плоскость, образованную поверхностью корпуса фюзеляжа 1 или с помощью пилонов 11, жестко закрепленных на корпусе фюзеляжа 1, и выполненную с возможностью надежной, сборно-разборной установки и фиксации сменного крыла 6, например, путем вставки лонжеронов крыла 6 в ответные отверстия 12, расположенные в пилоне 7, до упора и их фиксации с помощью крепежных изделий, например, поперечных болтов (на чертеже не показано), проходящих через лонжероны и пилон фюзеляжа 1, болта (на чертеже не показано) фиксации носка крыла и штыря (на чертеже не показано) фюзеляжа 1, предотвращающего возможное смещение задней кромки крыла 6.
При любой выбранной аэродинамической схеме имеется по меньшей мере два сменных крыла 6, которые могут быть выполнены разной длины и/или формы.
Внутри каждого крыла 6, для обеспечения его жесткости, расположен силовой набор (на чертеже не показано) крыла, включающий лонжероны крыла (обеспечивающие продольную жесткость крыла), силовые пластины (предотвращающие кручение крыла) и законцовки крыла, расположенные в корне крыла и на его конце.
На сменных крыльях 6 могут быть установлены двигатели 9, органы аэродинамического управления 13 (Фиг. 13). При этом органы аэродинамического управления 13 (Фиг. 14) для реализации чисто самолетной схемы могут быть расположены непосредственно на удлиненном фюзеляже 1, выполненным, например, с помощью дополнительной балки 14, закрепленной на его заднем торце.
На Фиг. 3, 4 представлен вариант компоновки аппарата с X-образным крылом, т.е. к четырем посадочным местам 7 подсоединены четыре сменных крыла 6, на концах которых расположены двигатели 9 с тяговыми пропеллерами. Х-образная схема определяется углом расположения консолей крыла 6 к плоскости полета под углом 45 градусов. Данный аппарат имеет возможность вертикального взлета-посадки и горизонтального полета.
На Фиг. 5-7 представлен вариант компоновки с кольцевым крылом 15, которое крепится к фюзеляжу 1 при помощи четырех вспомогательных промежуточных крыльев 6. Данная схема обеспечивает жесткость конструкции и равнозначность аэродинамических характеристик аппарата при любых углах полета.
На Фиг. 8, 9 представлен вариант компоновки аппарата вертикального взлета-посадки с крестообразным крылом. Данная крестообразная схема определяется наличием четырех сменных крыльев 6, два из которых расположены параллельно к плоскости полета. На концах консолей крыльев 6 расположены двигатели 9.
На Фиг. 10 представлен вариант компоновки аппарата вертикального взлета-посадки с крестообразным крылом. Данная крестообразная схема определяется наличием трех сменных крыльев 6, два из которых расположены параллельно к плоскости полета, а третье перпендикулярно.
На концах консолей крыльев 6 расположены двигатели 9. При этом возможен вариант, когда двигатель 9 расположен только на крыле 6, расположенном перпендикулярно к плоскости полета.
На Фиг. 11 представлен вариант компоновки аппарата типа «летающее крыло» с двумя сменными крыльями 6, на концах которых расположены двигатели 9 с тянущими пропеллерами, уменьшающими вихревые потери крыла.
На Фиг. 12, 13 представлен вариант компоновки аппарата типа «летающее крыло» с двумя сменными крыльями 6. При этом на заднем торце фюзеляжа 1 расположен двигатель 9 с толкающим пропеллером.
На Фиг. 14, 15 представлен вариант компоновки аппарата, выполненного по схеме самолета «Утка» с двумя сменными крыльями 6, с двигателем 9 и толкающим пропеллером, расположенными на заднем торце фюзеляжа 1, крестообразными аэродинамическими органами 13 управления, расположенными с наружной стороны на корпусе удлиненного приборного отсека 2.
На Фиг. 16, 17 представлен вариант компоновки аппарата типа «мотопланер», построенного по классической самолетной схеме с V-образными аэродинамическими органами управления 13, расположенными на удлиненном при помощи промежуточной балки 14 конце фюзеляжа 1, и двигателем 9 с толкающим пропеллером, расположенными на заднем торце фюзеляжа 1.
Заявленный летательный аппарат работает следующим образом.
Определяется аэродинамическая схема, которая наилучшим образом подходит для выполнения требуемого полетного задания. Происходит сборка аппарата. Аппарат приводится в рабочее состояние. В зависимости от выбранной аэродинамической схемы, аппарат взлетает, либо самостоятельно - вертикально, либо с помощью катапульты или с руки.
Посадка аппарата также производится либо вертикально, либо горизонтально (по самолетному), либо при помощи парашюта.
Заявленный летательный аппарат может найти применение в качестве беспилотного летательного аппарата способного выполнять различного рода авиационные работы.
Например, для:
- оказания авиационной поддержки при проведении горноспасательных работ на больших высотах (4500-10000 м) в сложных метеорологических условиях с сильными, порывистыми ветрами разной направленности;
- аэрологических исследований тропосферы, для получения информации о вертикальном распределения температуры, давления и влажности на различных высотах;
- мониторинга земной поверхности;
- геофизических исследований, например, для оценки радиационной обстановки, на маршрутах большой протяженности;
- и т.д.
Заявленный летательный аппарат может быть выполнен с использованием известного оборудования и материалов, изготавливаемых как отечественной, так и зарубежной промышленностью.