Способ управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве и комплекс для его осуществления
METHOD FOR CONTROLLING POSITION OF FREE END OF FLEXIBLE CONNECTION FIXED ON AIRCRAFT WITH EXTERNAL OBJECT IN SURROUNDING SPACE AND COMPLEX FOR ITS IMPLEMENTATION

Группа изобретений относится к авиации, конкретно - к способам и устройствам для осуществления технологической гибкой взаимосвязи (стыковки, точного наведения свободного конца гибкой связи - веревочной лестница, троса лебедки, топливного или водяного шланга и т.д.) летательного аппарата (ЛА - вертолета, как правило, с экипажем, дирижабля и т.д.) с другим объектом (человеком, конструкцией или ее элементом, полезным грузом, источником жидкого топлива локальным скоплением нефти на водоеме, локальным пожаром и т.д.) в целях спасения с беспосадочной эвакуацией, дозаправки летательного аппарата или упомянутого объекта, борьбы со стихией и т.д.
Известны способы управления положением свободного конца закрепленной на ЛА гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, и комплексы технических средств для их осуществления, включающие в свой состав ЛА (вертолет) и бортовое оборудование - гибкую связь и лебедку для выпуска из ЛА упомянутой гибкой связи, при этом свободный конец гибкой связи совмещают с координатами X, Y, Z объекта взаимосвязи, манипулируя положением в пространстве ЛА и длиной выпущенной части гибкой связи [1. RU 2545684 С1, МПК B64D 1/22, 10.04.2015 «Спасательное устройство на внешней подвеске вертолета»; 2. RU 2558355 С1, МПК А62В 1/00, B64D 1/14, F16F 7/09, 10.08.2015 «Устройство для спасения людей при пожарах»; 3. RU 90686 U1, МПК А62В 1/02, B64D 47/00, 20.01.2010 «Устройство для эвакуации людей из высотных зданий с помощью вертолета»; 4. RU 1665630 С1, МПК В63С 9/01, 27.03.1995 «Устройство для подъема людей и грузов с поверхности воды и суши на борт вертолета»; 5. RU 2288760 С2, МПК А62С 3/00, 10/12/2006 «Способ тушения пожаров в высотных зданиях при помощи вертолета»; 6. RU 42218 U1, МПК B64D 1/10, А62С 31/00, 27.11.2004 «Система пожаротушения высотных зданий»; 7. RU 2723352 С1, МПК F41H 13/00, F41H 7/03, B64D 1/22, 10.06.2020 «Объект бронетехники с капсулой для экипажа, эвакуируемой вертолетом»; 8. RU 2729527 С1, МПК B64D 1/22, 07.08.2020 «Способ форсирования участка местности с малой несущей способностью наземным транспортным средством с вертолетом сопровождения»].
Однако управление с помощью гравитации пассивно и весьма ограничено, а управление путем корректировки положения самого ЛА в пространстве дает существенную погрешность наведения, весьма зависит от высоты ЛА (длины выпущенной части гибкой связи), скорости ветра, далеко не всегда возможно в конкретной расстановке физических тел и требует большого расхода топлива и существенно зависит от опыта управления ЛА экипажем.
Имеет место и проблема колебаний подвешенного груза на гибкой связи в динамике движения (см. описание и критику прототипа ниже по тексту).
В некоторых источниках информации содержатся сведения о дополнительном инструменте управления положением свободного конца гибкой связи - устройства поворота (корректировки) по азимуту уже присоединенного к концу гибкой связи объекта (полезного груза) [9. RU 2209745 С2, МПК B64D 1/22, B64D 9/00, 10.04.2003 «Устройство для азимутальной ориентации и фиксации груза на внешней подвеске летательного аппарата»; 10. RU 109739 U1, МПК B64D 9/00, 27.10.2011 «Устройство для монтажа груза вертолетом»; 11. RU 2307049 С1, МПК B64D 1/22, 27.09.2007 «Устройство для азимутальной ориентации и стабилизации груза на внешней подвеске летательного аппарата»].
Однако управления по высоте Z и азимуту во многих случаях явно недостаточно, особенно в неблагоприятных погодных условиях и взаимном расположении ЛА и объекта(ов) взаимосвязи со свободным концом гибкой связи в процессе управления («наведения»).
Известны и комплексы для доставки полезных грузов с малогабаритным беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) - «дроном», в качестве грузового ЛА [12. RU 2672505 С1, МПК В63С 11/46, В63В 21/00, B63G 8/16, G05D 1/00, 15.11.2018 «Система автоматического управления дроном сопровождения водолаза»; 13. RU 2646689 С1, МПК В64С 39/02, G06Q 10/08, 06.03.2018 «Система доставки контейнера с помощью дрона»].
Часто БПЛА снабжают системой видеонаблюдения, но известны и системы наблюдения из грузового вертолета [14. RU 2015075 С1, МПК B64D 3/00, 30.06.1994 «Система контроля положения груза, подвешенного на гибкой связи к вертолету при монтажных работах»].
Весьма близким к заявляемой группе изобретений является способ управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, при котором из управляемого основного летательного аппарата выпускают закрепленную одним концом гибкую связь и, управляя, посредством гравитационного поля и комплекса технических средств, включая средства маневрирования основного летательного аппарата, положением в пространстве другого, свободного конца гибкой связи, совмещают его с объектом взаимосвязи [15. RU 195445 U1, МПК В66С 13/06, В66С 13/46, В66С 23/58, B64D 1/00, 28.01.2020: см. также 16. WO 2019/156782 от 15.08.2019].
В нем запатентовано устройство несколько иного назначения - обеспечения устойчивости груза на внешней подвеске, но близкое к заявляемому по конструктивным признакам. Упомянутая подвеска представляет собой гибкую веревочную лестницу или канат, один конец которой(ого) закреплен в вертолете, а свободный конец спущен вниз под действием гравитационного поля и лебедки. Лестница используется для беспосадочной эвакуации людей (см. [15, фиг. 1, где эвакуируемые люди зацепились за свободный конец лестница]). В условиях динамических воздействий самого вертолета и внешних факторов окружающей среды конец гибкой связи с «полезным грузом» (эвакуируемыми людьми) раскачивается как «маятник». Для устранения этого вредного явления, на гибкой связи у ее свободного конца закреплено специализированное устройство стабилизации свободного конца гибкой связи - «устройство устойчивости груза (УУГ). УУГ выполнено в виде блока с четырьмя разнонаправленными разнесенными вентиляторами, связанными с системой управления и источником электропитания. При этом оси всех четырех вентиляторов ориентированы исключительно горизонтально при отвесном положении гибкой связи, а при любой амплитуде колебаний гибкой связи с УУГ, оси вентиляторов сохраняют перпендикулярность линии гибкой связи. Управляемой работой вентиляторов УУГ возвращает гибкую связь в отвесное положение «статического равновесия» в дополнение к стабилизирующему действию гравитационного поля. В этом и заключается стабилизация вертикального положения гибкой связи.
Однако, успешно решая задачу борьбы с динамическими отклонениями от заданных координат свободного конца гибкой связи, задачу стабилизации ее отвесного положения, такое устройство и осуществляемый им способ управления концом гибкой связи не применим вообще или применим иногда и в очень узком диапазоне корректирующих перемещений свободного конца в трехмерном пространстве, в целях «точного наведения» (в дополнение к первичному «грубому наведению» самим вертолетом) свободного конца гибкой связи на заданные координаты X, Y, Z - для совмещения с координатами объекта взаимосвязи (того же подлежащего эвакуации человека на суше или в воде). В то же время, при беспосадочной технологической операции типа описываемой эвакуации, доставки грузов, монтажных работах, топливозаправке и т.д., погрешность такого совмещения координат (а значит и управления) может быть существенна. И она возрастает с длиной выпущенной гибкой связи, скоростью ветра или течения, подвижностью объекта, и т.д.
В результате, такие способ и устройство, при всех их положительных сторонах, остаются с недостаточно высокими технико-эксплуатационными возможностями (ТЭВ). Иначе говоря - недостаточно совершенны.
Наиболее близким (базовым) к заявляемой группе изобретений является (принят) способ управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, при котором из управляемого основного летательного аппарата выпускают закрепленную одним концом гибкую связь, при этом управление положением в пространстве свободного конца гибкой связи осуществляют дополнительно посредством управляемого маневрирования вспомогательного летательного аппарата, предварительно соединив последний с указанной гибкой связью у ее свободного конца [17. US 2019283901 А1 (FLYING WHALES), 19.09.2019].
Такое техническое решение обеспечивает более точное наведение конца гибкой связи для совмещения с объектом взаимосвязи (см. [17], л. 8, С. 3, абз. 0051; С. 1, абз. 0005, 0007).
Однако, в разнообразных возможных эксплуатационных условиях описанных операционных (в отношении способа) и материальных (в отношении устройства в обеспечение способа) средств недостаточно для оптимального выполнения практических задач. Так, ограничен маневр вспомогательного ЛА относительно основного ла; стыковка свободного конца гибкой связи с объектом взаимосвязи осуществляется почти вслепую; не используются возможности стабилизации заданного пространственного положения свободного конца.
В результате, способ-прототип и устройство-прототип (базовые), при всех их положительных сторонах, также остаются с недостаточно высокими технико-эксплуатационными возможностями (ТЭВ). Иначе говоря - недостаточно совершенны.
Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений - способ и устройство для его осуществления, является расширение его ТЭВ.
Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, при котором из управляемого основного летательного аппарата выпускают закрепленную одним концом гибкую связь, при этом управление положением в пространстве свободного конца гибкой связи осуществляют дополнительно посредством управляемого маневрирования вспомогательного летательного аппарата, предварительно соединив последний с указанной гибкой связью у ее свободного конца, согласно заявляемому изобретению-способу, управляя, посредством гравитационного поля и комплекса технических средств, включая средства маневрирования основного летательного аппарата, положением в пространстве другого, свободного конца гибкой связи, совмещают его с объектом взаимосвязи, а маневром вспомогательного летательного аппарата свободный конец гибкой связи при необходимости отклоняют от вертикального положения статического равновесия последней в общем случае по трем декартовым координатным осям - X*, Y*, Z*.
Поставленная задача решается также, с дополнительными преимуществами, за счет частных (дополнительных) признаков способа и их совокупностей, а именно:
- при последующих, после соединения свободного конца гибкой связи с объектом взаимосвязи, вывешивании и транспортировки последнего, вспомогательный летательный аппарат поворачивают на 90° в вертикальной плоскости и стабилизируют положение гибкой связи в вертикальном положении, путем подавляющей компенсации тягой винтов вспомогательного летательного аппарата раскачки объекта взаимосвязи (это позволяет практически «бесплатно», попутно сохранить функционал прототипа - возможность стабилизации вертикального положения гибкой связи с объектом - вывешенным грузом);
- параллельно упомянутой гибкой связи с присоединенным к ней вспомогательным ЛА, из основного ЛА выпускают по меньшей мере еще одну гибкую связь с прикрепленным у ее свободного конца вспомогательным ЛА, аналогичные упомянутым, после чего, дифференцированно управляя ими, осуществляют независимую друг от друга последовательную или параллельную во времени взаимосвязь свободных концов с пространственно разнесенными различными объектами взаимосвязи или фрагментами крупногабаритного объекта взаимосвязи (это дополнительно и существенно расширяет ТЭВ предложения в случаях двух- и множественности объектов взаимосвязи, особенно в условиях важности быстродействия, например при спасении людей при кораблекрушениях).
В соответствии с заявляемой группой изобретений, кроме способа, заявляется и устройство (комплекс) для его осуществления, которое содержит летательный аппарат и регулируемую по длине гибкую связь с закрепленным на летательном аппарате одним концом и свободным другим концом для взаимосвязи с объектом в окружающем пространстве, причем в состав комплекса дополнительно входит другой управляемый, по крайней мере из основного летательного аппарата, вспомогательный летательный аппарат, например квадрокоптер, с возможностью его соединения с упомянутой гибкой связью у свободного ее конца до выпуска последнего из основного летательного аппарата, согласно заявляемому изобретению-устройству, упомянутый управляемый летательный аппарат является основным, преимущественно вертолетом, а вспомогательный летательный аппарат укомплектован системой видеонаблюдения - по радиоканалу или по кабелю, сопряженному с гибкой связью.
- комплекс может дополнительно содержать, по крайней мере, одну дополнительную гибкую связь, аналогичную упомянутой, и соответствующее дополнительное количество вспомогательных ЛА, сопрягаемых с дополнительными гибкими связями у их свободных концов, с возможностью их дифференцированного управления и пространственного разнесения управляемых таким образом свободных концов всех гибких связей в пространстве (это существенно повышает «производительность спасательных и иных операций при двух и более рассредоточенных объектах, например, терпящих бедствие в водной стихии).
Реализация заявляемого комплекса для осуществления также заявляемого способа возможна как применением известных компонентов-устройств (материальных объектов) - см. близкий аналог [15], прототип [17] и аналоги-дроны [12], [13] для осуществления базового способа), так и новых, отличающихся от имеющихся в настоящее время небольшими изменениями (модернизациями), которые могут, с одной стороны, очевидным образом следовать для специалистов из современного уровня техники, а с другой стороны - посредством существенно новых устройств на уровне изобретений и полезных моделей. Иначе говоря, устройство для осуществления заявляемого способа формируется посредством по-отдельности известных компонентов (комплекса технических средств), взаимосвязанных по-новому, неочевидным до этого образом. При этом сам способ в своих основных и дополнительных существенных признаках соответствует признакам в описании работы (использования) заявляемого устройства, приведенного ниже по тексту сразу после описания устройства. В принципе, возможен спектр устройств в рамках заявляемой совокупности существенных признаков (см формулу группы изобретений).
Заявляемый способ и комплекс (как устройство для осуществления этого способа) иллюстрируется чертежами (схемами) - см. фиг. 1, 2, где позициями обозначены:
1 - основной (первый, базовый), управляемый ЛА на примере вертолета; 2 - вспомогательный (второй) ЛА на примере малогабаритного квадрокоптера (дрона), с системами теле- или автоматического управления и ТВ-наблюдения (по радио- или проводному каналу) с (из) ЛА 1; 3 - гибкая связь (трос, канат, веревочная лестница, шланг или др.) или «внешний подвес» для оперативной, не ручной, беспосадочной и бесстыковочной (непосредственно) организации взаимосвязи ЛА 1 и ЛА 2; 4 - лебедка на ЛА 1 с зафиксированным первым (верхним) концом гибкой связи 3; 5 - второй (далее по тексту - «свободный») конец гибкой связи 3; 6 - взаимосвязь (на примере жесткой взаимосвязи на заданном расстоянии) ЛА 2 со свободным концом 5 гибкой связи 3; 7 - объект целевой взаимосвязи с концом 5 гибкой связи 3 (внешний, т.е. вне ЛА 1, на суше, на поверхности воды, в воде или в воздухе), например эвакуируемый человек, полезный груз или источник/потребитель топлива; 8 - поверхность Земли; 9 - второй объект взаимосвязи: 10 - дополнительная гибкая связь (ветвь), аналогичная гибкой связи 3; 11 - свободный конец гибкой связи 10: 12 - третий, тоже вспомогательный ЛА (аналогичен ЛА 2); 13 - взаимосвязь (аналогична взаимосвязи 6) ЛА 12 со свободным концом 11 гибкой связи 10.
На фиг. 1 показана схема управления свободным концом гибкой связи (внешним подвесом) по его пространственному совмещению с объектом взаимосвязи, вид сбоку, где (X, Y, Z) - координаты объекта взаимосвязи; (X*, Y*, Z*) - координаты управляемого свободного конца гибкой связи (внешнего подвеса);
на фиг. 2 - схема с двумя гибкими связями, с независимо управляемыми их свободными концами, где (Х1, Y1, Z1) - координаты первого объекта взаимосвязи; Х1*, Y1*, Z1* - координаты управляемого свободного конца первой гибкой связи (первого внешнего подвеса); (Х2, Y2, Z2) - координаты второго (дополнительного) объекта взаимосвязи; Х2*, Y2*, Z2* - координаты управляемого свободного конца второй (дополнительной) гибкой связи (второго, дополнительного внешнего подвеса).
Заявляемый комплекс содержит (в порядке подробного описания с использованием чертежей) основной управляемый ЛА 1, преимущественно вертолет (1), и регулируемую по своей длине (в в впущенном состоянии) гибкую связь 3 с закрепленным на ЛА 1 (преимущественно на бортовой лебедке 4) одним концом и свободным другим концом - 5 для взаимосвязи с объектом 7 в окружающем пространстве (в частности на поверхности Земли 8).
В его состав дополнительно входит другой управляемый, вспомогательный ЛА - 2, с возможностью его соединения с гибкой связью 3 у ее свободного конца 5 до выпуска последнего (5) из основного ЛА 1.
В качестве вспомогательного ЛА 2 может быть использован, преимущественно, малогабаритный беспилотный ЛА (БПЛА), управляемый, по крайней мере, из основного ЛА 1.
В качестве БПЛА (2) может быть использован, преимущественно, мультикоптер (2), преимущественно квадрокоптер (2).
Вспомогательный ЛА 2 укомплектован системами теле- или автоматического управления и видеонаблюдения - по радиоканалу или по кабелю, сопряженному с гибкой связью 3.
Комплекс может дополнительно содержать, по крайней мере, одну дополнительную гибкую связь 10, аналогичную упомянутой 3, и соответствующее дополнительное количество вспомогательных ЛА 12, сопрягаемых (связь 13) с дополнительными гибкими связями 10 у их свободных концов 11, с возможностью их дифференцированного управления и пространственного разнесения управляемых таким образом свободных концов (5, 11) всех гибких связей (3, 10) в пространстве (см. фиг. 2).
Возможны другие конкретные устройства и способы в рамках формулируемых (см. формулу группы изобретений) существенных совокупностей признаков.
Заявляемое устройство (комплекс технических средств) работает (используют) следующим образом, в соответствии с заявляемым способом управления положением свободного конца 5 гибкой связи 3.
Из основного ЛА 1, преимущественно вертолета с экипажем, выпускают, посредством лебедки 4, закрепленную одним концом гибкую связь (веревочную лестницу, трос, шланг и др.) 3.
Управляя, посредством гравитационного поля и комплекса технических средств, включая известные (штатные) средства маневрирования основного ЛА 1, положением в пространстве другого, свободного конца 5 гибкой связи 3, совмещают его (стыкуют известными автосцепками или обеспечивают досягаемую дистанцию до объектов-людей или объектов-животных) с объектом 7 взаимосвязи ЛА 1 и ЛА 2. Иначе говоря, совмещают координаты X*, Y*, Z* конца 5 с координатами X, Y, Z объекта 7 (см. фиг. 1).
Управление положением в пространстве свободного конца 5 гибкой связи 3 дополнительно осуществляют посредством управляемого маневрирования вспомогательного ЛА 2, предварительно (на борту ЛА 1) соединив ЛА 2 с гибкой связью 3 у ее свободного конца 5 (вблизи него на заданном из условия геометрического, маневрового удобства и безопасности функционирования).
В примере с «мультиагентной системой» (см. фиг. 2) параллельно гибкой связи 3 с присоединенным к ней вспомогательным ЛА 2, из основного ЛА 1 выпускают, по меньшей мере, еще одну гибкую связь - 10 с прикрепленным у ее свободного конца 11 вторым вспомогательным летательным аппаратом - ЛА 12, аналогичные упомянутым. После чего, дифференцированно управляя (динамика изменения координат Х1*, Y1*, Z1* и Х2*, Y2*, Z2*) всеми вспомогательными ЛА (2, 12, …), осуществляют независимую друг от друга последовательную или параллельную во времени взаимосвязь свободных концов (5, 11, …) с пространственно разнесенными (Х1, Y1, Z1 и Х2, Y2, Z2 соответственно) различными объектами взаимосвязи (7, 9, …) или фрагментами крупногабаритного объекта взаимосвязи (7, 9, …).
Таким образом, заявляется способ с весьма расширенными возможностями: с двойным (одновременно или последовательно) «наведением» конца 5 на «цель» - объект 7, соответственно, грубое (аппаратом 1) и точное (аппаратом 2) «наведение» (управление). При этом радиус действия ЛА 2 ограничен лишь длиной выпущенной гибкой связи 3 (не считая местных препятствий).
Это особенно важно и эффективно в условиях таких неблагоприятных эксплуатационных условиях, как удаленность объекта 7 от ЛА 1, внешние воздействия, включая ветер, затрудненная зачастую «геометрическая» доступность конца 5 к объекту 7 (ниши в скальных породах, окна высотных зданий и балконы) и нестабильность положения ЛА 1 в пространстве.
Существенно в оценке технического результата использования группы изобретений и еще два преимущества:
- возможна (см. фиг. 2) одновременная, к примеру, эвакуация двух и более живых существ (людей или животных) 7, 9 с равнинной местности 8, со скал, с водной поверхности и т.д., когда они рассредоточены в пространстве в пределах до десятков метров, использованием «пучка» гибких связей 3, 10, к концу 5, 11 каждой составляющей которого прикреплен индивидуальный дрон 2, 12 (так называемая «мультиагентная система» дронов 2, 12, …);
- в заявляемом предложении сохраняется возможность (технический результат) близкого аналога [15], поскольку ЛА 2 - квадрокоптер может выполнять и функцию ГГУ (блока вентиляторов - см. [15]), теперь уже как один из возможных эксплуатационных режимов (т.е. частный случай работы устройства) ЛА 2, - в повернутом на 90° положении в вертикальной плоскости, для стабилизации транспортируемого по воздуху аппаратом 1 груза (на чертежах не показано в связи ясностью словесного описания).
Предложенная группа изобретений (способ и устройство) технологически относительно проста, весьма доступна на текущем витке развития прогресса в авиации и в перспективе, представляется достаточно эффективной.
Таким образом, ее использование решает поставленную задачу при сохранении также функций прототипа.