Воздухоплавательный аппарат
AEROSTAT

Предлагаемое изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). В России интерес к воздухоплавательным аппаратам особый: стоит задача активного освоения 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 запасом мощности и электроэнергии, повышенной модульностью и легко разбираемой на фрагменты, ибо дальнейшая транспортировка груза и самого летательного аппарата после экстренной посадки, может осуществляться на других видах транспорта.
Кроме проблемы доставки груза в районы Крайнего Севера существует и другая не менее важная проблема - обслуживание существующих и строящихся объектов, дорог, трубопроводов и портов, а также потребностей погранзастав. Многообразие задач и их непредсказуемость затрудняют разработку программ для полета воздухоплавательных аппаратов в автоматическом режиме, - предпочтительно при небольших перелетах переходить на ручное управление воздухоплавательными аппаратами и иметь возможность перевозить кроме груза и людей в объеме взвода или отделения, а также бригады при работе вахтенным способом. Для выполнения таких задач необходимы небольшие маневренные и безопасные летательные аппараты с возможностью ручного управления.
Воздухоплавательный аппарат «местного» значения для оперативного обслуживания существующих и строящихся объектов с плановыми и экстренными задачами должен обладать высокой маневренностью, неприхотливостью и простотой его обслуживания. Расстояния между ближайшими «местными» объектами могут составлять сотни и тысячи км. В связи с этим воздухоплавательный аппарат должен иметь кроме батарей и возобновляемый источник энергии.
Вес перевозимого груза должен быть компенсирован подъемной силой газовой гондолы при условии, что аппарат будет плавно снижаться при выключенных движителях.
Если повреждена гондола, то капсула с людьми и самописцами параметров мультикоптера должна отделяться и плавно опускаться с помощью парашютной системы.
Данное изобретение посвящено созданию воздухоплавательного аппарата для перевозки груза и людей с ручным управлением и в режиме автопилота.
За основу мультикоптера принята конструкция беспилотного дрона из множества существующих.
В настоящее время использование беспилотников приобрело массовое распространение. Военные БПЛА используют для разведки, корректировки огня и нанесения ударов, 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 радиоактивного 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 воздухоплавательного аппарата не большой груподьемности, высокой маневренности, неприхотливого способного перевозить людей и 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 мАч. Его хватит всего на 12 минут полета. Для повышения грузоподъемности квадрокоптера большинство его элементов выполняется из легких углепластов, а крыло заполняется гелием. Желательно, чтобы квадрокоптер длительное время парил в воздухе без включения движителей или медленно опускался и садился без повреждений.
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 акселерометров), 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 воздушную ситуацию по пути следования.
Для обеспечения поставленных задач, а также определения 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://www.findpatent.ru/patent/258/2581971.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 близкую 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 людей и груза, поэтому воздухоплавательный аппарат должен обладать достаточной 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 тоже группами, при этом энергия на аппаратах не должна отсутствовать ни минуты. (оживить технику при экстренной посадке потом будет затруднительно). Каждый воздухоплавательный аппарат должен иметь значительный резерв по мощности и запасам электроэнергии.
Тактически наша задача решается следующим образом: вес груза компенсируется емкостями с легким газом. Воздухоплавательный аппарат состоит из мультикоптера, гондолы, капсулы АСУ, батарейного отсека и системы ориентации и слежения. Основные отличия состоят в следующем: в передней части гондолы эллипсоидальной формы расположена капсула с куполом обзора и парашютной системой, которая предназначена для нахождения и спасения при аварии приборов управления, экипажа и пассажиров, самописцев работы мультикоптера, в средней части аппарата на корпусе гондолы находится солнечная батарея, а в хвостовой части аппарата расположены два ветряка с вихрепреобразователями, турбинами и электрогенераторами, между ветряками находится батарейный отсек, под гондолой находится опорная плита с захватами грузового контейнера, а на раме мультикоптера закреплены приборы космической навигации и ориентации на местности.
Важной особенностью воздухоплавательного аппарата является изменение формы гондолы в зависимости от скорости ветра и лобового сопротивления аппарата. Для чего в центре гондолы на опорной плите установлен пневмодомкрат раздвижности и амортизации.
При встречном ветре со скоростью более 5 м/сек гондола превращается в плоский эллипсоид, а при попутном ветре приближается к шарообразной форме. При ветреной погоде большинство движителей работает как маршевые двигатели перемещения на преодоление сопротивления воздушного потока и увеличения скорости полета.
Предлагается конструкция воздухоплавательного аппарата:
на фиг. 1 представлен вид на аппарат сверху, на фиг. 2 - вид на аппарат спереди с разрезом.
Воздухоплавательный аппарат состоит: 1 - батарейный отсек, 2 - ветряк с вихрепреобразователем и турбиной, 3 - электрогенератор, 4 - электродвижитель с обтекателем -5, 6 - солнечная батарея, 7 - корпус гондолы, 8 - капсула с АСУ, пультом ручного управления, летчиком-оператором, пассажирами и парашютной системой, 9 - купол обзора, 10 - рама мультикоптера, 11 - пневмодомкрат раздвижности и амортизации, 12 - опорная плита, 13 - захваты грузового контейнера, 14 - газовые камеры.
Данный мультикоптер может иметь различное количество движителей в зависимости от поставленных задач. Гондолы могут быть тоже несколько типов.
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 прочность в 50 раз превышающую прочность стали.
Углеродные тонкие пленки, нанесенные путем напыления на стенки газовых камер изнутри, предохраняют от утечки газа.
Для создания подьемной силы, компенсирующий вес груза, используется гелий.
Управляется воздухоплавательный аппарат летчиком - оператором или в режиме автопилота по программе бортового компьютера и ориентирующегося по координатам системы «Глонас», при этом производится постоянное наблюдение и коррекция курса диспетчерской службой, а также запись параметров полета самописцами.
Воздухоплавательный аппарат может быть использован и в степях Казахстана и пустынях Средней Азии и Монголии, а также в погранвойсках по всему периметру России для наблюдений и перевозки грузов и людей.
ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ
1. Современные системы очистки газовых выбросов, www.coolreferat.com.
2. Патент РФ 2420425.
3. bp-la.ru/primenenie-bespilotnyx-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. 56-58.
9. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнисты материалы. М., Высшая школа, 2004.
10. http: highpol.com.
11. http:newchemistry.ru