САМОЛЕТ ДЛЯ ВОЗДУШНОГО МОНИТОРИНГА СОСТОЯНИЯ ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использована в качестве беспилотного летательного аппарата для воздушного мониторинга состояния окружающей среды.
Известен беспилотный летательный аппарат, содержащий фюзеляж, выполненный из корпуса и балки, хвостовое оперение, закрепленное на одном конце балки, а на другом ее конце установлен корпус фюзеляжа, одно крыло, установленное в верхней части корпуса, силовую установку, установленную над крылом и снабженную винтом, расположенным перед крылом, причем корпус выполнен выступающим вперед относительно крыла, средство для беспилотного управления и, по меньшей мере, одно средство для мониторинга окружающей среды, установленные в корпусе. (RU, №89071, U1, B64C 29/02, опубл. 27.11.2009).
Это устройство выполнено по аэродинамической схеме однофюзеляжного моноплана, причем корпус выполнен в виде гондолы, а винт выполнен тянущим.
Устройство также имеет парашют, надувной буфер, пилон, посадочные огни и зуммер. Летательный аппарат выполнен с высокорасположенным крылом, которое представлено в виде двух полукрыльев, гребенки которых зафиксированы в обойме в верхней части гондолы с помощью двух металлических штырьков. Полукрылья снабжены элеронами, которые размещены по задней кромке полукрыльев со стороны их сопряжения с гондолой. Балка закреплена по продольной оси летательного аппарата на гондоле. Стабилизатор хвостового оперения состоит из двух съемных консолей. Рулевые машинки, управляющие элеронами и стабилизатором, расположены на одной плате в верхней части гондолы. Парашют и надувной буфер расположены в нижней части гондолы и закрыты крышкой, соединенной с рулевой машинкой, установленной в нижней части гондолы. Бортовое радиоэлектронное оборудование включает в себя функционально связанные средство для беспилотного управления, размещенное в верхней части гондолы с приемопередающей антенной, закрепленной в верхней части киля хвостового оперения, и трубку приемника воздушного давления, которая установлена спереди верхней части гондолы, направлена против потока и выступает на 10÷20 мм. Средства для мониторинга окружающей среды - аппаратура полезной нагрузки, являются сменными и размещены во внутренних полостях полукрыльев. Посадочные огни установлены спереди и сзади гондолы, зуммер закреплен в носу нижней части гондолы. Силовая установка размещена на пилоне на верхней части гондолы, там же установлена рулевая машинка управления двигателем.
Ограничениями этого технического решения являются:
во-первых, размещение средств для мониторинга окружающей среды во внутренних полостях полукрыльев, что значительно ограничивает геометрические размеры полезной нагрузки, а, следовательно, и состав используемых средств мониторинга;
во-вторых, посадка беспилотного летательного аппарата осуществляется с помощью парашюта, что не гарантирует сохранности средства для беспилотного управления, а также средств для мониторинга окружающей среды во всем диапазоне условий эксплуатации летательного аппарата.
Поскольку устройство выполнено по аэродинамической схеме однофюзеляжного моноплана, то для создания высокой подъемной силы требуется большой размах крыла, что очень существенно при ограничении прочностных характеристик используемых материалов, особенно для легких самолетов.
Наиболее близким для заявленного устройства является самолет, содержащий фюзеляж, выполненный из корпуса и балки, хвостовое оперение, закрепленное на одном конце балки, а на другом ее конце установлен корпус фюзеляжа, два крыла - нижнее и верхнее, расположенные одно над другим и связанные между собой стойками, шасси, вертикальную стойку, соединенную с балкой, и силовую установку, установленную на вертикальной стойке и выполненную с толкающим винтом, расположенным позади крыльев над балкой, причем корпус выполнен выступающим вперед относительно крыльев (SU, №1762747, A3, опубл. 15.09.1992).
Преимуществом этого устройства перед предыдущим, является большая площадь крыльев и подъемная сила при меньшем размахе крыла, что очень существенно при Недостатке прочности. Тем более, что увеличению прочности способствует возможность использовать замкнутые рамные конструкции из верхней и нижней плоскостей крыльев. Недостатком является повышенное аэродинамическое сопротивление. Биплан был очень популярен на заре авиации.
В этом устройстве корпус выполнен в виде кабины пилота, расположенной между нижним и верхним крылом.
Ограничением известного устройства для использования в качестве беспилотного управляемого аппарата являются:
- корпус фюзеляжа - пилотская кабина обладает значительным лобовым сопротивлением, отрицательно влияющим на скорость (дальность), высоту и длительность полета;
- толкающий винт частично находится в аэродинамической тени корпуса фюзеляжа, что порождает переменную нагрузку на его лопасти и влечет за собой как снижение эффективности движителя, так и дополнительную вибрацию крыльев и конструкции самолета в целом, что уменьшает надежность и долговечность.
Решаемая полезной моделью задача - улучшение технико-эксплуатационных характеристик при исполнении устройства беспилотным, т.е. управляемым, например, радиотехническими средствами с наземной поверхности.
Технический результат, который может быть получен при выполнении полезной модели, - увеличение скорости, дальности, высоты и длительности полета, а также увеличение надежности и срока эксплуатации.
Для решения поставленной задачи с достижением указанного технического результата в известном самолете, содержащем фюзеляж, выполненный из корпуса и балки, хвостовое оперение, закрепленное на одном конце балки, а на другом ее конце установлен корпус фюзеляжа, два крыла - нижнее и верхнее, расположенные одно над другим и связанные между собой стойками, шасси, вертикальную стойку, соединенную с балкой, и силовую установку, установленную на вертикальной стойке и выполненную с толкающим винтом, расположенным позади крыльев над балкой, причем корпус выполнен выступающим вперед относительно крыльев, согласно заявленному устройству введены средство для беспилотного управления и, по меньшей мере, одно средство для мониторинга окружающей среды, установленные в корпусе, а корпус установлен под нижним крылом.
Возможен дополнительный вариант выполнения устройства, в котором целесообразно, чтобы корпус был выполнен эллипсоидообразным.
Указанные преимущества, а также особенности настоящей полезной модели поясняются лучшим вариантом ее выполнения со ссылками на прилагаемый чертеж.
Фигура схематично изображает заявленный самолет.
Самолет (фиг.) содержит фюзеляж 1, выполненный из корпуса 2 и балки 3. Хвостовое оперение 4 закреплено на одном конце балки 3, а на другом ее конце установлен корпус 2 фюзеляжа 1. Устройство имеет два крыла - нижнее 5 и верхнее 6, расположенные одно над другим и связанные между собой стойками 7. Шасси 8 состоит из носовой опоры и основных опор. Вертикальная стойка 9 соединена с балкой 3. Силовая установка 10 установлена на вертикальной стойке 9 и выполнена с толкающим винтом 11, расположенным позади крыльев 5, 6 над балкой 3. Корпус 2 фюзеляжа 1 выполнен выступающим вперед относительно крыльев 5 и 6.
Введены средство 12 для беспилотного управления и, по меньшей мере, одно средство 13 для мониторинга окружающей среды, установленные в корпусе 2. Корпус 2 установлен под нижним крылом 5.
В дополнительном варианте выполнения устройства корпус 2 выполнен эллипсоидообразным (фиг.)
На фигуре также показаны: лонжероны 14, носовая стойка 15 и основные опоры 16 (рессорные) шасси 8, киль 17 с рулем 18 направления и стабилизатор 19 с рулем 20 высоты хвостового оперения 4 (нормальной схемы), тяга 21 управления, элерон 22 нижнего крыла 5.
Самолет (фиг.) функционирует следующим образом.
Работа самолета при разбеге, полете и посадке осуществляется подобно ближайшему аналогу, поскольку функциональная схема и его основные функциональные узлы не изменены. Управление самолетом осуществляется известными из уровня техники, например, радиотехническими средствами по каналу телеметрии за счет введения в корпус 2 средства 12 для беспилотного управления. Средство 12 при помощи его элементов автоматики управляет всеми элементами, служащими для управления самолетом: включением силовой установки 10 с толкающим винтом 11, при помощи тяги 21 управления килем 17 с рулем 18 направления и стабилизатором 19 с рулем 20 высоты хвостового оперения 4, а также элероном 22.
В качестве средства 13 для мониторинга окружающей среды могут служить различные устройства: аппаратура взятия проб воздуха, анализаторы состава атмосферы, видео и фотоаппаратура, аппаратура радиационного контроля.
За счет расположения корпуса 2 под нижнем крылом 5 удается значительно уменьшить лобовое сопротивление, при этом толкающий винт не находится в аэродинамической тени корпуса 2 фюзеляжа 1, что увеличивает эффективность движителя и исключает вибрацию крыльев 5, 6. Дополнительно снижение аэродинамического сопротивления достигается за счет выполнения корпуса 2 эллипсоидообразным (т.е. не обязательно в виде симметричного относительно своих осей эллипсоида).
Прогнозируемые летно-технические характеристики заявленного самолета представлены в табл.1.
Таблица 1
Наименование
Ед. изм.
Заявленное устройство
Площадь крыла
м<sup>2</sup>
14,29
Размах крыла
м
8,11
Длина
м
5,32
Высота на стоянке
м
2,25
Максимальная взлетная масса
кг
600
Масса топлива
кг
140
Масса целевой нагрузки
кг
150
Крейсерская скорость полета
км/час
160-200
Скорость отрыва/посадки
км/час
70-75
Минимальная рабочая скорость
км/час
90
Взлетная дистанция
м
250
Практический потолок
м
6200
Дальность полета
км
1000
Продолжительность полета
час
8-12
Двигатель
Ротакс-914
Мощность у земли
л.с.
115
Заявленный самолет за счет средств 13 для мониторинга окружающей среды позволяет осуществлять мониторинг объектов инфраструктуры топливно-энергетического комплекса (ТЭК), а также воздушный экологический мониторинг. Для этого можно осуществлять многоспектральную цифровую аэросъемку объектов ТЭК в видимом и инфракрасном диапазоне, и последующую автоматизированную компьютерную обработку полученных изображений.
Для выполнения указанных выше задач средствами 13 могут являться (Таблица 2):
Таблица 2
Габариты (мм)
Масса (кг)
Потр. мощность (Вт)
Строчная двухспектральная камера
200×200×450
5,5
90
Датчик углового положения
⌀110×97,4
1,4
20
Устройство вычислительно-навигационное (включая автопилот)
300×226×160
4,9
80
Навигационная антенна
120×74×71
0,3
Бортовой регистратор
198×153×95
2,0
15
Система радиовысотомерная
68×228×400
6,5
50
Абонентский терминал Qualcomm GSP2800
750×80×210
3,3
25
Приемник возд.давлений
015×200
0,15
30
Блок управления рулевыми машинками
243×202×85
2,0
12
Рулевые машинки (×5 шт)
88×62×31 каждая
0,35 каждая
не более 90
Растровая телекамера взлета-посадки
100×100×280
1,0
15
Радиолиния взлета посадки
105×53×115
0,85
10
Антенна радиолинии
130×53×198
0,7
Лазерный дальномер 1Д30
164×80×141
1,5
3,0
Аварийный радиомаяк
102×60×32
1,0 с батареей
«Черный ящик»
155×145×140
2,0
15
«Контрольный ящик»
100×150×50
0,7
8
Блок питания и коммутации
300×251×171
8
Итого
42
463
Учитывая, что средства 12 и 13 должны быть размещены внутри корпуса 2 на несущих каркасах и соединены кабельными связями, их суммарный вес следует увеличить до 80%, что позволяет предполагать, что полный вес оснащения самолета для осуществления мониторинга составит не более 80 кг. Кроме того, габариты корпуса 2 по сравнению с пилотным вариантом самолета могут быть уменьшены в 2,0÷2,5 раза.
Оборудование наземного пункта должно включать в себя рабочее место оператора обработки данных мониторинга и рабочее место оператора взлета-посадки и технического обслуживания самолета.
Оборудование рабочего места оператора обработки данных мониторинга может включать в себя:
- персональный компьютер с сетевым модемом для обработки и топопривязки полученной с бортового регистратора информации, а также для формирования базы данных мониторинга, ее анализа и выдачи результатов;
- сканнер для оперативного ввода картографической информации;
- абонентский терминал Qualcomm GSP2800;
- телефонный терминал.
Оборудование рабочего места оператора взлета-посадки и технического обслуживания самолета может включать в себя:
- видеомонитор и терминал управления влетом и посадкой, связанные с наземным оборудованием взлета-посадки;
- терминал предполетного контроля и диагностики, подключаемый проводными коммуникациями к «контрольному ящику» беспилотного самолета, когда тот находится в режиме предполетной подготовки или технического обслуживания;
- антенну радиолинии взлета-посадки.
Кроме того, наземный пункт может иметь:
- аппаратуру для подключения к сети общего пользования или к автономному источнику энергоснабжения мощностью порядка 4-х КВА по сети 220 В, 50 Гц;
- мобильное помещение (надувной ангар или палатка размером 3×4 м);
- автотранспортное средство класса «Газель» для транспортировки мобильного помещения, оборудования наземного пункта и ЗИПа к нему и к самолету.
Заявленный самолет для воздушного мониторинга окружающей среды с использованием технических средств 12 и 13 позволяет обеспечить контроль состояния разнообразных объектов.
Наиболее успешно заявленный самолет для воздушного мониторинга состояния окружающей среды промышленно применим в различных отраслях и позволяет предупреждать аварийные ситуации на объектах инфраструктуры, уменьшать потери продукта нефте- и газопроводов из-за утечек или незаконного отбора, контролировать исправность железнодорожных путей, автомагистралей, ЛЭП, контролировать сбросы промышленных и бытовых стоков, состояние лесных и сельских угодий, обнаруживать, например, даже мелкие очаги возгораний на торфяниках и источники радиационного заражения.