УСТРОЙСТВО ВИБРОГАШЕНИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области техники автоматического управления и регулирования и касается систем стабилизации неустойчивых или склонных к неустойчивости объектов управления и может применяться в винтомоторных группах беспилотных летательных аппаратов (БЛА), которые являются источником повышенного уровня вибраций.
Для снижения частоты и амплитуды колебаний применяется комплекс решений:
- балансировка воздушных винтов;
- динамическая балансировка электромотора;
- увеличение жёсткости рамы БЛА.
Первые два решения тривиальны а максимальная жёсткость рамы достигается применением авиационных композитных материалов согласно расчётов инженеров-конструкторов на этапе проектирования БЛА с помощью симуляций нагрузок в профессиональном инженерном программном обеспечении.
Из уровня техники известны следующие решения.
Известно устройство для стабилизации и демпфирования слабодемпфированного неустойчивого или склонного к неустойчивости объекта управления, содержащее силовой стабилизирующий гироскоп, механически соединенный с шестистепенным объектом управления, систему задания и коррекции угловой ориентации, выходы которой подключены на входы приводов двух ортогональный пар газодинамических рулей. Силовой гироскоп выполнен в виде полностью или частично заполненного жидкой средой тороидального кольца, внутри которого установлены один или более циркуляционных насосов, а снаружи - одно или более устройств разгона и поддержания оптимального режима вращения, а на турбины насосов или внутреннюю поверхность тора установлена по меньшей мере одна гидродинамическая насадка для вихревой спиральной закрутки потока жидкой среды (патент РФ №2581787, опубликован 20.04.2016).
Также известна виброизолирующая опора (патент РФ 2289044, опубликован 10.12.2006), содержащая отрезки стального каната, являющегося элементами защиты агрегата от вибрации и ударных нагрузок. На авиадвигателе закреплена опорная пластина - нижняя, имеющая квадратную форму. По двум ее сторонам, расположенным под углом 90°, имеются выступы с поперечными выборками, к которым прижимаются концы каната при помощи накладок с выборками. Верхняя опорная пластина, закрепляемая на агрегате, снабжена ребрами с отверстиями, через которые пропущены отрезки стального каната, принимающего в рабочем состоянии кардиообразную форму с различно расположенными в пространстве упругими элементами. Количество упругих элементов в опорах изменяют для обеспечения условий плоскопараллельного перемещения защищаемого агрегата.
Наиболее близким аналогом патентуемого решения является демпфирующий узел, содержащий сферический демпфер, болт, контрящую гайку, держатель демпфера и крепежные болты. Комплект из сферического демпфера и держателя демпфера установлен с возможностью вращения в подшипниковой полости с помощью болта, который проходит через первое отверстие под болт, сферический демпфер и второе отверстие под болт соответственно. Болт демпфера крепится во втулке несущего винта с помощью контрящей гайки, которая навинчивается на болт демпфера, зажимая внутреннюю перегородку, ограничивающую подшипниковую полость (патент РФ №2117604, опубликован 20.08.1998).
Техническая проблема состоит в необходимости компенсации внешних возмущений, негативно влияющих на работу систем стабилизации беспилотных летательных аппаратов (БЛА), а также на качество изображения, получаемого с полезных нагрузок (гиростабилизированных платформ) и курсовой видеокамеры.
Проведение испытаний в полёте с использованием полезных нагрузок оснащённых цифровыми видеокамерами FullHD и 4K (с оптическим увеличением от 2 до 30 крат) привело к выводу, что максимальное качество изображения не возможно получить без применения дополнительных мер по виброгашению.
Первоочередной задачей для решения этой проблемы является разработка способов гашения внешних периодических возмущений, являющихся следствием кинематических воздействий на объект виброзащиты, вызывающих увеличение интенсивности его вынужденных колебаний.
Техническим результатом патентуемого решения является эффективное снижение интенсивности вибраций систем БЛА на более чем 95%. Хорошее поглощений вибраций значительно улучшило технические и эксплуатационные характеристики БЛА и полезных нагрузок:
- увеличилась дальность визуального распознавания объектов (с 50 до 200 метров);
- увеличилась четкость и стабильность изображения;
- увеличена надёжность и долговечность узлов полезных нагрузок;
- увеличен ресурс ВМГ (рабочая температура мотора снижена с 60 до 54 С0);
- увеличено полётное время (прирост составляет до 8%).
2
Заявленный технический результат достигается за счет конструкции устройства виброгашения беспилотного летательного аппарата, содержащего полый демпфер в форме сжатой призмы с шестигранным основанием, размещенной над основанием рамы БЛА и сообщающейся с одной стороны через трубку, проходящую через отверстие в основании рамы БЛА, с кольцевым фланцем, размещенным под рамой БЛА, выполненный из силикона плотностью 1,15 г/см, вязкостью по Муни ML, 40 ME и твердостью по Шору 62 А, с отверстиями в основаниях, в которые вставлена втулка, проходящая также через отверстия в основании рамы БЛА и основании полезной нагрузки БЛА и выполненная с двумя перегородками, одна из которых внутренняя и размещена внутри полости демпфера, другая – внешняя и размещена под кольцевым фланцем, при этом во втулке с обоих концов вставлены винты, при этом один винт зафиксирован во втулке со стороны фланца через основание полезной нагрузки, а другой – с противоположной стороны через шайбу, установленную на основании демпфера.
Далее решение поясняется ссылками на фигуры, на которых приведено следующее.
Фиг. 1 – вид в разборе и в разрезе устройства виброгашения беспилотного летательного аппарата.
Фиг. 2 – вид в разборе устройства виброгашения беспилотного летательного аппарата.
Фиг. 3 – общий вид в сборе устройства виброгашения беспилотного летательного аппарата.
Фиг. 4 – схема размещения демпферов согласно массе полезных нагрузок.
Устройства содержит полый демпфер в форме сжатой призмы 1 с шестигранным основанием, сообщающейся с одной стороны через трубку 3 с кольцевым фланцем 9. Трубка 3 проходит через отверстие 4 в основании рамы 2 БЛА, при этом фланец 9 размещается под рамой, а сжатая призма 1 – над рамой.
2
Демпфер выполнен из силикона со следующими характеристиками: плотность 1,15 г/см, вязкость по Муни ML, 40 ME и твердость по Шору 62 А.
Через отверстия в основаниях демпфера вставлена втулка 5, проходящая также через отверстие 4 в основании рамы БЛА и отверстие 6 в основании полезной нагрузки  13 БЛА. Втулка 5 выполнена с двумя перегородками, при этом перегородка 7 - внутренняя и размещена внутри полости демпфера, перегородка 8 – внешняя и размещена под кольцевым фланцем.
Втулка выполнена из титана, основания рамы и полезной нагрузки – из карбона.
Устройство фиксируется на раме БЛА посредством винтов, вставленных обоих концов втулки. Винт 12 зафиксирован во втулке со стороны фланца через основание полезной нагрузки 13, а винт 11 – с противоположной стороны через шайбу 10, установленную на основании демпфера. Винты, как и втулка, выполнены из титана, а шайба – из карбона.
Экспериментальным путём было выявлено, что система «гексакоптер-полезная нагрузка» входит в резонанс при вращении двигателей от 4120 до 5060 об/минуту (от 68 до 84Гц).
Для проведения испытаний различных комбинаций составов вибропоглощающих материалов на вибростенде использовались следующие виды вибраций:
- вибрации с постоянной частотой. Оборудование испытывается на вибростенде с длительным воздействием вибрации одной частоты с плавным переходом на другую;
-  вибрации с плавающей частотой. В этом виде испытаний частота вибраций изменяется, в соответствии с методикой, в случайном порядке;
-   комбинированные вибрации;
- записанные вибрации. Вибростенд генерировал колебания по заранее записанному воздействию согласно лог-файлу полётного контроллера.
В качестве основного материала для изготовления демпфера было выбрано три типа силикона с характеристиками, приведенными в Таблице 1.
Таблица 1. Характеристики силикона.
Тип №
Плотность,(г/см<sup>2</sup>)
Вязкость по Муни ML, (ME)
Твёрдость по Шору, (А)
Относительная остаточная деформация после сжатия 20% при температуре 200С<sup>0</sup> ,(%)
1
1,12
30
39
20
2
1,17
40
62
20
3
1,15
57
72
20
За основу форм для демпферов было принято 3 геометрические фигуры с круглым выступом в нижней части для фиксации в карбоновой пластине:
1. сфера (наиболее близкий аналог);
2. сжатая призма с шестигранным основанием;
3. додекаэдр.
Комплексное воздействие этих методов на разные конфигурации демпферов позволило определить оптимальную их форму и химический состав для гашения вибраций с резонансными частотами от 68 до 84Гц при оснащении БЛА полезными нагрузками массой от 300 до 4500 грамм.
Результаты тестов оценивались по показаниям переданных вибраций на электронные датчики (акселерометры) полётного контроллера. Образец демпферов формы сжатой призмы с шестигранным основанием из силикона типа №2 показал наилучший результат, погасив вибрации с 2G до 0,1G.
При смене полезной нагрузки следует учитывать изменение её массы. Для достижения наилучшего результата необходимо соблюдать рекомендации, приведённые на схемах размещения демпферов, приведенных на фиг. 4 (демпферы обозначены точками).