ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Полезная модель относится к области авиационной техники, и может быть использована в конструкции летательных аппаратов (ЛА), совмещающих возможности укороченного и вертикального взлета и посадки, полета на заданное расстояние в горизонтальном режиме по-самолетному и зависания в зоне интереса в режиме квадрокоптера.
Известны различные технические решения в рассматриваемой области.
В патенте US 3035789 A, МПК B64C 29/00, опубл. 22.05.1962 описан конвертоплан, содержащий фюзеляж, два ротор-винта, установленных на концах крыла, которое выполнено с возможностью поворота всего крыла вокруг оси, поперечной к фюзеляжу, в соответствии с выбранными условиями полета в вертолетном и самолетном режимах. Недостатком известной конструкции конвертоплана является использование цельного крыла, что усложняет его сборку и транспортирование.
Известен конвертоплан по патенту US 6367736, МПК B64C 27/22, B64C 29/00, опубл. 09.04.2002, в котором поворотными являются два полукрыла на соответствующих концах которых расположены ротор-винты. Использование полукрыльев упрощает сборку и транспортирование аппарата. Однако, известные конвертопланы с одним несущим крылом имеют общий недостаток, заключающийся в сложности управления аппаратом в переходном и вертолетном режимах.
Конвертоплан по патенту RU 128182 U1, МПК B64C 37/00, опубл. 20.05.2013, известный также как беспилотный летательный аппарат «Эра-100» (http://www.aviaport.ru/news/2014/03/14/278543.html), имеет два неподвижных разнесенных крыла, на концах консолей которых расположены четыре электродвигателя. Двигатели поворотные, что позволяет конвертоплану производить вертикальные взлет и посадку и совершать полет в горизонтальной плоскости относительно земли по-самолетному.
Известная конструкция обеспечивает повышение маневренности летательного аппарата на всех этапах полета, улучшение его устойчивости и аэродинамического качества, однако не обеспечивает взлет в более экономичном режиме по-самолетному.
Известен беспилотный аппарат с четырьмя поворотными двигателями по патенту RU 71960 U1, МПК B64C 39/00, B64C 29/00 опубл. 27.03.2008, содержащий свободнонесущее крыло, двигательную установку, состоящую из четырех поворотных двигателей, который принят в качестве прототипа. Двигатели расположены симметрично относительно оси аппарата, жестко соединены осями с планером и независимо работающие от единой системы управления. Центр масс аппарата находится симметрично между осями двигателей, система управления и элементы питания и привода двигательной установки равномерно занимают весь свободный объем свободнонесущего крыла, а полезная нагрузка размещается на поверхности крыла.
Недостатком ЛА по патенту RU 71960 U1 является сложность управления поворотов четырех независимых двигателей. Кроме того, нахождение задних двигателей в спутной струе передних двигателей приводит к повышенному шуму и снижению эффективности тяги задних двигателей.
Задачей, на решение которой направлено заявленное техническое решение, является создание летательного аппарата, совмещающего возможности укороченного и вертикального взлета и посадки, полета на заданное расстояние в горизонтальном режиме по самолетному и зависания в зоне интереса.
Технический результат, достигаемый при осуществлении предлагаемой полезной модели заключается в увеличении продолжительности и дальности полета, а также в упрощении управлением летательным аппаратом в переходном и вертолетном режимах.
Технический результат достигается тем, летательный аппарат, содержащий двигательную установку их четырех двигателей, расположенных симметрично оси аппарата, согласно полезной модели, содержит фюзеляж, хвостовую балку с хвостовым оперением, два тандемно расположенных с разносом по высоте относительно центра масс летательного аппарата крыла, каждое из которых выполнено в виде полукрыльев, два поворотных мотопилона, передний из которых расположен в носовой части фюзеляжа, а задний - в верхней части хвостовой балки, в качестве двигательной установки применены четыре винтомоторные группы с электрическим приводом с раздельным управлением, винтомоторные группы закреплены на концах мотопилонов, фюзеляж снабжен съемным шасси, отсек полезной нагрузки расположен в передней части фюзеляжа между крыльями, а соединения фюзеляжа с полукрыльями и хвостовой балкой выполнены разъемными.
Технический результат достигается также тем что:
фюзеляж выполнен в виде монокока;
на концах полукрыльев между лонжеронами нижних и верхних полукрыльев установлены стойки, а между нижней частью фюзеляжа и концами верхних полукрыльев расположены тросовые стяжки;
крылья снабжены закрылками;
шасси выполнено трехопорным и содержит переднюю и две задние стойки;
хвостовое оперение содержит два киля, установленных на концах стабилизатора, снабженного рулями высоты;
поворот винтомоторных групп осуществляют синхронно за счет передачи вращения на поворотные мотопилоны, при этом передние винтомоторные группы поворачивают на угол от 0° до 90°, а задние винтомоторные группы поворачивают на угол от 180° до 90°;
в режиме висения летательный аппарат управляется изменением тяги винтомоторных групп;
управление выполнено автоматическим.
Технический результат обеспечивается возможностью взлета и посадки по-самолетному при наличии взлетно-посадочной полосы (ВПП), вертикального взлета и посадки в режиме квадрокоптера при отсутствии ВПП, и полета в горизонтальном режиме по-самолетному.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, на которых представлены:
фиг. 1 - общий вид ЛА в режиме вертикального взлета;
фиг. 2 - вид спереди ЛА в режиме вертикального взлета;
фиг. 3 - вид ЛА сверху в режиме вертикального взлета;
фиг. 4 - вид ЛА сбоку в режиме вертикального взлета;
фиг. 5 - вид сбоку в режиме вертикального взлета с указанием места сечения А-А;
фиг. 6 - сечение А-А фюзеляжа на виде, представленном на фиг. 5;
фиг. 7 - общий вид ЛА в режиме горизонтального полета;
фиг. 8 - вид спереди ЛА в режиме горизонтального полета;
фиг. 9 - вид ЛА сверху в режиме горизонтального взлета;
фиг. 10 - вид ЛА сбоку в режиме горизонтального взлета.
На фиг. 1-10 введены обозначения:
1 - винтомоторная группа;
2 - нижнее полукрыло;
3 - верхнее полукрыло;
4 - закрылок;
5 - элерон полукрыла;
6 - фюзеляж;
7 - отсек полезной нагрузки;
8 - хвостовая балка с хвостовым оперением;
9 - руль высоты;
10 - киль;
11 - передняя стойка шасси;
12 - задняя стойка шасси;
13 - центр масс летательного аппарата;
14 - ось симметрии летательного аппарата;
15 - лонжерон полукрыла;
16 - узел поворота переднего мотопилона;
17 - узел поворота переднего заднего мотопилона;
18 - стабилизатор;
19 - стойка;
20 - тросовая стяжка;
21 - передний мотопилон;
22 - задний мотопилон.
Летательный аппарат, управление которым выполнено автоматическим, содержит фюзеляж 6, хвостовую балку 8 с хвостовым оперением, включающим два киля 10, установленных на концах стабилизатора 19, снабженного рулями высоты 9. Фюзеляж 6 выполнен в виде монокока. Нижнее и верхнее крылья выполнены в виде полукрыльев 2 и 3, которые снабжены закрылками 4 и элеронами 5 и расположены с разносом по высоте относительно центра масс 13 летательного аппарата, что обеспечивает, дополнительно к аэродинамическому управлению положением летательного аппарата в режиме по-самолетному, управление за счет разнотяговости винтомоторных групп 1. В частном варианте для придания жесткости на концах полукрыльев 2 и 3 между лонжеронами 15 нижних 2 и верхних 3 полукрыльев установлены стойки 19, а между нижней частью фюзеляжа 6 и концами верхних полукрыльев 3 расположены тросовые стяжки 20.
В качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы 1 с электрическим приводом с раздельным управлением, которые закреплены на концах поворотных мотопилонов 21 и 22 симметрично относительно оси симметрии 14 летательного аппарата и расположены от фюзеляжа и хвостовой балки на расстоянии, обеспечивающим безопасную работу винтомоторных групп 1. Передний мотопилон 21 расположен в носовой части фюзеляжа 6, а задний мотопилон 22 - в верхней части хвостовой балки 8. Увеличенный разнос передних и задних винтомоторных групп 1 обеспечивает улучшение управляемости ЛА по каналу тангажа за счет облегчения компенсации момента инерционной силы ЛА по тангажу.
В режиме вертикального взлета и посадки винты передних винтомоторных групп направлены вверх и отбрасывают воздух вниз, а винты задних винтомоторных групп направлены вниз и отбрасывают воздух вниз. Такое расположение двигателей обеспечивает удаление передних двигателей от поверхности земли, при этом задние винтомоторные группы не выходят за вертикальные габариты ЛА. В режиме горизонтального полета винты передних винтомоторных групп являются тянущими, а винты задних винтомоторных групп - толкающими.
Фюзеляж 6 снабжен съемным шасси, которое предпочтительно выполняется трехопорным и содержит переднюю 11 и две задние 12 стойки. Съемное шасси обеспечивает возможность запуска ЛА со стартовой установки. Для обеспечения стабильности центровки ЛА отсек 7 полезной нагрузки расположен в передней части фюзеляжа 6 между полукрыльями 2 и 3 вблизи центра масс. Соединения фюзеляжа 6 с полукрыльями и хвостовой балкой 8 выполнены разъемными, что упрощает хранение и транспортировку ЛА.
Поворот мотопилонов с винтомоторными группами осуществляют за счет передачи вращения на мотопилон 21 от узла поворота 16, расположенного внутри носовой части фюзеляжа, и на мотопилон 22 от узла поворота 17, расположенного внутри верхней части хвостовой балки. Передние винтомоторные группы поворачивают на угол от 0° до 90°, а задние винтомоторные группы поворачивают на угол от 180° до 90° в зависимости от режима полета. В режиме висения летательный аппарат управляется изменением тяги винтомоторных групп 1.
Для описания процесса функционирования ЛА целесообразно выделить следующие режимы работы: «Вертикальный взлет», «Висение 1», «Переходный режим 1», «Горизонтальный полет», «Переходный режим 2», «Висение 2», «Вертикальная посадка», «Взлет», «Посадка».
В режиме «Вертикальный взлет» ЛА стоит на земле, винтомоторные группы 1 за счет поворота мотопилонов 21 и 22 переведены в вертикальное положение. После запуска всех двигателей и превышения тяги воздушных винтов веса ЛА, он взлетает с нулевой поступательной скоростью. Управление и стабилизация ЛА производится за счет разнотяговости винтомоторных групп 1, как в квадрокоптерах.
В режиме «Висение 1» ЛА висит в воздухе на заданной высоте с нулевой вертикальной и заданной поступательной скоростями. Необходимое перемещение на установленной высоте осуществляется наклоном ЛА в соответствующую сторону за счет разнотяговости винтомоторных групп 1.
В режиме «Переходный режим 1» ЛА переходит из режима «Висение 1» в режим «Горизонтальный полет» и набирает скорость, необходимую для горизонтального полета. Винтомоторные группы 1 переводятся из вертикального в горизонтальное положение. Управление - смешанное: за счет разнотяговости винтомоторных групп 1 и аэродинамическое за счет элеронов 5 крыльев и рулей высоты 9.
В режиме «Горизонтальный полет» подъемная сила создается крыльями за счет набегающего скоростного потока воздуха. Управление ЛА - аэродинамическое за счет элеронов 5 крыльев и рулей высоты 9.
В режиме «Переходный режим 2» ЛА переходит из режима «Горизонтальный полет» в режим «Висение 2» и снижает поступательную скорость до нуля. Винтомоторные группы 1 переводятся из горизонтального в вертикальное положение. Управление - смешанное: за счет разнотяговости винтомоторных групп 1 и аэродинамическое за счет элеронов 5 крыльев и рулей высоты 9.
В режиме «Висение 2» ЛА висит в воздухе на заданной высоте с нулевой вертикальной и заданной поступательной скоростями. Необходимое перемещение на установленной высоте осуществляется наклоном ЛА в соответствующую сторону за счет разнотяговости винтомоторных групп 1.
В режиме «Вертикальная посадка» ЛА приземляется с нулевой поступательной скоростью.
В режиме «Взлет» винтомоторные группы 1 расположены горизонтально. ЛА взлетает по-самолетному за счет подъемной силы крыльев. Управление ЛА -аэродинамическое.
В режиме «Посадка» винтомоторные группы 1 расположены горизонтально. ЛА приземляется по-самолетному, управление - аэродинамическое.
Таким образом, ЛА с винтомоторными группами, установленными на поворотных мотопилонах, обеспечивает большую продолжительность полета по-самолетному и возможность вертикального взлета и посадки, как в квадрокоптерах.