Летательный аппарат

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности, к летательным аппаратам (ЛА), совмещающим возможности укороченного и вертикального взлета и посадки, полета на заданное расстояние в горизонтальном режиме по-самолетному и зависания в зоне интереса в режиме квадрокоптера. Летательный аппарат содержит фюзеляж, хвостовую балку с хвостовым оперением, два тандемно расположенных крыла, каждое из которых выполнено в виде полукрыльев, два поворотных мотопилона, на которых установлены винтомоторные группы, и отсек с полезной нагрузкой. Крылья расположены с разносом по высоте относительно центра масс ЛА. В качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы с электрическим приводом с раздельным управлением. Винтомоторные группы закреплены на поворотных мотопилонах симметрично относительно оси ЛА. 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°. 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 заключается в увеличении продолжительности и дальности полета ЛА. 8 з.п. ф-лы, 10 ил.

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.

1. Летательный аппарат, содержащий двигательную установку из четырех двигателей, расположенных симметрично оси аппарата, отличающийся тем, что он 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.

2. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что фюзеляж выполнен в виде монокока.

3. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на концах полукрыльев между лонжеронами нижних и верхних полукрыльев установлены стойки, а между нижней частью фюзеляжа и концами верхних полукрыльев расположены тросовые стяжки.

4. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что крылья снабжены закрылками.

5. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что шасси выполнено трёхопорным и содержит переднюю и две задние стойки.

6. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что хвостовое оперение содержит два киля, установленных на концах стабилизатора, снабженного рулями высоты.

7. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что поворот винтомоторных групп осуществляют синхронно за счёт 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°.

8. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в режиме висения летательный аппарат управляется изменением тяги винтомоторных групп.

9. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что управление выполнено автоматическим.

РИСУНКИ