Преобразуемый вертолет
Предлагаемое техническое решение полезной модели относится к области авиации, в частности, к вертолетостроению и направлено на создание сверхлегких вертолетов, включая и беспилотные с дистанционным управлением. Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание вертолета, базовая конструкция которого позволяет реализовать на ее основе, как пилотируемый одноместный вертолет, так и вариант вертолета с дистанционным управлением. Указанный технический результат достигается тем, что в известном вертолете, содержащим фюзеляж преимущественно балочно-рамной конструкции, к которому закреплены двигатель, редуктор с соосными валами взаимопротивоположного вращения со смонтированными на них несущими винтами, топливный бак, расположенный в центре массы вертолета, шасси, сидение и органы управления, последний выполнен с возможностью использования его как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах, для чего в конструкции рамы, преимущественно ее носовой части, применены сменные элементы, формирующие внешние обводы, а сидение и органы управления выполнены съемными, при этом редуктор с соосными валами оснащен смонтированными на нем и кинематически взаимосвязанными между собой рычажно-вращательными устройствами управления углами установки лопастей несущих винтов и взаимодействующих с упомянутыми устройствами электромеханическими рулевыми приводами, кроме того, в управление вертолетом введен бортовой вычислитель/компьютер, входы которого в диалоговом/цифровом режиме сопряжены с блоком приема/передачи управляющих сигналов траекторным полетом вертолета, а выходы соединены с блоком управления электромеханическими рулевыми приводами, причем в пилотируемом варианте сменные элементы рамы выполнены в виде как минимум двух дуг безопасности, установленных в плоскости, близкой к продольной плоскости
симметрии вертолета, и устройства для опоры ног пилота, а органы управления применены электродистанционного типа, в беспилотном варианте сменные элементы рамы выполнены в виде пространственного каркаса с обшивкой, изготовленной, преимущественно, по типу быстросъемных панелей для доступа во внутренний объем каркаса, который оснащен узлами для крепления радиоэлектронного оборудования; рычажно-вращательные устройства состоят из двух подвижных в осевом направлении автоматов перекоса и ползуна, на котором установлен один из них, при этом ползун оснащен вращающимся кольцом со смонтирбванным на нем двуплечим коромыслом, посредством которого упомянутый автомат перекоса соединен с поводком управления углом установки лопасти соответствующего несущего винта, а сам ползун установлен на корпусе редуктора и удерживается в рабочем положении системой рычагов, соединенных с электромеханическими рулевыми приводами.
Предлагаемое техническое решение полезной модели относится к области авиации, в частности, к вертолетостроению и направлено на создание сверхлегких многоцелевых вертолетов, включая и беспилотные с дистанционным управлением.
Известно множество вертолетов аналогичного типа, описанных в патентах как, например: Великобритании по кл. В 64 С 27/10 за №2384224 от 07.02.2001 г., США по кл. В 64 С 29/00 за №6270038 от 22.04.1999 г., Японии по кл. В 64 С 39/02 за №3170621 от 09.08.1996 г.
По совокупности отличительных признаков наиболее близким является техническое решение вертолета по патенту WO 3091099 от 25.04.2003 г., который принят за прототип.
В известном техническом решении вертолет выполнен по соосной схеме несущих винтов. Фюзеляж балочно-рамной конструкции L-образной конфигурации. На раме фюзеляжа закреплен двигатель, шасси, редуктор с валами взаимно противоположного вращения, на которых смонтированы несущие винты. Передача мощности от двигателя на валы редуктора выполнена ременным приводом.
Топливный бак расположен в районе центра массы вертолета.
Сидение пилота и органы управления вертолетом расположены в передней части рамы фюзеляжа, при этом, управление по крену и тангажу осуществляется за счет наклона оси соосных несущих винтов, управление, обеспечивающее перемещение вертолета по высоте полета, осуществляется за счет изменения скорости вращения несущих винтов, а для путевого управления вертолетом предусмотрены вертикальные поверхности, установленные на задней части рамы фюзеляжа.
Для улучшения балансировки вертолета предусмотрен балластный бак, вынесенный вперед по полету и закрепленный консольно к передней части рамы фюзеляжа.
Проблемными вопросами вертолетов подобного класса и прототипа, в частности, являются сложности приспособления базовой конструкции вертолета, под которой понимается: фюзеляж, несущая система и система управления вертолетом, к использованию упомянутой базовой конструкции как в пилотируемом, так и беспилотном вариантах применения вертолета. К таким проблемным вопросам в первую очередь относится:
- совместимость систем управления упомянутых вариантов вертолетов;
-сложность компоновочного решения полезных объемов, включая рабочее место пилота, исходя из условия обеспечения необходимой балансировки и центровки упомянутых вариантов вертолетов;
- компактности габаритов вертолета для обеспечения его мобильной транспортировки.
В техническом решении прототипа система управления траекторным полетом вертолета выполнена разнородными и кинематически не связанными друг с другом агрегатами, что затрудняет гармонически сбалансировать управление вертолетом по каждому из каналов, а на малых и околонулевых скоростях полета делает эту задачу практически невозможной, в частности, по каналу путевого управления.
Такая структура контура управления вертолетом, когда имеет место неопределенность в идентификации его поведения на отдельных режимах полета, и распознавание которых и последующее влияние на динамику вертолета на этих режимах связаны только с субъективными действиями пилота, не позволяет реализовать в необходимом объеме для обеспечения устойчивости полета математическую модель динамики управления вертолетом для создания на ее основе алгоритма дистанционного управления полетом.
Другим недостатком прототипа является его компоновочное решение, не обеспечивающее необходимый диапазон центровок вертолета в прогнозируемых условиях его эксплуатации и требующее наличие балластного груза.
Кроме того, сама конфигурация вертолета, его габариты и архитектура достаточно громоздка и не отвечает критериям мобильности для его транспортировки.
Задачей, на решение которой направлено предлагаемое техническое решение, является создание вертолета, базовая конструкция которого позволяет реализовать на ее основе, как пилотируемый одноместный вертолет, так и вариант вертолета с дистанционным управлением.
Технический результат от реализации заявленной полезной модели заключается в создании унифицированной системы управления вертолетом и модифицируемой конструкции его фюзеляжа под вышеупомянутые варианты применения вертолета, а так же повышенной устойчивости полета в ожидаемых условиях эксплуатации и прогнозируемых спектрах профилей полета.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном вертолете, содержащем фюзеляж преимущественно балочно-рамной конструкции, к которому закреплены двигатель, редуктор с соосными валами взаимопротивоположного вращения со смонтированными на них несущими винтами, топливный бак, расположенный в центре массы вертолета, шасси, сидение и органы управления, последний выполнен с возможностью использования его как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах, для чего в конструкции рамы, преимущественно ее носовой части, применены сменные элементы, формирующие внешние обводы, а сидение и органы управления выполнены съемными, при этом редуктор с соосными валами оснащен смонтированными на нем и кинематически взаимосвязанными между собой рычажно-вращательными устройствами управления углами установки лопастей несущих винтов и взаимодействующих с упомянутыми
устройствами электромеханическими рулевыми приводами, кроме того, в управление вертолетом введен бортовой вычислитель/компьютер, входы которого в диалоговом/цифровом режиме сопряжены с блоком приема/передачи управляющих сигналов траекторным полетом вертолета, а выходы соединены с блоком управления электромеханическими рулевыми приводами, причем в пилотируемом варианте сменные элементы рамы выполнены в виде как минимум двух дуг безопасности, установленных в плоскости, близкой к продольной плоскости симметрии вертолета, и устройства для опоры ног пилота, а органы управления применены электродистанционного типа, в беспилотном варианте сменные элементы рамы выполнены в виде пространственного каркаса с обшивкой, изготовленной, преимущественно, по типу быстросъемных панелей для доступа во внутренний объем каркаса, который оснащен узлами для крепления радиоэлектронного оборудования; рычажно-вращательные устройства состоят из двух подвижных в осевом направлении автоматов перекоса и ползуна, на котором установлен один из них, при этом ползун оснащен вращающимся кольцом со смонтированным на нем двуплечим коромыслом, посредством которого упомянутый автомат перекоса соединен с поводком управления углом установки лопасти соответствующего несущего винта, а сам ползун установлен на корпусе редуктора и удерживается в рабочем положении системой рычагов, соединенных с электромеханическими рулевыми приводами.
Проведенный заявителем анализ уровня техники показал, что совокупность существенных признаков заявленного решения является новой и промышленно приемлемой для достижения указанного технического результата и соответствует условию патентоспособности полезной модели.
Техническое решение полезной модели поясняется чертежами, где:
на фиг.1 - показана базовая конфигурация вертолета;
на фиг.2 - редуктор несущих винтов со смонтированными на нем рычажно-вращательными устройствами;
на фиг.3 - структурная схема взаимодействия бортового вычислителя с органами управления траекторным полетом вертолета в различных его вариантах исполнения;
на фиг.4 - вертолет в пилотируемом варианте;
на фиг.5 - вертолет в беспилотном варианте.
Преобразуемый вертолет в базовой конфигурации содержит фюзеляж 1, выполненный балочно-рамной конструкции, центральная часть которого образована рамой 2, например пирамидальной формы. К фюзеляжу 1 закреплены двигатель 3, редуктор 4 с соосными валами 5, 6 взаимопротивоположного вращения, на которых установлены несущие винты 7, 8. Топливный бак 9 размещен в основании пирамидальной рамы 2 в районе центра массы вертолета. Посадочное шасси 10 выполнены, как пример, полозкового типа.
Управление траекторным полетом вертолета выполнено рычажно-вращательными устройствами, смонтированными на редукторе 4 и его валах 5 и 6. Состоят рычажно-вращательные устройства из двух автоматов перекоса 11, 12, установленных подвижно в осевом направлении и соединенных друг с другом тягами 13. Автомат перекоса 11 установлен на валу 5 и соединен тягами 14 с поводками 15 управления углом установки лопастями несущего винта 7.
В состав рычажно-вращательных устройств входит так же ползун 16, установленный на верхнем корпусе редуктора 4, на ползуне смонтирован автомат перекоса 12. Ползун 16 оснащен внешним вращающимся кольцом 17, на котором шарнирно закреплено двуплечее коромысло 18. Каждое плечо коромысла 18 шарнирно соединено тягой 19 с прилежащим автоматом перекоса 12, а тягой 20 с соответствующим поводком 21 управления углом установки лопастями несущего винта 8.
Ползун 16 и смонтированный на нем автомат перекоса 12 удерживаются в рабочем положении системой кинематически взаимосвязанных рычагов 22, 23, один из которых (рычаг 23) закреплен на
корпусе редуктора 4, а сами упомянутые рычаги соединены с рулевыми приводами 24 электромеханического типа.
Вышеизложенная система управления траекторным полетом решена комплексно единым агрегатом, в котором кинематически взаимосвязаны, без перекрестных связей, как управляющие, так и исполнительные устройства управления вертолетом по курсу, крену, тангажу и высоте полета.
Для обеспечения работы рулевых приводов 24 вертолет оснащен генератором 25 электрического тока, а в систему управления вертолетом введен бортовой вычислитель 26 (бортовой компьютер) для обеспечения оптимизации контура управления, сбалансированности его с динамическими особенностями вертолета.
Входы вычислителя 26 сопряжены в диалоговом/цифровом режиме с блоком 27 приема/передачи управляющих сигналов траекторным полетом вертолета с учетом коррекции бортовых датчиков 28 о динамических параметрах вертолета в реальном масштабе времени, а выходы соединены с блоком 29 управления электромеханическими рулевыми приводами 24.
Такая архитектура контура управления позволяет исключить неопределенность в управлении по каждому из каналов, формализовать структуру управления и обеспечить создание программного обеспечения на выполнение режима полета по прогнозируемым пространственным траекториям и как следствие - реализацию на базовой конструкции вертолета использование последнего как в пилотируемом, так и беспилотном вариантах.
В базовой конструкции фюзеляжа 1, преимущественно его носовой части, для применения вертолета в упомянутых вариантах, предусмотрена возможность введения сменных элементов, формирующих его внешние обводы.
В пилотируемом варианте (фиг.4) сменные элементы выполнены в виде как минимум двух дуг 30 безопасности, установленных в плоскости, близкой к продольной плоскости симметрии вертолета, и устройства 31 для опоры
ног пилота 32, которое закреплено к консольной части 33 пирамидальной рамы 2. Сидение 34 пилота закреплено с возможностью съема к передней стенке пирамидальной рамы 2 и оснащено ремнями безопасности.
Органы управления вертолетом выполнены электродистанционного типа и состоят, например, из двух рукояток 35, установленных с возможностью их съема на консольной части 33 пирамидальной рамы 2 с каждой стороны от пилота 32.
В беспилотном варианте вертолета (фиг.5) сменные элементы фюзеляжа выполнены в виде пространственного каркаса 36 с обшивкой, преимущественно изготовленной в виде быстросъемных панелей 37, обеспечивающих доступ во внутренний объем каркаса 36. Упомянутый каркас оснащен узлами 38 для крепления радиоэлектронного оборудования 39 как снаружи каркаса 36, так и внутри его (условно не показано). Для управления вертолетом в беспилотном варианте в состав бортового радиоэлектронного оборудования введена аппаратура 40 радиокомандной связи бортового вычислителя 26 с внешней (наземной) системой 41 управления траекторным режимом полета.
Вариативность организации рабочего места пилота 32 и размещение каркаса 36 с радиоэлектронным оборудованием выполнены так, что центр массы вертолета в каждом из упомянутых вариантов его применения не выходит за пределы допустимого диапазона центровок.
Ввод в эксплуатацию предлагаемой модели вертолета предусматривает, что первые вертолеты (опытные) изготавливаются в пилотируемом варианте. Пилотом 32 (испытателем) выполняется программа полетов по прогнозируемым профилям с оптимально выбранными пространственными траекториями. Результаты каждого полета записываются бортовым вычислителем 26 через блок 27 приема/передачи управляющих сигналов от органов управления 35, а так же показаний боровых датчиков 28 о динамики поведения вертолета и состояния окружающей среды.
Механика управления вертолетом заключается в следующем. При взлете, посадке или перемещения вертолета по высоте полета управляющий сигнал от рукояток управления 35 через блок 27 приема/передачи управляющих сигналов и бортовой вычислитель 26 подается в блок 29 управления электромеханическими рулевыми приводами 24. Отрабатывая управляющий сигнал, соответствующий рулевой привод 24 перемещает рычаг 22, который перемещает кинематически связанные с ним автомат перекоса 12 и соответственно посредством тяг 13 автомат перекоса 11 на одну и ту же величину хода перемещения. Автомат перекоса 11 и 12 через систему тяг 14 и 19, 20 воздействуют соответственно на поводки 15 и 21 управление углом установки лопастей несущих винтов 7 и 8, увеличивая или уменьшая их тягу.
Управление по курсу вертолета обеспечивается созданием разности моментов на несущих винтах 7 и 8, реализуемой по упомянутой цепи от органов управления (рукоятки 35) к соответствующему рулевому приводу 24, который перемещает рычаг 23 и кинематически связанные с ним ползун 16 со смонтированным на нем автоматом перекоса 12 и второй рычаг 22, который также кинематически связан с автоматом перекоса 12.
Подбором плеч рычагов 22 и 23 достигается опережающее автомат перекоса 12, а следовательно и автомат перекоса 11, перемещение ползуна 16 с коромыслом 18 на такую величину, что обеспечивается одинаковое по величине, но разное по направлению перемещение поводков 15, 21 управления углов установки лопастей несущих винтов 7 и 8, которое и приводит к созданию разности моментов на несущих винтах.
Управление вертолетом по тангажу и крену обеспечивается соответствующим наклоном автоматов перекоса 11, 12 от рукоятки управления 35 по упомянутой цепи.
В результате выполнения программы полетов по накопленной в бортовом вычислителе 26 базе данных формализуется работа пилота 32 и создается программное обеспечение оптимального управления вертолетом
по отработанным профилям полета, которое «зашивается» в бортовой вычислитель 26 серийных вертолетов.
Подобная технология важна при использовании вертолета в беспилотном варианте, управление которым осуществляется дистанционно и, как правило, без визуального контроля за объектом. А как показывает опыт эксплуатации вертолетов, для обеспечения устойчивого безопасного полета важно парировать ответную динамическую реакцию вертолета на управляющее воздействие уже в первые секунды после такого воздействия, а в отдельных случаях даже доли секунды (см. Э.А.Петросян, «Аэродинамика соосного вертолета», полигон-пресс, М. 2004, стр.463-467). Причем поведение вертолета на этом промежутке времени строго зависит от его динамических особенностей, в частности момента инерции и реакции на возникающие угловые скорости в виде момента демпфирования.
В беспилотном варианте вертолета оператор с внешнего (наземного) пункта управления 41 задает тот или иной профиль полета, который «зашит» в бортовой вычислитель 26. Программа управления траекторным полетом автоматически оптимально отрабатывает каждый его этап, обеспечивая устойчивость полета в каждой точке пространственной траектории.
Кроме того, и в пилотируемом варианте вертолета наличие бортового вычислителя 26 с программным обеспечением траекторного полета позволяет упростить технику пилотирования, «сглаживать» ошибки пилота и не допускать выхода вертолета в запредельные режимы полета.
1. Преобразуемый вертолет, содержащий фюзеляж преимущественно балочно-рамной конструкции, к которому закреплены двигатель, редуктор с соосными валами взаимопротивоположного вращения со смонтированными на них несущими винтами, топливный бак, расположенный в районе центра массы вертолета, шасси, сидение и органы управления, отличающийся тем, что вертолет выполнен с возможностью использования его как в пилотируемом, так и беспилотном вариантах, для чего в конструкции рамы, преимущественно ее носовой части, применены сменные элементы, формирующие внешние обводы, а сидение и органы управления выполнены съемными, при этом редуктор с соосными валами оснащен смонтированными на нем и кинематически взаимосвязанными между собой рычажно-вращательными устройствами управления углами установки лопастей несущих винтов и взаимодействующих с упомянутыми устройствами электромеханическими рулевыми приводами, кроме того, в управление вертолетом введен бортовой вычислитель/компьютер, входы которого в диалоговом/цифровом режиме сопряжены с блоком приема/передачи управляющих сигналов траекторным полетом вертолета, а выходы соединены с блоком управления электромеханическими рулевыми приводами.
2. Преобразуемый вертолет по п.1, отличающийся тем, что в пилотируемом варианте сменные элементы рамы выполнены в виде как минимум двух дуг безопасности, установленных в плоскости, близкой к продольной плоскости симметрии вертолета и устройства для опоры ног пилота, а органы управления применены электродистанционного типа.
3. Преобразуемый вертолет по п.1, отличающийся тем, что в беспилотном варианте сменные элементы рамы выполнены в виде пространственного каркаса с обшивкой, изготовленной, преимущественно, по типу быстросъемных панелей для доступа во внутренний объем каркаса, который оснащен узлами для крепления бортового радиоэлектронного оборудования.
4. Преобразуемый вертолет по п.1, отличающийся тем, что рычажно-вращательные устройства состоят из двух подвижных в осевом направлении автоматов перекоса и ползуна, на котором установлен один из автоматов перекоса, при этом ползун оснащен вращающимся кольцом со смонтированным на нем двуплечим коромыслом, посредством которого упомянутый автомат перекоса соединен с поводком управления углом установки лопасти соответствующего несущего винта, а сам ползун установлен на корпусе редуктора и удерживается в рабочем положении системой рычагов, соединенных с электромеханическими рулевыми приводами.
