Малоразмерный беспилотный летательный аппарат для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф

Техническим результатом полезной модели является расширение территориальных и временных возможностей по мониторингу за счет использования в качестве топлива атмосферного воздуха, позволяющего исключить необходимость хранения топлива на борту малоразмерного беспилотного летательного аппарат (МБПЛА), ограничивающего дальность и время полета МБПЛА. МБПЛА содержит свободнонесущее крыло 1, пульсирующий детонационный двигатель 2 и средства мониторинга. Средства мониторинга включают навигационное оборудование 3, радиопеленгатор 4, теплопеленгатор 5 и телекамеру 6, соединенные через бортовую ЭВМ 7 с приемо-передающей антенной 8 спутниковой связи GPS, «Глонас» или сотовой связи GPRS, MPLS для передачи результатов мониторинга на центральный пункт управления летательным аппаратом. Свободнонесущее крыло 1 снабжено аэродинамическими органами управления 8 по высоте и 10 по направлению полета МБПЛА. Пульсирующий детонационный двигатель 2 содержит воздухозаборник 11, камеру 12 сгорания, сопло 13 и средства его энергообеспечения. Указанные средства энергообеспечения включают последовательно соединенные МГД-генератор 14, накопитель 15 электрической энергии один электрический выход которого соединен с питающим входом электрического разрядника 16, а второй - через модулятор 17 накачки с СВЧ-генератором 18. МГД-генератор 14 выполнен индукционного или кондукционного типа и установлен на сопле 13 детонационного двигателя. Сопло 13 выполнено в виде сопла Ловаля. Накопитель 15 электрической энергии выполнен в виде емкостного или индуктивного накопителя. Для управления по силе тяги детонационного двигателя 2 его СВЧ-генератор 18 выполнен импульсным и управляемым по частоте следования импульсов. Для снижения энергетических затрат на возбуждение детонационной экзотермической реакции в камере 12 сгорания и защиты последней от перегрева он выполнен со следующими параметрами: длина волны электромагнитного излучения =0.5 или 1.2 см, длительность СВЧ-импульса 10^-7 с, энергия в импульсе Е^вх_и=1-10 Дж, диапазон регулировки частоты следования электромагнитных импульсов F=от 1 до 300 Гц. 1 з.п. ф., 4 ил.

Полезная модель относится к авиационной технике и может быть использовано при разработке малоразмерных беспилотных летательных аппаратов для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф.

Известны малоразмерные беспилотные летательные аппараты -МБПЛА [1÷5], содержащие свободнонесущее крыло, снабженное аэродинамическими органами управления, емкость с топливом и двигатель.

Недостатком известных МБПЛА являются относительно низкие возможности по мониторингу, связанные с ограничениями времени их полета в воздухе из-за проблем создания достаточных запасов топлива на борту малогабаритных летательных аппаратов.

Известен МБПЛА для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф [6] с увеличенным временем полета в воздухе за счет приготовления водородного топлива из воды непосредственно на борту МБПЛА. Указанный МБПЛА содержит свободнонесущее крыло с аэродинамическими органами управления, пульсирующий детонационный двигатель, источник энергопитания, средства мониторинга, бортовое устройство приготовления водородного топлива и емкости для компонентов водородного топлива, включающие емкость для воды, емкость для металлосодержащего вещества и емкость для кислорода, причем пульсирующий детонационный двигатель содержит воздухозаборник, камеру сгорания и сопловый аппарат. Источник энергопитания выполнен в виде электрохимической батареи.

Данный МБПЛА обладает недостаточными возможностями по мониторингу (недостаточное время непрерывного полета и недостаточный радиус действия), связанными с необходимостью хранения и пополнения на борту летательного аппарата истощаемых компонентов для приготовления водородного топлива.

Задачей полезной модели является расширение функциональных возможностей МБПЛА по мониторингу пожаров, террористических актов и техногенных катастроф.

Техническим результатом, обеспечивающим решение этой задачи, является резонансная ионизация атмосферного воздуха в камере сгорания пульсирующего детонационного двигателя комплексным воздействием электромагнитных волн и электрического разряда.

Достижение заявленного технического результата и, как следствие, решение поставленной задачи обеспечивается тем, что малоразмерный беспилотный летательный аппарат для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф, содержащий свободнонесущее крыло с аэродинамическими органами управления, пульсирующий детонационный двигатель и средства мониторинга, причем пульсирующий детонационный двигатель содержит воздухозаборник, камеру сгорания и сопло, согласно полезной модели он дополнительно содержит СВЧ-генератор с выводом электромагнитного излучения в камеру сгорания, модулятор накачки, электрический разрядник, МГД-генератор и емкостной накопитель электрической энергии, причем разрядные электроды электрического разрядника выведены в полость камеры сгорания, МГД-генератор установлен на сопле детонационного двигателя и соединен по выходу с накопителем электрической энергии, первый электрический выход которого соединен с питающим входом электрического разрядника, а второй - через модулятор накачки с СВЧ-генератором.

При этом средства мониторинга включают навигационное оборудование, радиопеленгатор, теплопеленгатор и телекамеру, соединенные через бортовую ЭВМ с приемо-передающей антенной GPS, «ГЛОНАС» или сотовой связи для передачи результатов мониторинга на центральный пункт управления летательным аппаратом.

Дополнительное введение СВЧ-генератора с выводом электромагнитного излучения в камеру сгорания, модулятора накачки и электрического разрядника емкостного накопителя электрической энергии, причем разрядные электроды электрического разрядника выведены в полость камеры сгорания, позволяет создать в камере сгорания двигателя высокоплотную плазму, вызывающую эффект детонации атмосферного воздуха, и использовать последний в качестве топлива для детонационного двигателя БПЛА. При этом исключается необходимость хранения на борту компонентов для производства на борту летательного топлива для двигателя. Снимается необходимость дозаправки МБПЛА топливом, расширяются временные (до истощения ресурсов аппаратуры) и территориальные (до неограниченной дальности полета) возможности МБПЛА по мониторингу. Введение и установка МГД-генератора на сопле детонационного двигателя и соединение его по выходу с накопителем электрической энергии, первый электрический выход которого соединен с питающим входом электрического разрядника, а второй - через модулятор накачки с СВЧ-генератором позволяют использовать электрическую энергию плазмы, истекающую из сопла двигателя, для снижения энергетических затрат химических источников тока на борту летательного аппарата или полностью отказаться от них при достаточной мощности детонационной камеры двигателя МБПЛА. Это в свою очередь позволяет увеличить ресурс энергопитания аппаратуры МБПЛА и, как следствие, дополнительно повысить временные и территориальные возможности МБПЛА по мониторингу. Включение в состав средств мониторинга навигационного оборудования, радиопеленгатора, теплопеленгатора и телекамеры, соединенных через бортовую ЭВМ с приемо-передающей антенной GPS, «ГЛОНАС» или сотовой связи для передачи результатов мониторинга на центральный пункт управления летательным аппаратом дополнительно позволяют расширить функциональные возможности МБПЛА и качество мониторинга за счет использования современной элементной базы.

На фиг.1 представлен вид сбоку и сверху МБПЛА для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф, на фиг.2 - конструкция пульсирующего детонационного двигателя, на фиг.3 - разрез камеры сгорания двигателя, а на фиг.4 результаты экспресс-оценки энергетики детонационного двигателя, использующего атмосферный воздух в качестве топлива, и затрат электрической энергии на возбуждение реакции его горения.

Малоразмерный беспилотный летательный аппарат (МБПЛА) для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф содержит свободнонесущее крыло 1, пульсирующий детонационный двигатель 2 и средства мониторинга (фиг.1). Указанные средства мониторинга включают навигационное оборудование 3, радиопеленгатор 4, теплопеленгатор 5 и телекамеру 6, соединенные через бортовую ЭВМ 7 с приемо-передающей антенной 8 спутниковой связи GPS, «ГЛОНАС» или сотовой связи GPRS, MPLS для передачи результатов мониторинга на центральный пункт управления летательным аппаратом. Свободнонесущее крыло 1 снабжено аэродинамическими органами управления 9 по высоте и 10 - по направлению полета МБПЛА. Пульсирующий детонационный двигатель 2 содержит воздухозаборник 11, камеру 12 сгорания, сопло 13 и средства его энергообеспечения (фиг 2). Указанные средства энергообеспечения включают последовательно соединенные МГД-генератор 14, накопитель 15 электрической энергии один электрический выход которого соединен с питающим входом электрического разрядника 16, а второй - через модулятор 17 накачки с СВЧ - генератором 18. МГД-генератор 14 выполнен индукционного или кондукционного типа и установлен на сопле 13 детонационного двигателя. Сопло 13 выполнено в виде сопла Ловаля. Накопитель 15 электрической энергии выполнен в виде емкостного или индуктивного накопителя. Для управления по силе тяги детонационного двигателя 2 его СВЧ - генератор 18 выполнен импульсным и управляемым по частоте следования импульсов. Для снижения энергетических затрат на возбуждение детонационной экзотермической реакции в камере 12 сгорания и защиты последней от перегрева он выполнен со следующими параметрами: длина волны электромагнитного излучения =0.5 или 1.2 см, длительность СВЧ-импульса 10^-7 с, энергия в импульсе Е^ВХ_И=1-10 Дж, диапазон регулировки частоты следования электромагнитных импульсов F=от 1 до 300 Гц. Камера 12 сгорания (фиг.3) двигателя 2 выполнена шаровидной формы с внутренним диаметром, кратным /2. Корпус 19 камеры 12 выполнен из стали и покрыт с внешней стороны слоем 20 свинца, а с внутренней - слоем 21 термостойкого диэлектрика, например керамики или фарфора. Внутренний объем камеры 12 сгорания составляет единицы см³. Конкретное значение объема V камеры 12 определяется из условия V=Е_и^вых/Е_уд^плазмы, где Е_и^вых, E_уд^плазмы - предельно допустимое значение энергии (Дж) детонации плазмы в камере 12, исключающей разрыв последней, и удельная энергия (Дж/см³) атмосферного воздуха соответственно. Согласно данным экспериментальных исследований [7] численное значение величины Е_уд^плазмы для атмосферного воздуха в нижних слоях атмосферы в зависимости от плотности и влажности может составлять 10⁵-10⁷ Дж/см³. В полость камеры 12 выведены обратный клапан 22 воздухозаборника 1, рупор 23 СВЧ- генератора 18 и электроды 24 и 25 электрического разрядника 16. Разрядник 16 предназначен для создания стримера (ионизации окиси углерода, входящей в состав атмосферного воздуха с плотностью N_CO=10⁷-10⁸ см^-3) и выполнен по схеме электрошокера с выходным напряжением U _вых не менее U_вых=30 кВ/см.×L, где L - расстояние между электродами 24 и 2.5 в камере 12 сгорания. Экспресс-оценка средних значений входной Р_вх и выходной Р_вых мощности МБПЛА в зависимости от частоты поджигающих импульсов представлены на фиг.3 в логарифмическом масштабе. Из энергетических зависимостей, представленных на фиг.3, видно, что двигатель 2 МБПЛА при частоте F следования импульсов генератора 18 и разрядника 16 для поджига атмосферного воздуха в камере 12 сгорания, равной F=5 обладает мощностью тяги не менее 250 л.с. При этом средний расход атмосферного воздуха на час полета МБПЛА не превышает 1,8 м³, а коэффициент полезного использования потенциальной энергии атмосферной плазмы (микрошаровой молнии), инициируемой в камере 12, в энергию тяги двигателя 2, не менее 10%.

Малоразмерный беспилотный летательный аппарат (МБПЛА) для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф работает следующим образом.

МБПЛА закрепляют на пусковой установке и подключают к разъему 26 кабель 27 для подачи на бортовую аппаратуру электропитания и для ввода программ мониторинга от внешних источников. После выхода бортовой аппаратуры МБПЛА на рабочий режим и после приема программ полета и программ мониторинга от внешнего компьютера бортовая ЭВМ 7 включается в режим предстартовой подготовки МБПЛА. При этом на накопитель 15 электрической энергии подается внешнее напряжение (U_{внешнее}.) электропитания. Накопитель 15 вырабатывает набор соответствующих напряжений электропитания для электрического разрядника 16, для модулятора 17 и другой бортовой электроаппаратуры. Одновременно с бортовой ЭВМ 7 через цифроаналоговый преобразователь 28 на управляющие входы разрядника 16 и модулятора 7 подаются импульсы запуска двигателя 2 с частотой следования импульсов F, необходимой для запуска двигателя 2, например F=1 Гц (период следования импульсов Т=1/F). С приходом каждого импульса разрядник 16 подает на электроды высоковольтное напряжение U_вых30 кВ/см. При этом между электродами 24 и 25 возникает электрический стример (ионизация СО) и создание начальной плотности плазмы n=10⁷ см^-3. Синхронно во времени модулятор 7 вырабатывает высоковольтный импульс длительностью 10^-7 с и выдает его на анод СВЧ-генератора 18. При этом генератор 18 генерирует высокочастотный сигнал с поглощаемой в камере 12 сгорания длинной волны, например =0.5 или 1.2 см, длительностью СВЧ-импульса 10^-7 сек, с энергией в импульсе

Е^вх_и=(1-10) Дж, мощностью в импульсе Р_и =10⁷-10⁸ Вт и средней мощностью Р_ср =Р_и×_и/Т=1-10 Вт.Под действием каждого СВЧ -импульса за счет резонансного поглощения и ударной ионизации, а также за счет высокой плотности энергии в коротком (10^-7 сек) СВЧ-импульсе) и ограниченной релаксации плазмы в закрытом объеме камеры 12 начальная плотность (n=10 ⁷ см^-3) плазмы доводится до плотности n10¹⁴ см^-3. При этом за счет тепловой ионизации и рентгеновского излучения [8] перегретой плазмы и ограниченной ее релаксации (отсутствие доступа нейтральных атомов в камеру 1 возникает явление автотермии [9], сопровождающейся лавинной самоионизацией атмосферного воздуха заключенного в камере 12 и детонацией (взрывным расширением) его перенасыщенной плазмы. При этом в камере 12 происходит прямое импульсное преобразование потенциальной энергии атмосферного воздуха в импульсную кинетическую энергию плазмы в форме взрыва микрошаровой молнии, создающей реактивную тягу при выбросе плазмы через сопло 13 МБПЛА при закрытом обратном клапане 22. После выброса плазмы через сопло 13 в камере 12 создается вакуум, вызывающий открытие обратного клапана 22 и заполнение его очередной партией атмосферного воздуха. Далее процесс возбуждения плазмы в камере 12 повторяется при подаче с ЭВМ 7 очередного сигнала поджига. Средняя кинетическая энергия реактивной тяги двигателя 2 МБПЛА зависит от частоты следования детонационных выбросов плазмы, скорости ее расширения при детонации и удельной энергии перенасыщенной плазмы (Е_уд^плазмы) в каждом выбросе. Кроме того, кроме создания реактивной тяги, часть (до 5%) кинетической энергии плазмы, протекающей через сопло 13, преобразуется в МГД-генераторе 14 в электрический ток и далее подается в накопитель 15 электрической энергии для электропитания бортовой аппаратуры МБПЛА. Далее после запуска реактивного двигателя 2 увеличивают частоту следования поджигающих импульсов и после достижения устойчивой тяги двигателя и устойчивого электропитания бортовой аппаратуры от МГД-генератора 14 стопорное устройство пусковой установки отключается и МПЛА стартует в атмосферу по заданному в ЭВМ 7 маршруту полета. После выхода МПЛА на заданную траекторию полета включается навигационная аппаратура 3, радиопеленгатор 4, теплопеленгатор 5 и телекамера 6. В процессе полета МПЛА данные мониторинга (радио, тепло и видеонаблюдения и координаты мест съемки) территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф обрабатываются бортовой ЭВМ 7 и через приемопередающую антенну 8 спутниковой связи GPS, «ГЛОНАС» или сотовой связи GPRS, MPLS передаются на центральный пункт управления летательным аппаратом. ЭВМ и/или диспетчер центрального пункта управления (ЦПУ) анализирует принятую с МБПЛА информацию и при необходимости пересылает на борт команды на детальную видеосъемку отдельных фрагментов территории мониторинга. МБПЛА отрабатывает принятые команды управления и выдает на ЦПУ уточненные сведения об объекте мониторинга. Время непрерывного мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф с помощью МБПЛА может составлять от единиц месяцев до единиц лет. Размеры контролируемой территории ограничиваются только установленными на МБПЛА средствами связи. При использовании спутниковых средств связи размер контролируемой МБПЛА территории практически не ограничен. После завершения мониторинга МБПЛА с ЦПУ подаются команды на посадку. При этом уменьшается частота подачи поджигающих импульсов на двигатель 2 МБПЛА, уменьшается его тяга и МБПЛА мягко планирует в район места посадки. После проведения регламентного контроля МБПЛА может использоваться повторно.

Полезная модель разработана на уровне технического предложения.

Источники информации, принятые во внимание при составлении описания полезной модели:

1. RU 2288140, МПК: В64С 39/02, 2006

2. RU 2181333, МПК: B64D 27/20, 2002

3. RU 2130407, МПК: В64С 39/02, 1999

4. RU 2247932, МПК: F42B 15/00, 2004

5. US 6676071, МПК: F42B 15/01, 2002

6. RU 2373114, МПК: В64С 39/02, 2009

7. WWW.chukanovenergy.com Чуканов К.Б. Шаровая молния. Теория и результаты экспериментов. США, 2009

8. GB 1515148, МПК: F02P 23/00; F02P 23/04; F02B 3/06; F02P 23/00; F02B 3/00, 1978

9. Звонов А.А., Басаргин О.С. Явление самовозгорания атмосферного воздуха под действием СВЧ-излучения и электрического разряда в ограниченном объеме. Свидетельство о депонировании. Россия, Тверь, ВАО, 2009.

1. Малоразмерный беспилотный летательный аппарат для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф, содержащий свободнонесущее крыло с аэродинамическими органами управления, пульсирующий детонационный двигатель и средства мониторинга, причем пульсирующий детонационный двигатель содержит воздухозаборник, камеру сгорания и сопло, отличающийся тем, что он дополнительно содержит СВЧ-генератор с выводом электромагнитного излучения в камеру сгорания, модулятор накачки, электрический разрядник, МГД-генератор и емкостной накопитель электрической энергии, причем разрядные электроды электрического разрядника выведены в полость камеры сгорания, МГД-генератор установлен на сопле детонационного двигателя и соединен по выходу с накопителем электрической энергии, первый электрический выход которого соединен с питающим входом электрического разрядника, а второй - через модулятор накачки с СВЧ-генератором.

2. Малоразмерный беспилотный летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что средства мониторинга включают навигационное оборудование, радиопеленгатор, теплопеленгатор и телекамеру, соединенные через бортовую ЭВМ с приемопередающей антенной GPS, «ГЛОНАС» или сотовой связи для передачи результатов мониторинга на центральный пункт управления летательным аппаратом.