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 поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы, и отсек с полезной нагрузкой. Крылья расположены с разносом по высоте относительно центра масс ЛА. Лонжерон каждого крыла выполнен составным из лонжеронов полукрыльев и поворотного лонжерона, установленного внутри фюзеляжа. В качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы с электрическим приводом с раздельным управлением. Винтомоторные группы закреплены на лонжеронах полукрыльев симметрично относительно оси ЛА. 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. 7 з.п. ф-лы, 7 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, 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.
По совокупности существенных признаков наиболее близким к заявляемой полезной модели является квадроплан Quad-Tilt-Wing (QTW) UAV (Autonomous Flying Robots:Unmanned Aerial Vehicles and Micro Aerial Vehicles (Video Link) Chapter 4: Modeling and Control of an Autonomous Quad-Tilt-Wing (QTW) UAV), http://mec2.tm.chiba-u.jp/monograph/contents.html), который содержит фюзеляж с хвостовой балкой, хвостовое оперение, два тандемно расположенных крыла, каждое из которых выполнено в виде поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы, и расположенный в фюзеляже отсек с полезной нагрузкой. Основной недостаток у прототипа заключается в отсутствии шасси, что не обеспечивает взлет/посадку в более экономичном режиме по-самолетному.
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, что в летательном аппарате, содержащем фюзеляж, хвостовую балку с хвостовым оперением, два тандемно расположенных крыла, каждое из которых выполнено в виде поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы, и отсек с полезной нагрузкой, согласно полезной модели, крылья расположены с разносом по высоте относительно центра масс летательного аппарата, лонжерон каждого крыла выполнен составным из лонжеронов полукрыльев и поворотного лонжерона, установленного внутри фюзеляжа, в качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы с электрическим приводом с раздельным управлением, винтомоторные группы закреплены на лонжеронах полукрыльев симметрично относительно оси летательного аппарата, 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;
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 крыльев осуществляют синхронно с помощью узлов поворота на угол от 0° 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 - общий вид ЛА в режиме полета;
фиг. 3 - вид ЛА сверху в режиме полета;
фиг. 4 - вид ЛА сбоку в режиме полета;
фиг. 5 - вид ЛА спереди в режиме полета;
фиг. 6 - вид ЛА сбоку в режиме вертикального взлета;
фиг. 7 - сечение A-A фюзеляжа на виде, приведенном на фиг. 6.
На фиг. 1-7 введены обозначения:
1 - винтомоторная группа;
2 - нижнее крыло;
3 - верхнее крыло;
4 - закрылок;
5 - элерон крыла;
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 нижнего крыла;
17 - узел поворота верхнего крыла;
18 - поворотный лонжерон;
19 - стабилизатор.
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 выполнен в виде монокока. Нижнее 2 и верхнее 3 крылья выполнены в виде поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы 1. Нижнее 2 и верхнее 3 крылья 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. Лонжерон каждого крыла выполнен составным из лонжеронов полукрыльев 15 и поворотного лонжерона 18, установленного внутри фюзеляжа 6. В качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы 1 с электрическим приводом с раздельным управлением. Винтомоторные группы 1 закреплены на лонжеронах полукрыльев 15 симметрично относительно оси симметрии 14 летательного аппарата и расположены на минимальном от основания полукрыльев расстоянии, обеспечивающим безопасную работу винтомоторных групп 1. Такое расположение снижает требования по прочности крыльев и обеспечивает снижение веса аппарата. 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 крыльями 2 и 3 вблизи центра масс. Соединения фюзеляжа 6 с полукрыльями и хвостовой балкой 8 выполнены разъемными, что упрощает хранение и транспортировку ЛА. Поворот крыльев 2 и 3 осуществляется за счет передачи вращения на поворотные лонжероны 18 от узлов поворота 16 и 17. Поворот осуществляется синхронно на угол от 0° 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, крылья с винтомоторными группами 1 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. Крылья с винтомоторными группами 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. Крылья с винтомоторными группами 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» крылья с винтомоторными группами 1 расположены горизонтально. ЛА взлетает по-самолетному за счет подъемной силы крыльев. Управление ЛА - аэродинамическое.
В режиме «Посадка» крылья с винтомоторными группами 1 расположены горизонтально. ЛА приземляется по-самолетному, управление - аэродинамическое.
Таким образом, поворотные крылья с установленными винтомоторными группами позволяют создать ЛА, совмещающий большую продолжительность полета по-самолетному и возможность вертикального взлета и посадки, как в квадрокоптерах.
1. Летательный аппарат, содержащий фюзеляж, хвостовую балку с хвостовым оперением, два тандемно расположенных крыла, каждое из которых выполнено в виде поворотных у основания полукрыльев, на которых установлены винтомоторные группы, и отсек с полезной нагрузкой, отличающийся тем, что крылья расположены с разносом по высоте относительно центра масс летательного аппарата, лонжерон каждого крыла выполнен составным из лонжеронов полукрыльев и поворотного лонжерона, установленного внутри фюзеляжа, в качестве силовой установки применены четыре винтомоторные группы с электрическим приводом с раздельным управлением, винтомоторные группы закреплены на лонжеронах полукрыльев симметрично относительно оси летательного аппарата, фюзеляж снабжён съёмным шасси, отсек полезной нагрузки расположен в передней части фюзеляжа между крыльями, а соединения фюзеляжа с полукрыльями и хвостовой балкой выполнены разъёмными.
2. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что фюзеляж выполнен в виде монокока.
3. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что крылья снабжены закрылками.
4. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что шасси выполнено трёхопорным и содержит переднюю и две задние стойки.
5. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что хвостовое оперение содержит два киля, установленных на концах стабилизатора, снабжённого рулями высоты.
6. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что поворот крыльев осуществляют синхронно за счёт передачи вращения на поворотные лонжероны на угол от 0° до 90°.
7. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в режиме висения летательный аппарат управляется изменением тяги винтомоторных групп.
8. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что управление выполнено автоматическим.