Комбинированный беспилотный летательный аппарат

Комбинированный беспилотный летательный аппарат относится к авиационной технике, в частности к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета и посадки. Задачей полезной модели является улучшение технических характеристик, заключающихся в повышении запаса статистической устойчивости и в увеличении дальности полета беспилотного летательного аппарата за счет уменьшения аэродинамического сопротивления при условии постоянства остальных параметров. Поставленная задача достигается тем, что комбинированный беспилотный летательный аппарат содержит свободнонесущее крыло, снабженное аэродинамическими органами управления, маршевый и подъемный двигатели, а также полезную нагрузку. При этом подъемный двигатель установлен в центре масс аппарата, а маршевый - на задней кромке крыла, которая через хвостовые балки соединена со стабилизатором, выполненным в виде пластины, установленной между ними и имеющим возможность поворота относительно горизонтальной оси, при этом аэродинамические органы управления представляют собой кили, имеющие возможность поворота относительно своих вертикальных осей, соединенные между собой и установленные по обе стороны от стабилизатора, причем на входе и на выходе подъемного двигателя установлены аэродинамические крышки с поворотными заслонками, выполненными в виде жалюзей, а полезная нагрузка занимает весь свободный объем свободнонесущего крыла. Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в расширении диапазона его технических характеристик. Основными преимуществами комбинированного беспилотного летательного аппарата являются: повышенный запас статистической устойчивости, вызванный смещением центра давления от центра масс беспилотного летательного аппарата, увеличение дальности полета БЛА за счет уменьшения аэродинамического сопротивления при условии постоянства остальных параметров, высокая экономичность, достигаемая за счет конфигурации свободнонесущего крыла и наличия стабилизатора, возможность реализации четырех режимов работы беспилотного летательного аппарата, возможность его посадки на любую твердую поверхность, а также обеспечение режима висения над любой труднодоступной местностью. 2 илл.

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) вертикального взлета и посадки.

В последнее время возрос интерес к использованию беспилотных летательных аппаратов для решения множества задач, выполнение которых пилотируемыми летательными аппаратами в силу различных причин нецелесообразно.

К основным направления использования БЛА относятся:

- дистанционный мониторинг окружающей среды с автоматическим взятием проб элементов окружающей среды из труднодоступных мест с визуальным контролем проводимых замеров и мест отбора проб, а также доставка их к месту проведения анализа;

- высокая оперативность и эффективность поисково-спасательных операций (состояние объектов и масштабы разрушений, опасные зоны и пожары, аварий, стихийных бедствий, техногенных катастроф и выявления в них пострадавших);

- мониторинг морских и речных магистралей и водоемов (выявления на них браконьерства), экологический мониторинг и контроль объектов и трасс производства, добычи и транспортировки электрической энергии, природного газа, сырой нефти и продуктов ее переработки, опасных химических и других веществ;

- непрерывное и скрытое ведение разведки (военной, радиационной, химической, биологической) в реальном масштабе времени и визуальная передача данных на монитор оператора;

- предотвращение попыток осуществления террористических актов на АЭС, ГЭС, ТЭЦ, радиационных, химических и биологических и других опасных объектах (последствия которых могут быть сопоставимы с применением оружия массового поражения), а также выявлении и предотвращении попыток хищения природного газа, сырой нефти, нефтепродуктов;

- патрулирование (сухопутных и водных) границ, военных, административных, экономических объектов, крупных промышленных предприятий с опасным производство, мониторинг стратегических (железнодорожных и автомобильных) транспортных магистралей, наблюдение за мобильными объектами и группами населения, контроль и обеспечение безопасности при массовых мероприятиях (на стадионах, площадях, саммитах, олимпиадах и др.) с применением (по целеуказанию или непосредственно с БЛА) нелетальных средств сдерживания;

- непосредственное участие в борьбе с террористами, а также участие в боевых действиях и военных конфликтах;

- скрытое патрулирование и охрана территории важных военных объектов, захват цели и/или целеуказания, сбор данных организация связи и передача данных, запуск ложных целей, сопровождение военных и опасных грузов, а также наведение ракет, управляемых БЧ и PC на конечном участке траектории полета;

- геологические исследования, дистанционное наблюдение за вулканической или сейсмической деятельностью;

- оповещение о возникновении и развитии аварий, стихийного бедствия или опасных ситуаций в контролируемых зонах, выявление оперативной обстановки и наличия жертв в криминогенных местах (зоны, закрытые для доступа, места, где совершаются преступления), а также из в мест химического заражения и др.

Наибольшее распространение нашли конструкции БЛА самолетной и вертолетной схем. Перспективной также является схема «винт в кольце».

Недостатками большинства БЛА самолетных схем (например, патент 2181333 от 20.04.2002 «Беспилотный многорежимный высокоманевренный летательный аппарат», МПК B64D 27/20, B64D 33/02) являются:

- необходимость наличия взлетно-посадочной полосы;

- отсутствие режима висения.

Данные недостатки устранены в вертолетной схеме, например патент 2021165 от 15.10.1994. «Способ управления дистанционно-пилотируемым аппаратом и система управления для его реализации», МПК В64С 29/00, В64С 15/00. Однако для большинства из них характерны следующие недостатки:

- при большой удельной нагрузке поток от винта будет так силен, что не позволит работать под несущим винтом;

- большой расход топлива;

- небольшая скорость перемещения в горизонтальном направлении.

Частично данные недостатки устранены в схеме «винт в кольце». Однако для данного типа БЛА характерным недостатком является большое аэродинамическое сопротивление из-за размещения большого количества специального оборудования, что приводит к снижению скорости полета БЛА. Например, «Летательный аппарат вертикального взлета и посадки» по патенту 2089458 от 10.09.1997, МПК В64С 29/00.

Аналогичные разработки ведутся и за рубежом: FR 2581614, A1, GALLAS YVES IEAN, 1986; US 4194707, A1, SHARPE THOMAS H, 1980; US 3645474, A1, ARBUSE SAMUEL, 1972; EP 0798207, A2, GEVERS DAVID E, 1997; DE 19540272, A1, SCHIER IOHANNES, 1997.

Наиболее близким по принципу действия и технической сущности к заявляемому устройству является «Беспилотный летательный аппарат» по патенту 2288140 от 27.11.2006, МПК В64С 39/00. Он содержит свободнонесущее крыло, снабженное аэродинамическими органами управления, вертикальное оперение, мотогондолу и один двигатель с воздушным винтом. Двигатель установлен в мотогондоле. Беспилотный летательный аппарат выполнен по бесфюзеляжной аэродинамической схеме "летающее крыло".

Одним из недостатков данного двигателя является размещение двигателя вне центра масс, что приводит к неустойчивому положению БЛА при запуске. Кроме того, увеличивается аэродинамическое сопротивление из-за нарушения сплошности потока воздуха, обтекающего вдоль корпуса летающего крыла, вызванной затеканием воздуха через цилиндр подъемного двигателя.

Задачей полезной модели является улучшение технических характеристик, заключающихся в повышении запаса статистической устойчивости и в увеличении дальности полета БЛА за счет уменьшения аэродинамического сопротивления при условии постоянства остальных параметров.

Технический результат, который может быть получен при использовании полезной модели, заключается в расширении диапазона его технических характеристик.

Поставленная задача достигается тем, что комбинированный беспилотный летательный аппарат содержит свободнонесущее крыло, снабженное аэродинамическими органами управления, маршевый и подъемный двигатели, а также полезную нагрузку. При этом подъемный двигатель установлен в центре масс аппарата, а маршевый - на задней кромке крыла, которая через хвостовые балки соединена со стабилизатором, выполненным в виде пластины, установленной между ними и имеющим возможность поворота относительно горизонтальной оси, при этом аэродинамические органы управления представляют собой кили, имеющие возможность поворота относительно своих вертикальных осей, соединенные между собой и установленные по обе стороны от стабилизатора, причем на входе и на выходе подъемного двигателя установлены аэродинамические крышки с поворотными заслонками, выполненными в виде жалюзей, а полезная нагрузка занимает весь свободный объем свободнонесущего крыла.

На фиг.1 изображен вид БЛА сверху с открытыми крышками подъемного двигателя, а на фиг.2 изображен вид БЛА с закрытыми крышками, где:

1 - свободнонесущее крыло;

2 - подъемный двигатель;

3 - тяговый двигатель;

4 - стабилизатор;

5 - носовой обтекатель;

6 - аэродинамические органы управления;

7 - подъемный винт;

8 - цилиндрическая гильза;

9 - поворотные заслонки;

10 - хвостовые балки;

11 - соединительный стержень.

Комбинированный беспилотный летательный аппарат выполнен по бесфюзеляжной аэродинамической схеме "летающее крыло". Он состоит из следующих основных элементов: свободнонесущего крыла 1, подъемного двигателя 2, тягового двигателя 3 и стабилизатора 4 (фиг.1).

Свободнонесущее крыло 1 предназначено для размещения и крепления всех составных частей аппарата. В передней части аппарата установлен носовой обтекатель 5, внутри которого размещаются элементы функционально связанных между собой электронной аппаратуры наблюдения, приемопередающего блока, приемопередающей антенны, пилотажно-навигационной системы и др.

Передняя часть свободнонесущего крыла 1 имеет форму, обеспечивающей минимальное аэродинамическое сопротивление, в задней части которого установлены органы управления 6. Внутри крыла 1 закрепляется специальное оборудование, которое в зависимости от назначения БЛА, может быть различным. Например, для экологических целей оборудование может быть представлено пробоотборниками, газоанализаторами и т.д.

Подъемный двигатель 2 установлен в центре масс свободнонесущего крыла 1. Он предназначен для создания вертикальной тяги, необходимой для реализации режимов запуска, висения и приземления. Он состоит из винта 7, ось которого закреплена внутри цилиндрической гильзы 8, размещенной в центре масс БЛА. В нерабочем состоянии подъемный двигатель 2 закрыт поворотными заслонками 9 (фиг.2).

Тяговый двигатель 3 предназначен для создания горизонтальной составляющей тяги. Он крепиться в задней части свободнонесущего крыла 1.

Стабилизатор 4 предназначен для смещения центра давления в сторону от центра масс, что обеспечивает повышение запаса статической устойчивости БЛА. Поскольку центр масс летательного аппарата расположен впереди аэродинамического фокуса крыла, то увеличение угла атаки, например, вследствие порыва ветра, вызовет увеличение подъемной силы. При этом на летательном аппарате возникнет дополнительный момент относительно центра масс, вызывающий пикирование. В результате пикирования происходит уменьшение угла атаки и восстановление заданного направления полета. Стабилизатор 4 выполнен в виде пластины, крепящейся с помощью хвостовых балок 10 к свободнонесущему крылу 1 под небольшим углом, который необходим для создания первоначальной подъемной силы, обеспечивающий планирующий полет БЛА. При этом стабилизатор 4 установлен между хвостовыми балками 10 с возможностью поворота относительно горизонтальной своей оси, обеспечивая управление БЛА по углу тангажа.

В исходном состоянии БЛА может устанавливаться или поступательно перемещаться по твердой поверхности с помощью колес, крепящимся к нижней части свободнонесущего крыла 1 с помощью шасси. На исходной позиции проводится развертывание наземного пункта дистанционного управления беспилотным летательным аппаратом. Кроме того, проводится предполетная подготовка БЛА.

БЛА может работать в следующих режимах: запуск, полет, висение и приземление.

Режим - «Запуск». Разработано 3 вида запуска БЛА:

- путем придания первоначального импульса силы за счет катапультирования;

- путем придания первоначального импульса силы, создаваемого рукой номера расчета;

- автономно с помощью подъемного двигателя БЛА.

Запуск БЛА в первых двух случаях может проводиться как с мобильной, так и со стационарной пусковой установки.

В третьем случае до автономного запуска и вертикального взлета БЛА необходимо открыть входные и выходные поворотные заслонки 9. Запуск подъемного двигателя 2 при вертикальном взлете БЛА осуществляется автоматически по заранее запрограммированной программе или по команде оператора с наземного пульта управления

При автономном запуске БЛА подъемный двигатель 2 начинает свою работу (тяговый двигатель 3 находится в отключенном состоянии). Как только тяга, создаваемая подъемным двигателем 2,превысит стартовую массу БЛА, он отрывается от поверхности и вертикально поднимается вверх до набора нужной высоты. По команде системы управления БЛА отключается подъемный двигатель 2 и включается тяговый двигатель 3.

Режим - «Висение». При необходимости БЛА зависает в воздухе над заданной точкой. Для этого тяговый двигатель 3 совместно с системой управления БЛА работает таким образом, чтобы БЛА расположился над заданной точкой поверхности. Затем он выключается, а подъемный двигатель 2 включается. При этом поворотные заслонки 9 должны быть открыты.

Режим - «Полет». Полет БЛА может происходить в соответствии с полетным заданием как по заданной программе, так и по радиокомандам, передаваемым оператором с наземного пункта дистанционного управления. Наземный пункт дистанционного управления вырабатывает команды, передаваемые по радиоканалу на бортовое радиоэлектронное оборудование, установленное на БЛА. При этом управление по углу тангажа осуществляется путем поворота стабилизатора 4 вокруг его оси, а управление по углу рысканья осуществляется с помощью поворота аэродинамических органов управления 6, которые представляют собой кили, соединенные между собой соединительным стержнем 11 и установленные по обе стороны от стабилизатора 4. При этом поворотные заслонки 9 аэродинамических крышек должны быть закрыты для придания лучших аэродинамических характеристик БЛА.

Управление полетом БЛА осуществляется с помощью пилотажно-навигационной системы. При этом результаты дистанционного обзора местности, а также видео и телеметрической информации через приемопередающую антенну БЛА передаются на наземный пункт дистанционного управления.

Разработанный БЛА экономичен. Это достигается его формой, которая способствует уменьшению аэродинамического сопротивления. Стабилизатор 4 совместно со свободнонесущим крылом 1 позволяет БЛА планировать. Изменение скорости полета осуществляется изменением числа оборотов вала тягового двигателя 3. В случае уменьшении скорости полета БЛА или осуществления реверса тяги необходимо или уменьшить число оборотов вала двигателя или осуществить его вращение в обратную сторону с заданной угловой скоростью. При необходимости набора заданной высоты включается подъемный двигатель 2.

Режим - «Приземление». Приземление БЛА может осуществляться вертикально при остановке тягового двигателя 3 и включении подъемного 2. При этом поворотные заслонки 9 должны быть открыты (фиг.1). БЛА может плавно приземлиться по-самолетному. При этом поворотные заслонки 9 должны быть закрыты (фиг.2).

Основными преимуществами комбинированного беспилотного летательного аппарата являются:

- повышенный запас статистической устойчивости, вызванный смещением центра давления от центра масс беспилотного летательного аппарата;

- высокая экономичность, достигаемая за счет конфигурации свободнонесущего крыла и наличия стабилизатора;

- увеличение дальности полета БЛА за счет уменьшения аэродинамического сопротивления при условии постоянства остальных параметров;

- возможность реализации четырех режимов работы БЛА;

- возможность посадки БЛА на любую твердую поверхность, а также обеспечение режима висения над любой труднодоступной местностью.

Комбинированный беспилотный летательный аппарат, состоящий из свободнонесущего крыла, снабженного аэродинамическими органами управления, маршевого и подъемного двигателей и полезной нагрузки, отличающийся тем, что подъемный двигатель установлен в центре масс аппарата, а маршевый - на задней кромке крыла, которая через хвостовые балки соединена со стабилизатором, выполненным в виде пластины, установленной между ними, и имеющим возможность поворота относительно горизонтальной оси, при этом аэродинамические органы управления представляют собой кили, имеющие возможность поворота относительно своих вертикальных осей, соединенные между собой и установленные по обе стороны стабилизатора, причем на входе и на выходе подъемного двигателя установлены аэродинамические крышки с поворотными заслонками, выполненными в виде жалюзи, а полезная нагрузка занимает весь свободный объем свободнонесущего крыла.