Сверхлегкий беспилотный летательный аппарат

Сверхлегкий беспилотный летательный аппарат

Иллюстрации

Показать все

Реферат

Изобретение относится к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) аэродинамического типа, в частности к сверхлегким БЛА, оснащенным специальными посадочными приспособлениями.

Известны БЛА с посадочными приспособлениями парашютного типа (их различные варианты исполнения приведены, например, в информационном бюллетене "Иностранная печать об экономическом, научно-техническом и военном потенциале...", серия "Технические средства разведывательных служб капиталистических государств", Москва, №6, 1998, с.21).

В патенте US №6338457, В 64 D 1/08 описано одно из таких парашютных посадочных приспособлений для БЛА, которое содержит парашют, а также электронное устройство для управления стропами и сервосистему. Купол парашюта - прямоугольной формы. Он крепится с помощью строп к установленной внутри фюзеляжа БЛА сервосистеме, управляемой по командам электронного устройства для управления стропами. Электронное устройство для управления стропами и сервосистема обеспечивают безопасную плавную траекторию снижения и посадки БЛА. Для этого по командам, поступающим от электронного устройства для управления стропами, сервосистема регулирует длину каждой стропы, обеспечивая этим требуемые изменения скорости, направления и высоты полета БЛА.

Недостатком указанного парашютного посадочного приспособления является сложность и высокая стоимость, ограничивающие возможность его применения на недорогостоящих малогабаритных БЛА.

Более простое парашютное посадочное приспособление описано в патенте US №4659041, В 64 D 17/80. Оно содержит основной и вспомогательный парашюты, размещенные в специальном отсеке, который расположен внутри фюзеляжа БЛА. Отсек снабжен механизмом открывания. Указанный механизм представляет собой щиток (закрылок) с тросом. Щиток закрывает щель в указанном специальном отсеке. Для выброса парашютов из специального отсека щиток откидывается назад на 135° относительно корпуса БЛА и удерживается в этом положении с помощью троса. Вначале в определенной точке траектории снижения из специального отсека выбрасывается вспомогательный парашют, имеющий меньшие размеры купола, чем основной парашют. После раскрытия вспомогательного парашюта в следующей заданной точке траектории снижения выбрасывается основной парашют, купол которого соединен тросом с нижним концом строп вспомогательного парашюта. После раскрытия основного парашюта фюзеляж БЛА принимает горизонтальное положение и осуществляется плавная с более или менее постоянной скоростью посадка БЛА на землю.

Недостатком такого технического решения является увеличение общей массы БЛА за счет массы двух парашютов, приводящее к необходимости снижения массы полезной нагрузки. Поэтому использование такого посадочного приспособления на сверхлегких (массой не более 1÷1,5 кг) БЛА затруднительно. Кроме того, раскрытие парашютов при сильном боковом ветре может привести к сносу БЛА и к его повреждению, например, о ветви деревьев.

Альтернативным вариантом построения посадочного приспособления для БЛА является использование различного рода надувных посадочных приспособлений, например посадочных подушек безопасности или мешков.

Указанные надувные посадочные приспособления размещаются в специальных отсеках внутри фюзеляжа БЛА (и/или крепятся к его корпусу) и срабатывают непосредственно перед касанием БЛА земной поверхности. Основной проблемой при создании таких надувных посадочных приспособлений является необходимость гашения импульса, возникающего при ударе о землю. Для этого применяют клапанный механизм стравливания воздуха из воздушной камеры надувного посадочного приспособления при возникновении в ней избыточного давления.

К этому классу технических решений относятся надувные посадочные приспособления по патентам DE №19509245, В 64 D 1/4, US №4205811, В 64 С 25/58.

Наиболее близким аналогом заявляемого изобретения является летательный аппарат с надувным посадочным приспособлением, поглощающим удар о поверхность земли, описанный в патенте US №5944282, В 64 С 25/26.

Указанное надувное посадочное приспособление содержит переднюю и заднюю надувные посадочные подушки безопасности, надуваемые под фюзеляжем БЛА. Каждая из указанных надувных посадочных подушек безопасности имеет отверстие для наддува воздухом из баллона, установленного в фюзеляже БЛА, и по два воздушных клапана для выпуска воздуха при превышении давлением внутри надувной посадочной подушки безопасности заданного уровня. Указанные клапаны срабатывают при контакте надувной посадочной подушки безопасности с земной поверхностью. Благодаря этому происходит ослабление удара БЛА о землю и, соответственно, обеспечивается более безопасная посадка БЛА.

Недостатками известного технического решения является низкая надежность, связанная с возможностью прорыва воздушных камер, вследствие удара об острый предмет (например, камень или металлическую конструкцию) и со сложностью обеспечения синхронности момента подачи воздуха в надувные посадочные подушки безопасности с моментом касания БЛА земли.

Другим недостатком, присущим, впрочем, и другим вышеупомянутым посадочным приспособлениям, является то, что до посадки во время горизонтального полета БЛА посадочное приспособление не гарантирует безопасности БЛА и окружающих объектов при их столкновении. Конструкция БЛА такова, что при столкновении в полете данного БЛА с другими летательными аппаратами или иными движущимися или неподвижными объектами (включая людей) они могут нанести им повреждения. Сами БЛА при этом могут быть разрушены. Предлагаемое изобретение направлено на устранение указанных недостатков.

Предметом изобретения является сверхлегкий БЛА, содержащий удлиненный в продольном направлении центральный связующий узел, в задней части которого установлен управляемый импеллер, в передней части расположен отсек для полезной нагрузки, а к боковым поверхностям прикреплены крылья, ориентированные перпендикулярно продольной оси центрального связующего узла и лежащие с ней в одной горизонтальной плоскости, проходящей через центр масс центрального связующего узла, а также посадочное приспособление, выполненное с возможностью поглощения кинетической энергии БЛА при его контакте с земной поверхностью, при этом посадочное приспособление выполнено с возможностью поглощения кинетической энергии БЛА при его столкновении в полете с другими летательными аппаратами и иными подвижными или неподвижными объектами.

Частными существенными признаками изобретения являются следующие.

Посадочное приспособление состоит из идентичных первого и второго защитных обручей, ориентированных, соответственно, в горизонтальной и вертикальной плоскостях, и жестко скрепленных друг с другом в точках пересечения, при этом упомянутая вертикальная плоскость проходит через продольную ось центрального связующего узла, внешние концы крыльев закреплены на диаметрально противоположных сегментах первого защитного обруча, а верхняя и нижняя точки второго защитного обруча соединены с центральным связующим узлом штырями, направленными к его центру масс.

Первый и второй защитные обручи и штыри выполнены из жесткого упругого материала, например углепластика, и являются полыми внутри, центральный связующий узел выполнен из углепластика или стеклопластика, а крылья - из прочного синтетического материала, например лавсана.

Посадочное приспособление снабжено несколькими дополнительными защитными обручами, идентичными первому и второму защитным обручам, каждый дополнительный защитный обруч находится в вертикальной плоскости, повернутой вокруг поперечной оси центрального связующего узла на некоторый угол относительно плоскости, в которой расположен второй защитный обруч, и жестко скреплен в точках пересечения с первым и вторым защитными обручами.

Штыри, первый и второй защитные обручи и дополнительные защитные обручи выполнены из жесткого упругого материала, например углепластика, и являются полыми внутри, центральный связующий узел выполнен из углепластика или стеклопластика, а крылья - из прочного синтетического материала, например лавсана.

Задачей изобретения является создание сверхлегкого БЛА с элементами конструкции, обеспечивающими высокоэффективную защиту БЛА:

- при посадке - от ударов о земную поверхность;

- в полете - от столкновений с другими летательными аппаратами или с иными подвижными, либо неподвижными объектами (включая людей, находящихся в зоне действия комплекса с БЛА).

Обеспечиваемый технический результат изобретения заключается в интеграции элементов посадочного приспособления с элементами конструкции самого БЛА. Благодаря этому создается единая жесткая, упругая конструкция, обеспечивающая требуемые условиями решаемой задачи аэродинамические характеристики полета БЛА, а также безопасность полета и посадки БЛА.

Суть изобретения поясняется на фиг.1 и 2, на которых представлены два варианта технической реализации предлагаемого сверхлегкого БЛА.

На фиг.1 представлен в трех проекциях эскиз конструкции предлагаемого сверхлегкого БЛА с посадочным приспособлением в виде двух защитных обручей (базовый вариант).

На фиг.2 представлена изометрическая проекция варианта конструкции сверхлегкого БЛА, использующего дополнительные защитные обручи.

На чертежах фиг.1 и 2 использованы следующие обозначения:

1 - первый защитный обруч; 2 - второй защитный обруч; 3 - центральный связующий узел; 4 - управляемый импеллер; 5 - отсек для полезной нагрузки; 6 - крыло; 7 - штырь; 8 - дополнительный защитный обруч.

Ниже рассмотрены два варианта конструкции сверхлегкого БЛА на электротяге, выполненного по аэродинамической схеме "летающее крыло". Это - одна из возможных аэродинамических схем, которые могут быть использованы при конструировании летательного аппарата.

Рассматриваемый сверхлегкий БЛА содержит удлиненный в продольном направлении центральный связующий узел 3, в задней части которого установлен управляемый импеллер 4, в передней части расположен отсек 5 для полезной нагрузки. К боковым сторонам центрального связующего узла 3 прикреплены крылья 6. Продольные оси крыльев 6 перпендикулярны продольной оси центрального связующего узла 3 и лежат с этой осью в одной горизонтальной плоскости, проходящей через центр масс центрального связующего узла 3. Управляемый импеллер 4 является силовой установкой (движителем) БЛА. Управляемый импеллер 4 состоит из турбины, приводимой в действие двигателем (например, электрическим), и самого этого двигателя, снабженного реле автоматического включения/выключения, установленным внутри корпуса турбины (на фиг.1 и 2 турбина, двигатель и реле автоматического включения/выключения не показаны). Полезная нагрузка включает в себя различные электронные устройства, такие как система автоматического управления полетом, средства связи, навигации и видеонаблюдения. Состав полезной нагрузки может варьироваться в зависимости от задач, решаемых БЛА, и в данном случае не конкретизируется. Центральный связующий узел 3 с отсеком 5 для полезной нагрузки выполнен из прочного легкого материала, например из углепластика или стеклопластика.

Особенностью рассматриваемого БЛА является наличие в нем специального посадочного приспособления, выполненного с возможностью поглощения кинетической энергии БЛА при его контакте с земной поверхностью или при столкновении в полете БЛА с другими летательными аппаратами либо с иными подвижными или неподвижными объектами.

Указанное посадочное приспособление содержит идентичные защитные обручи, выполненные из жесткого упругого материала, например из углепластиковой трубки. Минимально возможное количество таких защитных обручей - два (что и показано на фиг.1). Первый защитный обруч 1 расположен в горизонтальной плоскости, проходящей через продольную ось центрального связующего узла 3. Второй защитный обруч 2 расположен в вертикальной плоскости, также проходящей через продольную ось центрального связующего узла 3. Два первый 1 и второй 2 защитные обручи жестко скреплены друг с другом в двух точках пересечения.

Крылья 6 БЛА выполнены из прочной синтетической ткани, например лавсана. Каждое крыло 6 представляет собой полоску прочной ткани, один край которой крепится к боковой стороне центрального связующего узла 3, а другой натягивается на противоположный сегмент первого защитного обруча 1, загибается и подшивается к изнаночной части крыла 6. Места такой подшивки показаны точечными линиями на фиг.1 (вид сверху). За счет упругости первого защитного обруча 1 ткань крыльев 6 всегда находится в натянутом состоянии.

Верхняя и нижняя точки второго защитного обруча 2 соединены с центральным связующим узлом 3 штырями 7, выполненными, например, из углепластиковой трубки. Штыри 7 расположены на одной оси с поперечной осью центрального связующего узла 3, проходящей в вертикальной плоскости через его центр масс.

В качестве штырей 7 могут быть также использованы натянутые прочные упругие нити, выполненные из синтетического материала (например, лавсановые тросы).

Вариант конструкции, показанный на фиг.2, отличается от варианта, представленного на фиг.1, наличием дополнительных защитных обручей 8, идентичных первому 1 и второму 2 защитным обручам. Каждый дополнительный защитный обруч 8 располагается, как и второй защитный обруч 2, в вертикальной плоскости, повернутой вокруг поперечной оси центрального связующего узла 3 на некоторый угол относительно той плоскости, в которой расположен второй защитный обруч 2. Каждый дополнительный защитный обруч 8 жестко скреплен с первым 1 и вторым 2 защитными обручами в точках пересечения с ними.

Предлагаемый сверхлегкий БЛА работает следующим образом.

В базовом варианте, представленном на фиг.1, главными элементами конструкции БЛА, обеспечивающими безопасность в полете и при посадке, являются вышеупомянутые первый 1 и второй 2 защитные обручи. В варианте, представленном на фиг.2, к ним добавляются дополнительные защитные обручи 8. При этом следует отметить, что к предмету изобретения не относятся вопросы аэродинамического обеспечения полета БЛА в крейсерском режиме, а также вопросы, связанные с запуском БЛА. Все эти вопросы в рамках настоящего изобретения не рассматриваются. Изобретение посвящено обеспечению безопасности БЛА в процессе крейсерского полета (при возможном его столкновении с другими объектами, как подвижными, так и непожвижными), а также обеспечению безопасности БЛА при его приземлении.

Рассмотрим вначале работу БЛА, выполненного в соответствии с базовым вариантом, показанным на фиг.1.

При посадке БЛА либо при столкновении БЛА в полете с каким-либо другим летательным аппаратом или с иным подвижным либо неподвижным объектом (далее, с объектом столкновения) происходит взаимодействие жестко скрепленных друг с другом первого 1 и второго 2 защитных обручей с объектом столкновения. Первый 1 и второй 2 защитные обручи прогибаются, в них возникает деформация, при которой первый 1 и второй 2 защитные обручи стремятся оттолкнуться от объекта столкновения.

Предположим вначале, что неподвижный массивный объект столкновения находится на пути летящего БЛА (лобовой удар БЛА, например, о стену).

В момент соударения скорость передней части первого 1 и второго 2 защитных обручей снижается до нуля. Первый 1 и второй 2 защитные обручи начинают сжиматься. В то же время, центральный связующий узел 3 (с жестко соединенными с ним управляемым импеллером 4 и отсеком 5 для полезной нагрузки) продолжает свое поступательное движение по инерции. Однако это поступательное движение тормозится силой упругости как крыльев 6, так и штырей 7.

При превышении продольным отрицательным ускорением, вызванным этим торможением, определенного предела система автоматического управления полетом подает на реле автоматического включения/выключения управляемого импеллера 4 сигнал блокировки. Турбина управляемого импеллера 4 отключается. Не достигая передней части первого 1 и второго 2 защитных обручей, центральный связующий узел 3 останавливается. В это же время первый 1 и второй 2 защитные обручи отталкиваются от объекта столкновения. Однако за счет движения центрального связующего узла 3 внутри конструкции БЛА отталкивание первого 1 и второго 2 защитных обручей от объекта столкновения получается неупругим. Внутри БЛА центральный связующий узел 3 переходит в возвратно-поступательное движение с уменьшающейся амплитудой. Это движение обусловлено упругостью как крыльев 6, так и штырей 7. В конце концов, движение центрального связующего узла 3 внутри конструкции БЛА прекращается.

Поскольку рассматривается столкновение БЛА, произошедшее во время его полета, программа посадки БЛА не должна быть включена. Поэтому после того, как продольное ускорение прекращается, система автоматического управления включает турбину управляемого импеллера 4. БЛА вновь переходит в управляемый полет и может предпринять попытку обойти препятствие. Таким образом, за счет возвратно-поступательного движения центрального связующего узла 3 внутри БЛА осуществляется гашение кинетической энергии движения БЛА при его лобовом столкновении с препятствием, а перегрузки, действующие на центральный связующий узел 3, остаются в пределах, допустимых для обеспечения сохранности силовой установки и полезной нагрузки.

Гашение кинетической энергии, описанное выше, увеличивает вероятность неповреждения и объекта столкновения.

При посадке БЛА роль объекта столкновения играет поверхность земли. Однако перед приземлением должна быть включена программа посадки БЛА, выключающая, в частности, турбину управляемого импеллера 4, а кроме вертикальной составляющей удара о землю, аналогичной лобовому удару, существует и горизонтальная составляющая. Кроме того, существует и сила тяжести, направленная вертикально вниз. Взаимодействие силы тяжести и двух указанных составляющих удара о землю приводят к возникновению результирующего движения БЛА при приземлении: подобно футбольному мячу БЛА может несколько раз подпрыгнуть, потом покатиться и затем остановится. Но такое движение БЛА не может повредить его полезную нагрузку. Этому препятствуют упругие внутренние колебания центрального связующего узла 3, приводящие к снижению результирующих перегрузок для полезной нагрузки БЛА.

При боковом ударе БЛА об объект столкновения происходят те же процессы, что и при описанном выше лобовом ударе, за исключением того, что продольного отрицательного ускорения не возникает, соответственно, турбина управляемого импеллера 4 не выключается, и, оттолкнувшись от объекта столкновения, БЛА постепенно возвращается на заданную траекторию полета.

Наличие первого защитного обруча 1, расположенного в горизонтальной плоскости (то есть, в плоскости крыльев 6), позволяет применить в БЛА специальную натяжную конструкцию крыльев 6, обеспечивающую высокую степень упругости и жесткости конструкции БЛА в горизонтальной плоскости.

Жесткость конструкции в вертикальной плоскости обеспечивается с помощью штырей 7, выполненных из углепластиковой трубки, внешние концы которых прикреплены, соответственно, к диаметрально противоположным верхней и нижней точкам второго защитного обруча 2.

Другим вариантом может быть выполнение штырей 7 в виде упругих прочных натянутых нитей, выполненных из синтетического материала (например, тонких лавсановых тросов). В этом случае жесткость и упругость конструкции в вертикальной плоскости обеспечивается за счет упругости и жесткости второго защитного обруча 2.

Таким образом, во всех возможных вариантах исполнения конструкция БЛА обладает одновременно и жесткостью, и упругостью. Жесткость всей конструкции БЛА - необходимое условие для осуществления устойчивого управляемого полета. Упругость - необходимое и достаточное условие для "смягчения" удара при посадке и при столкновении с каким-либо объектом в полете. В результате этого при любом виде удара корпус центрального связующего узла 3 БЛА, управляемый импеллер 4, аппаратура, находящаяся в отсеке 5 для полезной нагрузки центрального связующего узла 3, и крылья 6 остаются неповрежденными.

Применение дополнительных защитных обручей 8 (фиг.2) повышает степень жесткости и упругости конструкции БЛА. Кроме того, уменьшается вероятность повреждения БЛА при столкновении с малоразмерным объектом, при котором этот объект столкновения может проскочить мимо первого 1 и второго 2 защитных обручей и повредить центральный связующий узел 3. Принципы работы посадочного приспособления остаются такими же, какими были описаны выше.

Очевидно, однако, что применение дополнительных защитных обручей 8 утяжеляет БЛА и приводит к ухудшению его аэродинамических характеристик. Поэтому на практике выбор количества дополнительных обручей 8 должен быть предметом разумного компромисса между летными характеристиками и безопасностью БЛА с учетом решаемых им задач. Приведенное выше описание не претендует на полноту, однако, вполне достаточно для уяснения сути предлагаемого технического решения.

Таким образом, предлагаемая конструкция позволяет решить поставленную задачу: создать сверхлегкий БЛА с элементами конструкции, обеспечивающими высокоэффективную защиту БЛА:

- при посадке - от ударов о земную поверхность;

- в полете - от столкновений с другими летательными аппаратами или с иными подвижными, либо неподвижными объектами (включая людей, находящихся в зоне действия комплекса с БЛА).

Основой этой защиты служит гашение кинетической энергии движения БЛА за счет возникновения возвратно-поступательного движения центрального связующего узла 3 внутри жесткого каркаса, образуемого первым 1 и вторым 2 защитными обручами, дополнительными защитными обручами 8, крыльями 6 и штырями 7. Гашение кинетической энергии повышает вероятность неповреждения и объекта столкновения.

Обеспечиваемый технический результат заключается в интеграции элементов посадочного приспособления (первого 1 и второго 2 защитных обручей, дополнительных защитных обручей 8 и штырей 7) с элементами конструкции самого БЛА (крыльями 6 и центральным связующим узлом 3). Благодаря этому создается единая жесткая, упругая конструкция, обеспечивающая требуемые условиями решаемой задачи аэродинамические характеристики полета БЛА, а также безопасность полета и посадки БЛА.

1. Сверхлегкий беспилотный летательный аппарат, содержащий удлиненный в продольном направлении центральный связующий узел, в задней части которого установлен управляемый импеллер, в передней части расположен отсек для полезной нагрузки, а к боковым поверхностям прикреплены крылья, ориентированные перпендикулярно продольной оси центрального связующего узла и лежащие с ней в одной горизонтальной плоскости, проходящей через центр масс центрального связующего узла, а также посадочное приспособление, выполненное с возможностью поглощения кинетической энергии беспилотного летательного аппарата при его контакте с земной поверхностью, отличающийся тем, что посадочное приспособление выполнено с возможностью поглощения кинетической энергии беспилотного летательного аппарата при его столкновении в полете с другими летательными аппаратами и иными подвижными или неподвижными объектами.

2. Аппарат по п.1, отличающийся тем, что посадочное приспособление состоит из идентичных первого и второго защитных обручей, ориентированных соответственно в горизонтальной и вертикальной плоскостях и жестко скрепленных друг с другом в точках пересечения, при этом упомянутая вертикальная плоскость проходит через продольную ось центрального связующего узла, внешние концы крыльев закреплены на диаметрально противоположных сегментах первого защитного обруча, а верхняя и нижняя точки второго защитного обруча соединены с центральным связующим узлом штырями, направленными к его центру масс.

3. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что первый и второй защитные обручи и штыри выполнены из жесткого упругого материала, например углепластика, и являются полыми внутри, центральный связующий узел выполнен из углепластика или стеклопластика, а крылья - из прочного синтетического материала, например лавсана.

4. Аппарат по п.2, отличающийся тем, что посадочное приспособление снабжено несколькими дополнительными защитными обручами, идентичными первому и второму защитным обручам, при этом каждый дополнительный защитный обруч находится в вертикальной плоскости, повернутой вокруг поперечной оси центрального связующего узла относительно плоскости, в которой расположен второй защитный обруч, и жестко скреплен в точках пересечения с первым и вторым защитными обручами.

5. Аппарат по п.4, отличающийся тем, что штыри, первый и второй защитные обручи и дополнительные защитные обручи выполнены из жесткого упругого материала, например углепластика, и являются полыми внутри, центральный связующий узел выполнен из углепластика или стеклопластика, а крылья - из прочного синтетического материала, например лавсана.