RU174959U1

RU174959U1 - UNMANNED AERIAL VEHICLE

Info

Publication number: RU174959U1
Application number: RU2017108653U
Authority: RU
Inventors: Максим Станиславович Кожевников; Валерий Александрович Челышев
Original assignee: Челышева Оксана Юрьевна
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2017-11-13

Abstract

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета и посадки. Задачу по повышению курсовой устойчивости полета и маневренности беспилотного летательного аппарата, повышению его надежности решает беспилотный летательный аппарат, содержащий монокрыло 1 с винглетами 2 по бокам и направляющими 3. На монокрыле 1 вдоль его продольной оси симметрии установлен киль 4. На монокрыле 1 жестко закреплена крестообразная рама 5, на концах которой установлены электродвигатели 6, 7, 8, 9 с воздушными винтами 10, при этом два электродвигателя 6 и 7 расположены над монокрылом по обе стороны киля 4, а два электродвигателя 8 и 9 расположены под монокрылом. Винглеты 2 направлены вниз и выполнены в виде ограничителей для предотвращения отклонения в боковом направлении воздушных потоков от воздушных винтов двигателей 8 и 9. В центре масс летательного аппарата в блоке аэродинамической формы 11 установлена система управления, которая содержит элементы функционально связанной между собой электронной аппаратуры, приемопередающего блока, приемопередающей антенны, пилотажно-навигационной системы и автопилота. Монокрыло 1 и киль 4 выполнены из легкого и прочного углепластика, например, поликарбоната или карбона. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.The utility model relates to aircraft, in particular to unmanned aerial vehicles of vertical take-off and landing. The task of increasing the directional stability of the flight and the maneuverability of the unmanned aerial vehicle, increasing its reliability is solved by an unmanned aerial vehicle containing a single wing 1 with winglets 2 on the sides and guides 3. A keel 4 is installed on the single wing 1 along its longitudinal axis of symmetry. A cruciform cross is fixed on the single wing 1 frame 5, at the ends of which electric motors 6, 7, 8, 9 with propellers 10 are installed, while two electric motors 6 and 7 are located above the mono wing on both sides of the keel 4, and two electric motors 8 and 9 located under the wing. Winglets 2 are directed downward and are designed as limiters to prevent lateral deviation of air flows from the propellers of engines 8 and 9. In the center of mass of the aircraft in the aerodynamic shape block 11, a control system is installed that contains elements of electronic transceiver functionally interconnected unit, transceiver antenna, flight navigation system and autopilot. The single wing 1 and keel 4 are made of lightweight and durable carbon fiber, such as polycarbonate or carbon fiber. 2 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Полезная модель относится к авиационной технике, в частности, к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета и посадки.The utility model relates to aircraft, in particular to unmanned aerial vehicles of vertical take-off and landing.

В настоящее время существует насущная потребность в небольшом беспилотном летающем аппарате, который выполняет максимальные задачи с минимальными затратами, например, патрулирование прибрежной акватории водоемов с целью проведения поисково-спасательных работ и борьбы с браконьерством, анализ состояния объектов и масштабов разрушений, опасных зон и пожаров, аварий, стихийных бедствий, техногенных катастроф и выявления в них пострадавших.Currently, there is an urgent need for a small unmanned aerial vehicle that performs the maximum tasks at the lowest cost, for example, patrolling the coastal waters of reservoirs with the aim of conducting search and rescue operations and combating poaching, analyzing the condition of objects and the extent of destruction, dangerous zones and fires, accidents, natural disasters, technological disasters and identifying the victims in them.

Известен беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий корпус, выполненный с возможностью уравновешивания веса летательного аппарата на расчетных скоростях горизонтального полета, и закрепленные снаружи по бокам корпуса четыре силовых агрегата, по два с каждой стороны, при этом силовые агрегаты каждого бока расположены симметрично по отношению друг к другу относительно вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса, и имеют возможность поворота в местах своего закрепления вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной вертикальной плоскости, проходящей через продольную ось корпуса, причем каждый силовой агрегат выполнен из защитного корпуса, внутри которого расположены два электродвигателя с воздушными винтами изменяемого шага, вращающимися в противоположных направлениях [патент РФ №163412, В64С 29/00, В64С 39/00, опубл. 20.07.16 г.].Known unmanned aerial vehicle of vertical take-off and landing, comprising a housing made with the possibility of balancing the weight of the aircraft at the estimated speeds of horizontal flight, and four power units fixed on the sides of the body, two on each side, while the power units of each side are symmetrically located relative to each other relative to a vertical plane passing through the longitudinal axis of the housing, and have the ability to rotate in places of their fastening around the horizontal the axial axis perpendicular to the vertical plane passing through the longitudinal axis of the housing, each power unit being made of a protective housing, inside of which are two electric motors with variable pitch propellers rotating in opposite directions [RF patent No. 163412, B64C 29/00, B64C 39 / 00 publ. 07/20/16].

Недостатком известного беспилотного летательного аппарата является сложность конструкции, низкая маневренность, неустойчивое положение в полете.A disadvantage of the known unmanned aerial vehicle is the design complexity, low maneuverability, unstable flight position.

Наиболее близким по принципу действия и технической сущности к заявляемому устройству является беспилотный летательный аппарат с четырьмя поворотными двигателями, состоящий из монокрыла, жестко соединенных осями с монокрылом четырех поворотных двигателей, расположенных симметрично относительно оси аппарата и вне его. Двигатели расположены таким образом, что центр масс аппарата находится симметрично между осями двигателей, причем система управления и элементы питания и привода двигательной установки равномерно занимают весь свободный объем монокрыла, а полезная нагрузка размещается на поверхности крыла [патент РФ №71960, В64С 39/00, В64С 29/00, опубл. 27.03.2008 г.].The closest in principle of operation and technical essence to the claimed device is an unmanned aerial vehicle with four rotary engines, consisting of a single wing, rigidly connected by axes with a single wing of four rotary engines, located symmetrically about the axis of the apparatus and outside it. The engines are arranged so that the center of mass of the apparatus is symmetrically between the axes of the engines, and the control system and the power and drive elements of the propulsion system uniformly occupy the entire free volume of the single wing, and the payload is placed on the surface of the wing [RF patent No. 71960, VC 39/00, B64C 29/00, publ. March 27, 2008].

Недостатком известного летательного аппарата является невозможность быстрого маневрирования и низкая курсовая устойчивость полета из-за того, что двигатели вынесены за плоскость крыла. Кроме того, наличие поворотных двигателей и система их приводов усложняют устройство летательного аппарата и тем самым снижают его надежность.A disadvantage of the known aircraft is the inability to quickly maneuver and the low directional stability of the flight due to the fact that the engines are taken out of the wing plane. In addition, the presence of rotary engines and their drive system complicate the design of the aircraft and thereby reduce its reliability.

Предлагаемая нами полезная модель направлена на повышение курсовой устойчивости полета и маневренности беспилотного летательного аппарата, повышение его надежности.Our utility model is aimed at increasing the directional stability of flight and maneuverability of an unmanned aerial vehicle, increasing its reliability.

Поставленная задача решается тем, что в беспилотном летательном аппарате, содержащем монокрыло, четыре двигателя с воздушными винтами, расположенные симметрично относительно продольной оси аппарата, соединенные с монокрылом и независимо работающие от единой системы управления, монокрыло выполнено стреловидной формы с винглетами по бокам и снабжено килем, установленным на монокрыле вдоль его продольной оси симметрии; двигатели установлены на концах крестообразной рамы, которая жестко соединена с монокрылом, при этом два двигателя расположены над монокрылом по обе стороны киля, а два -под монокрылом; над монокрылом установлены направляющие воздушных потоков от винтов установленных над монокрылом двигателей в виде дугообразных пластин, один конец которых соединен с монокрылом, а другой - с килем; винглеты направлены вниз и выполнены в виде ограничителей для предотвращения отклонения в боковом направлении воздушных потоков от воздушных винтов двигателей, установленных под монокрылом.The problem is solved in that in an unmanned aerial vehicle containing a single wing, four engines with propellers located symmetrically relative to the longitudinal axis of the vehicle, connected to the wing and independently operating from a single control system, the wing is made in the form of an arrow-shaped winglet with wings and is equipped with a keel, mounted on a single wing along its longitudinal axis of symmetry; the engines are mounted at the ends of the cruciform frame, which is rigidly connected to the mono-wing, with two engines located above the mono-wing on both sides of the keel, and two under the mono-wing; over the mono-wing, air flow guides from the propellers of the engines installed above the mono-wing are installed in the form of arched plates, one end of which is connected to the single-wing and the other to the keel; the winglets are directed downward and are designed as limiters to prevent lateral deviation of air flows from the propellers of the engines mounted under the wing.

В центре масс летательного аппарата в блоке аэродинамической формы установлены элементы питания и система управления, которая содержит элементы функционально связанной между собой электронной аппаратуры, приемопередающего блока, приемопередающей антенны, пилотажно-навигационной системы и автопилота.In the center of mass of the aircraft in an aerodynamic-shaped unit, power elements and a control system are installed, which contains elements of functionally interconnected electronic equipment, a transceiver unit, a transceiver antenna, a flight-navigation system and an autopilot.

Причем монокрыло и киль выполнены из легкого углепластика.Moreover, the wing and keel are made of lightweight carbon fiber.

Выполнение монокрыла стреловидной формы с винглетами по бокам и установка киля на монокрыле вдоль его продольной оси симметрии обеспечивает минимальное аэродинамическое сопротивление и максимальную подъемную силу, а также позволяет за счет разделения килем воздушных потоков обеспечить аппарату балансировку относительно вертикальной оси и, соответственно, курсовую устойчивость, хорошую управляемость и возможность осуществления маневров в воздухе - можно делать тангаж (подъем и спуск носа) быстро, а рысканье (угол поворота) обеспечивать до 180 градусов, крен на крыле может достигать +90 и -90 градусов.Performing a swept-shaped mono-wing with winglets on the sides and installing a keel on a mono-wing along its longitudinal axis of symmetry provides minimal aerodynamic drag and maximum lifting force, and also allows balancing relative to the vertical axis and, accordingly, course stability, good by keel separation of air flows controllability and the ability to perform maneuvers in the air - you can do the pitch (nose up and down) quickly, and yaw (angle of rotation) provides up to 180 degrees, the roll on the wing can reach +90 and -90 degrees.

Установка независимо работающих от единой системы управления двигателей на концах крестообразной рамы, два из которых расположены над монокрылом по обе стороны киля, а два - под монокрылом, позволяет путем регулирования оборотов двигателей управлять воздушными потоками без использования сложных конструкций рулей поворота и высоты, что существенно повышает надежность беспилотного летательного аппарата.The installation of engines independently working from a single control system at the ends of the cruciform frame, two of which are located above the mono-wing on both sides of the keel, and two under the mono-wing, allows controlling air flows without using complex steering and elevation controllers by adjusting engine speed. reliability of an unmanned aerial vehicle.

Жесткое соединение крестообразной рамы с двигателями и монокрылом позволяет обеспечить аппарату курсовую устойчивость, управляемость и балансировку относительно вертикальной оси, возможность осуществления сложных маневров в воздухе за счет того, что каждый из двигателей может работать в общем, парном и одиночном скоростном режимах, а также имеет реверсивную тягу.A rigid connection of the cruciform frame with engines and a single wing allows the device to provide directional stability, controllability and balancing relative to the vertical axis, the ability to perform complex maneuvers in the air due to the fact that each of the engines can operate in general, twin and single speed modes, and also has a reversible cravings.

Выполнение боковых винглет в виде ограничителей для предотвращения отклонения в боковом направлении воздушных потоков от воздушных винтов, установленных под монокрылом двигателей позволяют создать дополнительную подъемную силу во время полета, так как они удерживают воздушный поток винтов от стекания вбок и направляют его назад и тем самым повышают курсовую устойчивость летательного аппарата.The implementation of the side winglets in the form of limiters to prevent lateral deviation of the air flow from the propellers mounted under the wing of the engines allows you to create additional lifting force during flight, as they keep the air flow of the screws from flowing sideways and direct it back and thereby increase the directional aircraft stability.

Установка над монокрылом направляющих воздушных потоков от винтов установленных над монокрылом двигателей в виде дугообразных пластин, один конец которых соединен с монокрылом, а другой - с килем позволяет удерживать и управлять воздушными потоками от винтов над монокрылом, что повышает курсовую устойчивость беспилотного летательного аппарата.The installation of guiding air flows over the mono-wing from the propellers mounted above the mono-wing in the form of arcuate plates, one end of which is connected to the mono-wing, and the other with the keel allows you to hold and control the air flows from the screws above the mono-wing, which increases the directional stability of the unmanned aerial vehicle.

За счет установки над монокрылом направляющих и выполнение винглет в виде ограничителей позволяет обеспечить работу каждого из винтов двигателей как бы в трубе, что стабилизирует полет и придает надежную курсовую устойчивость летательному аппарату.Due to the installation of guides above the mono-wing and the implementation of the winglet in the form of limiters, it is possible to ensure the operation of each of the engine screws as if in a pipe, which stabilizes flight and gives reliable directional stability to the aircraft.

Установка системы управления, элементов питания в центре масс летательного аппарата позволяет обеспечить оптимальную балансировку беспилотного летательного аппарата и повысить его маневренность и курсовую устойчивость во время полета.The installation of a control system, batteries in the center of mass of the aircraft allows for optimal balancing of the unmanned aerial vehicle and increase its maneuverability and directional stability during flight.

Выполнение монокрыла и киля из легкого углепластика позволяет повысить надежность беспилотного летательного аппарата за счет ударопрочности и долговечности использованного материала.The execution of a single wing and keel of light carbon fiber allows you to increase the reliability of an unmanned aerial vehicle due to the impact resistance and durability of the material used.

На фиг. 1 показан вид беспилотного летательного аппарата сбоку; на фиг. 2 - вид беспилотного летательного аппарата сверху; на фиг. 3 - вид спереди.In FIG. 1 shows a side view of an unmanned aerial vehicle; in FIG. 2 is a top view of an unmanned aerial vehicle; in FIG. 3 is a front view.

Беспилотный летательный аппарат выполнен по аэродинамической схеме "летающее крыло" и содержит монокрыло 1 с винглетами 2 по бокам, и направляющими 3. На монокрыле 1 вдоль его продольной оси симметрии установлен киль 4. В центре масс на монокрыле жестко закреплена крестообразная рама 5, на концах которой установлены электродвигатели 6, 7, 8, 9 с воздушными винтами 10, при этом два электродвигателя 6 и 7 расположены над монокрылом по обе стороны киля 4, а два электродвигателя 8 и 9 расположены под монокрылом. Напротив двигателей 8 и 9 расположены боковые винглеты 2, направленные вниз и выполненные в виде ограничителей для предотвращения отклонения в боковом направлении воздушных потоков от воздушных винтов этих двигателей. Направляющие 3, выполненные в виде дугообразных пластин, один конец которых соединен с килем 4, а другой - с монокрылом 1, расположены позади двигателей 6 и 7 в задней части монокрыла. В центре масс летательного аппарата в блоке аэродинамической формы 11 установлена система управления, которая содержит элементы функционально связанной между собой электронной аппаратуры, приемопередающего блока, приемопередающей антенны, пилотажно-навигационной системы и автопилота. Для обеспечения жесткости между винглетами 2 и монокрылом 1 они соединены между собой вертикальным 12 и горизонтальным 13 ребрами. Монокрыло 1 и киль 4 выполнены из легкого и прочного углепластика, например, поликарбоната или карбона.The unmanned aerial vehicle is made according to the "flying wing" aerodynamic scheme and contains a single wing 1 with winglets 2 on the sides and guides 3. A wing 4 is installed on the wing 1 along the longitudinal axis of symmetry 4. A cruciform frame 5 is rigidly fixed to the wing in the center of mass, at the ends which is equipped with electric motors 6, 7, 8, 9 with propellers 10, while two electric motors 6 and 7 are located above the single wing on both sides of the keel 4, and two electric motors 8 and 9 are located under the single wing. Opposite the engines 8 and 9, there are side winglets 2 directed downward and made in the form of stops to prevent lateral deviation of air flows from the propellers of these engines. The guides 3, made in the form of arched plates, one end of which is connected to the keel 4, and the other to the mono-wing 1, are located behind the engines 6 and 7 in the rear of the mono-wing. In the center of mass of the aircraft in a block of aerodynamic form 11, a control system is installed that contains elements of functionally interconnected electronic equipment, a transceiver unit, a transceiver antenna, a flight-navigation system and an autopilot. To ensure rigidity between the winglets 2 and the single wing 1, they are interconnected by vertical 12 and horizontal 13 ribs. The single wing 1 and keel 4 are made of lightweight and durable carbon fiber, such as polycarbonate or carbon fiber.

Предлагаемый беспилотный летающий аппарат (БПЛА) может работать в следующих режимах: запуск, полет с работающими двигателями, планирование и приземление.The proposed unmanned aerial vehicle (UAV) can operate in the following modes: launch, flight with running engines, planning and landing.

Режим - «Запуск». Запуск БПЛА может проводиться с любого места. Кроме того, он может осуществляться как по командам оператора, находящегося в районе зоны управления, так и быть заложен в память системы управления, установленной в блоке 11. Запуск электродвигателей 6, 7, 8, 9, установленных на крестообразной раме 5, при старте осуществляют автоматически или по команде оператора. При запуске БПЛА электродвигатели 6, 7, 8, 9 начинают свою работу, приводя в движение воздушные винты 10. Как только суммарная тяга, создаваемая двигателями 6, 7, 8, 9 превысит стартовый вес БПЛА, монокрыло 1 отрывается от поверхности и начинает совершать вертикальный подъем до набора нужной высоты.The mode is “Launch”. UAV launch can be carried out from anywhere. In addition, it can be carried out either by the commands of an operator located in the area of the control zone, or it can be stored in the memory of the control system installed in block 11. The motors 6, 7, 8, 9, mounted on the cross-shaped frame 5, are launched at startup automatically or at the command of an operator. When the UAV starts, the electric motors 6, 7, 8, 9 start their work, driving the propellers 10. As soon as the total thrust created by the engines 6, 7, 8, 9 exceeds the starting weight of the UAV, the single wing 1 breaks off the surface and begins to make vertical climb to climb to the desired height.

Режим - «Полет с работающими двигателями». По команде системы управления за счет изменения оборотов электродвигателей 6, 7, установленных над монокрылом 1, их воздушные винты 10 начинают вращаться быстрее, за счет чего БПЛА переводится в режим горизонтального полета. При этом боковые винглеты 2, соединенные с монокрылом 1 вертикальным 12 и горизонтальным 13 ребрами жесткости, создают дополнительную подъемную силу монокрыла 1, и вместе с направляющими 3 обеспечивают курсовую устойчивость аппарата, так как удерживают и направляют назад воздушный поток от винтов двигателей 6, 7, 8, 9.Mode - "Flight with running engines." At the command of the control system, due to changes in the revolutions of electric motors 6, 7 mounted above the mono-wing 1, their propellers 10 begin to rotate faster, due to which the UAV is put into horizontal flight mode. In this case, the side winglets 2 connected to the mono-wing 1 by vertical 12 and horizontal 13 stiffeners create additional lifting force of the mono-wing 1, and together with the guides 3 provide directional stability of the apparatus, since they hold and direct back the air flow from the engine screws 6, 7, 8, 9.

Полет БПЛА может происходить в соответствии с полетным заданием, как по заданной программе, так и по радиокомандам, передаваемым оператором с наземного пункта дистанционного управления. Эти команды управляют полетом БПЛА с помощью пилотажно-навигационной системы, а также дистанционным обзором местности и передачей видеоинформации через приемопередающую антенну и приемопередающий блок на наземный пункт дистанционного управления. Для поворота БПЛА через систему управления подают команду на двигатели 6, 7, 8, 9, которые задают скорость вращения в зависимости от направления поворота. Изменение скорости полета БПЛА осуществляют изменением числа оборотов валов всех двигателей 6, 7, 8, 9. В случае уменьшения скорости полета БПЛА или осуществления реверса тяги необходимо или уменьшить число оборотов вала двигателей, или осуществить его вращение в обратную сторону с заданной скоростью.UAV flight can occur in accordance with the flight task, both according to a given program, and according to radio commands transmitted by the operator from a ground-based remote control point. These commands control the UAV flight using the flight-navigation system, as well as remote viewing of the terrain and the transmission of video information via a transmit-receive antenna and a transmit-receive unit to a ground control station. To rotate the UAV through the control system, a command is given to the engines 6, 7, 8, 9, which set the rotation speed depending on the direction of rotation. The UAV flight speed is changed by changing the number of revolutions of the shafts of all engines 6, 7, 8, 9. In the case of a decrease in the UAV flight speed or thrust reversal, it is necessary to either reduce the number of revolutions of the engine shaft or rotate it in the opposite direction at a given speed.

Режим - «Планирование». Для перехода в режим планирования достаточно набрать необходимую высоту и отключить электродвигатели 6, 7, 8, 9. Благодаря большой площади монокрыла 1 аппарат начинает планировать в воздухе. При этом киль 4, установленный вдоль продольной оси симметрии монокрыла 1, обеспечивает аппарату курсовую устойчивость и балансировку относительно вертикальной оси.The mode is “Planning”. To switch to the planning mode, it is enough to gain the necessary height and turn off the electric motors 6, 7, 8, 9. Due to the large area of the mono-wing, 1 device begins to plan in the air. In this case, the keel 4, installed along the longitudinal axis of symmetry of the wing 1, provides the apparatus with directional stability and balancing with respect to the vertical axis.

Режим - «Приземление». Приземление БПЛА осуществляется при переводе электродвигателей 6, 7, 8, 9 в режим посадки, согласно которому изменяют режим оборотов каждого двигателя, обеспечивающий переход монокрыла 1 в вертикальное положение. После этого БПЛА плавно вертикально приземляется. Следует отметить, что для приземления не требуется наличие взлетно-посадочной полосы.The mode is “Landing”. UAV landing is carried out when the electric motors 6, 7, 8, 9 are put into the landing mode, according to which the revolutions of each engine are changed, which ensures the transition of the single wing 1 to the vertical position. After that, the UAV gently lands vertically. It should be noted that the landing does not require a runway.

Таким образом, предлагаемая конструкция беспилотного летательного аппарата позволяет повысить курсовую устойчивость полета и маневренность беспилотного летательного аппарата, и его надежность.Thus, the proposed design of an unmanned aerial vehicle allows to increase the directional stability of the flight and the maneuverability of an unmanned aerial vehicle, and its reliability.

Claims

1. An unmanned aerial vehicle containing a single wing, four engines with propellers, located symmetrically relative to the longitudinal axis of the vehicle, connected to the wing and independently operating from a single control system, characterized in that the wing is made arrow-shaped with winglets on the sides and equipped with a keel installed on a single wing along its longitudinal axis of symmetry; the engines are mounted at the ends of the cruciform frame, which is rigidly connected to the mono-wing, with two engines located above the mono-wing on both sides of the keel, and two under the mono-wing; above the mono-wing, air flow guides from the screws installed above the mono-wing of engines in the form of arcuate plates are installed, one end of which is connected to the mono-wing and the other to the keel; the winglets are directed downward and are designed as limiters to prevent lateral deviation of air flows from the propellers of the engines mounted under the wing.

2. The unmanned aerial vehicle according to claim 1, characterized in that in the center of mass of the aircraft in the aerodynamic-shaped unit, power elements and a control system are installed, which contains elements of functionally interconnected electronic equipment, a transceiver unit, a transceiver antenna, a flight-navigation system and autopilot.

3. An unmanned aerial vehicle according to claim 1, characterized in that the monoplane with winglets and the keel are made of light carbon fiber.