RU221353U1 - Беспилотный летательный аппарат планерного типа - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) планерного типа. БЛА содержит фюзеляж, используемый для перевозки полезного груза на внешней подвеске и выполненный с носовой частью обтекаемой формы и с горизонтальным стабилизатором в хвостовой части. К фюзеляжу прикреплено плоское крыло, состоящее из двух плоскостей, каждое из которых шарнирно связано с фюзеляжем для складывания вдоль продольной оси летательного аппарата в направлении горизонтального стабилизатора хвостовой части при транспортировке летательным аппаратом-носителем и распрямления при полете после отсоединения от подвеса. Плоскости выполнены аэродинамической формы, хвостовая часть фюзеляжа выполнена в виде балки с поперечным размером, меньшим поперечного размера фюзеляжа, для размещения вдоль этой балки плоскостей в сложенном положении. Ширина фюзеляжа в зоне размещения крыла выполнена не менее поперечного размера сложенных вдоль балки плоскостей. На верхней стенке фюзеляжа на линии, проходящей через центр тяжести беспилотного летательного аппарата планерного типа, размещен узел для соединения с подвесом летательного аппарата-носителя, а на нижней стенке фюзеляжа размещен узел закрепления полезного груза. 2 з.п. ф-лы, 3 ил.

Description

Полезная модель относится к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) планерного типа и может быть использована в любой области в качестве доставщика полезной нагрузки на повышенную дальность.

Известен беспилотный летательный аппарат (БЛА) планерного типа с двигательной установкой со складным пропеллером и изменяемой конфигурацией основных крыльев планера, состоящий из фюзеляжа планера, бортовой системы управления полетом, двигательной установки, боевой части, расположенный в фюзеляже червячный мотор-редуктор через винтовую пару с ходовой гайкой через тяги и кронштейны взаимодействует с консолями основных крыльев, поворотно через оси шарниров смонтированные на фюзеляже, при этом основные крылья смонтированы с возможностью складывания вдоль фюзеляжа и распрямления поперек фюзеляжа (RU 2637278, В64С 39/02, В64С 3/40, опубл. 01.12.2017 г.).

Недостатком данного планера является применение силовой винтовой установки комбинированного типа для обеспечения дальности полета планера. Это усложняет конструкцию БПЛА и переводит планер в категорию самолета с изменяемой конфигурацией крыльев или мотопланера. Некоторые современные планеры оснащаются собственными двигателями - такие аппараты называют мотопланерами. Отдельные модели способны взлететь и набрать высоту самостоятельно, после чего двигатель выключается, пропеллер складывается (для улучшения аэродинамики), а ЛА продолжает полет как обычный классический планер. Но для этого нужен достаточно мощный (а значит - тяжелый) двигатель.

Преимуществами являются возможность размещения полезной нагрузки для транспортирования ее на некоторое расстояние и возможность складывания основных крыльев для уменьшения поперечного размера БПЛА при его транспортировании на место взлета.

Кроме того, ЛА типа БЛА-планер, применяемые в качестве доставщика полезного груза, относятся к категории разового использования, то есть не имеют возможности возвращения на точку запуска. Поэтому сложность конструкции, оснащение ее силовой установкой сильно и необоснованно удорожает ЛА типа планера.

Согласно принятого определения в авиастроении планер - это летательный аппарат с неподвижным крылом, который поддерживается в полете динамической реакцией воздуха на его подъемные поверхности и свободный полет которого не зависит от двигателя. Планер - непосредственно летательный аппарат, способный летать, а точнее, планировать. Такой планер бесшумен в полете и может дистанционно управляться в пределах связи с оператором.

Если судить с точки зрения аэродинамики, это самые совершенные ЛА, которые были когда-либо созданы. Существует такой показатель, как аэродинамическое качество, - это отношение расстояния, которое может пролететь ЛА с выключенным двигателем с некоторой высоты, к потере этой высоты. У легких самолетов он обычно составляет 10-15, а у планеров от 25-30 только начинается, то есть с высоты 1 км такой планер может пролететь по горизонтали 30 км. И это если только планировать и не использовать восходящие потоки. На самом деле планеры летают намного дальше, если удается «оседлать» восходящий поток. Попав в такой восходящий поток, имеющий скорость несколько метров в секунду, планер может по винтовой линии снижаться относительно потока, но при этом подниматься относительно земли. Потоки могут подниматься до 3000 м и дают возможность набрать высоту, необходимую для длительного планирования.

Учитывая уровень развития технологий, стало возможным разработать специализированные транспортные БПЛА упрощенной конструкции. Такое изделие должно несет полезный груз в сотни килограммов (в качестве потенциальной нагрузки рассматриваются провизия, медикаменты и т.д.), запускается путем сброса со штатных летательных аппаратов и может преодолевать по воздуху большие расстояния в режиме планирования. Повторное использование становится необязательным. В определенных ситуациях снабжение войск по воздуху может быть связано с трудностями. На месте может отсутствовать аэродром для транспортного самолета, а вертолеты уязвимы к средствам ПВО противника. То же касается военно-транспортной авиации, сбрасывающей парашютные платформы. В связи с этим Корпус морской пехоты США и агентство DARPA запустили исследовательскую программу TACAD (Tactical Air Delivery - «Тактическая воздушная доставка»), целью которой является создание нового воздушного транспорта планерного типа для доставки мелких грузов с минимальными рисками.

В рамках данного проекта был изготовлен и испытан в полевых условиях образец беспилотного летательного аппарата планерного типа, который представляет собой безмоторный ЛА нормальной аэродинамической схемы, фюзеляж и крылья которого выполнены из фанеры. Для удешевления производства планер имеет грубые обводы, обеспечивающие аэродинамическое качество такого планера на уровне 12. Этот планер описан в статье «Фанерная логистика: одноразовые транспортные БПЛА от Logistic Gliders», автор - Кирилл Рябов, статья выложена в сети Интернет 09 февраля 2020 на сайте «ВОЕННОЕ ОБОЗРЕНИЕ» в режиме свободного доступа по адресу, https://topwar.ru/167608-fanernaja-logistika-odnorazovye-transportnye-bpla-ot-gliders.html?ysclid=lfupa56q93670… (копия статьи с сайта прилагается).

Это решение принято в качестве прототипа.

Фюзеляж такого планера является одновременно и грузовым отсеком. По сути, фюзеляж планера выполнен в виде фанерного ящика заданных размеров. Плоский носовой обтекатель выполняет функции амортизатора при посадке. В центральной части фюзеляжа крепится раскладываемое в полете прямое крыло большого удлинения, состоящее из двух плоскостей, шарнирно связанных с фюзеляжем. При транспортировке ДА-носителем эти плоскости располагаются вдоль фюзеляжа и между шайбами стиабилизатора хвостового оперения и над фюзеляжем. При сбросе специальный механизм переводит их в рабочее положение. Сужающийся хвост несет оперение со стабилизатором, килем и парой шайб. При транспортировке БПЛА располагается в грузовом отсеке ЛА-носителя. За доставку груза к месту назначения отвечает достаточно простая система управления, размещаемая в хвосте планера и построенная на доступных компонентах. Она включает средства спутниковой навигации и автопилот, контролирующий элероны и рули хвостового оперения. Также имеются средства дистанционного управления, позволяющие оператору вести планер. На пульт передается телеметрия и видеосигнал с носовой камеры. Способ применения такого планера прост. ЛА-носитель выходит в заданный район и производит сброс БПЛА в транспортном положении. После сброса планер раскрывает крылья и начинает самостоятельный полет к указанным координатам. Там беспилотник выполняет горизонтальную посадку либо выпускает посадочный парашют. После этого «адресаты» могут разобрать планер и вынуть доставленный груз. Повторное применение не предусматривается. Недостаток этого решения заключается в следующем.

Преимуществом планера как летательного аппарата является его высокий показатель аэродинамического качества (нижняя граница отчета начинается от 25-30), а в известном планере из-за грубой проработки фюзеляжа, плоского носового обтекателя по форме параллелепипедного ящика этот показатель равен 12, что исключает возможность длительного нахождения в воздушном восходящем потоке и ограничивает дальность полета. При этом существенно снижается скорость передвижения из-за высокого лобового сопротивления при отсутствии силовой установки.

Форма фюзеляжа типа ящика обусловлена потребностью разовой перевозки большого количества полезного груза. Этот БЛА скорее относится к категории снабженческого ЛА, не используемого в качестве носителя боевого заряда. Этим объясняется то, что согласно проекта БЛА должен приземляться, после чего его нужно разобрать на части и транспортировать в разобранном виде к месту хранения. Для этого нижняя поверхность БЛА выполнена плоской как стенка у ящика, что позволяет при приземлении проскальзывать по грунту. Но такая форма фюзеляжа (при использовании в зоне ведения боевых действий) создает возможность разрушения ЛА, так как представляет собой слишком большую видимую мишень при малой скорости полета.

Плоскости крыла имеют возможность занимать два конечных положения: поперек фюзеляжа и вдоль фюзеляжа в зоне между шайбами стабилизатора хвостового оперения. Возможность получения промежуточных положений плоскостей для регулирования скорости в функции от набегающего потока.

Настоящая полезная модель направлена на достижение технического результата, заключающегося в упрощении конструкции безмоторного и беспилотного летательного аппарата планерного типа для применения его в качестве невозвратного доставщика полезного груза и его сброса в труднодоступные районы.

Указанный технический результат достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате планерного типа, содержащем фюзеляж, используемый для перевозки полезного груза и выполненный с носовой частью обтекаемой формы и с горизонтальным стабилизатором в хвостовой части, к фюзеляжу прикреплено плоское крыло, состоящее из двух плоскостей, каждое из которых шарнирно связано с фюзеляжем для складывания вдоль продольной оси летательного аппарата в направлении горизонтального стабилизатора хвостовой части при транспортировке летательным аппаратом-носителем и распрямления при полете после отсоединения от подвеса, отличающийся тем, что носовая часть фюзеляжа выполнена аэродинамической формы, плоскости выполнены аэродинамической формы, хвостовая часть фюзеляжа выполнена в виде балки с поперечным размером, меньшим поперечного размера фюзеляжа, для размещения вдоль этой балки плоскостей в сложенном положении, ширина фюзеляжа в зоне размещения крыла выполнена не менее поперечного размера сложенных вдоль балки плоскостей, на верхней стенке фюзеляжа на линии, проходящей через центр тяжести беспилотного летательного аппарата планерного типа, размещен узел для соединения с подвесом летательного аппарата-носителя, а на нижней стенке фюзеляжа размещен узел закрепления полезного груза, выполненный в виде крепления замкового балочного держателя для перевозки полезного груза на внешней подвеске, при этом фюзеляж выполнен в виде крыла с двояковыпуклым несимметричным профилем, одна стенка которого выполнена обтекаемой формы и является носовой частью, а в смежных стенках выполнены пазы, в которых размещены связанные с шарнирами части плоскостей крыла, а шарниры плоскостей крыла расположены в плоскости нахождения центра тяжести по бокам от зоны размещения полезной нагрузки.

При этом узел закрепления полезного груза в одном из вариантов исполнения выполнен с функцией высвобождения этого груза в время полета. А фюзеляж выполнен обтекаемой формы.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящая полезная модель поясняется конкретными примерами исполнения, которые, однако, не является единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 изображен общий вид безмоторного и беспилотного ЛА с расправленным крылом;

фиг. 2 - то же, что на фиг.1, со сложенными плоскостями крыла;

фиг. 3 - пример исполнения крепления штатного замкового балочного держателя.

Согласно заявленной полезной модели, рассматривается конструкция беспилотного и безмоторного летательного аппарата (БЛА) планерного типа с плоским крылом.

Такой БЛА содержит фюзеляж 1, используемый для перевозки полезного груза 2 и выполненный с носовой частью 3 обтекаемой формы и с горизонтальным стабилизатором 4 (может не иметь элементов управления, но может выполняться с рулем высоты) в хвостовой части 5.

Носовая часть 3 фюзеляжа выполнена аэродинамической формы, что позволяет существенно поднять аэродинамическое качество по сравнению с прототипом. Как вариант, представленный на фиг.1 фюзеляж выполнен обтекаемой формы и является носовой частью, а в смежных с ней стенках выполнены пазы, в которых размещены связанные с шарнирами части плоскостей крыла (фиг.1). По сути, при таком исполнении фюзеляж становится центральной частью аэродинамического крыла. Это позволяет превратить фюзеляж в крыло и обеспечить минимальное сопротивление воздушному потоку и превышение подъемной силы над силой лобового сопротивления почти в 50 раз (Лекции по аэродинамике «Аэродинамика самолета», глава «Аэродинамическое качество крыла», Комсомольский-на-Амуре Государственный Технический университет, опубликованы на сайте «StudFiles» 12.04.2015 по адресу: https://stodfiles.ru/prewiew/2989748/page:13).

В целях удешевления производства и снижения веса и радиолокационной заметности возможно использование композитных материалов для изготовления силовой конструкции фюзеляжа и хвостовой части планера.

Хвостовая часть 5 фюзеляжа выполнена в виде балки с поперечным размером, меньшим поперечного размера фюзеляжа. Зона вдоль балки используется для размещения плоскостей 6 в сложенном положении (фиг. 2).

К фюзеляжу прикреплено плоское крыло, состоящее из двух плоскостей, каждое из которых шарнирно связано с фюзеляжем для складывания вдоль продольной оси летательного аппарата в направлении горизонтального стабилизатора хвостовой части при транспортировке летательным аппаратом-носителем и распрямления при полете после отсоединения от подвеса. В связи с этим ширина фюзеляжа в зоне размещения крыла выполнена не менее поперечного размера сложенных вдоль балки плоскостей крыла. Что касается длины фюзеляжа, то при использовании схемы фюзеляжа по фиг. 1 эта длина минимально может равняться ширине плоскости.

Шарниры плоскостей 6 крыла расположены в плоскости нахождения центра тяжести по бокам от зоны размещения полезной нагрузки. Раскрытие плоскостей крыла возможно осуществить, используя аэродинамические силы, возникающие на ряде режимов полета без использования механизма принудительного раскрытия плоскостей крыла. Например, возможно использование подсасывающей силы в качестве движущей силы механизма раскрытия плоскостей крыла.

При этом, как вариант исполнения концевые части плоскостей, могут быть соединены тягами между собой, что позволяет при раскрытии плоскостей синхронизировать их движения. Пример иллюстративно не показан, так как для синхронизации раскрытия плоскостей могут использоваться различные механические и электромеханические средства. Вопрос решения узла синхронизации раскрытия плоскостей не является существом заявленного объекта.

Система стабилизации и управления обладает возможностью функционировать как при разложенном крыле, так и на этапе полета со сложенным крылом. Так же возможен вариант исполнения, когда раскрытие плоскостей происходит по сигналу отсоединения от подвеса летательного аппарата-носителя или по сигналам системы стабилизации пространственного положения фюзеляжа после отсоединения от подвеса летательного аппарата-носителя.

В рамках настоящей полезной модели конкретное исполнение механизма раскрытия плоскостей крыла не является существом рассматриваемого устройства из-за многообразия средств, позволяющих раскрывать плоскости (разворачивать плоскости) при отсоединении от ЛА-носителя.

Крыло выполнено плоским и может не иметь элементов управления. В этом случае полет планера проводится в режиме длинной глиссады. Если плоскости будут выполнены, например, с закрылками или элеронами, то планер может парить и двигаться по глиссаде. Парение, как режим полета, позволяет приблизиться к точке доставки груза с больших расстояний. Управление закрылками или элеронами может осуществляться дистанционно или с учетом собственной встроенной системы контроля параметров полета в функции от восходящего потока.

В целях удешевления производства плоскости крыла могут быть изготовлены на основе различных материалов. Возможно использование классической силовой схемы на базе лонжеронов и стрингеров, изготовленных из фанеры или легких металлических сплавов. Также возможно создание силовой схемы плоскостей на базе формованного плотного пенопласта, вспененного пенополистирола и т.п., усиленного несколькими вкладными металлическими или композитными продольными элементами (лонжеронами или шпильками). Из-за простой формы плоскостей крыла внешнюю оболочку возможно выполнить с помощью термоусадочного полиэтиленового рукава или формованного пластика.

На верхней стенке фюзеляжа на вертикальной линии, проходящей через центр тяжести беспилотного летательного аппарата планерного типа (нагруженного полезным грузом) может быть размещен узел (не показан) для соединения с подвесом летательного аппарата-носителя.

А на нижней стенке фюзеляжа может быть размещен узел закрепления полезного груза, выполненный в виде крепления 7, конструктивно повторяющего замковый балочный держатель (фиг. 3) и/или в виде регулируемых металлических или неметаллических лент. Это дает возможность установки различных полезных нагрузок. Термин «штатный» применяется в истребительной и штурмовой авиации на летательных аппаратах, не оборудованных грузовым отсеком, и является конструктивным термином (см. ст. «Узел подвески вооружения», материал из Википедии).

Основу силовой схемы держателя составляет силовая балка (труба восьмиугольного сечения) (фиг. 3), на которой закреплены четыре боковые и две нижние сборные рамы. Они же являются ухватами. В сборных рамах в специальных кожухах закреплены грузовые замки. Оси боковых рам наклонены под углом 40 градусов. На боковых сборных рамах установлены кронштейны с отверстиями, в которых закрепляется приспособление для подвески бомб. Кронштейны крепятся к башмакам теми же болтами, что и сборная рама. Нижние сборные рамы выполнены составными. Они крепятся к силовой балке с помощью кронштейнов. Передняя и задняя лапы вместе с упорами соединены с силовой рамой осями и имеют возможность подниматься и опускаться. Перед подвеской груза на нижнюю станцию, лапы поднимаются вручную и удерживаются в верхнем положении пружинами. После сброса груза с нижней станции лапы опускаются. Спереди и сзади балка закрыта обтекателями. Внутри переднего обтекателя установлено два механизма для управления головными взрывателями бомб.

Это типовое решение балочного держателя позволяет подвешивать к планеру любой тип полезной нагрузки, так как эти полезные нагрузки специально созданы с элементами для их подвески на таких балочных держателях.

Эксплуатируется заявленный объект следующим образом. На земле плоскости крыла сложены вдоль хвостовой балки и летательный аппарат находится в компактном (транспортном) положении. На замках держателя закрепляют, полезную нагрузку так, что центр тяжести снаряженного этим грузом планера проходит через центр тяжести этой полезной нагрузки. Затем прикрепляют планер к подвесу летательного аппарата-носителя и осуществляют взлет. При подлете к точке сброса на заданную дистанцию отсоединяют соединение подвеса летательного аппарата-носителя от узла соединения на верхней стенке фюзеляжа планера. Планер под собственным весом опускается, и система стабилизации пространственного положения фюзеляжа выдает управляющий сигнал на раскрытие плоскостей крыла. Снижение идет до момента попадания на восходящий поток, который позволит планеру дольше продержаться в воздухе. Планер «садится» на воздушный поток и по дистанционному управлению оператора или по сигналам собственных навигационных датчиков планирует в сторону заданного объекта. Возможность длительного полета в режиме медленного снижения обусловлена высоким аэродинамическим качеством планера. Полет проходит бесшумно.

При приближении к точке заданных координат планер по глиссаде снижает высоту и становится невидимым для систем радиолокационного обнаружения. В этом режиме полета возможны две ситуации. Первая - это планер достигает координатной точки и выдает сигнал на разъединение замка в балочном держателе. После сброса груза планер уходит в землю (на конечной стадии глиссады происходит потеря равновесия и отсутствует у поверхности земли удерживающий планер воздушный поток). Вторая - планер приближается к заданной точке координат и приземляется. В этом случае планер может полностью разрушиться или получить повреждения без полного разрушения фюзеляжа и крыла.

В качестве полезного груза планер может нести, в том числе, приборы видеонаблюдения, устройства постановки помех и электронного воздействия на электронные средства управления, находящиеся в заданной точке координат. Независимо от типа полезного груза исход события проходит по тем же ранее рассмотренным сценариям.

В рамках настоящей полезной модели электронная система планера в части использования навигационных узлов, дистанционного управления, системы стабилизации полета по потоку и перехода на глиссаду, координатного считывания точки нахождения планера и заданной точки доставки груза и т.д. не рассматриваются, так как эти электронные схемы и приборы относятся к штатным для пилотируемых или непилотируемых планеров и могут быть применены в упрощенном варианте исполнения с учетом того, что планер относится к категории невозвратных ЛА.

Основными особенностями конструкции являются:

- применение с существующих авиационных носителей без доработки узлов подвески и держателей;

- универсальность (возможность установки широкой номенклатуры полезных нагрузок, в том числе негабаритных грузов;

- компактность и простота конструкции (раскладывание консолей крыла производится с использованием аэродинамических сил, механизм принудительного раскрытия с силовым приводом отсутствует);

- безопасность эксплуатации (отсутствие пироэлементов и наличие механизма синхронизации для механизма раскрытия крыла);

- простота и дешевизна конструкции (использование легкодоступных и легкообрабатываемых материалов).

Применение с существующих авиационных носителей достигается в том числе при помощи использования на планере в одном из вариантов исполнения собственного универсального подвесного устройства, расположенного на верхней поверхности, конструкция которого совпадает (совместима) с конструкцией штатного подвесного устройства.

Возможность установки различных полезных нагрузок реализуется с помощью использования на планере крепления идентичного креплению штатного балочного держателя, либо с помощью регулируемых металлических или неметаллических лент. Крепление для установки полезной нагрузки расположено в нижней части конструкции.

Компактность конструкции обеспечивается использованием раскладываемых крыльев. В транспортном положении для уменьшения габаритных размеров крыло планера находится в сложенном вдоль корпуса положении. Такое размещение позволяет использовать крыло большого удлинения с высоким аэродинамическим качеством в габаритах, не превышающих продольные габариты полезной нагрузки.

Claims (3)

1. Беспилотный летательный аппарат планерного типа, содержащий фюзеляж, используемый для перевозки полезного груза и выполненный с носовой частью обтекаемой формы и с горизонтальным стабилизатором в хвостовой части, к фюзеляжу прикреплено плоское крыло, состоящее из двух плоскостей, каждое из которых шарнирно связано с фюзеляжем для складывания вдоль продольной оси летательного аппарата в направлении горизонтального стабилизатора хвостовой части при транспортировке летательным аппаратом-носителем и распрямления при полете после отсоединения от подвеса, отличающийся тем, что носовая часть фюзеляжа выполнена аэродинамической формы, плоскости выполнены аэродинамической формы, хвостовая часть фюзеляжа выполнена в виде балки с поперечным размером, меньшим поперечного размера фюзеляжа, для размещения вдоль этой балки плоскостей в сложенном положении, ширина фюзеляжа в зоне размещения крыла выполнена не менее поперечного размера сложенных вдоль балки плоскостей, на верхней стенке фюзеляжа на линии, проходящей через центр тяжести беспилотного летательного аппарата планерного типа, размещен узел для соединения с подвесом летательного аппарата-носителя, а на нижней стенке фюзеляжа размещен узел закрепления полезного груза, выполненный в виде крепления замкового балочного держателя для перевозки полезного груза на внешней подвеске, при этом фюзеляж выполнен в виде крыла с двояковыпуклым несимметричным профилем, одна стенка которого выполнена обтекаемой формы и является носовой частью, а в смежных стенках выполнены пазы, в которых размещены связанные с шарнирами части плоскостей крыла, а шарниры плоскостей крыла расположены в плоскости нахождения центра тяжести по бокам от зоны размещения полезной нагрузки.

2. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что узел закрепления полезного груза выполнен с функцией высвобождения этого груза во время полета.

3. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что концевые части плоскостей крыла в области шарниров их поворота связаны между собой узлом синхронизации их раскрытия.