RU222496U1 - Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области авиации, в частности к конструкциям беспилотных летательных аппаратов. Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки содержит фюзеляж, четыре подъемные винтомоторные группы и одну толкающую винтомоторную группу. Фюзеляж выполнен по аэродинамической схеме «летающее крыло» с S-образной средней линией, без киля и стабилизаторов со складывающимися боковыми частями крыла. Подъемные винтомоторные группы расположены на концах пар передних и задних штанг, расположенных симметрично относительно продольной оси летательного аппарата и параллельно ей. Центры вращения винтов подъемных винтомоторных групп располагаются на расстоянии не менее половины их диаметра от передней и задней кромок крыла. Толкающая винтомоторная группа расположена на задней кромке крыла. Плоскость вращения винта толкающей винтомоторной группы направлена перпендикулярно продольной оси летательного аппарата. Обеспечивается увеличение аэродинамического качества летательного аппарата.

Description

Полезная модель относится к авиационной технике, конкретно, к комбинированным летательным аппаратам со свойствами самолета и вертолета, а именно к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) вертикального взлета и посадки, выполненным по аэродинамической схеме «летающее крыло». Аэродинамический профиль на крыле выполнен с S-образной средней линией. БПЛА имеет четыре подъемные винтомоторные группы (ВМГ) (для полета в коптерном режиме), которые располагаются на концах пар передних и задних штанг, расположенных симметрично относительно продольной оси летательного аппарата и параллельно ей, причем центры вращения винтов подъемных ВМГ располагаются на расстоянии не менее половины их диаметра от передней и задней кромок крыла. Винты подъемных ВМГ, расположенных справа и слева относительно продольной оси БПЛА, вращаются в противоположные стороны. Одна толкающая ВМГ (для полета БПЛА в самолетном режиме), расположена на задней кромке крыла летательного аппарата, на продолжении его продольной оси симметрии, причем плоскость вращения винта толкающей ВМГ направлена перпендикулярно продольной оси летательного аппарата. Отличительной особенностью БПЛА вертикального взлета и посадки являются складывающиеся при взлете и посадке боковые части крыла.

Положительный эффект полезной модели состоит в повышении экономичности самолетного режима полета БПЛА вертикального взлета и посадки за счет использования подъемной силы крыла и уменьшения аэродинамического сопротивления, устойчивости к ветровой нагрузке при взлете/зависании/посадке за счет снижения «парусности» при сложенных боковых частях крыла. Положительный эффект заключается также в удобстве транспортировки БПЛА за счет уменьшения габаритных размеров при сложенных боковых частях крыла и уменьшении времени подготовки к полету (отсутствие необходимости проведения дополнительных сборочных операций).

Основные достоинства мультикоптеров состоят в возможности вертикального взлета/посадки, зависания в точке и высокой маневренности, а недостатки – в высоком расходе электроэнергии при ограниченной энергоемкости аккумуляторных батарей и малой скорости при горизонтальном полете, что ограничивает продолжительность и дальность полета, соответственно.

С целью устранения указанных выше недостатков мультикоптеров активно разрабатываются различные варианты гибридных летательных аппаратов (ЛА) вертикального взлета и посадки, имеющих в своей конструкции крылья, обеспечивающие дополнительную подъемную силу в режиме горизонтального полета.

Все летательные аппараты подобного типа можно отнести к двум различным типам: 1) ЛА, сохраняющие горизонтальное положение фюзеляжа как в горизонтальном полете, так и на режимах вертикального взлета и посадки, как правило, за счет поворота силовой установки и/или воздушных винтов; 2) «Тейлситтеры» - ЛА вертикального взлёта, который, оказавшись в воздухе, поворачивается горизонтально и летит, как ЛА самолетного типа. Для посадки такой ЛА вновь возвращается в вертикальное положение и приземляется на специальные "рёбра", отходящие от крыльев и хвоста, которые служат ему опорой.

В патенте US 10474167 B2 (опубл. 12.11.2019) заявлена конструкция ЛА вертикального взлета и посадки с воздушными винтами в кольцах, поворачивающимися перед крылом. Винты в кольцах расположены так, что при вращении винтов в горизонтальной плоскости при взлете/посадке или висении, создаваемые ими воздушные потоки, не пересекают поверхности крыла. Недостатком конструкции является неизбежное создание турбулентности воздушного потока перед крылом при горизонтальном полете, что снижает летные качества ЛА.

Также известна конструкция ЛА вертикального взлета и посадки US 10773802 B2 (опубл. 15.09.2020) с горизонтально фиксированными крыльями и поворотными воздушными винтами на штангах. Штанги имеют длины, достаточные для предотвращения перекрытия плоскостями крыльев воздушных потоков, создаваемых пропеллерами. Пропеллеры, находящиеся перед крыльями, создают при горизонтальном полете меньше турбулентностей, чем винты в кольцах в предыдущей конструкции, однако, указанный выше недостаток не устраняется полностью. Кроме того, вращение воздушных винтов на штангах вызывает воздействие на фюзеляж моментов импульса и вибраций, которые тем выше, чем длиннее штанги.

Известны конструкции ЛА с поворотными воздушными винтами на концах крыла (US 10850833 B2, опубл. 01.12.2020). При вращении несущих винтов в горизонтальных плоскостях, воздушные потоки от винтов частично пересекаются плоскостями крыльев. Однако, диаметры пропеллеров выбирают достаточно большими, так, чтобы площадь круга их вращения была больше площади пересечения с крылом.

Известен другой подход к конструкциям ЛА, обеспечивающий увеличение круизной скорости полета – применение винтов, как у вертолета для подъема и зависания и использование боковых (тянущих/толкающих) винтомоторных групп, обеспечивающих высокую горизонтальную скорость RU 2753444 С1 (опубл. 16.08.2021). Недостатком описанного в данном изобретении решения является недостаточная управляемость и высокое энергопотребление.

Известен концепт скоростного винтокрыла (RU 2539679 С1, опубл. 20.01.2015) с одним большим верхним несущим винтом, двумя дополнительными воздушными винтами в складывающихся крыльях и винтом в кольце на конце хвостовой балки. Дополнительные винты могут поворачиваться из горизонтальной плоскости при взлете/посадке в вертикальную плоскость при горизонтальном полете по типу конвертоплана. Недостатком предложенного концепта является повышенная сложность управления летательным аппаратом посредством воздушных винтов при переходе из режима взлет/посадка в горизонтальный полет и обратно.

Известна конструкция самолета вертикального взлета и посадки, приведенная в патенте RU 2641952 С1, (опубл. 23.01.2018). Самолет вертикального взлета и посадки содержит фюзеляж, крыло и Х-образное хвостовое оперение, снабженное опорами шасси. На каждой консоли хвостового оперения установлен воздушный винт, приводимый во вращение собственным электродвигателем. Скорость вращения каждого электродвигателя регулируется автоматической системой улучшения устойчивости. На задних кромках крыла и оперения находятся аэродинамические органы управления, выполняющие функции рулей высоты, рулей направления и элеронов. После вертикального взлета за счет тяги воздушных винтов летательный аппарат разгоняется до скорости горизонтального полета, затем за счет изменения тяги винтов, расположенных на нижней и верхней поверхностях ЛА, он переходит в режим горизонтального полета. Достоинством такой конструкции является возможность достижения в крейсерском полете высокого аэродинамического качества, а недостатком является низкая эффективность и плохая управляемость на режимах взлета/посадки, поскольку здесь управление движением ЛА обеспечивается только отклонением аэродинамических рулей, обдуваемых струей винта. Для создания необходимых управляющих моментов требуется высокая скорость в струе, а достичь ее можно только увеличив нагрузки на ометаемую площадь винта, что снижает его КПД и увеличивает расход топлива. Кроме того, управление на режимах взлета/посадки только разностью мощности электродвигателей может оказаться недостаточно эффективным ввиду высокой инерционности каждой винтомоторной группы. Таким образом, ЛА на переходных режимах обладает высокой степенью неустойчивости, особенно при воздействии непостоянной ветровой нагрузки.

Известна конструкция БПЛА (RU 84342 U1, опубл. 10.07.2009), выполненного по аэродинамической схеме «бесхвостка» с органами управления в виде элевонов, винт ЛА выполнен тянущим изменяемого шага, а параметры двигателя и винта выбраны исходя из условий выполнения ЛА крейсерского полета и взлета-посадки при вертикальном положении фюзеляжа. Посадочное устройство выполнено с возможностью опоры на него при посадке в вертикальном положении фюзеляжа. В состав посадочного устройства включена тросовая система принудительной посадки, содержащая бортовую систему выброса троса. При посадке трос выпускается при зависании БПЛА на высоте ~30 м. Наземный персонал закрепляет трос в наземное устройство (лебедку), которое подтягивает БПЛА к месту установки лебедки, тем самым добиваются уменьшения опрокидывающего момента от ветровой нагрузки при вертикальном положении БПЛА на этапе посадки. Недостатком конструкции ЛА является сложность обеспечения его посадки при большой ветровой нагрузке.

Перспективным следует считать применение летательных аппаратов, реализованных по аэродинамической схеме «летающее крыло». Достоинством схемы «летающее крыло» является высокое аэродинамическое совершенство, характеризуемое малой величиной безиндуктивного сопротивления и, следовательно, повышенным аэродинамическим качеством, а также повышенная весовая отдача, обеспечиваемая такими факторами, как:

отсутствие, малые размеры или интеграция функций ряда элементов ЛА;

меньшее количество стыковых узлов;

возможность значительно более равномерного, чем у ЛА других схем, распределения массы по его объёму, что позволяет в значительной степени уравновешивать местные аэродинамические нагрузки весовыми, уменьшая количество и «качество» элементов конструкции, в которых концентрируется силовая нагрузка.

В патенте на полезную модель RU 74891 (опубл. 20.07.2008), представлен БПЛА самолетного типа, выполненный по схеме «летающее крыло», содержащий крыло, вертикальное оперение и силовую установку с воздушным винтом, при этом вертикальное оперение установлено на концах консолей крыла, а задняя кромка крыла оснащена элевонами. Полезная нагрузка размещается в фюзеляже. Наличие носового обтекателя, формирующего обводы фюзеляжа, приводит к интерференции между обводами носового обтекателя и его продолжения - фюзеляжа с крылом, и к малой величине подъемной силы на носовом обтекателе. В результате уменьшается аэродинамическое качество БПЛА в целом, что является его недостатком.

Аналогичные недостатки присущи и БПЛА, представленному в патенте на полезную модель RU 107126 (опубл. 10.08.2022). Представленный в данном патенте БПЛА, включает фюзеляж для размещения в нем полезной нагрузки, крыло с органами управления, двигатель и винт, крыло выполнено по аэродинамической схеме «летающее крыло», фюзеляж расположен в носовой части БПЛА в контакте с передней кромкой крыла, а двигатель в хвостовой части БПЛА в контакте с задней кромкой крыла. Наличие фюзеляжа перед крылом уменьшает аэродинамическое качество летательного аппарата.

Известна конструкция конвертоплана (RU 2657706 С1, опубл. 14.06.2018), у которого планер выполнен по схеме «летающее крыло», а винтомоторная группа выполнена в виде двух передних тяговых двигателей и одного заднего двигателя. При этом передние тяговые двигатели имеют противоположное направление вращения и установлены с возможностью изменения направления вектора тяги путем независимого друг от друга поворота относительно фюзеляжа параллельно продольной оси конвертоплана. Достоинствами конструкции является то, что согласно выбранной схеме планера «летающее крыло» обеспечивается устойчивость и управляемость ЛА в различных режимах работы, обеспечивается улучшение массогабаритных и конструкционно-прочностных характеристик. Трехдвигательная винтомоторная группа обеспечивает управление по каналам крена и тангажа путем управления разницей частот вращения несущих винтов, а также управление по курсу за счет смены направления вектора тяги путем поворота двигателей. Недостатками конструкции являются наличие узлов поворота двигателей, что усложняет конструкцию конвертоплана и увеличивает его вес. Для обеспечения достаточной подъемной силы в горизонтальном полете конвертоплан должен иметь большую площадь крыла, что увеличивает его геометрические размеры и затрудняет транспортировку, а также отрицательно сказывается на его способности противостоять большой ветровой нагрузке на режимах взлета/посадки и зависания. Всё это уменьшает аэродинамическое качество летательного аппарата.

Наиболее близким к предлагаемому решению является конструкция БПЛА вертикального взлета и посадки, представленная в патенте на полезную модель RU 199511 U1 (опубл. 04.09.2020). БПЛА выполнен по аэродинамической схеме «летающее крыло». Концы крыла имеют плавные загибы, формирующие кили. БПЛА содержит две подъемно-силовые установки, расположенные симметрично относительно продольной его оси на передней кромке крыла, каждая из которых состоит из электродвигателя и винта, установленные на балках, убирающиеся внутрь корпуса БПЛА в горизонтальном полете и выпускающиеся при вертикальном взлете/посадке. В задней части БПЛА по его продольной оси на пилоне расположена подъемно-маршевая установка, состоящая из электродвигателя и винта. Подъемно-маршевая установка имеет возможность поворота вокруг горизонтальной оси, перпендикулярной продольной оси БПЛА, так что ее винт вращается в горизонтальной плоскости при взлете/посадке БПЛА и в вертикальной плоскости при горизонтальном полете. На задней кромке крыла расположены рулевые поверхности. Достоинством конструкции БПЛА является уменьшение его аэродинамического сопротивления путем исключения из воздушного потока элементов конструкции подъемных силовых установок на режиме горизонтального полета. Недостатки конструкции аналогичны недостаткам конструкции рассмотренного выше конвертоплана: для обеспечения достаточной подъемной силы в крейсерском полете БПЛА должен иметь большую площадь крыла, что увеличивает его геометрические размеры и затрудняет транспортировку, а также отрицательно сказывается на его способности противостоять большой ветровой нагрузке на режимах взлета/посадки и зависания.

Конструкция заявленного устройства поясняется чертежами, где:

фиг. 1 - это заявленное устройство в режиме взлета/посадки/висения,

фиг. 2 - это заявленное устройство в режиме горизонтального полета,

фиг. 3 - это заявленное устройство вид сверху,

фиг. 4 - это заявленное устройство вид сбоку,

фиг. 5 - это схематическое изображения процесса погрузки груза в заявленное устройство через верхний грузовой люк и его выгрузки через нижний,

фиг. 6 - конструкция верхнего грузового люка заявленного устройства с парашютной системой.

Технический результат, на достижение которого направлена заявляемая полезная модель, заключается в увеличении аэродинамического качества летательного аппарата. Технический результат достигается за счет повышения устойчивости БПЛА к ветровой нагрузке при взлете/посадке/зависании за счет снижения «парусности» при сложенных боковых частях крыла.

Указанный технический результат достигается за счет того, что беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий фюзеляж, четыре подъемные винтомоторные группы и одну толкающую винтомоторную группу, отличающийся тем, что фюзеляж выполнен по аэродинамической схеме «летающее крыло» с S-образной средней линией, без киля и стабилизаторов со складывающимися боковыми частями крыла, подъемные винтомоторные группы, располагаются на концах пар передних и задних штанг, расположенных симметрично относительно продольной оси летательного аппарата и параллельно ей, причем центры вращения винтов подъемных винтомоторных групп располагаются на расстоянии не менее половины их диаметра от передней и задней кромок крыла, винты подъемных винтомоторных групп, расположенных справа и слева относительно продольной оси летательного аппарата, вращаются в противоположные стороны, толкающая винтомоторная группа, расположена на задней кромке крыла летательного аппарата, на продолжении его продольной оси симметрии, причем плоскость вращения винта толкающей винтомоторной группы направлена перпендикулярно продольной оси летательного аппарата.

Достижение указанного технического результата обеспечивается за счет того, что заявленное устройство выполнено по аэродинамической схеме «летающее крыло» с четырьмя подъемными винтомоторными группами, обеспечивающими взлет/посадку/зависание, и одним задним толкающим винтом, обеспечивающим тягу при горизонтальном самолетном режиме полета. При этом аэродинамический профиль на крыле выполнен с S-образной средней линией.

Указанный технический результат достигается также за счет того, что боковые части крыла БПЛА имеют возможность складываться, при помощи механизма складывания, при взлете/посадке/зависании.

Существенным отличием предлагаемого решения от прототипа является то, что БПЛА выполнен по аэродинамической схеме «летающее крыло» без киля и стабилизаторов и боковые части крыла могут складываться, что обеспечивает повышение его устойчивости к ветровой нагрузке при взлете/посадке/зависании.

Пример осуществления полезной модели раскрыт на чертежах, где на Фиг. 3 представлен беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки и пронумерованы следующие элементы: 1 – передняя тяга крепления подъемной ВМГ; 2 – задняя тяга крепления подъемной ВМГ; 3 – элевон; 4 – складывающаяся боковая часть крыла; 5 – фюзеляж в виде «летающего крыла»; 6 – толкающая ВМГ; 7 – подъёмная ВМГ; 8 – крышка верхнего грузового люка.

На фиг.1 представлен пример реализации заявленного устройства в режиме взлета/посадки/зависания, на фиг. 2 – БПЛА в самолетном режиме полета, а на фиг. 3 – вид на БПЛА сверху. БПЛА представляет собой мультикоптер, выполненный по аэродинамической схеме «летающее крыло» и состоит из следующих частей: фюзеляжа (5), выполненного в виде «летающего крыла» со складывающимися боковыми частями крыла (4), четырех подъемных ВМГ (7), расположенных на передних (1) и задних (2) штангах. Штанги располагаются параллельно продольной оси БПЛА на равном расстоянии от нее. Длина штанг выбирается из условия, чтобы центры вращения винтов подъемных ВМГ располагались на расстоянии не менее половины их диаметра от передней и задней кромок крыла, таким образом, исключается перекрытие ометаемых винтами плоскостей и плоскости поперечного сечения крыла. Винты подъемных ВМГ (7), расположенные справа и слева (относительно продольной оси БПЛА), вращаются в противоположные стороны, для компенсации возникающего углового момента, действующего на БПЛА. На задней кромке крыла расположены элевоны (3), предназначенные для управления БПЛА в процессе горизонтального полета. На задней кромке крыла на продольной оси симметрии БПЛА расположена толкающая ВМГ (6), обеспечивающая тягу при горизонтальном полете. В верхней части фюзеляжа располагается крышка верхнего грузового люка (8), через который в БПЛА загружается перевозимый им груз.

На фиг. 4 представлен вид на БПЛА сбоку. Для удобства погрузки/выгрузки груза БПЛА оснащен двумя грузовыми люками – верхним (8) и нижним (9). На фиг. 5 схематично показан процесс погрузки груза (11) в БПЛА через верхний (8) грузовой люк и его выгрузки через нижний (9).

Перед началом взлета БПЛА находится в состоянии, соответствующем режиму вертикального полета, складывающиеся боковые части крыла (4) находятся в сложенном состоянии. Во время взлета тягу создают четыре подъемные ВМГ (7). Набор высоты осуществляют с равномерным увеличением тяги на всех подъемных ВМГ (7). Стабилизацию БПЛА на данном режиме полета осуществляют дифференциальным изменением тяги на подъемных ВМГ (7).

После набора минимальной требуемой высоты раскладываются боковые части крыла (4), БПЛА входит в переходный режим. Начинает работать толкающая ВМГ (6), создавая тягу для поступательного движения летательного аппарата. Одновременно с этим, для компенсации пикирующего момента увеличивается тяга на подъемных ВМГ (7). Происходит набор скорости для осуществления горизонтального полета. Стабилизацию БПЛА осуществляют путем дифференциального изменения тяги подъемных ВМГ (7), и отклонением аэродинамических рулевых поверхностей – элевонов (3).

После набора минимальной скорости на переходном режиме, при которой крыло обеспечивает подъемную силу для поддержания летательного аппарата в воздухе, БПЛА переходит в режим горизонтального полета. Винты подъемных ВМГ (7) останавливаются в положении, параллельном продольной оси БПЛА, тем самым уменьшается их аэродинамическое сопротивление. Управление по каналам крена и тангажа при горизонтальном полете производится посредством элевонов (3).

В случае возникновения аварийной ситуации, например, при отказе двигателей подъемных ВМГ, в БПЛА предусмотрена аварийная парашютная система, размещенная в крышке верхнего грузового люка (фиг. 6). Крышка верхнего грузового люка состоит из корпуса установки парашютной системы (8.3), на котором установлена собственно парашютная система (8.2) и вышибной крышки (8.1), которая отрывается от корпуса (8.3) при срабатывании, например, пиропатрона или другого устройства (на рисунке не показано) при возникновении аварийной ситуации, высвобождая тем самым парашют. Парашют парашютной системы соединен с корпусом БПЛА (на рисунке не показано).

Заявленное устройство может быть реализовано с использованием известного оборудования, технических и технологических средств.

Claims (3)

1. Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий фюзеляж, четыре подъемные винтомоторные группы и одну толкающую винтомоторную группу, отличающийся тем, что фюзеляж выполнен по аэродинамической схеме «летающее крыло» с S-образной средней линией, без киля и стабилизаторов со складывающимися боковыми частями крыла, подъемные винтомоторные группы располагаются на концах пар передних и задних штанг, расположенных симметрично относительно продольной оси летательного аппарата и параллельно ей, причем центры вращения винтов подъемных винтомоторных групп располагаются на расстоянии не менее половины их диаметра от передней и задней кромок крыла, винты подъемных винтомоторных групп, расположенных справа и слева относительно продольной оси летательного аппарата, вращаются в противоположные стороны, толкающая винтомоторная группа расположена на задней кромке крыла летательного аппарата на продолжении его продольной оси симметрии, причем плоскость вращения винта толкающей винтомоторной группы направлена перпендикулярно продольной оси летательного аппарата.

2. Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки по п.1, отличающийся тем, что сверху и снизу в фюзеляже выполнены грузовые люки для погрузки/выгрузки груза из летательного аппарата.

3. Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки по п.1, отличающийся тем, что он оснащен парашютной системой для аварийной посадки.