RU2399560C1 - Method of landing drone aircraft on arresting gear - Google Patents
Method of landing drone aircraft on arresting gear Download PDFInfo
- Publication number
- RU2399560C1 RU2399560C1 RU2009124730/11A RU2009124730A RU2399560C1 RU 2399560 C1 RU2399560 C1 RU 2399560C1 RU 2009124730/11 A RU2009124730/11 A RU 2009124730/11A RU 2009124730 A RU2009124730 A RU 2009124730A RU 2399560 C1 RU2399560 C1 RU 2399560C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- aircraft
- aerofinisher
- landing
- cable
- cascade
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Traffic Control Systems (AREA)
Abstract
Description
Область техники, к которой относится изобретениеFIELD OF THE INVENTION
Изобретение относится к авиационной технике, а точнее к способам и устройствам осуществления посадки беспилотного летательного аппарата (БПЛА) самолетного типа вне стационарных аэродромов с ВПП.The invention relates to aircraft, and more specifically to methods and devices for landing an unmanned aerial vehicle (UAV) of an aircraft type outside stationary aerodromes with a runway.
Уровень техникиState of the art
С 70-х годов XX века произошел существенный рост количества используемых беспилотных комплексов в ряде отраслей народного хозяйства различных стран (США, Израиль, ФРГ, Канада и др.), особенно в военной сфере, а также повысилось качество результатов их применения. Достигнутый к настоящему времени уровень безаварийности выполнения взлетно-посадочных режимов у самолетов-беспилотников с обычным колесным шасси (колесных БПЛА), составляющий 95-97% и выше при посадке на искусственные взлетно-посадочные полосы (ВПП), позволил повысить в целом эффективность использования таких самолетных комплексов. Но особенно бурный количественный рост в текущем десятилетии произошел в сегменте тактических беспилотников, приспособленных к выполнению взлета и посадки без использования ВПП. Большинство самых легких аппаратов этого сегмента запускаются броском руки, садятся либо на парашюте, либо на корпус (на лыжу). Более тяжелые беспилотники запускают с катапульты, а посадку они также производят либо с помощью парашюта, либо на корпус. Но полученный на практике уровень аварийности для указанных способов посадки оказался заметно выше, чем для типового способа посадки на ВПП. Поэтому в странах-лидерах в области создания БПЛА (США, Израиль) проводятся работы по совершенствованию известных и разработке новых способов посадки беспилотников вне аэродромов, обладающих улучшенными эксплуатационными свойствами. Например, в США указанное направление развития авиационной техники поддерживается в целевой программе STUAS (Small Tactical Unmanned Aircraft System).Since the 70s of the XX century, there has been a significant increase in the number of unmanned systems used in a number of sectors of the national economy of various countries (USA, Israel, Germany, Canada, etc.), especially in the military sphere, and the quality of the results of their application has also improved. The level of accident-free performance of take-off and landing modes for drones with a conventional wheeled chassis (wheeled UAVs) of 95-97% and higher when landing on artificial runways (runways) has reached the overall efficiency of using such aircraft complexes. But particularly rapid quantitative growth in the current decade has occurred in the segment of tactical drones adapted to perform takeoff and landing without the use of a runway. Most of the lightest devices in this segment are triggered by a throw of the hand, sit either on a parachute or on the hull (ski). Heavier drones are launched from the catapult, and they also land using either a parachute or the hull. But the accident rate obtained in practice for these landing methods turned out to be significantly higher than for the typical runway landing method. Therefore, in the leading countries in the field of UAV creation (USA, Israel), work is underway to improve the well-known and develop new methods for landing drones outside airfields with improved operational properties. For example, in the USA, the indicated direction of development of aviation technology is supported in the STUAS (Small Tactical Unmanned Aircraft System) target program.
В настоящее время существует и даже практически применяется ряд образцов беспилотников, которые запускаются с помощью катапульты, а посадку производят на специальные наземные или корабельные системы - аэрофинишеры. По взлетно-посадочным свойствам эти БПЛА удобно классифицировать как катапультно-аэрофинишерные. Именно к такому классу объектов относится изложенное далее изобретение.Currently, there are and even practically applied a number of drones that are launched using a catapult, and landing on special ground or ship systems - aerofinishers. According to the take-off and landing properties, these UAVs are conveniently classified as catapult-aerofinisher. To such a class of objects is the invention set forth below.
Один из созданных в соответствии с концепцией программы STUAS легкий беспилотный авиационный комплекс (www.naval-technology com/projects/scaneagle-uav) включает два оригинальных сопрягаемых на посадочном режиме объекта - летательный аппарат со специфической компоновкой, названный ScanEagle, и посадочное устройство, названное SkyHook. Новая совокупность реализованных в этих объектах технических решений защищена патентом US 7,175,135 В2 от 13 февраля 2007 года. Основные операции на этапе посадки в соответствии с предложениями этого патента состоят в следующем. Летательный аппарат со стреловидным крылом наводится на вертикально свешивающийся с высоты порядка 15 м трос, и в результате их взаимодействия трос соскальзывает по передней кромке крыла в один из замков на концах крыльев. (Термином «трос» в настоящем описании обозначается гибкая механическая связь, физическим воплощением которой может быть канат, шнур, жгут, нить, веревка и т.п.) В замке трос фиксируется и затем кинетическая энергия беспилотника поглощается в процессе его связанного движения на аэрофинишере SkyHook. Так как при таком способе завершения полета на аэрофинишере на переднюю кромку крыла возложена дополнительная функция - выдержать удар по тросу и быть направляющей в захватном устройстве, то это требует повышения запаса прочности крыла и, следовательно, увеличения веса, что приводит к уменьшению относительной доли полезной нагрузки. Из 18 кг взлетного веса ScanEagle только 6 кг составляют вес топлива и целевого оборудования (т.е. 33%), тогда как у другого современного беспилотника с колесным шасси RQ-7 Shadow (www.airwar.ru/enc/bpla/rq7.html) при взлетном весе 149 кг на топливо приходится около 74 кг и на целевую нагрузку 25 кг (т.е. суммарно 66%). Таким образом, «платой» за способность штатной посадки ScanEagle вне ВПП является понижение коэффициента весовой отдачи его конструкции по сравнению с уровнем, свойственным обычным сухопутным самолетам.One of the lightweight unmanned aerial systems (www.naval-technology com / projects / scaneagle-uav) created in accordance with the STUAS program concept includes two original landing-mated objects - an aircraft with a specific layout, called ScanEagle, and a landing device, called SkyHook. A new set of technical solutions implemented in these facilities is protected by patent US 7,175,135 B2 dated February 13, 2007. The main operations at the landing stage in accordance with the proposals of this patent are as follows. An aircraft with a swept wing is guided onto a cable vertically hanging from a height of about 15 m, and as a result of their interaction, the cable slides along the leading edge of the wing into one of the locks at the ends of the wings. (The term “cable” in the present description refers to a flexible mechanical connection, the physical embodiment of which can be a rope, cord, bundle, thread, rope, etc.) The cable is fixed in the lock and then the kinetic energy of the drone is absorbed in the process of its associated movement on the aerofinisher SkyHook. Since with this method of completing a flight on an aerofinisher, the wing leading edge has the additional function of withstanding a cable strike and being a guide in the gripper, this requires an increase in the wing's safety margin and, consequently, an increase in weight, which leads to a decrease in the relative share of the payload . Of the 18 kg of ScanEagle take-off weight, only 6 kg is the weight of fuel and target equipment (i.e. 33%), while another modern drone with a wheeled chassis RQ-7 Shadow (www.airwar.ru/enc/bpla/rq7. html) with a take-off weight of 149 kg, fuel accounts for about 74 kg and a target load of 25 kg (i.e. a total of 66%). Thus, the “fee” for the ability to fully land ScanEagle outside the runway is to lower the weight-gain coefficient of its design compared to the level typical of conventional land aircraft.
Кроме указанного в предыдущем абзаце свойства системы типа «ScanEagle+Sky-Hook» иметь у летательного аппарата пониженный уровень весовой отдачи конструкции, в процессе эксплуатации этой системы посадки, так же как и системы улавливания БПЛА в натянутую близко к вертикальной плоскости сеть, выявлен еще целый ряд недостатков, перечисленных, например, в описании к патенту US 7,410,125 В2 от 12 августа 2008 года. Дополнительно к риску повреждения конструкции беспилотника в момент зацепления контактирующими с ним элементами систем захвата, еще одна группа недостатков проявилась при выполнении швартовочных операций. Объект, который, в общем-то, требует бережного обращения, удерживается после посадки на длинной гибкой слабо контролируемой связи, часто в условиях неспокойной внешней среды (сильный порывистый ветер, качка корабля). То есть этим аэрофинишерным системам свойственна слабая защищенность БПЛА после посадки от соударений с элементами наземных (корабельных) конструкций. В качестве средства преодоления выявленных недостатков у применяемых систем внеаэродромной посадки беспилотников в патенте US 7,410,125 В2 предложено использовать роботизированную систему, у которой устройство захвата БПЛА является специализированным рабочим органом манипулятора. Это устройство захвата имеет U-образную форму, между верхними свободными концами балок (силовых элементов) которого натянут приемный трос, а в основании смонтирована система торможения указанного троса и приемная площадка в виде пола из жесткого пластика или металлической сетки. В хвостовой части беспилотника снизу размещается устройство зацепления за трос в виде выступающего гака. В процессе захода БПЛА на посадку приемный трос наводится манипулятором на этот гак. После зацепления гака за приемный трос торможение летательного аппарата производится подобно торможению приземлившихся палубных самолетов, с той разницей, что траектория движения криволинейна и нет опоры на палубу, а в конце тормозного участка беспилотник улавливается на приемную площадку у основания U-образного захвата, где и фиксируется с помощью специальных замков.In addition to the properties of the “ScanEagle + Sky-Hook” type system specified in the previous paragraph, having an aircraft has a lower level of structural recoil, during operation of this landing system, as well as a system for capturing UAVs in a network stretched close to the vertical plane, a whole a number of disadvantages listed, for example, in the description of the patent US 7,410,125 B2 of August 12, 2008. In addition to the risk of damage to the structure of the drone at the moment of engagement with the elements of the gripping systems in contact with it, another group of shortcomings appeared during the mooring operations. An object that, in general, requires careful handling, is retained after landing on a long flexible, weakly controlled connection, often in a turbulent environment (strong gusty wind, ship rolling). That is, these aerofinishing systems are characterized by weak UAV security after landing from collisions with elements of ground (ship) structures. As a means of overcoming the identified shortcomings in the systems used for off-aerodrome landing of drones in US Pat. No. 7,410,125 B2, it is proposed to use a robotic system in which the UAV capture device is a specialized working body of the manipulator. This capture device has a U-shape, between the upper free ends of the beams (power elements) of which a receiving cable is pulled, and at the base there is a braking system for said cable and a receiving platform in the form of a floor made of hard plastic or metal mesh. In the tail part of the drone below is a device for engaging in a cable in the form of a protruding hook. During the approach of the UAV, the receiving cable is guided by the manipulator to this hook. After hooking the hook on the receiving cable, the aircraft is braked like braking the landing deck aircraft, with the difference that the trajectory is curved and there is no support on the deck, and at the end of the brake section the drone is caught on the receiving platform at the base of the U-shaped capture, where it is fixed using special locks.
По совокупности ряда функциональных признаков технические решения патента US 7,410,125 В2 наиболее близки к предложенным автором вариантам решения целевой задачи, а именно - обеспечению мягкой посадки БПЛА на аэрофинишер. Поэтому предложенный в этом патенте способ посадки и некоторые элементы вспомогательных устройств для него выбраны в качестве прототипа к настоящему изобретению.By the totality of a number of functional features, the technical solutions of US 7,410,125 B2 are closest to the options proposed by the author for solving the target task, namely, to ensure a soft landing of the UAV on the aerofinisher. Therefore, the landing method proposed in this patent and some elements of auxiliary devices for it are selected as a prototype of the present invention.
В описании прототипа указывается, что он ориентирован на применение небольших БПЛА весом до 300 фунтов (≈136 кг), номинально - 100 фунтов (45.36 кг), и с посадочным диапазоном скоростей 3÷60 миль/час (т.е. до 111 км/час ≈308 м/с). Понятно, что для поглощения кинетической энергии более тяжелых и высокоскоростных беспилотников потребуется увеличивать потребляемую мощность и габариты манипулятора, причем это увеличение происходит по нелинейному закону, что может быть технически и экономически приемлемым только до определенного предела. Далее, в прототипе идея использования манипулятора, особенно на корабле, обосновывается потребностью противодействия вынужденному движению основания, на котором установлен манипулятор, и/или случайным отклонениям от номинальной посадочной траектории полета беспилотника. Получается, что для достижения одной конечной цели - приведения БПЛА и зацепляемого участка приемного троса в область захвата - применяются две активно управляемые механические системы - сам беспилотник и манипулятор. Причем роль управляющих воздействий второй системы - манипулятора - после момента зацепления на заключительном участке повышается по мере того, как уменьшается скорость беспилотника, и его угловая ориентация уже не может устойчиво обеспечиваться с помощью аэродинамических органов управления. В условиях воздействия сильных внешних возмущений, например порывистого ветра, задача «улавливания» слабо контролируемого БПЛА на приемную площадку у основания U-образного захвата определяет достаточно высокие требования к динамическим характеристикам манипулятора. Если такие требования из-за каких-либо ограничений, например по мощности привода, не удастся удовлетворить, то это может существенно повлиять на уровень аварийности посадки БПЛА на описанный роботизированный аэрофинишер.The description of the prototype indicates that it is focused on the use of small UAVs weighing up to 300 pounds (≈136 kg), nominally 100 pounds (45.36 kg), and with a landing speed range of 3 ÷ 60 mph (i.e. up to 111 km / hour ≈308 m / s). It is clear that to absorb the kinetic energy of heavier and high-speed drones, it will be necessary to increase the power consumption and dimensions of the manipulator, and this increase occurs according to a nonlinear law, which can be technically and economically acceptable only to a certain limit. Further, in the prototype, the idea of using a manipulator, especially on a ship, is justified by the need to counter the forced movement of the base on which the manipulator is mounted, and / or accidental deviations from the nominal landing drone flight path. It turns out that in order to achieve one ultimate goal - bringing the UAV and the hooked portion of the receiving cable into the capture area - two actively controlled mechanical systems are used - the drone itself and the manipulator. Moreover, the role of control actions of the second system - the manipulator - after the moment of engagement in the final section increases as the speed of the drone decreases, and its angular orientation can no longer be stably provided with the help of aerodynamic controls. Under the influence of strong external disturbances, such as gusty winds, the task of "catching" a weakly controlled UAV at the receiving platform at the base of the U-shaped capture determines quite high requirements for the dynamic characteristics of the manipulator. If such requirements, due to any restrictions, for example, drive power, cannot be satisfied, then this can significantly affect the emergency landing level of the UAV for the described robotic aerofinisher.
В патентах RU 1837038 от 30.08.1990 и RU 2235045 от 05.02 2003 предлагается концы приемного троса соединить с выходными штоками воздушно-гидравлических амортизаторов, которые шарнирно закреплены на верхних концах двух достаточно мощных вертикально поднятых высоких опор (мачт). Захватное устройство самолета в описании к патенту RU 2235045 предлагается разместить в верхней части фюзеляжа с поперечной осью вращения позади центра тяжести и на посадочном режиме поднимать его в определенное рабочее положение над фюзеляжем гаком вверх. Поэтому для того чтобы произошло зацепление, летательный аппарат должен достаточно точно пролететь снизу под натянутым тросом. После зацепления за середину натянутого троса точка захвата смещается по направлению вектора скорости самолета, трос начинает двигаться и частично вытягивает штоки тормозных амортизаторов, увеличивая тем самым длину подвеса, а повисший на тросе самолет начинает совершать движение, подобное движению физического маятника. По оценкам автора патента RU 2235045, потенциально на такой аэрофинишер может производить посадку тяжелый скоростной самолет, но для этого требуется натянуть трос на высоте не меньше, чем длина тормозного пути у данного типа самолета. Как известно, в первом приближении длина тормозного пути прямо пропорциональна квадрату посадочной скорости и обратно пропорциональна перегрузке, с которой производится торможение. Указывается, что при длине тормозного пути 40÷65 м требуется натянуть трос на высоте 60 м и использовать в качестве тормозных устройств другую пару гидроцилиндров, управляющих поворотом силовых опорных стоек аэрофинишера в плоскости его симметрии. Таким образом, «платой» за увеличение веса и посадочной скорости принимаемого самолета на рассматриваемом варианте аэрофинишера является увеличение вертикального размера наземной конструкции, что с позиций удобства эксплуатации не всегда приемлемо.In patents RU 1837038 dated 08/30/1990 and RU 2235045 dated 02/05/2003 it is proposed to connect the ends of the receiving cable to the output rods of the air-hydraulic shock absorbers, which are pivotally mounted on the upper ends of two sufficiently powerful vertically raised high supports (masts). The airplane gripping device in the patent specification RU 2235045 is proposed to be placed in the upper part of the fuselage with the transverse axis of rotation behind the center of gravity and in the landing mode, raise it to a certain working position above the fuselage hook up. Therefore, in order for the engagement to take place, the aircraft must fly fairly accurately from below under a stretched cable. After engagement in the middle of the tensioned cable, the gripping point shifts in the direction of the aircraft's velocity vector, the cable begins to move and partially extends the brake shock absorber rods, thereby increasing the suspension length, and the plane hanging on the cable begins to make a movement similar to the movement of a physical pendulum. According to the author of the patent RU 2235045, a heavy high-speed aircraft can potentially land on such an aerofinisher, but for this it is necessary to pull the cable at a height no less than the length of the braking distance for this type of aircraft. As you know, in a first approximation, the braking distance is directly proportional to the square of the landing speed and inversely proportional to the overload with which the braking is performed. It is indicated that with a braking distance of 40 ÷ 65 m, it is required to stretch the cable at a height of 60 m and use another pair of hydraulic cylinders as braking devices that control the rotation of the power support posts of the aerofinisher in the plane of its symmetry. Thus, the “payment” for increasing the weight and landing speed of the received aircraft on the considered option of the aerofinisher is to increase the vertical size of the ground structure, which is not always acceptable from the standpoint of ease of use.
Технические ограничения в части осуществления посадочных режимов (фактически реализуемые или планируемые в соответствии с опубликованными патентами применительно к рассматриваемому классу БПЛА) можно свести в следующий перечень:Technical restrictions regarding the implementation of landing modes (actually implemented or planned in accordance with published patents in relation to the class of UAVs under consideration) can be summarized in the following list:
А. Ограничение по прочности конструкции, требуемое для обеспечения безаварийности посадочных режимов у катапультно-аэрофинишерных БПЛА при их посадке на вертикально свешенный трос или в сеть, приводит к относительному утяжелению таких аппаратов (по сравнению с сопоставимыми по назначению БПЛА, имеющими обычное колесное шасси);A. The limitation on the structural strength required to ensure trouble-free landing conditions for catapult-aerofinisher UAVs when landing on a vertically suspended cable or network leads to a relative weighting of such devices (compared to comparable UAVs with a conventional wheeled chassis);
В. Ограничение по посадочной скорости является эффективным средством снижения до приемлемого уровня нагрузок на конструкцию как БПЛА, так и аэрофинишера, поэтому у известных катапультно-аэрофинишерных БПЛА указанное ограничение задается величиной порядка 30 м/с, но это ограничение обычно влечет за собой и ограничение крейсерской и максимальной скоростей полета самолета;B. The landing speed limitation is an effective means of reducing the load on the design of both UAVs and the aerofinisher to an acceptable level, therefore, for known catapult-aerofinisher UAVs, this limitation is set to about 30 m / s, but this limitation usually entails a cruising limitation and maximum aircraft speeds;
С. Подъем в вертикальное положение в полевых условиях мощных высоких стоек аэрофинишера, необходимый для осуществления посадки в соответствии с ранее опубликованными изобретениями для самолетов с длинным тормозным путем, сопряжен с определенными эксплуатационными трудностями и поэтому малоперспективен.C. Vertical uplift of powerful high racks of an aerofinisher necessary for landing in accordance with previously published inventions for aircraft with a long braking distance is fraught with certain operational difficulties and therefore has little promise.
В отношении эксплуатируемых пилотируемых и беспилотных самолетов с различными типами конструкций шасси необходимо отметить следующее. У самолетов (современных и признанных удачными) с убирающимся колесным шасси весовая доля этого взлетно-посадочного устройства составляет до 4÷6% от массы его конструкции (Житомирский Г.И. Конструкция самолетов. М.: Машиностроение, 2005, стр.240). У самолетов палубного базирования суммарная доля весовых затрат на обеспечение посадки заметно выше - до 7%, так как условия эксплуатации палубных самолетов считаются наиболее жесткими и сопряжены с необходимостью поглощения более высоких вертикальных скоростей и нагрузок в момент посадки, чем это свойственно условиям эксплуатации большинства сухопутных самолетов. Неубирающееся шасси проще и легче, но его влияние на понижение весовой эффективности самолетов (через повышенное аэродинамическое сопротивление и определяемый этой причиной дополнительный расход топлива), как правило, больше, чем вышеупомянутые 4÷6%. Поэтому идеальной (с позиций весовой эффективности конструкции летательного аппарата) ситуацией было бы избавление от шасси сразу после взлета и обретение его вновь непосредственно перед посадкой. Потенциально комбинация «катапульта + аэрофинишер» позволяет приблизиться к такому идеалу. Но если сопряжение БПЛА с катапультой осуществляется, как правило, через силовые узлы, непосредственно замыкающиеся на фюзеляж или центроплан (основные несущие элементы конструктивно-силовой схемы самолета), и не требует дополнительно заметных весовых затрат, то сопряжение БПЛА с известными аэрофинишерными системами пока далеко от указанного идеала. Например, хотя в конструкции уже упоминавшегося беспилотника ScanEagle формально нет шасси, но затраты веса на упрочнение передней кромки крыла, совершенно не нужные для обеспечения самого полета как такового, существенно превосходят долю веса обычного шасси. Для БПЛА, приспособленных к посадке в сеть, также требуется либо дополнительное усиление конструкции, сопоставимое с весом шасси, либо применение специализированных плавно нагружаемых при посадке стреловидных компоновок, не оптимальных по критерию «аэродинамическое качество - вес летательного аппарата».With regard to operating manned and unmanned aircraft with various types of landing gear design, the following should be noted. For airplanes (modern and recognized as successful) with a retractable wheeled landing gear, the weight fraction of this take-off and landing gear is up to 4–6% of the mass of its structure (GI Zhitomirsky, Aircraft Design. Moscow: Mashinostroenie, 2005, p. 240). For deck-based aircraft, the total share of the weighted costs of landing is significantly higher - up to 7%, since the operating conditions of decked aircraft are considered the most stringent and are associated with the need to absorb higher vertical speeds and loads at the time of landing than is typical for the operating conditions of most land aircraft . A fixed gear landing gear is simpler and lighter, but its effect on lowering the weight efficiency of airplanes (through increased aerodynamic drag and the additional fuel consumption determined by this reason) is usually greater than the aforementioned 4–6%. Therefore, the ideal (from the standpoint of the weighted efficiency of the aircraft design) situation would be to get rid of the landing gear immediately after takeoff and to regain it immediately before landing. Potentially, the combination of "catapult + aerofinisher" allows you to get closer to such an ideal. But if the UAV is coupled with the catapult, as a rule, through power units that are directly locked to the fuselage or center section (the main load-bearing elements of the aircraft structural-power scheme) and do not require additional noticeable weighting, then the UAV pairing with known aerofinishing systems is still far from indicated ideal. For example, although the design of the already mentioned ScanEagle UAV does not formally have a chassis, the weight of hardening the leading edge of the wing, which is absolutely unnecessary to ensure the flight itself, significantly exceeds the fraction of the weight of a conventional chassis. For UAVs adapted for landing in the network, either additional structural reinforcement, comparable to the weight of the chassis, or the use of specialized smoothly loaded boom configurations during landing, which are not optimal according to the criterion “aerodynamic quality - weight of the aircraft,” is also required.
У прототипа изобретения «платой» за возможность выполнения посадки вне аэродрома является сравнительно сложная роботизированная конструкция аэрофинишера и ограничения по весу и посадочной скорости принимаемых беспилотников.The prototype of the invention has a “fee” for the possibility of landing outside the aerodrome is the relatively complex robotic design of the aerofinisher and the restrictions on the weight and landing speed of the adopted drones.
Раскрытие изобретенияDisclosure of invention
Основной целью предложенного изобретения является создание для катапультно-аэрофинишерных БПЛА удобного в эксплуатации способа посадки, базирующегося на применении новой совокупности технических решений в схемах конструкций беспилотников и аэрофинишеров. Изобретение ориентировано на получение следующих технических результатов:The main objective of the proposed invention is the creation for catapult-aerofinisher UAVs of an easy-to-use landing method based on the use of a new set of technical solutions in the design schemes of drones and aerofiners. The invention is aimed at obtaining the following technical results:
1. Повышение эффективности конструкции БПЛА (коэффициента весовой отдачи) по сравнению с современными эксплуатируемыми образцами (у прототипа этот результат распространен только на класс легких беспилотников);1. Improving the efficiency of the design of the UAV (coefficient of weight return) compared with modern exploited samples (in the prototype, this result applies only to the class of light drones);
2. Улучшение удельных показателей эффективности конструкции аэрофинишеров (в частности, снижение веса и энергопотребления по сравнению с характеристиками прототипа);2. Improving the specific performance indicators of the design of aerofinisher (in particular, reducing weight and energy consumption compared with the characteristics of the prototype);
3. Улучшение условий нагружения крыльев в процессе торможения БПЛА на аэрофинишере;3. Improving the loading conditions of the wings during braking of the UAV at the aerofinisher;
4. Минимизация размеров аэрофинишера.4. Minimizing the size of the aerofinisher.
В заявленном изобретении перечисленные технические эффекты достигаются за счет того, что:In the claimed invention, the listed technical effects are achieved due to the fact that:
а). Механическую часть бортового посадочного комплекса конкретного типа самолета формируют в виде протяженной захватывающей системы, точку приложения момента сил от которой на конструкцию БПЛА располагают в плоскости его симметрии позади центра тяжести, причем для заданного диапазона скоростей захода на посадку в допустимых условиях эксплуатации самолета характеристики этой системы (длина, вес, несущие свойства и аэродинамическое сопротивление) определяют так, чтобы ширина заметаемой поводком гака полосы захвата была не меньше точности управления по высоте траекторией полета, а гибкую захватывающую систему выдвигают из убранного положения в рабочее положение перед выполнением посадки;but). The mechanical part of the onboard landing complex of a particular type of aircraft is formed in the form of an extended exciting system, the point of application of the moment of force from which to the UAV design is placed in the plane of its symmetry behind the center of gravity, and for a given range of approach speeds under the permissible operating conditions of the aircraft, the characteristics of this system ( length, weight, load-bearing properties and aerodynamic drag) are determined so that the width of the sweep strip visible by the hook lead is not less than accuracy control height flight trajectory, and a flexible gripping system extended from the retracted position to the operating position before performing landing;
б). Приемный трос первого каскада аэрофинишера натягивают между двумя мачтами (преимущественно горизонтально) на высоте над прилегающей к аэрофинишеру поверхностью большей суммы номинального приращения высоты при выполнении заданного маневра подъема на восходящую глиссаду (заданного маневра перехода на пологое кабрирование) и величины точности управления самолетом по высоте,b) The receiving cable of the first cascade of the aerofinisher is pulled between two masts (mainly horizontally) at a height above the surface adjacent to the aerofinisher of a greater amount of the nominal height increment when performing a given lift maneuver to an ascending glide path (a predetermined maneuver of transition to a gently sloping cabrio) and the aircraft’s control accuracy in height,
в). Аэрофинишер располагают преимущественно так, чтобы его вертикальная осевая плоскость была параллельна направлению ветра, а заход на посадку выполнялся против ветра, но если по каким-либо причинам это невозможно, то ось первого каскада ориентируют по выбранному направлению захода, а расположение второго каскада относительно первого подстраивают с учетом силы и направления ветра (если размеры второго каскада выбраны без запаса на компенсацию ветровых возмущений),at). The aerofinisher is predominantly positioned so that its vertical axial plane is parallel to the direction of the wind, and the approach is made against the wind, but if for some reason this is not possible, the axis of the first cascade is oriented in the chosen direction of approach, and the location of the second cascade relative to the first is adjusted taking into account the strength and direction of the wind (if the dimensions of the second cascade are chosen without a margin for compensation of wind disturbances),
г). Второй каскад аэрофинишера располагают относительно первого так, чтобы граница рабочей области второго каскада охватывала область допустимых конечных состояний БПЛА, в которой он оказывается после торможения на первом каскаде,d). The second cascade of the aerofinisher is positioned relative to the first so that the boundary of the working area of the second cascade encompasses the region of permissible final states of the UAV in which it appears after braking at the first cascade,
д). Заход на посадку выполняют преимущественно в плоскости симметрии аэрофинишера и сначала производят снижение беспилотника до безопасной высоты, а потом перед аэрофинишером переводят его траекторию в режим набора высоты причем так, чтобы расположенная снизу БПЛА захватывающая система попала на приемный трос первого каскада аэрофинишера на этой восходящей ветви траектории,e). The landing approach is carried out mainly in the plane of symmetry of the aerofinisher and first the UAV is lowered to a safe height, and then its trajectory is switched to the climb mode in front of the aerofinisher so that the gripping system located below the UAV falls on the receiving cable of the first cascade of the aerofinisher on this ascending branch of the path ,
е). После захвата приемного троса устройством зацепления на БПЛА автоматически выключают воздушный движитель и одновременно на первом каскаде аэрофинишера запускают автоматическое регулирование выпуска нагруженного приемного троса, посредством чего осуществляют поглощение подавляющей части кинетической энергии беспилотника с помощью сосредоточенного силового воздействия на основные несущие элементы его конструктивно-силовой схемы,e). After the receiving cable is captured by the engagement device on the UAV, the air propulsion device is automatically turned off and at the same time on the first cascade of the aerofinisher they automatically control the release of the loaded receiving cable, whereby the overwhelming part of the kinetic energy of the drone is absorbed using concentrated power action on the main load-bearing elements of its structural-power circuit,
ж). После момента зацепления приемного троса включают механизм поворота крыльев (если БПЛА оснащен таким механизмом) во второе рабочее положение, в котором обеспечиваются более благоприятные условия их нагружения в процессе торможения по сравнению с положением в полетной конфигурации,g). After the moment of engagement of the receiving cable, the wing turning mechanism (if the UAV is equipped with such a mechanism) is turned on in the second working position, which provides more favorable conditions for their loading during braking compared to the position in the flight configuration,
з). На втором каскаде аэрофинишера торможение БПЛА до полной остановки производят преимущественно за счет распределенного (рассредоточенного) неповреждающего тормозящего воздействия на его поверхность либо с помощью специализированных демпфирующих устройств (например, воздушной подушки или упругой сети), либо за счет погружения в вязкую среду.h). At the second stage of the aerofinisher, UAV braking to a complete stop is mainly due to the distributed (dispersed) non-damaging inhibitory effect on its surface either using specialized damping devices (for example, an air cushion or an elastic network), or by immersion in a viscous medium.
Сущность предложенных решений изобретения поясняется следующими чертежами:The essence of the proposed solutions of the invention is illustrated by the following drawings:
На фиг.1 схематично изображен двухкаскадный аэрофинишер, и на фоне аэрофинишера показана типовая траектория движения БПЛА на посадочном режиме.Figure 1 schematically shows a two-stage aerofinisher, and against the background of the aerofinisher shows a typical trajectory of the UAV in landing mode.
На фиг.2 схематично изображен один из возможных вариантов компоновки на БПЛА захватывающей системы, находящейся в убранном положении.Figure 2 schematically shows one of the possible layout options for the UAV capture system, in the retracted position.
На фиг.3 показана захватывающая система в выпущенном взведенном состоянии перед ее контактом с приемным тросом аэрофинишера.Figure 3 shows the gripping system in the cocked state released before its contact with the receiving cable of the aerofinisher.
На фиг.4 показана фаза захлестывания поводком захватывающей системы БПЛА приемного троса аэрофинишера.Figure 4 shows the leaking phase of the lead of an exciting UAV system of the receiving cable of the aerofinisher.
На фиг.5 изображено зацепление приемного троса аэрофинишера кошкой захватывающей системы БПЛА и выключение маршевой силовой установки.Figure 5 shows the engagement of the receiving cable of the aerofinisher cat exciting UAV system and turning off the marching power plant.
На фиг.6 для двух БПЛА, с отличающимися посадочными скоростями V1=25 м/с=90 км/час (пунктирная линия графиков) и V2=70 м/с=252 км/час (сплошная линия графиков), приведены характерные изменения параметров движения на первом каскаде аэрофинишера.6, for two UAVs with different landing speeds V 1 = 25 m / s = 90 km / h (dashed line of graphs) and V 2 = 70 m / s = 252 km / h (solid line of graphs), typical changes in motion parameters at the first cascade of the aerofinisher.
На фиг.7 показаны характерные зависимости между горизонтальной компонентой посадочной скорости БПЛА, продольной перегрузкой и соответствующим горизонтальным перемещением беспилотника на первом каскаде аэрофинишера.Figure 7 shows the characteristic relationships between the horizontal component of the UAV landing speed, longitudinal overload and the corresponding horizontal movement of the UAV at the first cascade of the aerofinisher.
На фиг.8 изображено характерное состояние посадочной системы в момент перехода БПЛА в конфигурации с повернутыми крыльями на второй каскад аэрофинишера.On Fig depicts the characteristic state of the landing system at the time of transition of the UAV in the configuration with the wings turned to the second stage of the aerofinisher.
На фиг.9 для варианта вертикального входа БПЛА на второй каскад аэрофинишера приведены характерные зависимости между модулем входной скорости, перегрузкой при торможении и соответствующим перемещением беспилотника.Figure 9 shows the typical dependencies between the input speed module, overload during braking and the corresponding movement of the UAV for the variant of the vertical UAV entrance to the second stage of the aerofinisher.
На фиг.10 показаны линии уровня функции вертикального смещения БПЛА от нижней точки переходного участка до точки выхода на восходящую глиссаду в зависимости от скорости захода на посадку и угла наклона глиссады при выполнении беспилотником маневра с нормальной перегрузкой nу=1,5 (маневр «взмывание»).Figure 10 shows the level lines of the UAV vertical shift function from the lower point of the transition section to the exit point to the ascending glide path depending on the approach speed and glide path angle when the drone maneuvers with normal overload n y = 1.5 (maneuver “soaring ").
На этих чертежах использованы следующие обозначения:The following notation is used in these drawings:
В предложенном изобретении прообразом захватывающей системы (2, 3) на борту БПЛА можно считать выдвижной посадочный гак у палубных самолетов. В прототипе, как ранее уже отмечалось, для точного наведения участка приемного троса на короткий гак беспилотника используется манипулятор с возможностями управления не менее чем по двум независимым осям (степеням свободы). В сущности, предложенное в прототипе управление манипулятором является средством противодействия влиянию неконтролируемых атмосферных возмущений на траекторию движения БПЛА на посадочном режиме. В предложенном изобретении выбор достаточной протяженности по высоте выпущенной захватывающей системы (признак а), обеспечивающей попадание устройства зацепления на приемный трос, позволяет отказаться от применения манипулятора. Следовательно, по сравнению с прототипом обеспечивается возможность получить экономию, по крайней мере, по весу и энергопотреблению за счет исключения из конструкции аэрофинишера мощных приводов манипулятора.In the proposed invention, the prototype of the exciting system (2, 3) on board the UAV can be considered a retractable landing hook for deck aircraft. In the prototype, as previously noted, for precise guidance of the receiving cable portion to the short hook of the drone, a manipulator is used with control capabilities in at least two independent axes (degrees of freedom). In essence, the manipulator control proposed in the prototype is a means of counteracting the influence of uncontrolled atmospheric disturbances on the UAV trajectory during landing mode. In the proposed invention, the choice of a sufficient length along the height of the released gripping system (feature a), which ensures that the engagement device enters the receiving cable, eliminates the need for a manipulator. Therefore, in comparison with the prototype, it is possible to obtain savings, at least in weight and power consumption, by eliminating powerful manipulator drives from the design of the aerofinisher.
Двумерная часть пространства, которая находится между траекторией движения нижней точки обводов самолета 1 и траекторией движения устройства зацепления 2, названа полосой захвата (см. позицию 14 на фиг.1). «Траление» зоны захвата 14 потенциально может быть реализовано с помощью длинного жесткого элемента типа профилированного стержня с устройством зацепления (гаком) на нижнем его конце. Но, учитывая требования по компактности системы в целом, минимизации ее аэродинамического сопротивления и веса, предпочтительно поводок 3 к устройству зацепления 2 сделать легко трансформируемым - гибким или раскладывающимся. На фиг.2 схематично изображен один из возможных вариантов компоновки механизма поводка в нижней части фюзеляжа БПЛА. До момента выпуска поводок 3 уложен на поворачивающейся защитной крышке 28 зигзагами в ячейки 19 (по типу укладки строп парашюта), причем фиксация 24 поводка автоматически снимается после поворота крышки 18 на угол больше заданного. Тогда под воздействием силы веса устройства зацепления 2 и сил давления на него от воздушного потока захватывающая система разворачивается во взведенное рабочее состояние (см. фиг.3).The two-dimensional part of the space, which is between the trajectory of the lower point of the contours of the
Значимость отличительного признака - использования гибкого (или раскладывающегося) поводка 3 в системе захвата - определяется не только возможностью его компактного размещения в сравнительно коротком фюзеляже БПЛА, но также повышением надежности операции зацепления и рациональной схемой нагружения конструкции беспилотника. Наложение гибкого поводка 3 на приемный трос 7 аэрофинишера будет всегда происходить с захлестыванием, без упругого отскока, который возможен при определенных условиях в случае применения жесткого стержня в качестве поводка. Поскольку скольжение гибкого поводка вокруг охваченного участка приемного троса хотя и будет сравнительно кратковременным, но, тем не менее, такое растянутое по времени движение может быть сопряжено с меньшей нагрузкой на конструкцию БПЛА, чем в случае восприятия отдачи от удара по приемному тросу жестким стержнем.The significance of the distinguishing feature - the use of a flexible (or folding)
Длину поводка 3 предлагается выбирать такой, чтобы с учетом его неизбежного отклонения от вертикали под воздействием воздушного потока, все-таки минимальная ширина заметаемой им полосы захвата 14 была сопоставима с величиной среднеквадратической точности выдерживания по высоте заданной траектории полета для конкретного типа БПЛА в ожидаемых условиях эксплуатации, то есть была бы равна или с заданным запасом была бы больше этой точности.It is proposed to choose the
Точность выдерживания заданной траектории, как известно, зависит главным образом от точности измерений параметров движения объекта и эффективности его системы управления в противодействии внешним возмущениям. И если современные информационно-измерительные комплексы обеспечивают возможность определения координат БПЛА на посадочных режимах с погрешностями менее метра, то сильные атмосферные возмущения типа сдвига ветра при неблагоприятном сочетании условий могут вызвать неконтролируемую просадку или взмывание аппарата на заметно большую величину. Возможность увеличения длины поводка 3 до определенного предела пополняет арсенал располагаемых традиционных средств по обеспечению безопасной эксплуатации летательных аппаратов в сложных погодных условиях. Следует отметить, что предложенные в прототипе технические решения ориентированы на точность определения относительных координат кооперируемых объектов порядка нескольких миллиметров, а основным ресурсом для противодействия неконтролируемым отклонениям траектории полета БПЛА является эффективное управление перемещением U-образного насадка манипулятора.The accuracy of maintaining a given trajectory, as you know, mainly depends on the accuracy of measurements of the object’s motion parameters and the effectiveness of its control system in countering external disturbances. And if modern information-measuring systems provide the ability to determine the coordinates of UAVs in landing modes with errors of less than a meter, then strong atmospheric disturbances such as wind shear under an unfavorable combination of conditions can cause uncontrolled subsidence or soaring of the apparatus by a noticeably large amount. The ability to increase the length of
Расположение в хвостовой части фюзеляжа позади центра тяжести БПЛА 15 зоны приложения момента сил от поводка, позволяющее не допустить на участке интенсивного торможения резкого изменения ориентации продольной оси беспилотника, предложено по аналогии с решениями, традиционными для палубных самолетов, выполняющих посадку с использованием тросового аэрофинишера. Необходимо указать, что именно через узлы сопряжения (18, 20, 21) поводка 3 с беспилотником на его конструкцию передается та огромная сила (примерно на порядок большая силы веса беспилотника), которая как раз и производит основную часть работы по уменьшению кинетической энергии. Как правило, в конструктивно-силовых схемах самолетов наиболее прочные несущие элементы конструкции располагаются вблизи центроплана. Поэтому подвод к этим несущим элементам конструкции главной нагружающей силы, причем работающей на растяжение, а не на сжатие, что характерно для схем обычных колесных шасси, создает благоприятные условия для формирования рациональных конструктивно-силовых схем катапультно-аэрофинишерных БПЛА, приспособленных к выполнению посадки предложенным способом.The location in the rear part of the fuselage behind the UAV center of
Естественным в схеме сопряжения поводка с беспилотником является также вариант формирования команды (признак е) на отключение воздушного движителя (27, 28), инициируемой по превышению заданного тормозящего усилия после момента захвата устройством зацепления 2 приемного троса 7 (см. фиг.5). Под воздействием этого усилия крышка 18 сначала поступательно смещается относительно оси 21 в пределах паза 22, и после выхода за ограничитель 25 верхнего конца поворачивается, переключая формирователь 26.A natural option in the pairing scheme between the leash and the drone is the option of forming a command (sign e) to turn off the air propulsion device (27, 28), initiated by exceeding the set braking force after the
Близким к прототипу является предложение натянуть приемный трос на определенной высоте (признак б) и осуществить торможение БПЛА без взаимодействия его с какой-либо опорной поверхностью (признак е). Основное отличие от прототипа по этому признаку е состоит в том, что положение мачт 4, между которыми натянут трос 7, в процессе захода беспилотника 1 на посадку остается стационарным относительно основания аэрофинишера. Хотя само основание может располагаться и на подвижном объекте, например, на морском судне. Такое решение потенциально позволяет применять мачты, выдерживающие большие нагрузки, и использовать предложенный способ для обеспечения посадки беспилотников различных классов, относящихся, в том числе, к классам среднему и тяжелому, в отличие от прототипа, технические решения которого ориентированы только на легкий класс БПЛА. В отличие от другого аналога (см. патент RU 2235045), согласно отличительным признакам которого для тяжелых и скоростных самолетов приходится выбирать достаточно высокие и прочные мачты, по предложенному изобретению минимально необходимая высота мачт может быть существенно (в разы) меньше. Этот эффект достигается не только за счет иной компоновки системы захвата (снизу БПЛА, а не сверху), но также за счет разделения аэрофинишера на каскады и использования иной схемы построения посадочной траектории (признаки г, д).Close to the prototype is the proposal to pull the receiving cable at a certain height (sign b) and to brake the UAV without interacting with any supporting surface (sign e). The main difference from the prototype on this basis is that the position of the
Для осуществления торможения БПЛА после его зацепления за приемный трос аэрофинишера может быть использована тросовая система торможения, функциональная схема конструкции которой аналогична тем, что используются на авианосцах при посадках палубных самолетов. На фиг.6 изображены характерные зависимости между параметрами движения БПЛА на первом каскаде аэрофинишера, отражающие, как две основные функции, возлагаемые обычно на шассиTo carry out the braking of the UAV after its engagement with the receiving cable of the aerofinisher, a cable braking system can be used, the functional design of which is similar to that used on aircraft carriers when landing deck aircraft. Figure 6 shows the characteristic dependencies between the UAV motion parameters on the first cascade of the aerofinisher, reflecting, as two main functions, usually assigned to the chassis
- смягчение до приемлемого уровня посадочного удара,- mitigation to an acceptable level of landing impact,
- поглощение в процессе торможения кинетической энергии самолета,- absorption during braking of the kinetic energy of the aircraft,
осуществляются не на борту самолета. По первому и третьему графическим полям наглядно видно, что за счет рационального выбора угла наклона восходящей глиссады 13 конечное вертикальное смещение БПЛА к моменту завершения выпуска приемного троса 7 незначительно по сравнению с точкой входа. И если в момент зацепления преобладающей по модулю была продольная компонента вектора скорости (см. второе графическое поле на фиг.6), то в конце участка торможения преобладающей является направленная вниз вертикальная компонента вектора скорости, причем она по модулю существенно меньше (в несколько раз) скорости захода на посадку. Следует также отметить плавное нарастание (без рывка) скорости выпуска троса (см. четвертое графическое поле) и перегрузки торможения БПЛА при заданном ограничении по силе натяжения троса (показано на пятом графическом поле).carried out not on board the aircraft. The first and third graphic fields clearly show that due to a rational choice of the angle of inclination of the ascending
Заход на посадку против ветра является известным приемом понижения посадочной скорости и применяется в авиации (по мере имеющихся возможностей) со времен ее становления. Применительно к современному уровню развития техники предполагается, что аэрофинишер для БПЛА является мобильной системой, т.е. либо он размещен на подвижном основании (например, на буксируемой платформе или на корабле), либо аэрофинишер может быть оперативно развернут в рабочее состояние в выбранном месте за ограниченное время (условно - не более часа). Поэтому перед выполнением посадки БПЛА на аэрофинишер предлагается его соответствующим образом сориентировать (признак в). Воздействие бокового ветра на БПЛА, совершающего посадку по предложенному способу, нежелательно из-за отсутствия эффективных средств контроля бокового движения аппарата на первом участке торможения, на котором обычные аэродинамические органы управления быстро становятся малоэффективными. При сильном боковом ветре это может ухудшить начальные условия для функционирования второго каскада аэрофинишера (10, или 29, 30, 31) и привести, например, либо к необходимости увеличения плановых размеров этой системы, или к корректирующему смещению ее от плоскости симметрии. Для прототипа отмеченные особенности не являются значимыми благодаря возможностям ориентации манипулятора по любому направлению и коротким посадочным дистанциям. Но для обеспечения посадки высокоскоростных и тяжелых БПЛА, у которых посадочная дистанция составляет десятки метров, и при вынужденном развертывании аэрофинишера на площадке с уклоном, когда не получается сориентировать аэрофинишер вдоль направления ветра, отмеченные особенности необходимо учитывать. Этими обстоятельствами как раз и определяется значимость отличительного признака предложенного изобретения.An approach approaching against the wind is a well-known technique for lowering landing speed and has been used in aviation (as far as possible) since its inception. In relation to the current level of technological development, it is assumed that the UAV aerofinisher is a mobile system, i.e. either it is placed on a moving base (for example, on a towed platform or on a ship), or the aerofinisher can be quickly deployed to a working state in a selected place for a limited time (conditionally - no more than an hour). Therefore, before performing an UAV landing on an aerofinisher, it is proposed to orient it accordingly (sign c). The influence of the crosswind on the UAV landing according to the proposed method is undesirable due to the lack of effective means of controlling the lateral movement of the vehicle in the first braking section, in which conventional aerodynamic controls quickly become ineffective. With a strong crosswind, this can worsen the initial conditions for the functioning of the second cascade of the aerofinisher (10, or 29, 30, 31) and lead, for example, either to the need to increase the planned dimensions of this system, or to its correcting displacement from the plane of symmetry. For the prototype, the noted features are not significant due to the possibilities of orientation of the manipulator in any direction and short landing distances. But to ensure the landing of high-speed and heavy UAVs with a landing distance of tens of meters, and when the aerofinisher is forced to deploy on a site with a slope, when it is not possible to orient the aerofinisher along the wind direction, these features must be taken into account. These circumstances just determine the significance of the distinguishing feature of the proposed invention.
Признак наличия второй тормозной системы практически всегда имеется у взлетно-посадочных комплексов современных авианосцев. Но на них эта система используется как аварийное средство в особых ситуациях и обычно представляет собой автоматически поднимаемую в вертикальное положение у конца палубы улавливающую ленточную сеть (аварийный барьер типа «баррикада»). Поскольку при использовании этого аварийного средства приоритетной задачей является спасение пилота, то допускается возможность повреждения некоторых элементов конструкции самолета Следует отметить, что на ряде сухопутных аэродромов также вблизи концов ВПП установлены стационарно аварийные барьеры аналогичной конструкции. В отличие от варианта применения в эксплуатируемых посадочных комплексах второй тормозной системы в аварийных ситуациях, в предложенном изобретении второй каскад аэрофинишера (признак г) используется в каждой штатной ситуации и функционально дополняет первый каскад. Элементы конструкции аэрофинишера предлагается расположить так, чтобы область работоспособности второго каскада полностью покрывала область допустимых конечных состояний БПЛА, получающихся в результате его торможения на первом каскаде.A sign of the presence of a second braking system is almost always present in the takeoff and landing systems of modern aircraft carriers. But on them, this system is used as an emergency tool in special situations and usually is a catching belt network (emergency barrier of the "barricade" type) automatically raised to a vertical position at the end of the deck. Since the rescue of the pilot is a priority when using this emergency tool, it is possible that some structural elements of the aircraft may be damaged. It should be noted that at a number of land aerodromes also stationary emergency barriers of a similar design are installed near the ends of the runway. In contrast to the application of the second brake system in emergency situations in operating landing systems, in the proposed invention, the second cascade of the aerofinisher (feature d) is used in each standard situation and functionally complements the first cascade. It is proposed to arrange the design elements of the aerofinisher so that the operability region of the second cascade completely covers the region of permissible final UAV states resulting from its braking at the first cascade.
В отличие от повсеместно используемых схем построения посадочных траекторий самолетов, в которых вектор скорости летательного аппарата на заключительном участке полета направлен на уменьшение высоты и на сближение с посадочной площадкой, в предложенном изобретении вектор скорости непосредственно перед контактом с аэрофинишером ориентирован на набор высоты и на пролет над посадочной площадкой. Техническое решение по такому изменению схемы захода (признак д) является ключевым для обеспечения благоприятных начальных условий попадания БПЛА на второй каскад аэрофинишера. Позитивный эффект получается за счет рационального задания угла наклона траектории для режима набора высоты в зависимости от посадочной скорости, допустимой перегрузки торможения беспилотника и допустимого диапазона рассогласования его координат в момент зацепления за приемный трос. Номинально этот угол подбирается так, чтобы результирующее вертикальное смещение БПЛА, суммирующее за время торможения тросом разнонаправленные тенденции (подъем вверх по инерции и движение вниз под воздействием сил веса и натяжения троса), оказалось бы на приемлемом уровне. При этом скорость движения беспилотника снижается до безопасно поглощаемой демпферами второго каскада величины. Для наиболее распространенных сочетаний летно-технических характеристик беспилотников приемлемый диапазон углов наклона восходящей глиссады 13 может находиться в диапазоне 0°÷15°, а для большинства типов БПЛА рациональная величина этого угла равна 4°÷5°.In contrast to the commonly used schemes for constructing aircraft landing trajectories, in which the aircraft's velocity vector at the final flight section is aimed at decreasing altitude and approaching the landing site, in the proposed invention, the velocity vector immediately before contact with the aerofinisher is oriented toward climb and over-flight landing pad. The technical solution for such a change in the approach pattern (sign e) is the key to ensuring favorable initial conditions for UAVs to enter the second stage of the aerofinisher. The positive effect is obtained due to the rational setting of the angle of inclination of the trajectory for the climb mode, depending on the landing speed, the permissible overload of braking of the drone and the acceptable range of mismatch of its coordinates at the moment of engagement with the receiving cable. Nominally, this angle is selected so that the resulting vertical displacement of the UAV, which summarizes multidirectional trends during braking by the cable (upward inertia and downward movement due to the forces of weight and cable tension), would be at an acceptable level. In this case, the speed of the UAV decreases to a value safely absorbed by the dampers of the second cascade. For the most common combinations of flight technical characteristics of drones, the acceptable range of angles of inclination of the ascending
Если аэрофинишер расположен не на вершине холма, то типовое построение траектории захода на посадку с выходом на указанные параметры заключительного участка набора высоты должно включать кроме него самого еще участок снижения 11 и переходный участок между ними 12 с выходом на пологое кабрирование. В схеме построения посадочной траектории по предложенному способу при сопоставлении ее со стандартной схемой нетрудно заметить аналогию в разделении на участки: переходному участку соответствует участок «выравнивание», участку восходящей глиссады соответствует «выдерживание».If the aerofinisher is not located at the top of the hill, then the typical construction of the approach path with access to the indicated parameters of the final climb section should include, in addition to it, the lowering
В результате контакта устройства зацепления 2 с тросом 7 должна образоваться механическая связь между БПЛА и аэрофинишером. Если по каким-либо причинам зацепление не произойдет, то беспилотник продолжит движение с набором высоты, обеспечивая возможность повторного вывода на исходную высоту и осуществления повторного захода на посадку. С позиций обеспечения безопасности полета, предложенный в изобретении вариант операции захвата предпочтительнее по сравнению с применяемыми в настоящее время на практике аналогичными скоротечными посадочными операциями. В эксплуатирующихся посадочных комплексах противоаварийное управление включается, как правило, после того, как произошло опасное событие, например не состоялось штатное зацепление приемного троса гаком палубного самолета на авианосце. В предложенном изобретении БПЛА выводится на траекторию, проходящую мимо посадочного комплекса, до того, как произойдет определяющее событие - механический контакт с приемным тросом. В прототипе не указаны какие-либо признаки, регламентирующие формирование траектории захода на посадку - по-видимому, полагается, что за счет ловкости U-образного захвата манипулятора обеспечиваются приемлемые решения при возникновении вышерассмотренных особенностей.As a result of the contact of the
При стационарном положении аэрофинишера в процессе захода на посадку опорная траектория 11 (глиссада) снижения БПЛА может быть сформирована с использованием обычных бортовых или наземных радиотехнических и/или оптических средств подобно тому, как это делается в существующих посадочных комплексах. Сигнал на переход с участка снижения на переходный участок 12 может быть сформирован, например, на основе измерений геометрической высоты с помощью радио- или ультразвукового высотомера, или измерений дальности. Для аэрофинишера, установленного на подвижном основании, находящемся в нестационарных условиях, например на плывущем в неспокойном море корабле, определение в информационном пространстве опорной траектории предпочтительнее производить относительно прогнозируемой точки зацепления 6. Ее координаты можно вычислить на основе экстраполяции движения основания на выбранном интервале времени. Возможности современных бортовых информационных комплексов позволяют решать такого класса вычислительные задачи с приемлемой точностью в реальном масштабе времени.With the stationary position of the aerofinisher during the approach, the reference path 11 (glide path) of the UAV reduction can be formed using conventional airborne or ground-based radio and / or optical means, similar to the way it is done in existing landing complexes. The signal for the transition from the reduction section to the
По сигналу зацепления могут быть произведены и другие операции, например, открыты замки и освобождены для свободного поворота относительно наклонных осей крылья 32 (признак ж), которые в такой ситуации сориентируются вдоль направления действия инерционных сил. Предложенная операция потенциально позволяет улучшить условия нагружения крыльев за счет изменения направления действия на них доминирующих сил - ближе к направлениям образующих. Кроме изменения схемы нагружения, предложенный поворот позволяет также уменьшить размах крыла, а следовательно, можно уменьшить размеры второго каскада аэрофинишера. Таким образом, на первом каскаде решается задача поглощения большей части кинетической энергии беспилотника с обеспечением рациональной схемы силового нагружения конструкции, а также подготавливается его конфигурация к взаимодействию со вторым каскадом аэрофинишера.Other operations can be performed by the gearing signal, for example, the locks are opened and
Потенциально задача «мягкой» остановки БПЛА на втором каскаде (признак з) может быть решена с помощью нескольких типов отличающихся по конструкции устройств, например, воздушной подушки 10 или сети 31. Если, как показано на фиг.8, сложены крылья 32 и обеспечена за счет флюгерных свойств заданная ориентация новой конфигурации в конце первого участка торможения, то возможно применение в качестве демпфирующей и останавливающей среды легкой жидкости, например воды.Potentially, the problem of a “soft” UAV stop at the second stage (feature h) can be solved using several types of devices that differ in design, for example, an
На фиг.9 показаны характерные зависимости для процесса торможения при рабочем ходе по вертикали, например, когда беспилотник падает сверху на надутую воздухом подушку 10. Рабочий ход торможения может быть задан не только по вертикали, но и по другому направлению. Для этого можно между первым и вторым каскадами поместить подходящий упор 30, на который после завершения первого этапа торможения опустится натянутый поводок 3 или выпущенный приемный трос 7. Тогда точка на поверхности этого упора станет центром вращения образовавшегося физического маятника, и это вращение создаст широкие возможности для расположения в наиболее подходящей конфигурации (по наиболее выгодному направлению) средств демпфирования колебаний.Figure 9 shows the typical dependences for the braking process during vertical travel, for example, when the drone falls on top of an
Следует отметить, что определяемый характеристиками второго каскада отличительный признак предложенного изобретения по основной функции - торможению до полной остановки - сходен с соответствующим признаком для существующих аэрофинишерных систем в виде вертикально натянутой улавливающей сети. Но в нашем варианте пониженная скорость входа на второй каскад позволяет, во-первых, не производить каких-либо дополнительных усилений конструкции БПЛА специально для исключения ее повреждений на заключительном этапе торможения и, во-вторых, использовать больший арсенал средств торможения, а не только улавливающую сеть.It should be noted that the distinguishing feature of the proposed invention, determined by the characteristics of the second cascade, in terms of its main function - braking to a complete stop - is similar to the corresponding feature for existing aerofinishing systems in the form of a vertically stretched catch network. But in our version, the reduced entry speed to the second stage allows, firstly, not to make any additional reinforcements of the UAV design specifically to exclude its damage at the final stage of braking and, secondly, to use a larger arsenal of braking means, and not just catch network.
Дополнительно к основному техническому результату изобретения (в части обеспечения условий повышения эффективности конструкции БПЛА) предложенные решения создают предпосылки для формирования компактной конструкции аэрофинишера по вертикальному размеру. В предложенном способе на определение минимально допустимой высоты конструкции аэрофинишера влияют два фактора: это разность высот между уровнем приемного участка троса и нижней допустимой точкой траектории устройства зацепления на переходном участке 12, а также потребный размер по высоте второго каскада аэрофинишера. На фиг.10 представлены зависимости между характерными значениями скорости захода на посадку, углом наклона восходящей глиссады 13 и вертикальным смещением беспилотника при маневре с перегрузкой nу=1.5 от нижней точки траектории до точки выхода на эту глиссаду. С добавлением запаса на ширину заметаемой зоны поводком захватывающей системы, приведенные на фиг.10 зависимости позволяют оценить потребную высоту аэрофинишера, определяемую первым из вышеперечисленных факторов. Влияние второго фактора можно оценить по зависимостям на фиг.9. При штатно выполненном торможении на первом каскаде аэрофинишера, скорость БПЛА на входе во второй каскад не должна превышать 10÷15 м/с. На основании приведенных данных минимальная высота аэрофинишера оценивается от нескольких метров (при скорости захода 25÷30 м/с), до порядка 7÷10 метров (для скоростей захода 60÷70 м/с). То есть вертикальный размер аэрофинишера по предложенному способу в разы меньше, чем у его аналога в патенте RU 2235045.In addition to the main technical result of the invention (in terms of providing conditions for increasing the efficiency of the UAV design), the proposed solutions create the prerequisites for the formation of a compact aerofinisher design in vertical size. In the proposed method, two factors affect the determination of the minimum permissible height of the aerofinisher design: this is the height difference between the level of the receiving portion of the cable and the lower permissible point of the trajectory of the engagement device on the
Осуществление изобретенияThe implementation of the invention
В предыдущих разделах при раскрытии отличительных признаков предложенного изобретения рассматривались особенности осуществления нового способа в сопоставлении не только с прототипом, но и определялось сходство с функционированием уже существующих посадочных комплексов. Для придания требуемых функциональных свойств БПЛА и аэрофинишеру были предложены варианты возможных конструкторских решений. По отношению к этим новшествам правомерен вопрос, достижимы ли требуемые от них характеристики на существующем технологическом уровне? Перечень основных компонентов, требуемых для реализации предложенного способа посадки, составляет следующие объекты:In the previous sections, when revealing the distinguishing features of the proposed invention, the implementation of the new method was considered in comparison not only with the prototype, but also the similarity with the functioning of existing landing systems was determined. To give the required functional properties of the UAV and the aerofinisher, options for possible design solutions were proposed. In relation to these innovations, the question is legitimate, are the required characteristics achievable at the existing technological level? The list of the main components required for the implementation of the proposed planting method is the following objects:
- бортовой информационно-управляющий комплекс,- airborne information management system,
- наземный информационно-управляющий комплекс,- ground information management complex,
- захватывающая система,- exciting system
- конструкция первого каскада аэрофинишера,- design of the first cascade of the aerofinisher,
- конструкция второго каскада аэрофинишера.- design of the second cascade of the aerofinisher.
Бортовой и наземный информационно-измерительные комплексы используются в предложенном способе для того, чтобы подвести БПЛА с требуемыми значениями параметров движения к приемному тросу. В сущности, это типичная задача построения траектории захода на посадку, отличающаяся только в деталях на завершающем участке полета: точка начала переходного маневра располагается выше, чем точка начала обычного выравнивания и траектория выводится не на плавное сближение с ВПП, а на набор высоты. Очевидно, что эти отличия в управлении каких-либо дополнительных требований к функциям и характеристикам существующих инструментальных средств не определяют - нужна лишь незначительная корректировка настроек алгоритмов управления.On-board and ground-based information-measuring systems are used in the proposed method in order to bring UAVs with the required values of the motion parameters to the receiving cable. In essence, this is a typical task of constructing an approach trajectory, differing only in details at the final flight section: the transition maneuver start point is higher than the usual leveling start point and the trajectory is displayed not to smooth approach from the runway, but to climb. Obviously, these differences in the management of any additional requirements for the functions and characteristics of existing tools do not determine - only a slight adjustment of the control algorithm settings is needed.
В качестве устройства зацепления в захватывающей системе может быть использовано известное устройство захвата типа «кошка» с независимыми спусковыми механизмами 17 и защелками 16 на каждой из трех лап (для исключения непреднамеренного отсоединения зацепленного троса). Наиболее простой конструкцией поводка, по-видимому, является отрезок каната требуемой длины, сплетенный из современных сверхпрочных нитей, например, типа Русар® (www.aramid. ru).As a gearing device in a gripping system, a known cat-type gripping device with
Конструкцию первого каскада аэрофинишера образуют следующие основные компоненты: пара силовых мачт 4 с системой направляющих блоков 5, 8 для троса, синтетический трос 7 и накопитель 9 с системой торможения этого троса. Среди перечисленных компонент наибольший уровень технологической сложности имеет система торможения. В качестве базовой конструкции для этой системы можно использовать механически соединенные с тросонесущим барабаном дисковые или колодочные тормоза колес транспортных средств. Имеется обширный набор отработанных конструкций этих тормозов, применяемых от велосипедов и микроавтомобилей до тяжелых транспортных самолетов типа Ил-76 или Ан-124. Это позволяет подобрать для конкретных типов беспилотников тормоза с наиболее подходящими для них характеристиками.The design of the first cascade of the aerofinisher consists of the following main components: a pair of
Одной из наиболее простых и компактных по высоте конструкций второго каскада аэрофинишера является воздушная подушка - оболочка из легкой водонепроницаемой ткани наполненная воздухом низкого давления. Например, серийно выпускаемые в России фирмой «МКСистемы» (www. mks112. ru) двухсекционные воздушные подушки для спасательных работ (эвакуации) при пожарах имеют следующие характеристики: One of the most simple and compact in height designs of the second cascade of the aerofinisher is an air cushion - a shell made of lightweight waterproof fabric filled with low-pressure air. For example, two-section airbags for rescue work (evacuation) in case of fire have the following characteristics commercially available in Russia by the MKSystems company (www. Mks112. Ru):
Нетрудно оценить, что самая младшая модель IC50, номинально рассчитанная на падение на нее тела весом порядка 80 кг со скоростью до 15 м/с, по своим демпфирующим свойствам вполне удовлетворяет требованиям к входным характеристикам второго каскада аэрофинишера применительно к классу легких БПЛА. Старшие модели подушек этой фирмы могут быть приспособлены к приземлению более тяжелых беспилотников. А для улавливания беспилотников тяжелого класса, например, по схеме фиг.8, в качестве прототипа конструкции штатной улавливающей сети второго каскада может быть взята сеть из систем предотвращения аварийного выкатывания самолетов с ВПП (с соответствующими коррекциями на вес принимаемого объекта).It is easy to estimate that the youngest model IC50, nominally designed to drop a body weighing about 80 kg at a speed of up to 15 m / s, in its damping properties fully meets the requirements for the input characteristics of the second cascade of the aerofinisher as applied to the class of light UAVs. Older models of pillows from this company can be adapted to the landing of heavier drones. And for catching heavy-class drones, for example, according to the diagram of Fig. 8, a network of systems for preventing emergency roll-out of aircraft from runways (with corresponding corrections for the weight of the received object) can be taken as a prototype of the design of the standard catching network of the second stage.
Таким образом, проведенный анализ показал возможность технической реализуемости предложенного изобретения на существующем технологическом уровне.Thus, the analysis showed the feasibility of the technical feasibility of the proposed invention at the existing technological level.
Claims (3)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009124730/11A RU2399560C1 (en) | 2009-06-30 | 2009-06-30 | Method of landing drone aircraft on arresting gear |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009124730/11A RU2399560C1 (en) | 2009-06-30 | 2009-06-30 | Method of landing drone aircraft on arresting gear |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2399560C1 true RU2399560C1 (en) | 2010-09-20 |
Family
ID=42939105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009124730/11A RU2399560C1 (en) | 2009-06-30 | 2009-06-30 | Method of landing drone aircraft on arresting gear |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2399560C1 (en) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2497714C2 (en) * | 2012-02-17 | 2013-11-10 | Владимир Михайлович Палецких | Takeoff-landing complex with universal power drive |
| RU2620848C2 (en) * | 2015-11-09 | 2017-05-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальное Конструкторское бюро "Электрон" (ООО "СКБ Электрон") | Method of forced landing of helicopter type unmanned aircraft at the vessel landing platform |
| CN106882395A (en) * | 2017-03-21 | 2017-06-23 | 张宏 | Aircraft floatable helps drop device |
| RU2681610C1 (en) * | 2017-12-11 | 2019-03-11 | Михаил Юрьевич Артамонов | Aircraft on the ferromagnetic surfaces fixing and retention system |
| CN110282146A (en) * | 2019-06-19 | 2019-09-27 | 西安电子科技大学 | A kind of fixed-wing unmanned plane recovery system |
| RU2767389C1 (en) * | 2020-11-18 | 2022-03-17 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for precise landing of unmanned aerial vehicle of airplane type and device for its implementation |
| RU2810207C1 (en) * | 2022-12-21 | 2023-12-22 | Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" | System for catching falling objects based on cable robot |
-
2009
- 2009-06-30 RU RU2009124730/11A patent/RU2399560C1/en not_active IP Right Cessation
Cited By (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2497714C2 (en) * | 2012-02-17 | 2013-11-10 | Владимир Михайлович Палецких | Takeoff-landing complex with universal power drive |
| RU2620848C2 (en) * | 2015-11-09 | 2017-05-30 | Общество с ограниченной ответственностью "Специальное Конструкторское бюро "Электрон" (ООО "СКБ Электрон") | Method of forced landing of helicopter type unmanned aircraft at the vessel landing platform |
| CN106882395A (en) * | 2017-03-21 | 2017-06-23 | 张宏 | Aircraft floatable helps drop device |
| RU2681610C1 (en) * | 2017-12-11 | 2019-03-11 | Михаил Юрьевич Артамонов | Aircraft on the ferromagnetic surfaces fixing and retention system |
| CN110282146A (en) * | 2019-06-19 | 2019-09-27 | 西安电子科技大学 | A kind of fixed-wing unmanned plane recovery system |
| RU2767389C1 (en) * | 2020-11-18 | 2022-03-17 | Федеральное государственное казенное военное образовательное учреждение высшего образования "Военный учебно-научный центр Военно-воздушных сил "Военно-воздушная академия имени профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина" (г. Воронеж) Министерства обороны Российской Федерации | Method for precise landing of unmanned aerial vehicle of airplane type and device for its implementation |
| RU2810207C1 (en) * | 2022-12-21 | 2023-12-22 | Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" | System for catching falling objects based on cable robot |
| RU2812163C1 (en) * | 2022-12-22 | 2024-01-24 | Автономная некоммерческая организация высшего образования "Университет Иннополис" | System for catching large-sized massive objects based on cable robot |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9010683B2 (en) | Rail recovery system for aircraft | |
| AU2013261044B2 (en) | Point take-off and landing of unmanned flying objects | |
| US10611498B2 (en) | Rail recovery system for aircraft | |
| US20210147081A1 (en) | Asymmetric aircraft and their launch and recovery systems from small ships | |
| US8028952B2 (en) | System for shipboard launch and recovery of unmanned aerial vehicle (UAV) aircraft and method therefor | |
| RU2235045C1 (en) | Flying vehicle | |
| RU2399560C1 (en) | Method of landing drone aircraft on arresting gear | |
| CN107697303B (en) | Unmanned aerial vehicle air-based recovery device and method based on aviation towing type stable target system | |
| US20200148387A1 (en) | Recovery System for UAV | |
| CN109625305B (en) | Unmanned aerial vehicle recovery unit | |
| WO2007086055A1 (en) | Aircraft landing method, system and device | |
| EP3680181A1 (en) | Cable-assisted point take-off and landing of unmanned flying objects | |
| CN107600445B (en) | A kind of fixed-wing unmanned plane short distance common rail launch recycling device | |
| RU2497714C2 (en) | Takeoff-landing complex with universal power drive | |
| RU2592963C2 (en) | Method for parachute landing of drone and drone with electric propulsor and parachute landing system | |
| CN210027961U (en) | Unmanned aerial vehicle recovery unit | |
| CN111221344A (en) | Unmanned aerial vehicle landing method on sea based on cobra head raising and eagle fishing boat returning actions in bionics | |
| RU180260U1 (en) | TAKEOFF AND UNDERGROUND DEVICE OF SHIP BASING | |
| CN108408072A (en) | A kind of carrier-borne recovery method of fixed-wing UAV and system | |
| RU2751126C2 (en) | Transport and energy system | |
| RU2678408C1 (en) | Airplane type unmanned aerial vehicle landing system | |
| RU43845U1 (en) | AIRCRAFT LANDING SYSTEM | |
| Zhu et al. | Research on recovery technology of ship-borne fixed-wing UAV | |
| CN116331550A (en) | Emergency inflation recovery platform for sea mountain terrain unmanned aerial vehicle | |
| Boddington | Naval Aircraft and Carrier Equipment |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20170701 |