RU2557857C1

RU2557857C1 - Robotic aircraft for monitoring of fire areas and manmade disasters

Info

Publication number: RU2557857C1
Application number: RU2014112020/11A
Authority: RU
Inventors: Сергей Федотович Боев; Александр Александрович Звонов; Олег Николаевич Остапенко; Александр Борисович Талалаев; Сергей Васильевич Ягольников
Priority date: 2014-03-31
Filing date: 2014-03-31
Publication date: 2015-07-27

Abstract

FIELD: aircraft engineering.

SUBSTANCE: invention relates to special-purpose drones. Proposed drone comprises fuselage, propulsor, onboard hardware and molecular power source using water as a working fluid. Said onboard hardware comprises the means of monitoring, communication and control. Fuselage is composed of load-bearing frame supporting the propulsor including at least three rotors. Said molecular power source is composed of a ball lightning generator or as an electrolytic motor with current generator for supply of onboard hardware and propulsors driving. Said source is arranged at the frame centre while rotors are installed at frame periphery. Ball lightning generator can be electrically connected with rotors electrical drive while electrolytic motor can be engaged by its shaft with drone propeller via appropriate articulation. Ball lightning generator and electrolytic motor are provided with water and chemical catalyst tanks.

EFFECT: higher reliability and independence upon flight altitude and weather in dense atmosphere.

3 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к авиационной технике и может быть использовано при разработке роботизированных беспилотных летательных аппаратов (РБЛА) для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф.The invention relates to aircraft and can be used in the development of robotic unmanned aerial vehicles (UAVs) for monitoring territories of fires, terrorist attacks and technological disasters.

Известны РБЛА [1-2] для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф, содержащие фюзеляж в форме свободно несущего крыла с аэродинамическими органами управления, пульсирующий детонационный двигатель и молекулярный источник энергии на основе катализа воды и синтеза из нее водорода, существенно превышающего по теплотворной способности традиционное авиационное топливо.RBAs [1-2] are known for monitoring areas of fires, terrorist acts and technological disasters, containing a fuselage in the form of a freely bearing wing with aerodynamic controls, a pulsating detonation engine and a molecular energy source based on water catalysis and hydrogen synthesis from it, significantly exceeding calorific value traditional aviation fuel.

Наиболее близким по назначению и технической сущности к заявляемому изобретению относится роботизированный беспилотный летательный аппарат (РБЛА) для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф [2], содержащий фюзеляж, движитель, бортовую аппаратуру и молекулярный источник энергии, использующий воду в качестве расходного рабочего вещества, причем бортовая аппаратура включает средства мониторинга, связи и управления.The closest in purpose and technical essence to the claimed invention relates to a robotic unmanned aerial vehicle (UAV) for monitoring areas of fires, terrorist acts and technological disasters [2], containing the fuselage, propulsion, airborne equipment and a molecular energy source that uses water as a consumable worker substances, and on-board equipment includes monitoring, communication and control facilities.

При этом фюзеляж РБЛА выполнен в форме свободно несущего крыла с аэродинамическими органами управления, движитель - в виде пульсирующего детонационного двигателя, а молекулярный источник энергии - в виде газового реактора с СВЧ-накачкой, соединенного по выходу газовой плазмы с соплом реактивного двигателя и магнитогидродинамическим генератором электрической энергии на основе СВЧ-катализа (разложения) паров воды атмосферного воздуха на горючие составляющие.At the same time, the RBLA fuselage is made in the form of a freely bearing wing with aerodynamic controls, the propulsion device is in the form of a pulsating detonation engine, and the molecular energy source is in the form of a microwave-pumped gas reactor connected at the gas plasma outlet to a jet engine nozzle and an electric magnetohydrodynamic generator energy based on microwave catalysis (decomposition) of atmospheric air water vapor into combustible components.

Недостатком известного РБЛА является недостаточная надежность работы, связанная с проблемой стабилизации СВЧ-катализа паров воды атмосферного воздуха и использования его в качестве рабочего вещества. Это связано с тем, что плотность паров воды в атмосферном воздухе существенно зависит от высоты полета РБЛА и от погоды (влажности воздуха).A disadvantage of the known RBLA is the lack of reliability associated with the stabilization of microwave catalysis of water vapor in atmospheric air and its use as a working substance. This is due to the fact that the density of water vapor in the atmospheric air substantially depends on the flight altitude of the UAV and on the weather (humidity).

Задачей и техническим результатом изобретения является повышение надежности рабаты РБЛА.The objective and technical result of the invention is to increase the reliability of the UAV discounts.

Достижение заявленного технического результата и решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в роботизированном беспилотном летательном аппарате (РБЛА) для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф, содержащем фюзеляж, движитель, бортовую аппаратуру и молекулярный источник энергии, использующий воду в качестве расходного рабочего вещества, причем бортовая аппаратура включает средства мониторинга, связи и управления, согласно изобретению фюзеляж выполнен в виде несущей рамы, движитель содержит не менее трех несущих винтов, а молекулярный источник энергии, использующий воду в качестве расходного рабочего вещества, выполнен в виде генератора шаровой молнии или в виде электролитического мотора с генератором электрического тока для электропитания бортовой аппаратуры и вращения несущих винтов, причем молекулярный источник энергии установлен в центре рамы, а несущие винты - по ее периферии.The achievement of the claimed technical result and the solution of the problem is ensured by the fact that in a robotic unmanned aerial vehicle (UAV) for monitoring areas of fires, terrorist acts and technological disasters, containing the fuselage, propulsion, airborne equipment and a molecular energy source that uses water as a consumable working substance moreover, the on-board equipment includes monitoring, communication and control means, according to the invention, the fuselage is made in the form of a supporting frame, the mover with holds at least three rotors, and a molecular energy source using water as a consumable working substance is made in the form of a ball lightning generator or in the form of an electrolytic motor with an electric current generator for powering on-board equipment and rotating rotors, the molecular energy source being installed in the center of the frame, and the rotors on its periphery.

При этом генератор шаровой молнии выполнен с возможностью электрического соединения с электроприводом несущего винта РБЛА, а электролитический мотор - с возможностью механического соединения его вала с пропеллером РБЛА через кинематическое звено. Генератор шаровой молнии и электролитический мотор снабжены емкостями для воды и химического катализатора.In this case, the ball lightning generator is made with the possibility of electrical connection with an electric drive of the main rotor of the RBLA, and the electrolytic motor is capable of mechanically connecting its shaft with the propeller of the RBL through the kinematic link. The ball lightning generator and the electrolytic motor are equipped with tanks for water and a chemical catalyst.

Выполнение фюзеляжа РБЛА в виде несущей рамы, установка молекулярного источника энергии в центре рамы, а несущих винтов по ее периферии позволяют обеспечить мягкую посадку РБЛА, уменьшить вероятность повреждения его бортовой аппаратуры, повысить надежность ее работы. Оснащение РБЛА более надежными в работе молекулярными источниками электрической (генератор шаровой молнии) или механической энергии (электролитический мотор) для вращения подъемных пропеллеров (воздушных винтов) вертолетной платформы дополнительно позволяет повысить надежность работы РБЛА в целом.The implementation of the fuselage of the UAV in the form of a carrier frame, the installation of a molecular energy source in the center of the frame, and the rotors on its periphery allow for a soft landing of the UAV, reduce the likelihood of damage to its on-board equipment, and increase the reliability of its operation. Equipping the UAV with more reliable molecular sources of electrical (ball lightning generator) or mechanical energy (electrolytic motor) to rotate the lifting propellers (propellers) of the helicopter platform further improves the reliability of the UAV as a whole.

Кроме того, в отличие от прототипа появляется возможность дистанционно управляемого зависания РБЛА над объектом мониторинга и при временной посадке - возможность приема/передачи корреспонденции и взятия соответствующих мониторинговых проб. Снабжение генератора шаровой молнии и электролитического мотора емкостями для воды и химического катализатора, смесь которых используется в качестве рабочего расходного вещества, позволяют исключить зависимость надежности РБЛА от высоты полета и погодных условий.In addition, unlike the prototype, there is the possibility of remotely controlled hovering of the UAV over the monitoring object and, during temporary landing, the possibility of receiving / transmitting correspondence and taking appropriate monitoring samples. The supply of a ball lightning generator and an electrolytic motor with tanks for water and a chemical catalyst, a mixture of which is used as a working consumable, makes it possible to exclude the dependence of the reliability of the UAV on the flight altitude and weather conditions.

На фиг. 1 представлена функциональная схема роботизированного беспилотного летательного аппарата (РБЛА) с пятью подъемными пропеллерами (несущими винтами); на фиг. 2 - конструкция молекулярного источника электрической энергии (генератора шаровой молнии) для РБЛА; на фиг. 3 - конструкция молекулярного источника механической энергии (электролитического мотора) для РБЛА; на фиг. 4 - рисунок, поясняющий принцип работы РБЛА.In FIG. 1 is a functional diagram of a robotic unmanned aerial vehicle (RBLA) with five lifting propellers (rotors); in FIG. 2 - design of a molecular source of electrical energy (ball lightning generator) for RBLA; in FIG. 3 - design of a molecular source of mechanical energy (electrolytic motor) for the UAV; in FIG. 4 is a drawing explaining the principle of operation of the UAV.

Роботизированный беспилотный летательный аппарат для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф содержит фюзеляж в виде несущей рамы 1, движитель, содержащий не менее трех несущих винтов 2, установленных преимущественно по периферии рамы 1, в центре которой установлен молекулярный источник 3 энергии. По периферии рамы установлена также бортовая аппаратура 4, включающая аппаратуру 5 видеонаблюдения, теплопеленгатор 6, радиопеленгатор 7, навигатор 8, высотомер 9 и исполнительный механизм 10 для взятия проб и тушения пожаров. Аппаратура 5-10 соединена с бортовой электронно-вычислительной машиной (ЭВМ) 11 и бортовым устройством 12 цифровой радиосвязи с наземной станцией управления и обработки результатов мониторинга. Молекулярный источник 3 РБЛА энергии выполнен в виде генератора 13 шаровой молнии (фиг. 2) - источника электрической энергии [3] или в виде электролитического мотора 14 (фиг. 3) - источника электрической и механической энергии [4], использующих смесь воды и химического катализатора в качестве рабочего тела (расходного вещества) непосредственно в их рабочей камере 15 и 16 соответственно. Для этого источники 13 и 14 снабжены соответствующими заправочными емкостями. В первом варианте исполнения источника 3 энергии электрический выход генератора 13 соединен с электрическим приводом воздушного винта 2 и бортовой аппаратурой 5-12 РБЛА. Во втором варианте исполнения источника 3 вал 17 отбора мощности мотора 14 кинематически соединен с несущим винтом (пропеллером) 2, а его генератор 18 тока - с бортовой с аппаратурой 5-12. Генератор 13 содержит электроразрядную камеру 15 активации рабочего тела и устройство 19 активации рабочего вещества вольтовой дугой. Принцип работы генератора 13 основан на создании вольтовой дугой в герметичной камере 15 плазменного образования типа шаровой молнии с пространственно разнесенными электрическими зарядами и с последующим снятием образованной разности потенциалов между центральной и периферийной частями камеры 15 для электропитания силовых агрегатов (несущих винтов 2) и бортовой аппаратуры 5-12.A robotic unmanned aerial vehicle for monitoring territories of fires, terrorist acts and technological disasters contains a fuselage in the form of a bearing frame 1, a mover containing at least three rotors 2, mounted mainly on the periphery of the frame 1, in the center of which a molecular energy source 3 is installed. On-board equipment 4 is also installed along the periphery of the frame, including video surveillance equipment 5, a direction finder 6, a direction finder 7, a navigator 8, an altimeter 9 and an actuator 10 for sampling and extinguishing fires. The equipment 5-10 is connected to the on-board electronic computer (COMPUTER) 11 and the on-board digital radio communication device 12 to the ground control station and process the monitoring results. The molecular source 3 of the RBLA energy is made in the form of a ball lightning generator 13 (Fig. 2) - a source of electrical energy [3] or in the form of an electrolytic motor 14 (Fig. 3) - a source of electrical and mechanical energy [4] using a mixture of water and chemical catalyst as a working fluid (consumable) directly in their working chamber 15 and 16, respectively. To this end, sources 13 and 14 are equipped with appropriate refueling tanks. In the first embodiment of the energy source 3, the electric output of the generator 13 is connected to the electric drive of the propeller 2 and the on-board equipment 5-12 of the UAV. In the second embodiment of the source 3, the power take-off shaft 17 of the motor 14 is kinematically connected to the rotor (propeller) 2, and its current generator 18 is connected to the on-board unit 5-12. The generator 13 contains an electric discharge chamber 15 for activating the working fluid and a device 19 for activating the working substance with a voltaic arc. The principle of operation of the generator 13 is based on the creation of a voltaic arc in a sealed chamber 15 of a plasma formation of the type of ball lightning with spatially separated electric charges and with the subsequent removal of the formed potential difference between the central and peripheral parts of the chamber 15 for power supply of power units (rotors 2) and on-board equipment 5 -12.

Электролитический мотор 14 [4] содержит не менее одного рабочего цилиндра 20 с подвижным поршнем 21 и рабочей камерой 16. Поршень 21 через кинематическое звено 23 соединен с валом 17 отбора мощности для вращения несущих винтов 2 и приводом генератора 18 электропитания U бортовой аппаратуры 5-12. The electrolytic motor 14 [4] contains at least one working cylinder 20 with a movable piston 21 and a working chamber 16. A piston 21 is connected through a kinematic link 23 to the power take-off shaft 17 for rotating the rotors 2 and the drive of the power supply generator 18 of the on-board equipment 5-12 .

Принцип работы электролитического мотора 14 основан на использовании эффекта детонации и последующего сжатия плазмы при импульсном электродуговом разряде через рабочее вещество (водный электролит) в рабочей камере 16. Камера 16 мотора 14 (фиг. 3) и камера 15 генератора 13 (фиг. 2) через запорную арматуру соединена с соответствующей емкостью 24 для воды (расходного вещества) и емкостью 25 для химического катализатора. Для равномерной весовой нагрузки на РБЛА емкости 24 и 25 подвешены к центральной части платформы РБЛА 2. При другом варианте исполнения (фиг. 1) крупногабаритные емкости 24 и 25 могут быть заменены множеством малогабаритных емкостей 24 и 25, размещенных равномерно на раме 1 или в ее полостях. В качестве химического катализатора, обеспечивающего всепогодность и снижение энергетических затрат на катализ (разложение) молекул воды на горючие составляющие и разноименные заряды, может быть использована щелочь (мыло) в теплое время года, а в зимнее время - спирт, бензин или химически активная (для диссоциации воды) незамерзающая жидкость.The principle of operation of the electrolytic motor 14 is based on the use of the detonation effect and subsequent compression of the plasma during a pulsed electric arc discharge through the working medium (aqueous electrolyte) in the working chamber 16. Chamber 16 of motor 14 (Fig. 3) and chamber 15 of generator 13 (Fig. 2) through shutoff valves are connected to the corresponding tank 24 for water (consumable) and a tank 25 for a chemical catalyst. For a uniform weight load on the RBLA, containers 24 and 25 are suspended from the central part of the RBLA platform 2. In another embodiment (Fig. 1), large-sized containers 24 and 25 can be replaced by many small tanks 24 and 25 placed uniformly on frame 1 or in it cavities. An alkali (soap) can be used in the warm season, and in the wintertime, alcohol, gasoline or chemically active (as a chemical catalyst providing all-weather and reducing energy costs for catalysis (decomposition) of water molecules into combustible components and unlike charges) dissociation of water) non-freezing liquid.

Роботизированный беспилотный летательный аппарат для мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф работает следующим образом.A robotic unmanned aerial vehicle for monitoring territories of fires, terrorist acts and technological disasters works as follows.

Перед запуском РБЛА устанавливают на стыковочное устройство 26 станции 27 управления РБЛА и обработки результатов его мониторинга. При этом через соответствующие разъемы стыковочного устройства 26 бортовые средства 5-12 РБЛА автоматически соединяются с аппаратурой станции 27 и ее автоматизированным рабочим местом (АРМ) 28 диспетчера для электропитания, для заправки в емкости 24 и 25 составляющих рабочего вещества и ввода программ мониторинга. Before starting the UAVs, they are installed on the docking device 26 of the station 27 for controlling the UAVs and processing the results of its monitoring. At the same time, through the appropriate connectors of the docking device 26, the on-board means 5-12 of the UAV are automatically connected to the equipment of the station 27 and its dispatcher workstation 28 for power supply, for refueling 24 and 25 components of the working substance and entering monitoring programs.

Далее диспетчер АРМ 28 включает бортовые средства 5-12 РБЛА 2 и программу предстартовой подготовки РБЛА. При этом заполняются емкости 24 и 25 РБЛА соответственно водой и химическим катализатором и на борт РБЛА подается напряжение запуска его молекулярного источника 3 энергии. В зависимости от комплектации РБЛА на его борту вырабатывается набор соответствующих напряжений и поджигающих импульсов для запуска генератора 13 или мотора 14, использующих воду в качестве расходного рабочего вещества. Далее после запуска и выхода молекулярного источника 3 энергии на рабочий режим оператор АРМ 28 подключает выход источника 3 к приводу несущего винта 2 с пониженной мощностью. Далее оператор АРМ 28 увеличивает частоту вращения винтов 2 РБЛА. После достижения достаточной для взлета силы тяги лопастей винтов 2 и устойчивой работы молекулярного источника 3 срабатывают концевые выключатели стыковочного устройства 26 станции 27, удерживающие РБЛА. При этом РБЛА освобождается и стартует в атмосферу по заданному в ее бортовой ЭВМ 11 маршруту полета. После выхода РБЛА на заданную траекторию полета включается аппаратура 5 видеонаблюдения, теплопеленгатор 6, радиопеленгатор 7, навигатор 8, высотомер 9. В процессе полета РБЛА данные мониторинга (радио, тепло и видеонаблюдения и координаты мест съемки) территорий пожаров, наводнений, террористических актов и техногенных катастроф обрабатываются бортовой ЭВМ 11 и через бортовые средства 12 цифровой радиосвязи, через систему спутниковой или сотовой связи передаются на наземную станцию 27 для обработки результатов мониторинга. Further, the AWP 28 dispatcher includes airborne vehicles 5-12 RBLA 2 and a pre-launch training program for RBLA. In this case, the capacities 24 and 25 of the UAV are filled with water and a chemical catalyst, respectively, and the launch voltage of its molecular energy source 3 is applied to the UAV. Depending on the equipment of the UAV, a set of appropriate voltages and ignition pulses is generated on board to launch the generator 13 or motor 14, using water as a working consumable. Further, after the start and exit of the molecular energy source 3 to the operating mode, the operator AWP 28 connects the output of the source 3 to the rotor drive 2 with reduced power. Next, the operator AWP 28 increases the rotational speed of the screws 2 of the UAV. After achieving sufficient for takeoff thrust of the blades of the screws 2 and the stable operation of the molecular source 3, the end switches of the docking device 26 of station 27 are activated, holding the UAV. At the same time, the UAV is released and starts into the atmosphere along the flight path specified in its on-board computer 11. After the UAV enters a predetermined flight path, video surveillance equipment 5, a heat direction finder 6, a direction finder 7, a navigator 8, an altimeter 9 are turned on. During the UAV flight, the monitoring data (radio, heat and video surveillance and location coordinates) of the territories of fires, floods, terrorist acts and man-caused disasters are processed by the on-board computer 11 and through the on-board digital radio communication means 12, transmitted via satellite or cellular communication system to the ground station 27 for processing monitoring results.

Оператор на АРМ 28 станции 27 анализирует принятую с РБЛА информацию и при необходимости пересылает на борт команды на детальную видеосъемку отдельных фрагментов территории мониторинга и/или снятия проб грунта или воды. РБЛА отрабатывает принятые команды управления и выдает на станцию 27 уточненные фотографические сведения и результаты экспресс-анализа проб на объекте мониторинга. Время непрерывного воздушного мониторинга территорий пожаров, террористических актов и техногенных катастроф с помощью одного РБЛА может составлять от десятков часов до единиц суток в зависимости от емкости бортовых баков для воды. Размеры контролируемой территории определяются дальностью действия средств связи 12 и остатком расходного вещества на борту РБЛА для возвращения на станцию 27. После завершения мониторинга и возвращения РБЛА к станции 27 оператор АРМ 28 включает посадочные маяки 29 и программу автоматической посадки РБЛА на стыковочное устройство 26 станции 27. При этом соответствующим образом снижается частота вращения винтов 2 и РБЛА медленно снижается. Затем по данным пространственного положения РБЛА относительно маяков 29 осуществляется его автоматизированная посадка на стыковочное устройство 26 и крепление на крыше станции 27. Оператор на АРМ 28 контролирует посадку РБЛА и в случае необходимости переходит на ручной режим управления РБЛА. После проведения регламентного контроля РБЛА может использоваться повторно.The operator at AWP 28 of station 27 analyzes the information received from the UAV and, if necessary, sends commands on board for detailed video shooting of individual fragments of the monitoring area and / or taking soil or water samples. RBLA fulfills the adopted control commands and gives to station 27 updated photographic information and the results of express analysis of samples at the monitoring object. The time of continuous air monitoring of territories of fires, terrorist acts and technological disasters with the help of a single UAV can range from tens of hours to units of a day, depending on the capacity of airborne water tanks. The size of the controlled territory is determined by the range of communications 12 and the balance of the consumable on board the UAV to return to station 27. After monitoring and return of the UAV to station 27, the AWP 28 includes landing beacons 29 and a program for automatic landing of the UAV on the docking device 26 of station 27. In this case, the rotational speed of the screws 2 decreases accordingly and the UAV slowly decreases. Then, according to the spatial position of the UAV relative to the beacons 29, it is automatically planted on the docking device 26 and mounted on the roof of the station 27. The operator on the AWP 28 controls the landing of the UAV and, if necessary, switches to the manual control mode of the UAV. After routine control, the UAV can be reused.

Изобретение разработано на уровне технического проекта. The invention was developed at the technical design level.

Источники информации Information sources

1. RU 2373114, МПК: B64C 39/02, 2009.1. RU 2373114, IPC: B64C 39/02, 2009.

2. RU 105884, МПК: B64C 39/02, 2011.2. RU 105884, IPC: B64C 39/02, 2011.

3. RU 132664. H05H 1/24, 2013.3. RU 132664. H05H 1/24, 2013.

4. RU 136494, МПК: F02B43/10, F02B51/02, F02P15/00, 2014.4. RU 136494, IPC: F02B43 / 10, F02B51 / 02, F02P15 / 00, 2014.

Claims

1. A robotic unmanned aerial vehicle for monitoring the territories of fires, terrorist acts and technological disasters, containing the fuselage, propulsion, airborne equipment and a molecular energy source that uses water as a consumable working substance, and the onboard equipment includes monitoring, communication and control, characterized in that the fuselage is made in the form of a supporting frame, the mover contains at least three rotors, and a molecular energy source that uses water as a consumable working substance, made in the form of a ball lightning generator or in the form of an electrolytic motor with an electric current generator for powering on-board equipment and rotating rotors, the molecular energy source being installed in the center of the frame, and the rotors on its periphery.

2. A robotic unmanned aerial vehicle for monitoring areas of fires, terrorist acts and technological disasters, containing the fuselage, propulsion, on-board equipment and a molecular energy source that uses water as a consumable working substance, and the on-board equipment includes monitoring, communication and control equipment, characterized in that the fuselage is made in the form of a supporting frame, the mover contains at least three rotors installed on the periphery of the frame, and the molecular energy source is set ene in the center of the frame and is made as a generator fireball to electrically connect it to the electric rotor or as electrolytic motor - with the possibility of a mechanical connection of its shaft with bearing screws through the kinematic link.

3. The robotic complex according to claim 1 or 2, characterized in that the ball lightning generator and the electrolytic motor are equipped with containers for water and a chemical catalyst.