SE516585C2 - Obemannad rotorburen flygfarkost - Google Patents

Description

v ~ vø-u n u fs1s sas 2 långa flygningar till och från uppdragsplatsen.

Det finns olika typer av kända flygfarkoster som kan lämpa sig för utveckling av UAV för näroperationer. En vanligt typ är den rotorburna flygfarkosten, såsom helikoptern. Det finns faktiskt kända UAV som påminner om helikoptrar. Å andra sidan finns det UAV som helt skiljer sig från helikoptrar, trots att lyftkraften på farkosten genereras av rotorer. Vid konstruktion av en sådan rotorfarkost är det särskilt viktigt att erhålla goda hovringsegenskaper hos farkosten, dvs när flygfarkosten håller sig stilla i lufthavet. Goda hovringsegenskaper brukar dock medföra försämrade högfartsegenskaper.

De flesta av nu använda helikoptrar har en enda rotor med ett antal rotorblad. För att motverka rotorns vridande moment och för att styra helikoptern i girled, används vanligen en stjärtrotor, som åstadkommer ett styrbart vridmoment. Stjärtro- torn medför dock vissa nackdelar, såsom ökning av energikonsum- tionen och en mer komplicerad konstruktion av helikoptern.

Helikoptern manövreras i höjdled och omkring tipp- och rollax- larna medelst en styrmekanism för vridning av rotorbladen omk- ring deras längdaxlar, dvs för förändring av anfallsvinkeln hos respektive rotorblad. Denna styrmekanism innefattar stötstänger för vridning av rotorbladen och en s k swashplatta'som omger rotoraxeln. Positioneringen av swashplattan styrs medelst två spakreglage i förarkabinen. En nackdel med en sådan styrmeka- nism är att den är relativt komplicerad och känslig för smuts, särskilt i små helikoptrar. Ändamålet med föreliggande uppfinning är att tillhandahålla en obemannad rotorburen flygfarkost, som har en enkel robust konstruktion och goda hoveringsegenskaper.

Detta ändamål uppnås medelst den inledningsvis angivna flygfarkosten, som kännetecknas av att drivenheten är ansluten till lastbäraren via en kardanliknande led för att medge be- gränsad vippning av drivenheten relativt lastbäraren i två vinkelräta riktningar motsvarande farkostens roll- och tipp- riktningar och för att förhindra relativ rörelse mellan driv- enheten och lastbäraren i farkostens girriktning. Härigenom fisasisss uppdelas flygfarkosten i två inbördes rörliga moduler, vilket medför följande fördelar: - Till skillnad mot en stel förbindelse mellan de tvá far- kostmodulerna, vilket skulle kräva ett väsentligt större styr- moment för att uppnà en given. vippningsgrad. av rotorn, ger kardanleden en god styreffektivitet.

- Eftersom lastbäraren är upphängd från kardanleden tende- rar den att inta en stabil orientering medelst tyngdkraften, vilket är lämpligt för nyttolast som innefattar spaningsutrust- ning (kameror och dylikt) som bör verka i stabilt tillstànd.

- Tillfälliga krafter eller moment som verkar på drivenhe- ten inducerade av hastighet, vindbyar och roderstörningar, stör ej väsentligen lastbäraren, pä grund av att lastbäraren är ansluten till drivenheten via kardanleden.

Företrädesvis är drivenheten svängbar omkring tvà horison- tella axlar som sträcker sig vinkelrätt mot varandra genom den kardanliknande leden, varigenom drivenheten är svängbar omkring en av nämnda axlar i rollriktningen och omkring den andra om nämnda axlar i tippriktningen.

Enligt en föredragen utföringsform av uppfinningen innefat- tar styranordningen justerbara roder som är stelt anslutna till drivenheten och placerade så att de påverkas av luftströmmen från rotorn. Detta medför att rotorbladen ej behöver vara vrid- bara omkring deras längdaxlar med hjälp av en swashplatta eller liknande för att ge tipp- och rollmoment utan kan vara fixerade till rotoraxeln, och det finns ej nàgot behov för en stjärtro- tor för att àstadkomma girmoment.

Styrprincipen som innefattar användning av roder är inte ny utan har presenterats tidigare. Till exempel kan det hänvisas till det gamla amerikanska patentet US 2 439 324 från 1948.

Erfarenheterna av en sådan styrprincip tycks dock ej ha varit positiva, förmodligen pà grund av att det är svårt att etablera lämpliga ställen pà en helikopter för rodren. Skälet för detta är troligen att de relativt starka moment som krävs för att styra flygfarkosten ej kan erhållas utan användning av orimligt stora roder. För att undvika sådana stora roder måste rodrens -- ..- . - rs1s sss momentarmar till flygfarkostens tyngdpunkt vara relativt långa.

Detta medför att konstruktionen av en flygfarkost som styrs i enlighet med den ovan beskrivna styrprincipen är helt annorlun- da än den normala helikopterkonstruktionen.

I flygfarkosten enligt föreliggande uppfinning är det möj- ligt att uppnå en effektiv momentstyrning genom att positionera drivenhetens komponenter, såsom drivmotorn, så nära rotorbladen som möjligt. Vidare placeras allt bränsle, nyttolast och övrig i lastbäraren som utrustning, som ej måste finnas annorstädes, hänger från drivenheten ^via kardanleden. Efterson1 rodren. är stelt anslutna till drivenheten erhålls den fördelen att rodren lätt kan vippa denna i tipp- och rollriktningar än om lastbära- ren vore fast förenad med drivenheten. Ett viktigt resultat av det ovan beskrivna arrangemanget är att nyttolasten i lastbära- ren kommer att förbli i relativt stabilt läge vid hovring och flygning på ett icke accelererande sätt. Eftersom lastbäraren och drivenheten är stelt anslutna till varandra i girriktningen medelst kardanleden ger girstyrningen av drivenheten även gir- styrning av lastbäraren.

En nackdel med fixa rotorblad hos en konventionell helikop- ter är att rotormomenten som induceras av hastighet och vind överförs till helikopterns kropp och ger upphov till oönskade dynamiska laster. Denna nackdel medförde utvecklingen av ro- torblad med varierbar anfallsvinkel redan hos de tidigaste helikoptrarna. Lastbäraren i flygfarkosten enligt uppfinningen isoleras dock från påverkan av sådana dynamiska laster medelst en kardanliknande upphängning av lastbäraren.

Erfarenhetsmässigt har' det visat sig att hovrande heli- koptrar på låg flyghöjd är känsliga för vindbyar, vilket gör det svårt att bibehålla önskad orientering och position hos helikoptern. Orsaken till att vindbyar påverkar helikoptern är i första hand att vindbyarna skapar krafter som 'verkar på rotorn. Till exempel alstrar horisontella vindbyar horisontella krafter på rotorn som 'vrider och även sidoförflyttar helikoptern.

Samma problem finns givetvis hos rotorburna UAV och för- f s1s sasy 5 svàrar dess användning för t ex roder- spaning. Genom arrangemanget enligt det ovan beskrivna utförandet kan man reducera denna typ av vindbypåverkan. De vindbyorsakade hori- sontella krafterna angriper UAV:n i rotorbladens plan hos rotorn, dvs ovanför flygfarkostens tyngdpunkt. Vindbyarna orsakar emellertid också horisontella krafter på rodren. Genom lämplig placering av rodren kan de horisontella krafterna på rodren fås att angripa flygfarkosten under dess tyngdpunkt, så att flygfarkosten stabiliseras. Effekten av dessa vindby- orsakade krafter kan därför neutraliseras genom lämpligt val av placering av och storlek hos rodren. Alternativt eller som komplement kan en. bandformig krans omge rodren. Kransen kan även utnyttjas för infästning av leder hos rodren och för skydd av rodren.

Rodren placeras så långt nedströms om rotorn som det är praktiskt lämpligt för att erhålla så långa momentarmar som möjligt. En sådan. momentarnx kan. utgöras av' en. bon1 eller* av någon annan stel, långsträckt struktur, som vid ena änden är ledad till sitt tillhörande roder och vid dess andra ände är fäst till drivenheten. Normalt används två roder för roll- styrning och två ytterligare roder används för tippstyrning, varvid de fyra rodren är monterade i ett korsarrangemang.

Lämpligen vippas rodren med hjälp av servoanordningar.

Minimiantalet av sådana servoanordningar är två (för roll- resp tippstyrning). Med fyra servoanordningar (en servoanordning per roder) kan man överlagra roll- och tippstyrningen.

Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hänvisning till de bifogade ritningarna, på vilka: visar en schematiskt fig 1 sidovy av en obemannad rotorburen flygfarkost enligt uppfinningen, innefattande en lyftenhet och en lastbärare upphängd därifrån, varigenom för tydlighets skull någon styranordning för styrning av farkostens flygning ej visas, och fig 2 visar farkosten i fig 1 försedd med en styranordning för styrning av farkostens flygning, varigenom för tydlighets skull lastbäraren är utelämnad. _ï515.535 6 I figurerna betecknas identiska komponenter med samma hänvisningsbeteckningar.

Fig 1 visar schematiskt en obemannad rotorburen flygfarkost (UAV) enligt uppfinningen, innefattande tvà huvudmoduler, nämligen en drivenhet 5 och en lastbärare 7 upphängd från drivenheten 5. Drivenheten 5 innefattar en enda rotor 1 som har rotorblad 6 stelt fixerade till ett rotornav 3 och en rotoraxel 4 stelt fixerad till navet 3. Vidare innefattar drivenheten 5 en drivmotor, såsom en förbränningsmotor (ej visad), som be- finner sig i drivingrepp med rotoraxeln 4 via en re- duktionsväxel (ej visad). Drivmotorn och reduktionsväxeln är inrymda i ett hus 8.

Lastbäraren 7, som innehäller lämplig utrustning, t ex spaningskameror och en bränsletank, är ledat ansluten till drivenheten 5 medelst en led i form av en kardanled 9.

Kardanleden 9 innefattar två horisontella ledtappar 11 fästa pà huset 8 pà ömse sidor därav. En kardanring 13 omger huset 8 och är svängbar pà ledtapparna 11, sä att kardanringen 13 är svängbar omkring en horisontell axel A-A som sträcker sig genom ledtapparna 11, när farkosten befinner sig i jämviktsläge. Tvà ytterligare horisontella ledtappar 15 är fästa till kardanringen 13 pá ömse sidor därav och sträcker sig vinkelrätt mot axeln A-A. Tvà par làngsträckta stöttor 17, vilka är stelt fixerade till lastbäraren 7 nædelst vilka som helst lämpliga förband, ej beskrivna närmare, t ex nitförband, är svängbara pà de tvà respektive ledtapparna 15 så att lastbäraren 7 är svängbar omkring en horisontell axel B-B som sträcker sig genom ledtapparna 15 vinkelrätt mot axeln A-A. Såsom framgår av fig 1 bildar de tvà stöttorna 7 pà varje ledtapp 15 en spetsig vinkel mot varandra, men fackmannen inser naturligtvis att organen som sammanbinder kardanleden 9 och lastbäraren 7 kan utformas pà vilket valfritt sätt som helst. I viloläge uppbärs lastbäraren 7 av ett landställ, här i form av ett flertal ben 19 fästa vid lastbärarens 7 nedre ände.

Fig 2 visar schematiskt en styranordning 20 som innefattar en väsentligen U-formig bygel 21 fäst till den nedre delen av i§s1slss5 huset 8 och fyra roder 25 som uppbärs av bygeln 21. Benen 24 hos den U-formade bygeln 21 är belägna på avstànd fràn varandra för att medge drivenheten 5 att vippa relativt lastbäraren 7 utan hinder mellan bygeln 21 och lastbäraren 7 under normala flygförhàllanden. Till den nedre delen av bygeln. 21 är en horisontell hàllarring 23 stelt fixerad, pà vilken de fyra rodren 25 är vippbart arrangerade och jämnt fördelade omkring hàllarringen 23. Varje roder 25 har ett avsmalnande tvärsnitt, sä att rodret har en relativt tjock främre ände 28 och en relativt tunn bakre ände 29, 1 alstrade luftflödet. sett i riktningen av det av rotorn I grundläge är rodren 25 vertikalt orienterade med de främre ändarna 28 hos rodren 25 riktade ledade pà som sträcker sig utàt från hàllarringen att uppåt. De fyra rodren 25 är respektive fyra horisontella axlar 26, för 23 och är medelst tillhandahålla önskade vippbara servoanordningar 27 styrmoment på drivenheten 5. Natur- ligtvis är rodren. placerade så att de påverkas av' den. ned- àtriktade drift. luftströmmen som alstras av rotorbladen 6 under I utföringsformerna enligt fig 1 och 2 är drivenheten 5 och lastbäraren 7 ledade till varandra medelst en led i form av en kardanled 9. Naturligtvis inser fackmannen att vilken som helst typ led kan tillhandahålla allsidiga drivenheten 5 och lastbäraren 7, lämplig av kardanliknande användas för att den önskade rörligheten mellan under förutsättning att en sådan kardanliknande led har tvà frihetsgrader (roll och tipp) och att den förhindrar relativ förflyttning mellan drivenheten 5 och lastbäraren 7 i girriktningen.

Claims (8)

»nu =s1s sas EAIENIKRAI

1. Obemannad rotorburen flygfarkost, innefattande en driv- enhet (5) som har en drivmotor ansluten till en enda rotor (1) för alstring av en väsentligen nedàtriktad luftström, en lastbärare (7) upphängd fràn drivenheten (5), och en styr- anordning (25, 27) för styrning av farkostens rörelse under flygning, kännetecknad av att drivenheten (5) är ansluten till lastbäraren (7) via en kardanliknande led (9) för att medge begränsad vippning av drivenheten relativt lastbäraren i tvà vinkelräta riktningar motsvarande farkostens roll-tipp- riktningar och för att förhindra relativ rörelse mellan driv- enheten och lastbäraren i farkostens girriktning.

2. Flygfarkost enligt krav 1, kännetecknad av att drivenheten (5) är svängbar omkring tvà horisontella axlar (A-A resp B-B) som sträcker sig vinkelrätt mot varandra genom den kardanliknande leden (9).

3. Flygfarkost enligt krav 1 eller 2, kännetecknad av att styranordningen (25, 27) innefattar justerbara roder (25) ledade till drivenheten (5) och placerade för att påverkas av luftflödet från rotorn (1).

4. Flygfarkost enligt krav 3, kännetecknad av att rotorn (1) innefattar en rotoraxel (4), och att antalet roder (25) är fyra, varvid rodren är symmetriskt placerade relativt rotoraxeln.

5. Flygfarkost enligt krav 3 eller 4, kännetecknad av åtminstone en servoanordning (27) för reglering av rodrens (25) attackvinklar.

6. Flygfarkost enligt något av kraven 3-5, kännetecknad av att rodren (25) är placerade under farkostens tyngdpunkt så att farkostens tipp- och rollmoment alstrade av vindbyar mot rotorn (1) motverkas av vindbyarnas pàverkan pà rodren.

7. Flygfarkost enligt något av kraven 3-5, kännetecknad av att rodren (25) omges av en bandformig krans, som är placerad under farkostens tyngdpunkt sà att tipp- och rollmomenten pà flygfarkosten alstrade av vindbyar mot rotorn (1) motverkas av vindbyarnas pàverkan pà kransen. :š5ïl1é6 5 8 S 9

8. Flygfarkost enligt något av kraven 1-7, kännetecknad av att rotorn (1) innefattar en rotoraxel (4) och ett antal làngsträckta rotorblad stelt fästa till rotoraxeln.