Беспилотный летательный аппарат вертикального взлёта и посадки Российский патент 2023 года по МПК B64U10/20 B64C29/00 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Изобретение относится к авиационной технике, в частности, к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета и посадки.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Из уровня техники известен беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки (RU 2767390, 2021). Беспилотный летательный аппарат (далее БПЛА) содержит фюзеляж, складывающееся крыло и оперение, имеющие отъемную часть, вертикальное и горизонтальное оперение, отклоняемые и неподвижные винтомоторные группы. Крыло и горизонтальное оперение имеют отклоняемые поверхности в виде флаперонов на крыле, рулей высоты на горизонтальном оперении. Вертикальный взлет и посадка осуществляются за счет вертикальной тяги всех винтомоторных групп. Для перехода в горизонтальной полет винты четырех передних силовых установок поворачиваются и создают горизонтальную тягу. Остальные силовые установки имеют винты фиксированного шага и при горизонтальном полете останавливаются и распологаются вдоль по полету. Основным недостатком известного БПЛА является способ создания вертикальной тяги за счет тяги винтомоторных групп. Данный способ осуществления вертикального взлета чрезвычайно энергозатратен, что снижает грузоподъемность и экономичность летательного аппарата. Экономичность БПЛА снижают большое количество силовых установок, которые кроме того создают большое лобовое сопротивление. Аппарат неустойчив на переходных режимах при изменении направления вектора тяги отклоняемых винтомоторных групп.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является конструкция самолета вертикального взлета и посадки (RU 2736793, 2020, Битуев А.Г). Самолет вертикального взлета и посадки содержит фюзеляж, крылья, расположенные в хвостовой части фюзеляжа, горизонтальное оперение, расположенное в носовой части фюзеляжа, ниши, расположенные в средней части фюзеляжа по бокам. Турбореактивный двигатель с приводным валом, расположенный в хвостовой части фюзеляжа. Вентиляторы, установленные в средней части фюзеляжа таким образом, что имеют возможность создавать воздушный поток из отверстия в верхней части фюзеляжа в ниши, в направлении от фюзеляжа в стороны. Приводной вал кинематически соединен с осями вентиляторов через разобщительную муфту. Подъемные крылья шарнирно установлены на кронштейнах в нишах. Моторы, выполненные с возможностью поворачивать крылья относительно оси шарниров таким образом, что в одном из крайних положений крылья утапливаются внутрь ниш, а в другом из крайних положений ориентированы вдоль воздушного потока из выпускных отверстий вентиляторов. Известный самолет вертикального взлета и посадки может применяться как истребитель-бомбардировщик наземного и морского базирования. Несущую систему вышеописанного самолета на режимах вертикального взлета и посадки возможно применить в конструкции беспилотного летательного аппарата.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Технической задачей изобретения является повышение грузоподъемности, экономичности и увеличение продолжительности полета беспилотного летательного аппарата. Поставленная задача решена благодаря тому, что предлагаемый беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки содержит в себе:

фюзеляж (1), имеющий носовую часть, хвостовую часть и среднюю часть, расположенную между ними,

крылья (2), расположенные в средней части фюзеляжа по бокам, выполненные таким образом, что подъемная сила создается при движении текучей среды в направлении вдоль фюзеляжа,

по меньшей мере, один киль (3), расположенный в хвостовой части фюзеляжа (1), двигатель внутреннего сгорания (8) с приводным валом (9), расположенный в хвостовой части фюзеляжа,

приводной вал (9) кинематически соединенный с осями вентиляторов (14) через главный редуктор (10), разобщительную муфту (11), устройство бесступенчатой трансмиссии (12), редукторы (13), и с осью воздушного винта (15) через главный редуктор (10), разобщительную муфту (11),

вентиляторы (14), установленные в средней части фюзеляжа (1) таким образом, что имеют возможность создавать поток текучей среды из отверстия в верхней части фюзеляжа в направлении от фюзеляжа в стороны,

подъемные крылья (19) установленные на кронштейнах (16), шарнирно соединенных с фюзеляжем (1), в нишах (6) по бокам в средней части фюзеляжа (1), выполненные таким образом, что в положении взлета и посадки подъемная сила создается потоком текучей среды в направлении от фюзеляжа в стороны,

моторы (18), выполненные с возможностью поворачивать подъемные крылья (19) относительно оси (17) кронштейнов (16) таким образом, что в одном из крайних положений подъемные крылья (19) утапливаются внутрь ниш (6), а в другом из крайних положений ориентированы вдоль потока текучей среды из выпускных отверстий вентиляторов (14), бортовое радиоэлектронное оборудование (21) расположенное в носовой части фюзеляжа.

По сути, поставленная задача достигается путем объединения достоинств несущей системы на вертикальных режимах с преимуществами беспилотного летательного аппарата классической схемы следующим образом: беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, имеющий фюзеляж, крылья, вентиляторы, отличается тем, что в нишах по бокам фюзеляжа на поворотных кронштейнах установлены подъемные крылья, передней кромкой друг к другу, параллельно и симметрично относительно продольной оси летательного аппарата, при этом подъемные крылья выдвигаются при вертикальном взлете и посадке и убираются в ниши на крейсерском режиме полета.

В предпочтительных формах воплощения вышеописанного беспилотного летательного аппарата:

- ниши (6) с каждой стороны снабжены створками (5), расположенными сверху от подъемных крыльев (19) и снизу от подъемных крыльев (19).

- установлено V-образное оперение.

- в носовой и/или хвостовой частях фюзеляжа и/или на крыльях имеются сопла, выполненные с возможностью изменения угла атаки, тангажа и/или рысканья в режиме взлета и посадки.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ФИГУР ЧЕРТЕЖЕЙ

На Фиг. 1 представлен общий вид БПЛА в трех проекциях

На Фиг. 2 показано схема привода подъемных крыльев

На Фиг. 3 показано сечение А-А

На Фиг. 4 изображена кинематическая схема

На Фиг. 5 показан вид кронштейна в двух проекциях

Позициями 1-21 обозначены:

1 - фюзеляж,

2 - крылья,

3 - киль,

4 - створки вентиляторов,

5 - створки ниш,

6 - ниши,

7 - шасси,

8 - двигатель внутреннего сгорания,

9 - приводной вал,

10 - главный редуктор,

11 - разобщительные муфты,

12 - устройство бесступенчатой трансмиссии,

13 - редукторы,

14 - вентиляторы,

15 - воздушный винт,

16 - кронштейны,

17 - ось кронштейна,

18 - моторы,

19 - подъемные крылья,

20 - валы трансмиссии,

21 - бортовое радиоэлектронное оборудование.

ОСУЩЕСТВЛЕНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Беспилотный летательный аппарат выполнен по нормальной аэродинамической схеме.

По компоновочной схеме однодвигательный. Хвостовое оперение V - образное.

Шасси «обычное» трехстоечное, убирающееся.

Как показано на Фиг. 1 БПЛА содержит:

фюзеляж 1,

крыло 2,

киль 3,

створки вентиляторов 4,

створки ниш 5,

воздушный винт 15,

шасси 7.

Как показано на Фиг. 2 по бокам средней части фюзеляжа 1 на передней и задних стенках четырех ниш 6 установлены кронштейны 16, шарнирно соединенные с фюзеляжем. (Фиг. 5) Кронштейны соединены между собой подъемными крыльями (19). Оси (17) кронштейнов (16) соединены с моторами (18), осуществляющими поворот кронштейнов таким образом, что в одном из крайних положений подъемные крылья 19 утапливаются внутрь ниш 6, а в другом из крайних положений ориентированы вдоль воздушного потока из выпускных отверстий вентиляторов 14.

Как показано на Фиг. 3 подъемные крылья (19) установлены таким образом, что в горизонтальном (выдвинутом) положении они обращены друг к другу передними кромками. В средней части фюзеляжа наверху имеются створки 4 вентиляторов 14 (Фиг. 1), а по бокам створки 5 закрывающие ниши 6.

Как показано на Фиг. 4 в хвостовой части БПЛА установлен двигатель внутреннего сгорания 8. Двигатель приводным валом 9 через главный редуктор 10, разобщительную муфту 11, устройство бесступенчатой трансмиссии 12, редукторы 13 посредством валов трансмиссии 20 передает крутящий момент к вентиляторам 14. В режиме крейсерского полета двигатель 8 передает крутящий момент через главный редуктор 10, разобщительную муфту 11 воздушному винту 15.

Вертикальный взлет осуществляется следующим образом.

1) Открываются створки вентиляторов 4 и створки ниш 5.

2) Моторы 18 поворачивают утопленные в нишах 6 подъемные крылья 19 из вертикального положения в горизонтальное. (Фиг. 2, Фиг. 3)

3) Запускается двигатель 8. Приводной вал 9 через главный редуктор 10, разобщительную муфту 11, устройство бесступенчатой трансмиссии 12, редукторы 13 посредством валов трансмиссии 20 передает крутящий момент двухступенчатым вентиляторам с роторами противоположного вращения 14. (Фиг. 4)

4) Воздушный поток вентиляторов 14 обтекая подъемные крылья 19, создает подъемную силу (F_y) и силу лобового сопротивления (F_x) (Фиг. 3).

5) Как только вертикальная тяга, как сумма подъемных сил (F_y) станет больше силы тяжести, произойдет отрыв БПЛА от поверхности и начнется вертикальный взлет. После зависания аппарата на определенной высоте и включения второй разобщительной муфты 11 воздушный винт 15 соединяется с главным редуктором 10 и летательному аппарату сообщается горизонтальная скорость.

6) По мере набора скорости полета автоматически посредством устройства бесступенчатой трансмиссии 12, которое способно плавно изменять коэффициент передачи во всем рабочем диапазоне скоростей и тяговых усилий, меняется соотношение подъемной силы крыла 2 и вертикальной тяги подъемных крыльев 19. Увеличение подъемной силы крыла 2 компенсируется уменьшением вертикальной тяги подъемных крыльев 19 за счет уменьшения оборотов вентиляторов и следовательно снижения скорости воздушного потока.

7) При достижении скорости, на которой подъемная сила крыла 2 станет равной силе тяжести, разобщительная муфта 11 разъединит главный редуктор 10 от вентиляторов 14, створки 4 закрываются. Моторы 18 переводят кронштейны 16 с подъемными крыльями 19 из горизонтального положения в вертикальное, створки ниш 5 закрываются. БПЛА переходит на крейсерский режим полета.

Вертикальная посадка осуществляется следующим образом.

1) При приближении к месту посадки открываются створки ниш 5, моторы 18 переводят подъемные крылья 19 из вертикального положения в горизонтальное, открываются створки вентиляторов 4.

2) После включения разобщительной муфты 11 крутящий момент через устройство бесступенчатой трансмиссии 12, редукторы 13 посредством валов трансмиссии 20 передается вентиляторам 14. Воздушный поток вентиляторов обтекая подъемные крылья 19 создает подъемную силу. По мере снижения горизонтальной скорости аппарата происходит автоматическое регулирование соотношения подъемной силы крыла 2 и вертикальной тяги подъемных крыльев 19 посредством устройства бесступенчатой трансмиссии 12. Уменьшение подъемной силы крыла 2 компенсируется увеличением вертикальной тяги подъемных крыльев 19 за счет увеличения оборотов вентиляторов и следовательно повышения скорости воздушного потока.

3) Как только вертикальная тяга подъемных крыльев станет равной силе тяжести, самолет может перейти в режим висения и далее вертикальной посадки. На режиме висения разобщительная муфта 11 разъединяет воздушный винт 15 от главного редуктора 10.

4) Плавное уменьшение оборотов вентиляторов 14 посредством устройства бесступенчатой трансмиссии 12 позволяет осуществить мягкую посадку.

На беспилотном летательном аппарате применяется комбинированная система управления.

На режимах висения и переходных используется система струйного (реактивного) управления. Она представляет собой несколько регулируемых воздушных сопел расположенных на законцовках крыльев, а также в носовой и хвостовой частях аппарата. Сжатый воздух к соплам подается по трубопроводам от компрессора с приводом от двигателя.

На крейсерском режиме полета управление осуществляется аэродинамическими поверхностями (элероны, рули направления и высоты).

Таким образом, при расположении в воздушном потоке вентиляторов подъемных крыльев, передней кромкой друг к другу, параллельно и симметрично относительно продольной оси беспилотного летательного аппарата векторная сумма сил лобового сопротивления становится равной нулю.

Это дает возможность применять аэродинамические профили с наибольшим коэффициентом подъемной силы (С_у) без учета их коэффициента лобового сопротивления (С_х). Кроме этого, повысить коэффициент подъемной силы можно применением системы управления пограничным слоем (сдув).

Реализация вышеперечисленных мероприятий, направленных на повышение коэффициента подъемной силы, позволяет значительно увеличить подъемную силу (при прочих равных условиях) при минимальных энергозатратах и, следовательно, повысить грузоподъемность и экономичность беспилотного летательного аппарата.

В предлагаемой конструкции БПЛА подъемные крылья применяются только на режимах вертикального взлета и посадки с последующей уборкой их в ниши закрытыми створками, что снижает аэродинамическое сопротивление и повышает экономичность. Применение на БПЛА статичной единой силовой установки на всех режимах полета упрощает конструкцию, улучшает эксплуатацию и безопасность, повышает экономичность.

Повышение экономичности БПЛА на вертикальных режимах позволяет существенно увеличить продолжительность полета.

Предлагаемый беспилотный летательный аппарат может применяться в разведывательных и ударных целях.

Аппарат также может найти применение в различных целях в гражданской сфере.

Изобретение относится к области авиации, в частности, к конструкциям беспилотных летательных аппаратов. Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки содержит фюзеляж (1), крылья (2), расположенные в средней части фюзеляжа по бокам, киль (3), расположенный в хвостовой части фюзеляжа (1), двигатель внутреннего сгорания (8) с приводным валом (9), расположенный в хвостовой части фюзеляжа. Приводной вал (9) соединен с вентиляторами (14) через главный редуктор (10), муфту (11), устройство бесступенчатой трансмиссии (12), редукторы (13), и с воздушным винтом (15) через главный редуктор (10), муфту (11). Вентиляторы (14) установлены в средней части фюзеляжа (1) таким образом, что имеют возможность создавать поток текучей среды из отверстия в верхней части фюзеляжа в направлении от фюзеляжа в стороны. Подъемные крылья (19) установлены на кронштейнах (16), в нишах (6) по бокам в средней части фюзеляжа (1), и выполнены таким образом, что в положении взлета и посадки подъемная сила создается потоком текучей среды в направлении от фюзеляжа в стороны. Моторы (18) выполнены с возможностью поворачивать подъемные крылья (19) относительно оси (17) кронштейнов (16). Обеспечивается повышение грузоподъемности, экономичности и увеличение продолжительности полета беспилотного летательного аппарата. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки, содержащий в себе: фюзеляж (1), имеющий носовую часть, хвостовую часть и среднюю часть, расположенную между ними,

крылья (2), расположенные в средней части фюзеляжа по бокам, выполненные таким образом, что подъемная сила создается при движении текучей среды в направлении вдоль фюзеляжа,

по меньшей мере, один киль (3), расположенный в хвостовой части фюзеляжа (1),

двигатель внутреннего сгорания (8) с приводным валом (9), расположенный в хвостовой части фюзеляжа,

приводной вал (9) кинематически соединенный с осями вентиляторов (14) через главный редуктор (10), разобщительную муфту (11), устройство бесступенчатой трансмиссии (12), редукторы (13), и с осью воздушного винта (15) через главный редуктор (10), разобщительную муфту (11),

вентиляторы (14), установленные в средней части фюзеляжа (1) таким образом, что имеют возможность создавать поток текучей среды из отверстия в верхней части фюзеляжа в направлении от фюзеляжа в стороны,

подъемные крылья (19) установленные на кронштейнах (16), шарнирно соединенных с фюзеляжем (1), в нишах (6) по бокам в средней части фюзеляжа (1), выполненные таким образом, что в положении взлета и посадки подъемная сила создается потоком текучей среды в направлении от фюзеляжа в стороны,

моторы (18), выполненные с возможностью поворачивать подъемные крылья (19) относительно оси (17) кронштейнов (16) таким образом, что в одном из крайних положений подъемные крылья (19) утапливаются внутрь ниш (6), а в другом из крайних положений ориентированы вдоль потока текучей среды из выпускных отверстий вентиляторов (14),

бортовое радиоэлектронное оборудование (21) расположенное в носовой части фюзеляжа.

2. Аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что его ниши (6) с каждой стороны снабжены створками (5), расположенными сверху от подъемных крыльев (19) и снизу от подъемных крыльев (19).

3. Аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что он снабжен V-образным оперением.

4. Аппарат по п. 1, характеризующийся тем, что в носовой и/или хвостовой частях фюзеляжа и/или на крыльях имеются сопла, выполненные с возможностью изменения угла атаки, тангажа и/или рысканья в режиме взлета и посадки.