Сверхлегкий или легкий летательный аппарат вертолетного типа модульной конструкции Российский патент 2023 года по МПК B64U20/40 B64C27/04 B64C1/06 

Изобретение относится к авиастроению и касается модульного построения сверхлегких или легких беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) вертолетного типа и сверхлегких или легких пилотируемых аппаратов вертолетного типа (ПЛА).

В настоящее время приобрело широкое распространение использование БПЛА для доставки различных грузов как в гражданских целях (посылки), так и в военных целях (например, сброс боеприпасов).

В рамках настоящего изобретения вопрос модульного построения рассматривается на примере исполнения сверхлегкого ПЛА вертолетного типа для беспилотного и пилотируемого вариантов исполнения. БПЛА вертолетного типа имеет один или несколько винтов и представляют собой классический вертолет. Подъемная сила у аппаратов этого типа также создается аэродинамически за счет вращающихся лопастей несущего винта (винтов). Крылья либо отсутствуют вовсе, либо играют вспомогательную роль. Очевидными преимуществами БПЛА вертолетного типа являются способность зависания в точке и высокая маневренность, поэтому их часто используют в качестве воздушных роботов. Практически все схемы компоновки БПЛА и типы фюзеляжей, которые встречаются в пилотируемой авиации, применимы и в беспилотной.

Конструирование вертолетов легкой или сверхлегкой модульной конструкции представляет собой создание БПЛА или ПЛА, в котором агрегатно основные базовые узлы, называемые модулями, соединяются между собой с возможностью расстыковки и замены одного узла на другой, совпадающий по функции с заменяемым, но отличающийся по параметрам или характеристикам. Использование взаимозаменяемых модулей позволяет создать несколько модификаций однотипных БПЛА или ПЛА с разными характеристиками и разного предназначения.

Сегодня, как правило, летательный аппарат вертолетного типа легкого или сверхлегкого класса содержит выполненный модульным фюзеляж, один из модулей которого снабжен кабиной для летчика и грузопассажирским салоном, а второй модуль фюзеляжа снабжен хвостовой балкой с управляемым стабилизатором, выполненные в виде отдельных модулей силовую установку, несущий винт, установленный на валу главного редуктора, и шасси. Изменяя конструктив любого из модулей с учетом прикладной задачи и применения, тем самым создают модификацию летательного аппарата. Такой пример модульного конструирования описан в RU 186429, В64С 27/04, опубл. 21.01.2019 г.

До настоящего времени нет устоявшегося определения и понимания, что такое модульное построение БПЛА или ПЛА. Например, в RU 2755930 модульным построением вертолета признано формирование в фюзеляже посадочного места для сменных контейнеров, каждый из которых который по внешней форме может быть встроен в контурный обвод фюзеляжа и может быть выполнен (при сохранении внешних обводом) в виде либо пассажирского отсека, либо отсека медицинского назначения или грузового отсека. В RU 2600966 модульное построение основано на выполнении двух отдельных модулей: первый - это грузопассажирского назначения гондола, второй - это хвостовая балка с силовой установкой и винтом, которая съемно крепится на гондоле.

А в RU 2282564 под модульной конструкцией понимается изготовление крупногабаритных узлов фюзеляжа с монтажом в каждом из них функционала. Сборку такого вертолета осуществляют отдельными модулями, которые затем собирают в единое целое, что значительно упрощает процесс сборки и сокращает время, необходимое на сборку вертолета в целом. В частности, согласно этой концепции, несущий фюзеляж вертолета составлен, по крайней мере, из пяти независимых модулей. Модуль I - кабина летчика, модуль II - моторный отсек, расположенный в средней части фюзеляжа за модулем I, в котором двигатель гибкой связью (отдельный модуль III) связан с редуктором (в модуле IV). Несущий винт приводится во вращение редуктором (несущего винта), который имеет привод от промежуточного редуктора. В редукторе несущего винта имеется дополнительная ступень отбора мощности для передачи вращения рулевому винту. Отбор мощности от редуктора на привод рулевого винта происходит через вал-рессору, пересекающий модуль IV, и хвостовой вал, расположенный в модуле V, а также через угловой хвостовой редуктор. Такое конструирование относится к модульному условно, так как больше напоминает конструирование агрегатное.

В связи с этим целесообразно разграничить понятия «модульное построение», «модульная сборка» и «модульное конструирование». Модульное построение - это изготовление ЛА из отдельных модулей, собираемых в определенной последовательности для получения готового изделия неразборной конструкции. Модульная сборка отражает процесс соединения готовых частей ЛА (модулей) в единую конструкцию. А модульное конструирование - это технология, при которой любое приложение системы состоит из набора модулей и связей между ними. Под модульным принципом конструирования понимаем проектирование изделий на основе взаимозаменяемости составных частей конструкции.

Принцип взаимозаменяемости - критерий, разделяющий ЛА неразборной конструкции, но собранный из отдельных агрегатных узлов, и ЛА, собранный из отдельных агрегатных узлов, каждый из которых может быть заменен на совпадающий по функционалу агрегат с отличными параметрами и характеристиками. В результате, в первом случае получают готовое изделие с высокой ремонтопригодностью за счет замены одного модуля на другой такой же, но работоспособный или улучшенный, а во втором случае получают ЛА с возможностью изменения его летно-технических характеристики и прикладных свойств.

Так. известен летательный аппарат вертолетного типа модульной конструкции, содержащий фюзеляж каркасной конструкции, закрываемый обшивочными листами и выполненный из трех отдельных модулей: кабина пилота, присоединяемый к ней грузовой отсек и присоединяемая к отсеку хвостовая балка, закрепляемый сверху на фюзеляже силовой модуль в виде платформы, имеющей точки крепления на трех модулях фюзеляжа и несущий двигательную установку, редуктор и винт, вал которого связан с редуктором, а так же в виде отдельного модуля опорное шасси в виде двух связанных между собой перемычками лыж, прикрепляемых к днищу грузового отсека (US 6126113, В64С 1/00 В64С 27/04, В64С 27/06, опубл. 03.10.2000 г.).

Это решение принято в качестве прототипа.

Недостаток данного решения заключается в сложности исполнения фюзеляжа и его недостаточной несущей прочности. Сложность конструкции фюзеляжа определена тем, что он состоит из трех стыкуемых модулей. С одной стороны это позволяет варьировать модулями и создавать различные модификации, а с другой стороны, эти модули должны быть оснащены узлами прикрепления, что увеличивает вес фюзеляжа и уменьшает его прочность вследствие того, что вибрационные нагрузки негативно действуют на любой вид механического крепления.

Под прочностью имеют ввиду способность конструкции воспринимать, не разрушаясь, заданные внешние нагрузки, встречающиеся в процессе эксплуатации. Под жесткостью понимают способность конструкции сопротивляться деформированию под нагрузкой. В процессе эксплуатации фюзеляж вертолета подвергается различным па характеру и величине нагрузкам: статическим (постоянным или медленно меняющимся по времени), динамическим (ударным и вибрационным). В зависимости от вида нагружения конструкция или отдельная ее часть должна обладать соответствующим видом прочности. Сочетание необходимых значений различных видов прочности, обеспечивающее нормальную работу конструкции в пределах установленных ограничений и сроков, называют эксплуатационной прочностью. В процессе эксплуатации прочность конструкции не остается неизменной. Большие нагрузки, близкие к предельным, могут вызывать остаточные деформации в ее элементах. Небольшие, но многократно повторяющиеся нагрузки вызывают развитие усталостных трещин, ослабляющих конструкцию в целом и разрушающие крепления (по данным американской фирмы Сикорский примерно 50% отказов систем и оборудования вертолета наступает из-за высокого уровня вибраций («Исследования по уменьшению вибрации вертолета. Обзоры» М, ЦАГИ, 1984, №632).

Выполнение силовой приводной установки в виде отдельного модуля, смонтированного на горизонтальной платформе, вынесенной из объема фюзеляжа и закрепляемой сверху на фюзеляже повышает уровень комфортности для пилотов и пассажиров за счет возможности снижения вибрации от работы силовых узлов, но при этом вертолет приобретает значительную высоту и при ремонте проводят замену всего такого модуля, так как на платформе все силовые агрегаты увязаны компоновочно, что не предусматривает возможность модернизации этого модуля путем замены одного агрегата на другой с иными параметрами.

По сути, данный вертолет состоит из двух модулей: фюзеляжа и навешиваемой на него силовой приводной установки. Так как каждый модуль одновременно соединяется с по крайней мере двумя другими модулями, то такая схема компоновки не предусматривает возможность модификации вертолета с целью его преобразования в ЛА с другими летно-техническими характеристиками.

Настоящее изобретение направлено на достижение технического результата, заключающегося в расширении вариативности за счет изменении компоновки конструкционных модулей основных агрегатов БПЛА или ПЛА для получения модификаций ЛА с разными летно-техническими характеристиками.

Указанный технический результат достигается тем в сверхлегком или легком летательном аппарате вертолетного типа модульной конструкции, характеризующемся тем, что в виде отдельных конструктивных модулей содержит фюзеляж каркасной конструкции, выполненный в виде центральной части, соединяемой с носовой и хвостовой частями, силовой блок, главный редуктор для привода вала лопастного винта, мачту с по крайней мере одним лопастным винтом и валом его вращения и шасси в виде лыж, связанных между собой поперечинами для прикрепления к фюзеляжу, фюзеляж выполнен неразборным и состоящим из стержневых элементов, в котором центральная часть выполнена с днищем в форме лотка, хвостовая часть выполнена с вертикальными стабилизаторами, а носовая часть выполнена в виде двух рамок трапецеидальной формы с общим основанием меньшей длины, одна рамка из которых наклонена в сторону днища, а большее основание другой, расположенной наклонно в сторону хвостовой части, соединено с верхнерасположенными стержнями хвостовой части, другие стержни которой соединены со стержнями на боковых сторонах центральной части, конструкционный модуль силового блока выполнен с возможностью размещения по отношению к месту положения конструкционного модуля главного редуктора на стороне носовой части или на стороне хвостовой части с обращением выходного вала в направлении входного вала редуктора, выполненного с возможностью привода вала по крайней мере одного лопастного винта, или выполнен с возможностью размещения на линии центра масс с обращением выходного вала вертикально и соосно входному валу главного редуктора, при этом на днище центральной части выполнены посадочные места по разные стороны от места положения конструкционного модуля главного редуктора для установки конструкционного модуля силового блока по отношению к входному валу главного редуктора.

При этом ЛА может быть снабжен гибким тентом, используемым для закрывания проема носовой части, или гибким тентом, используемым для закрывания проемов носовой и центральной частей. Так же ЛА может быть снабжен колесами, съемно закрепляемыми на лыжах.

Конструкционный модуль мачты с по крайней мере одним лопастным винтом и валом его вращения может быть выполнен с возможностью его закрепления на корпусе главного редуктора. При этом этот модуль может быть выполнен с двумя лопастными винтами с соосным расположением валов их вращения или в виде одного лопастного винта с одним валом его привода.

А конструкционный модуль главного редуктора может быть выполнен с возможностью закрепления на корпусе силовой установки.

В зоне носовой части на днище могут быть сформированы посадочные элементы для установки конструкционного модуля кабины для пилотируемого варианта исполнения летательного аппарата.

А на наружной поверхности днища фюзеляжа могут быть размещены элементы прикрепления дополнительной грузовой платформы лоткового или коробчатого типа.

Указанные признаки являются существенными и взаимосвязаны с образованием устойчивой совокупности существенных признаков, достаточной для получения требуемого технического результата.

Настоящее изобретение поясняется на конкретных примерах исполнения БПЛА, которые, однако, не являются единственно возможными, но наглядно демонстрируют возможность достижения требуемого технического результата.

На фиг. 1 - изображен первый вариант исполнения модульного БПЛА;

фиг. 2 - изображен второй вариант исполнения модульного БПЛА;

фиг. 3 - изображен третий вариант исполнения модульного БПЛА;

Согласно настоящему изобретению, рассматривается новая компоновочная схема построения сверхлегкого ЛА вертолетного типа на примере БПЛА вертолетного типа

При этом изобретение рассматривается как применяемое для БПЛА вертолетного типа и для ПЛА вертолетного типа. В частности, речь идет о БПЛА или ПЛА широкого диапазона применения от сельскохозяйственного назначения до военного для транспортировки полезного груза. В качестве полезного груза рассматриваются, например, реагенты или удобрения для орошения (обработки) полей, вода для полива или тушения возгораний и т.д., вплоть до перевозки медикаментов и боеприпасов.

В рамках настоящего изобретения под конструктивным модулем понимается функционально и конструктивно независимую единицу, которую можно использовать индивидуально и в различных комбинациях с другими модулями.

Сверхлегкий или легкий летательный аппарат вертолетного типа модульной конструкции содержит набор отдельных конструктивных модулей, в состав которых входит фюзеляж 1, силовой блок 2, главный редуктор 3 для привода вала лопастного винта 4, мачта 5 с по крайней мере одним лопастным винтом 4 и валом его вращения и шасси в виде лыж 6, на которые можно навешивать колеса 7 (фиг. 1-3).

Главным модулем является фюзеляж 1 каркасной конструкции, выполненный в виде центральной части, соединенной с носовой и хвостовой частями с образованием одной жесткой конструкции с большим объемом по площади проемов между стержнями. Фюзеляж выполнен неразборным и состоит из стержневых элементов. Центральная часть выполнена с днищем в форме лотка. Данное днище является местом для размещения модуля силового блока 2 и одновременно является грузовым отсеком для размещения полезного груза (фиг. 1).

Хвостовая часть фюзеляжа выполнена с вертикальными стабилизаторами 8 (как вариант исполнения). Хвостовая часть выполнена из верхнерасположенных стержневых элементов 9, предпочтительно в горизонтальной плоскости, и из нижнерасположенных стержневых элементов 10. Все стержневые элементы под углом сходятся в оконечной части хвостовой балки и прикреплены снизу к горизонтальной поперечно расположенной пластине 11, несущей на концах вертикальные стабилизаторы 8.

Носовая часть выполнена в виде двух рамок 12 и 13 трапецеидальной формы с общим основанием 14 меньшей длины. Одна рамка 13 наклонена в сторону днища, а большее основание другой 12, расположенной наклонно в сторону хвостовой части, соединено с верхнерасположенными стержневыми элементами 9 хвостовой части, другие стержни которой соединены со стержнями на боковых сторонах центральной части. Таким образом, стержневые элементы хвостовой части фюзеляжа одновременно являются элементами центральной части этого фюзеляжа.

При построении хвостовой части использован технический прием повышения жесткости за счет расположения стержней по треугольной схеме соединений, при которой возникающие нагрузки приводят к сжатию стержней. Но подвергаемые сжатию стержни связаны с другими стержнями, которые должны работать в этом случае на растяжение, что невозможно, так как в треугольной схеме соединений любой стержень выполняет функцию ребра жесткости для других стержней.

В связи с таким построением фюзеляж приобретает меньший вес за счет применения только стержневых элементов (например, стальной прокат, стальные трубы), сваренных между собой в точках вершин треугольников, получает высокую прочность и высокое сопротивление внешним нагрузкам. Уменьшается сопротивление воздушному потоку за счет свободного прохода воздушных масс через проемы каркаса фюзеляжа, улучшается обдув силовой установки набегающим потоком воздуха.

При этом не исключена возможность полного закрытия центральной части фюзеляжа или только его носовой части от внешней среды, например, в условиях дождя или снега, чтобы не загрязнять перевозимый полезный груз или в целях маскировки. Для закрывания носовой части может использоваться гибкий тент 15 (фиг. 3), которым перекрывают проемы трапецеидальных рамок 12 и 13. Это несколько увеличивает сопротивление воздушного потока во время полета, но позволяет изолировать полезный груз от этого потока. По носовой части при наличии тента воздушный поток распределяется по наклонным поверхностям тента и облегает фюзеляж. Так же может использоваться гибкий тент 16 для закрывания всех проемов носовой и центральной частей и полной изоляции от внешней среды полости внутри центральной части и в зоне днища (фиг. 2). Такой тент может использоваться для маскировки БПЛА или ПЛА. При использовании ЛА в пилотируемом режиме такой тент позволяет повысить комфортность экипажа.

Днище в форме лотка в фюзеляже для стержневой системы центральной части является платформой жесткости, на которую перераспределяются нагрузки, действующие на стержни. Так как платформа жесткости выполнена в форме лотка, то на стенках лотка векторы нагрузок изменяют свое направление. Изменение вектора нагрузок приводит к ликвидации локальных или местных деформаций в стержнях.

Днище в форме лотка является так же опорной поверхностью для закрепления модуля силового блока 2, а также, при необходимости, модуля главного редуктора 3.

В заявленном БПЛА или ПЛА положение центра масс вертолета рассматривается относительно вертикальной линии, проходящей через втулку несущего винта. Центровка вертолета бывает вертикальной, поперечной и продольной. В данном случае, существенной является центровка продольная, которая зависит от веса конструкции и груза в части, приближенной к носовой и в части, приближенной к хвостовой балке. Положение конструкционного модуля мачты с несущим винтом и валом точно соотносится с вертикальной линией, проходящей через центр масс. Дело в том, что весь вертолет висит на несущем винте и крепится к винту лишь в одном месте, на валу, идущему от главного редуктора к втулке винта.

Конструкционный модуль мачты 5 с несущим винтом 4 и валом может быть выполнен с возможностью его закрепления на площадке на центральной части фюзеляжа или на корпусе главного редуктора 3 независимо от того, какой тип винта применяется: с одним лопастным винтом или с двумя лопастными винтами с соосным расположением валов их вращения. Так как конструкционньш модуль мачты с несущим винтом и валом и конструкционный модуль главного редуктора не связаны позиционно, но связаны кинематически, то смена модуля мачты с одного вала вращения на два соосных вала вращения для двух лопастных винтов приводит к смене/замене модуля главного редуктора. Новый модуль устанавливается на посадочное место замененного модуля. Позиционно конструкционный модуль главного редуктора может базироваться на специальном посадочном месте на днище центральной части или на платформе, закрепленной на этом днище. В отношении главных редукторов необходимо обеспечить его жесткое закрепление на фюзеляже для исключения угловых колебаний при соединении с валом привода лопастного винта.

Учитывая малые мощности, конструкционный модуль главного редуктора может быть закреплен на корпусе силовой установки.

На днище центральной части выполнены посадочные места по разные стороны от места положения конструкционного модуля главного редуктора (по разные стороны от вертикальной линии, проходящей через центр масс) для установки конструкционного модуля силового блока по отношению к входному валу главного редуктора. Это позволяет разместить модуль с силовым блоком на стороне носовой части (фиг. 1 и 3) с высвобождением зоны на стороне хвостовой части под полезный груз, или разместить модуль с силовым блоком на стороне хвостовой части (фиг. 2) с высвобождением зоны на стороне носовой части под полезный груз (вариант БПЛА) или для установки кабины пилота (вариант ПЛА). Для этих вариантов модуль силовой установки разворачивается для обращения выходного вала в направлении входного вала редуктора. Так же силовая установка может выполнена с возможностью размещения на линии центра масс (фиг. 2) с обращением выходного вала вертикально и соосно входному валу главного редуктора. Для модуля силового блока может применяться малогабаритный двигатель воздушного охлаждения с обгонной муфтой для отключения двигателя от лопастного винта при снижении оборотов и резиновым компенсатором для исключения передачи вибрации и угловых колебаний двигателя на входной вал главного редуктора.

Так же в зоне носовой части на днище сформированы посадочные элементы для установки конструкционного модуля кабины для пилотируемого варианта исполнения летательного аппарата. В этом случае, модуль силового блока располагают в зоне хвостовой балки. Под днищем лотковой части фюзеляжа смонтированы средства прикрепления грузового лотка с плоским дном в качестве дополнительного места для транспортировки полезного груза. То есть, на наружной поверхности днища фюзеляжа размещены элементы прикрепления дополнительной грузовой платформы 17 лоткового или коробчатого типа (фиг. 2).

Настоящее изобретение промышленно применимо, может быть создано по технологиям построения БПЛА или сверхлегких ПЛА. Новый принцип построения, основанный на применении позиционно меняющих место крепления конструкционных модулей базовых узлов ЛА позволяет при использовании неизменяемого по конструкции фюзеляжа модифицировать ЛА под конкретные прикладные задачи с получением ЛА с измененными летно-техническими характеристиками.

Изобретение относится к авиации, в частности к конструкциям летательных аппаратов вертолетного типа. Сверхлегкий или легкий летательный аппарат вертолетного типа модульной конструкции содержит выполненные в виде отдельных конструктивных модулей фюзеляж каркасной конструкции, включающий в себя центральную носовую и хвостовую части, силовой блок, главный редуктор для привода вала лопастного винта, мачту с по крайней мере одним лопастным винтом и валом его вращения и шасси в виде лыж, прикрепляемых к фюзеляжу. Фюзеляж выполнен неразборным и состоит из стержневых элементов. Центральная часть выполнена с днищем в форме лотка. Хвостовая часть выполнена с вертикальными стабилизаторами. Носовая часть выполнена в виде двух рамок трапецеидальной формы с общим основанием меньшей длины, одна рамка из которых наклонена в сторону днища, а большее основание другой, расположенной наклонно в сторону хвостовой части, соединено со стержнями хвостовой части. Модуль силового блока выполнен с возможностью размещения по отношению к месту положения конструкционного модуля главного редуктора на стороне носовой или на стороне хвостовой части. Обеспечивается расширение вариативности за счет изменении компоновки конструкционных модулей основных агрегатов БПЛА или ПЛА. 8 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Сверхлегкий или легкий летательный аппарат вертолетного типа модульной конструкции, характеризующийся тем, что в виде отдельных конструктивных модулей содержит фюзеляж каркасной конструкции, выполненный в виде центральной части, соединяемой с носовой и хвостовой частями, силовой блок, главный редуктор для привода вала лопастного винта, мачту с по крайней мере одним лопастным винтом и валом его вращения и шасси в виде лыж, связанных между собой поперечинами для прикрепления к фюзеляжу, отличающийся тем, что фюзеляж выполнен неразборным и состоящим из стержневых элементов, в котором центральная часть выполнена с днищем в форме лотка, хвостовая часть выполнена с вертикальными стабилизаторами, а носовая часть выполнена в виде двух рамок трапецеидальной формы с общим основанием меньшей длины, одна рамка из которых наклонена в сторону днища, а большее основание другой, расположенной наклонно в сторону хвостовой части, соединено с верхнерасположенными стержнями хвостовой части, другие стержни которой соединены со стержнями на боковых сторонах центральной части, конструкционный модуль силового блока выполнен с возможностью размещения по отношению к месту положения конструкционного модуля главного редуктора на стороне носовой части или на стороне хвостовой части с обращением выходного вала в направлении входного вала редуктора, выполненного с возможностью привода вала по крайней мере одного лопастного винта, или выполнен с возможностью размещения на линии центра масс с обращением выходного вала вертикально и соосно входному валу главного редуктора, при этом на днище центральной части выполнены посадочные места по разные стороны от места положения конструкционного модуля главного редуктора для установки конструкционного модуля силового блока по отношению к входному валу главного редуктора.

2. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен гибким тентом, используемым для закрывания проема носовой части.

3. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен гибким тентом, используемым для закрывания проемов носовой и центральной частей.

4. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что он снабжен колесами, съемно закрепляемыми на лыжах.

5. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что конструкционный модуль мачты с по крайней мере одним лопастным винтом и валом его вращения выполнен с возможностью его закрепления на корпусе главного редуктора.

6. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что конструкционный модуль мачты выполнен с двумя лопастными винтами с соосным расположением валов их вращения.

7. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что конструкционный модуль главного редуктора выполнен с возможностью закрепления на корпусе силовой установки.

8. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что в зоне носовой части на днище сформированы посадочные элементы для установки конструкционного модуля кабины для пилотируемого варианта исполнения летательного аппарата.

9. Летательный аппарат по п. 1, отличающийся тем, что на наружной поверхности днища фюзеляжа размещены элементы прикрепления дополнительной грузовой платформы лоткового или коробчатого типа.