СИЛОВАЯ УСТАНОВКА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ИНТЕГРИРОВАННЫМ УПРАВЛЕНИЕМ (ВАРИАНТЫ) Российский патент 2024 года по МПК B64U50/19 B64C11/30 B64U40/10 

Изобретение относится к области силовых установок летательных аппаратов, конкретнее к области силовых установок летательных аппаратов с одним несущим воздушным винтом.

Известны способ и система, которые могут быть использованы при авиационных перевозках крупногабаритных грузов, при строительстве крупных промышленных объектов и в военно-транспортной авиации. Винтомоторная система представляет собой несущую конструкцию, состоящую из балок, связанных в единую решетчатую поверхность. Винтомоторные агрегаты расположены в узлах крепления и размещены по всей поверхности конструкции, которая может иметь выпуклую, вогнутую или плоскую форму и произвольную конфигурацию, а количество поверхностей, на которых размещены винтомоторные агрегаты может быть от 1 до 10. Груз с помощью узла фиксации и скольжения подвешивается на стропах, которые шарнирно соединены с балками. Результирующую силу подъема Рпод, образованную суммой элементарных составляющих сил, производимых винтомоторными агрегатами выбирают в пределах I ≤ (Pпод + Pгр) : Pгр ≤ 100, где Pгр - вес груза. Перемещение груза осуществляют изменением угла между Рпод и Pгр. Все это позволяет повысить весовую отдачу системы и производить перемещение значительных по массе грузов [патент РФ №2159197, B64D 09/00, опубл. 20.11.2000].

Недостатками аналога являются высокая масса, обусловленная наличием несущей конструкции из балок, и невысокая эффективность, обусловленная наличием нескольких винтомоторных агрегатов.

Известно изобретение, которое относится к области авиационной техники. Самолет содержит крыло, два соосных несущих воздушных винта противоположного направления вращения с автоматами перекоса. Ось вала каждого винта установлена с возможностью поворота вперед в плоскости оси симметрии самолета на угол, отсчитываемый от вертикального положения и определяемый по формуле, приведенной в описании. Центр вращения оси совпадает с центром тяжести самолета. Диаметр несущих винтов соответствует нагрузке на сметаемую площадь не выше 140...150 Па. Крыло выполнено поворотным относительно поперечной оси его профиля и может устанавливаться с требуемым углом атаки или флюгероваться [патент №2324626, B64C 29/00, B64C 27/52, опубл. 20.05.2008].

Недостатками аналога являются высокие масса и габариты, обусловленные наличием двух соосных воздушных винтов, и невысокая эффективность, обусловленная наличием нескольких винтомоторных агрегатов.

Известна силовая установка (СУ) для летательных аппаратов, которая предназначена для применения на легких летательных аппаратах вертикального взлета и посадки (СВВП), с целью получения дополнительной мощности и тяги для обеспечения вертикальных режимов полета. Основное преимущество предлагаемой СУ, в сравнении с аналогами, состоит в том, что в агрегате вертикальной тяги на выходном валу мультипликатора установлен маховик, а на входном валу воздушный винт, создающий вертикальную тягу, который через управляемую муфту связан с валом отбора мощности подъемно-маршевого двигателя. Благодаря такой конструкции для получения недостающей мощности и тяги агрегатов, обеспечивающих вертикальные режимы полета легкого СВВП, перед взлетом или посадкой маховики раскручиваются от подъемно-маршевого двигателя, накапливая при этом необходимый запас энергии, а затем высвобождают ее для вращения винтов вертикальной тяги за время цикла взлета или посадки [патент №93776, B64D 27/00, опубл. 10.05.2010].

Недостатками аналога являются невысокая эффективность, обусловленная наличием мультипликатора, и, соответственно, имеющимися в нём механическими потерями, высокие масса и габариты, обусловленные многокомпонентностью системы.

Известно изобретение, которое относится к области авиации, в частности к конструкциям силовых установок скоростных и беспилотных вертолетов. Силовая установка вертолета одновинтовой схемы содержит двигатели, снабженные газогенераторными блоками, свободную турбину. Газогенераторные блоки двигателей соединены с эжектором первой ступени, переходящим в закрепленный на фюзеляже кольцевой торообразный ресивер, по бокам от которого находятся перепускные клапаны. Над ресивером располагается кольцевое перекрывное устройство воздуховода свободной турбины. Свободная турбина содержит вентилятор, имеющий общий вал с несущим винтом. Регулируемое сопло эжектора второй ступени переходит к реактивному соплу и газодинамическим рулям поворота в хвостовой части фюзеляжа. В центральной части фюзеляжа закреплены электрогенератор, гидронасос и коробка приводов. Спереди и сзади относительно кольцевого ресивера расположены теплообменник маслосистемы двигателя и теплообменник маслосистемы свободной турбины соответственно, каждый из которых связан с продувными каналами [патент №2764860, F02C 3/10, B64C 27/06, B64C 27/12, опубл. 21.01.2022].

Недостатками аналога являются высокие массы и габариты, обусловленные наличием нескольких двигателей, и невысокое быстродействие, обусловленное сложностью системы управления.

Известна силовая установка, которая содержит двигатель с выходным валом и редуктор двигателя с выходным звеном, связанный с воздушным винтом 4. Редуктор двигателя 1 расположен соосно выходному валу 2 двигателя 1. Выходное звено 3 редуктора установлено коаксиально выходному валу 2 двигателя 1 непосредственно на выходном валу двигателя 1 с возможностью свободного вращения относительно него на подшипниках 5 и зафиксировано в осевом направлении. Воздушный винт 4 установлен на выходном звене редуктора. Выходное звено редуктора установлено с возможностью передачи тяги от воздушного винта 4 непосредственно на выходной вал 2 двигателя 1. Маховик 6 установлен, закреплен и зафиксирован в осевом направлении непосредственно на выходном валу 2 двигателя 1. Маховик 6 вынесен за плоскость вращения воздушного винта 4 силовой установки по отношению к двигателю 1. Лопасти воздушного винта 4 могут быть установлены с возможностью отклонения как в плоскости вращения воздушного винта 4, так и в направлении действия силы тяги. В последнем случае они установлены на серьгах, установленных на выходном звене 3 редуктора с возможностью отклонения в плоскости вращения воздушного винта [патент №2042580, B64D 35/00, B63H 19/00, опубл. 27.08.1995].

Недостатками аналога являются невысокая надёжность, обусловленная многокомпонентностью системы, и невысокая эффективность, обусловленная наличием редуктора, и, соответственно, имеющимися в нём механическими потерями.

Известна силовая установка с изменяемым вектором тяги, которая включает моторную раму, двигатель, связанный с ним через трансмиссию движитель и привод его поворота. Трансмиссия состоит из вала, размещенного в балке и связывающего двигатель с входным валом редуктора движителя. Все элементы силовой установки размещены на единой моторной раме. Балка выполнена поворотной относительно оси вала трансмиссии, при этом обдуваемая часть балки в поперечном сечении имеет симметричный обтекаемый профиль и сечение ориентировано всегда по потоку воздушного винта при любом угле поворота. Силовая установка может иметь два двигателя, каждый из которых связан через свою дополнительную трансмиссию с общим валом, может быть снабжена вторым движителем, установленным справа или слева от двигателей, причем каждый движитель связан со своим редуктором поворотной балкой. Движители могут быть выполнены в виде соосных винтов, соединенных через Т-образный редуктор с валом, размещенным в поворотной балке [патент №2536421, B64C 27/28, B64B 1/34, опубл. 20.12.2014].

Недостатками аналога являются невысокая надёжность, обусловленная наличием трансмиссии, и высокие масса и габариты, обусловленные наличием нескольких движителей.

Задача и технический результат изобретения - расширение функциональных возможностей силовой установки беспилотного летательного аппарата за счёт изменения направления вектора тяги.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 1 содержит электродвигатель, соединенный посредством цанги со ступицей, на которой установлены две лопасти посредством креплений с возможностью поворота последних относительно ступицы, регулятор оборотов электродвигателя, соединенный с мультиплексором.

Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 2 содержит электродвигатель с закрепленной на нем цангой, на которой установлены две лопасти посредством креплений с возможностью поворота последних относительно цанги, регулятор оборотов электродвигателя, соединенный с мультиплексором.

Технический результат изобретения достигается за счет того, что мультиплексор обрабатывает поступающие на него сигналы и формирует управляющий сигнал для регулятора оборотов таким образом, что он приводит во вращение электродвигатель с изменением в определенные участки времени углового ускорения, которое приводит к отклонению оси воздушного винта, образованного двумя лопастями, от оси ротора электродвигателя, что в свою очередь приводит к изменению направления вектора тяги силовой установки.

Сущность устройства поясняется чертежами, на которых представлена силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением в общем виде.

На фиг. 1 - по варианту 1, на фиг. 2 - по варианту.

Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 1 (фиг. 1) состоит из электродвигателя 1, цанги 2, ступицы 3, двух креплений 4, двух лопастей 5, регулятора оборотов 6, мультиплексора 7.

Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 1 устроена следующим образом. Электродвигатель 1 содержит в себе датчик отслеживания положения ротора. На роторе электродвигателя 1 закреплена цанга 2 посредством резьбовых соединений, или посадки с натягом, или клеевого соединения. На цанге 2 закреплена ступица 3 за счет штифтового или резьбового соединения с возможностью поворота ступицы 3 на определенный угол относительно оси штифта или крепежного элемента. На ступице 3 установлены крепления 4 посредством штифтовых или резьбовых соединений с возможностью поворота креплений 4 на определенный угол относительно осей штифтов или крепежных элементов. Цанга 2, ступица 3, крепления 4 могут быть выполнены из металла, пластмассы или композитного материала. На креплениях 4 закреплены лопасти 5 за счет клепанных, или резьбовых, или клеевых соединений. Лопасти 5 могут быть выполнены из пластмассы, композитного материала или дерева. Регулятор оборотов 6 электрически соединен с электродвигателем 1. Мультиплексор 7 электрически соединен с регулятором оборотов 6.

Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 1 функционирует следующим образом. На мультиплексор 7 поступают сигналы от внешнего управляющего устройства, которые задают уровень мощности, подаваемой на электродвигатель 1, управляющее воздействие по тангажу и управляющее воздействие по крену. От датчика положения ротора, содержащегося в электродвигателе 1, на мультиплексор поступает сигнал о положении ротора электродвигателя 1. Мультиплексор 7 с определенной частотой обрабатывает поступающие в него сигналы об уровне мощности, подаваемой на электродвигатель 1, об управляющем воздействии по крену, об управляющем воздействии по тангажу и о положении ротора электродвигателя 1. На основании поступающих сигналов мультиплексор 7 формирует выходной сигнал на регулятор оборотов 6, который на основании поступающего сигнала изменяет частоту вращения электродвигателя 1 и угловое ускорение ротора электродвигателя 1, получая при этом электроэнергию от аккумуляторной батареи или от источника питания. За счет изменения частоты вращения электродвигателя 1 происходит изменение тяги, развиваемой силовой установкой. За счет изменения углового ускорения электродвигателя 1 происходит поворот креплений 4 относительно ступицы 3, что вызывает изменение угла атаки лопастей 5, которое приводит к отклонению оси вращения воздушного винта, образованного двумя лопастями 5, относительно оси ротора электродвигателя 1 за счет поворота ступицы 3 относительно цанги 2. В результате этого происходит изменение направления вектора тяги силовой установки.

Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 2 состоит из электродвигателя 1, цанги 2, двух креплений 3, двух лопастей 4, регулятора оборотов 5, мультиплексора 6.

Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 2 устроена следующим образом. Электродвигатель 1 содержит в себе датчик отслеживания положения ротора. На роторе электродвигателя 1 закреплена цанга 2 посредством резьбовых соединений, или посадки с натягом, или клеевого соединения. Цанга 2 силовой установки беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 2 представляет собой неподвижно соединенные цангу и ступицу силовой установки беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 1. На цанге 2 установлены крепления 3 посредством штифтовых или резьбовых соединений с возможностью поворота креплений 3 на определенный угол относительно осей штифтов или крепежных элементов. Цанга 2 и крепления 3 могут быть выполнены из металла, пластмассы или композитного материала. На креплениях 3 закреплены лопасти 4 за счет штифтовых, клепанных, резьбовых или клеевых соединений. Лопасти 4 могут быть выполнены из пластмассы, композитного материала или дерева. Регулятор оборотов 5 электрически соединен с электродвигателем 1. Мультиплексор 6 электрически соединен с регулятором оборотов 5.

Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением по варианту 2 функционирует следующим образом. На мультиплексор 6 поступают сигналы от внешнего управляющего устройства, которые задают уровень мощности, подаваемой на электродвигатель 1, управляющее воздействие по тангажу и управляющее воздействие по крену. От датчика положения ротора, содержащегося в электродвигателе 1, на мультиплексор поступает сигнал о положении ротора электродвигателя 1. Мультиплексор 6 с определенной частотой обрабатывает поступающие в него сигналы об уровне мощности, подаваемой на электродвигатель 1, об управляющем воздействии по крену, об управляющем воздействии по тангажу и о положении ротора электродвигателя 1. На основании поступающих сигналов мультиплексор 6 формирует выходной сигнал на регулятор оборотов 5, который на основании поступающего сигнала изменяет частоту вращения электродвигателя 1 и угловое ускорение ротора электродвигателя 1, получая при этом электроэнергию от аккумуляторной батареи или от источника питания. За счет изменения частоты вращения электродвигателя 1 происходит изменение тяги, развиваемой силовой установкой. За счет изменения углового ускорения электродвигателя 1 происходит поворот креплений 3 относительно цанги 2, что вызывает изменение угла атаки лопастей 4. В результате этого происходит изменение направления вектора тяги силовой установки.

Таким образом, заявленное изобретение позволяет обеспечить расширение функциональных возможностей силовой установки беспилотного летательного аппарата за счёт изменения направления вектора тяги.

Группа изобретений относится к двум вариантам силовой установки беспилотного летательного аппарата. По первому варианту силовая установка содержит электродвигатель, соединенный посредством цанги со ступицей, на которой установлены две лопасти посредством креплений с возможностью поворота последних относительно ступицы, регулятор оборотов электродвигателя, соединенный с мультиплексором. Силовая установка по второму варианту содержит электродвигатель с закрепленной на нем цангой, на которой установлены две лопасти посредством креплений с возможностью поворота последних относительно цанги, регулятор оборотов электродвигателя, соединенный с мультиплексором. Обеспечивается расширение функциональных возможностей силовой установки беспилотного летательного аппарата. 2 н.п. ф-лы, 2 ил.

1. Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением, содержащая электродвигатель, соединенный посредством цанги со ступицей, на которой установлены две лопасти посредством креплений с возможностью поворота последних относительно ступицы, регулятор оборотов электродвигателя, соединенный с мультиплексором.

2. Силовая установка беспилотного летательного аппарата с интегрированным управлением, содержащая электродвигатель с закрепленной на нем цангой, на которой установлены две лопасти посредством креплений с возможностью поворота последних относительно цанги, регулятор оборотов электродвигателя, соединенный с мультиплексором.