Пневматическая установка для запуска летательного аппарата Российский патент 2025 года по МПК B64U70/70 

Изобретение относится к авиационной технике, в частности к устройствам для взлета беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Из существующего уровня техники известны пусковые установки, содержащие стартовый стол (направляющую), по которому движется БПЛА для набора начальной скорости, необходимой для совершения устойчивого полета. В качестве движущей силы могут применяться различные упругие элементы [патент на полезную модель RU 114 030 U1], пиротехнические заряды [Исследования способов пуска дистанционно пилотируемых летательных аппаратов / Сб. статей. [Пер. с англ.] – М.: ОНТИ МАИ, 1983 г.] или пневмоцилиндры [патент RU 65205 U1]. Установки с упругими элементами могут запускать в основном БПЛА сверхлегкого класса (менее 5 кг). Пиротехнические устройства требует особых навыков оператора с допуском к работе с пиротехникой, большую номенклатуру зарядов для различных БПЛА, отличаются высокими демаскирующими факторами (шум, дым).

Известны способ и устройство, описанное в патенте на изобретение «Способ взлета летательного аппарата с катапульты и катапульта для взлета летательного аппарата» (см. патент RU 2344971 C1, МПК B64F 1/06, приоритет: 05.04.2007). Используется катапульта для взлета летательного аппарата, содержащая направляющее, разгонное и тормозное устройства, метательное устройство, выполненное в виде параллелограммного механизма, имеющего верхнее основание, снабженное узлом стыковки с летательным аппаратом, и нижнее основание, шарнирно соединенные между собой опорами, а также тележку, снабженную фиксатором её стартового положения относительно направляющего устройства, выполненного в виде продольных направляющих для тележки, при этом нижнее основание параллелограммного механизма совмещено с тележкой. Наличие тележки и метательного устройства в виде параллелограммного механизма позволяют осуществить подброс летательного аппарата за счет энергии его движения по инерции.

Недостатками данного технического решения является неоднозначность движения тележки по направляющей (тележка может выскочить за пределы направляющей), а метательное устройство в виде параллелограммного рычажного механизма добавляет сложности к конструкции. При его заклинивании снижается надежность пуска летательного аппарата.

Наиболее близким аналогом является устройство, описанное в патенте на изобретение «Катапульта для взлета летательного аппарата» (см. патент RU 2497725 C1, МПК B64F 1/06, приоритет: 05.06.2012). Катапульта содержит направляющую с тележкой, разгонное устройство тележки, включающее в себя силовой пневмоцилиндр с поршнем и трос с блоками, один конец троса соединен с тележкой, на тележке смонтирован узел стыковки с летательным аппаратом, на направляющей установлено тормозное устройство. На направляющей и тележке установлено устройство фиксации стартового положения тележки, разгонное устройство содержит источник сжатого газа и ресивер. Контроллер обеспечивает прекращение подачи сжатого газа в цилиндр до момента контакта тележки с тормозным устройством, стопоры убираются до момента контакта тележки с тормозным устройством, ролики контактируют с нижними поверхностями летательного аппарата, выступы и стопоры взаимодействуют с ответными силовыми элементами летательного аппарата, ускорение тележки с летательным аппаратом, создаваемое разгонным устройством, превышает ускорение летательного аппарата, создаваемое его силовой установкой.

Недостатком такого устройства является использование сложных элементов фиксации БПЛА на тележке, которые подвержены износу. Также имеется тормозное устройство в виде отбойника или демпфера с резиновыми буферами. В конце запуска тележка, имеющая высокую стартовую скорость 50-80 км/ч ударяется в буфер, что приводит к возникновению значительных ударных нагрузок, воспринимаемых рамой, тележкой и возможному их разрушению. Также это обстоятельство ограничивает и массу запускаемого БПЛА не более 10-15 кг. Электропневматический клапан сброса давления также является ненадежным местом конструкции, так при отказе датчика положения БПЛА на стартовом столе, сбое в программе управления или отказе конструкции он не срабатывает и не отключает подачу сжатого воздуха в разгонную камеру.

Задачей изобретения является разработка конструкции пневматической установки для запуска летательного аппарата, имеющей пониженные ударные перегрузки при торможении каретки, а также возможность запуска БПЛА с большими стартовой массой и тягой силовой установки.

Техническим результатом является повышение надежности запуска летательного аппарата, увеличение ресурса устройства, расширение его функциональных возможностей, повышение безопасности.

Данный технический результат достигается за счет того, что в заявленной пневматической установке для запуска летательного аппарата, содержащей направляющую, каретку, разгонное устройство каретки, включающее в себя пневматическую трубу с поршнем, ресивер и трос с отклоняющими блоками, где один конец троса соединен с поршнем, а другой конец троса соединен с кареткой, причем на каретке смонтирован узел стыковки с летательным аппаратом, согласно изобретению ресивер соединен с пневматической трубой через клапан, внутри которого размещены поршень клапана, тарелка, шток и возвратная пружина, причем тарелка закрывает отверстие ресивера, а поршень клапана соединен со штоком и выполнен с диаметром большим, чем диаметр тарелки, клапан связан с ресивером через воздуховод с вентилем, а узел стыковки представляет собой сменный ложемент под установку летательных аппаратов разной массы, выполненный с возможностью фиксации летательного аппарата.

Технический результат достигается также тем, что:

- пневматическая установка содержит второй трос, связанный с поршнем и с кареткой, причем каретка, тросы, поршень и отклоняющие блоки образуют замкнутую кинематическую цепь;

- корпус пневматической трубы снабжен щелевыми отверстиями, выполненным в его боковой стенке, при этом величина их суммарного проходного сечения составляет не менее площади поперечного сечения пневматической трубы.

Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображены:

на фиг. 1 – пневматическая установка для запуска летательного аппарата;

на фиг. 2 – вариант крепления каретки со сменным ложементом к направляющей.

Пневматическая установка для запуска летательного аппарата содержит пневматическую трубу 1, направляющую 2, ресивер 3, поршень 4, два троса 5, отклоняющие блоки 6, каретку 7, клапан 8, поршень 9 клапана 8, тарелку 10 со штоком 11, пружину 12, седло 13, воздуховод с вентилем 14, сошки 15, опору 16, щелевые отверстия 17, штуцер 18, сменный ложемент 19. Сменный ложемент 19 содержит установочные пазы 20 в которые вставляются штифты 21 БПЛА. Поршень 4 движется внутри пневматической трубы 1, к нему закреплены с двух сторон концы тросов 5. Тросы 5 охватывают отклоняющие блоки 6, установленные на крышках 22 пневматической трубы. Вторые концы тросов закреплены с двух сторон каретки 7. Таким образом, поршень, тросы с отклоняющими блоками и каретка образуют замкнутую кинематическую цепь.

На фиг. 2 показан один из вариантов крепления каретки 7 со сменным ложементом 19 к направляющей 2. Опирание каретки 7 на направляющую 2 осуществляется за счет роликов 23 с осями 24. По продольным торцам направляющей 2 выполнены скосы под углом 70°. На продольные торцы установлены сдвоенные ролики 23 с подшипниками. Ролики имеют ответные фаски, которые заходят на продольные скосы направляющей 2. Такое решение позволяет каретке 7 скользить вдоль направляющей 2 и не смещаться во всех остальных направлениях. В зависимости от массы БПЛА с носимым грузом определяется количество сдвоенных роликов 23 с подшипниками на продольных торцах направляющей 2. Суммарная статическая грузоподъёмность подшипников в роликах 23 должна быть больше общего веса каретки и ложемента с установленным БПЛА и носимым грузом.

Установка работает следующим образом: на каретку 7, расположенную в нижнем положении на направляющей 2, укладывают сменный ложемент 19 с установленным БПЛА необходимой массы. При этом поршень 4, наоборот, занимает верхнее положение в пневматической трубе 1. В ресивер 3 закачивается воздух через штуцер 18 до пускового давления. Воздух может поступать в ресивер 3 через штуцер 18 из баллона со сжатым воздухом или накачиваться компрессором, в том числе от пневмосистемы автомобиля или трактора. Давление p₀ зависит от массы БПЛА, его необходимой стартовой скорости и угла наклона α при старте. Угол наклона регулируется изменением длины телескопических сошек 15 при неизменной высоте опоры 16. С увеличением угла наклона α повышается стартовая возможность беспилотного летательного аппарата, снижается требуемая скорость беспилотного аппарата. Но окончательные требования устанавливаются производителем БПЛА.

Давление воздуха в ресивере прижимает тарелку 10 клапана со штоком 11 к седлу 13, обеспечивая удержание воздуха в ресивере. При запуске открывается вентиль на воздуховоде 14 и давление воздуха начинает действовать на поршень 9 клапана 8, который имеет диаметр D больше, чем диаметр d тарелки 10. Таким образом, появляется разность сил давления:

где ∆F – разность сил давления, Н;

p ₀ – стартовое давление воздуха в ресивере 3, Па;

D – диаметр поршня 9 клапана 8, м;

d – диаметр тарелки 10, м.

Разница сил давления обеспечивает уверенный ход поршня 9 клапана 8 вправо и соответственно, за счет штока 11, тарелка 10 отрывается от седла 13 и, через образовавшийся канал в клапане 8, воздух поступает в пневматическую трубу 1. Там воздух с давлением p₀ начинает действовать на поршень 4, придавая ему стартовое тяговое усилие:

где F – стартовое тяговое усилие, Н;

p ₀ – стартовое давление воздуха в ресивере 3, Па;

D₁ – диаметр поршня 4 и пневматической трубы 1, м.

Движущийся поршень 4 при помощи троса 5, который огибает левый отклоняющий блок 6, тянет каретку 7. Пройдя разгонную дистанцию длиной L₁ каретка 7 вместе со сменным ложементом 19 и БПЛА приобретает необходимую стартовую скорость.

До момента запуска БПЛА сменный ложемент 19 фиксирует БПЛА в направлении назад и в поперечном направлении от линии движения БПЛА по направляющей 2. В конце разгона движущая сила от давления сжатого воздуха перестает действовать на поршень 4. Летательный аппарат по инерции продолжает двигаться с набранной скоростью, а каретка 7 начинает замедляться за счет сил торможения, действующих на поршень 4. Сила сопротивления от поршня 4 передается на каретку 7 через второй трос 5 и правый отклоняющий блок 6.

В одном из вариантов исполнения сменный ложемент 19 имеет в корпусе пазы 20, в которые устанавливаются штифты 21 БПЛА. Пазы 20 расположены таким образом, чтобы при старте БПЛА упирался штифтами 21 в скругление паза. Такое решение препятствует смещению БПЛА назад относительно хода движения под действием сил инерции, при этом пазы 20 имеют открытый второй конец. БПЛА вместе со штифтами 21 скользит вдоль пазов, спокойно отрывается от сменного ложемента 19 и совершает самостоятельный полет за счет собственного двигателя. Поперечному смещению БПЛА препятствуют боковые стенки сменного ложемента 19.

При движении поршня 4 вправо перед ним в камере будет сжиматься воздух. Чтобы этого не происходило, в пневматической трубе 1 сделаны щелевые отверстия 17, через которые воздух выходит в атмосферу, не препятствуя движению поршня 4. Суммарное проходное сечение щелевых отверстий 17 должно быть не менее площади поперечного сечения пневматической трубы 1.

Зная число отверстий и их ширину, можно определить длину отверстий L₃. Длина разгонного участка L₁ определяется расстоянием до этих отверстий. Расположение щелевых отверстий 17 подбирается таким образом, чтобы общую длину пневматической трубы 1 использовать наиболее рационально. Должна обеспечиваться максимально возможная длина разгонного участка L₁, при этом длина тормозного участка L₂ должна быть достаточной для уверенной остановки каретки 7 с поршнем 4. Длина тормозного участка считается достаточной, если на участке происходит торможение поршня 4 и одновременно соблюдается условие получения замкнутого переменного объема между поршнем 4, пневматической трубой 1 и крышкой 22 пневматической трубы 1 после прохождения поршнем 4 щелевых отверстий 17.

Длина тормозного участка выбирается из условия равенства суммы работ сил сопротивления и адиабатического сжатия замкнутого объёма камеры торможения и кинетической энергии каретки 7 со сменным ложементом 19 и поршнем 4.

После прохождения поршнем 4 щелевых отверстий 17, летательный аппарат продолжает двигаться дальше по инерции. Воздух из ресивера 3 беспрепятственно сбрасывается в атмосферу через щелевые отверстия 17, а правая замкнутая камера, образованная пневматической трубой 1, её крышкой 22 и движущимся поршнем 4, имеет переменный объём. По мере движения поршня 4 слева направо происходит уменьшение объема, рост давления и замедление поршня 4 вместе с кареткой 7. Таким образом, на длине L₂ происходит торможение поршня 4. Наличие замкнутой кинематической цепи обеспечивает торможение каретки 7 вместе с поршнем 4 и не позволяет ей отрываться от направляющей 2.

В это время БПЛА, сохраняя приобретённую скорость, сходит со сменного ложемента 19 и осуществляет свободный полет. На контролер летательного аппарата приходит команда с пульта, запускается двигатель БПЛА и летательный аппарат приступает к выполнению полетного задания.

Пневматическая установка приводится в готовность к последующему запуску. Каретку 7 руками по направляющей 2 опускают до стартового положения. За счет замкнутой кинематической цепи, образованной двумя тросами 5, поршень 4 перемещается в верхнее положение пневматической трубы 1. За счет сброса воздуха из ресивера 3 через щелевые отверстия 17 происходит закрытие канала клапана 8 с помощью тарелки 10, прижимаемой к седлу 13 под действием возвратной пружины 12, так как на поршень 9 клапана 8 не действует избыточное давление воздуха из ресивера 3. Установка готова к новому запуску после заполнения воздухом ресивера 3 через штуцер 18 от компрессора или из баллона со сжатым воздухом. Величина давления контролируется по манометру, внедренному в систему управления пневматической установкой (на чертежах не показана). При выборе величины избыточного давления следует руководствоваться данными таблицы 1.

Таблица 1 - Стартовое давление p₀ в пневматической установке для запуска летательного аппарата, МПа

Масса летательного аппарата, кг скорость стартовая V₀ = 60 км/с скорость стартовая V₀ = 80 км/с угол стартовый α = 10° угол стартовый α = 15° угол стартовый α = 10° угол стартовый α = 15° 5 0,20 0,20 0,35 0,35 13 0,37 0,38 0,65 0,65 22 0,56 0,57 0,98 0,99 30 0,73 0,74 1,28 1,28

Заявленная пневматическая установка для запуска летательного аппарата отличается простотой конструкции и надежностью, обеспечивает реализацию механизма запуска БПЛА, при этом является универсальной, предназначенной для запуска летательных аппаратов с массой от 5 до 30 кг.

Рассмотренный вариант выполнения изобретения может быть реализован на существующем в настоящее время оборудовании с использованием имеющихся материалов. Это показывает его работоспособность и подтверждает промышленную применимость.

Разумеется, изобретение не ограничивается описанным примером его осуществления, показанным на прилагаемых фигурах. Остаются возможными изменения различных элементов либо замена их технически эквивалентными, не выходящие за пределы объема настоящего изобретения.

Изобретение относится к авиационной технике. Пневматическая установка для запуска летательного аппарата содержит направляющую (2), каретку (7), пневматическую трубу (1) с поршнем, ресивер (3) и трос (5) с отклоняющими блоками (6). Один конец троса (5) соединен с поршнем (9), другой конец троса (5) соединен с кареткой (7). На каретке (7) смонтирован узел стыковки с летательным аппаратом. Ресивер (3) соединен с пневматической трубой (1) через клапан (8). Внутри клапана (8) расположены поршень (9) клапана, тарелка (10), шток (11) и возвратная пружина (12). Шток (11) соединен с поршнем (9) клапана, имеющим диаметр больше, чем диаметр тарелки (10). Клапан связан с ресивером через воздуховод с вентилем. Узел стыковки представляет собой сменный ложемент (19) для установки летательных аппаратов разной массы. Достигается повышение надежности конструкции и увеличение ресурса. 2 з.п. ф-лы, 1 табл., 2 ил.

1. Пневматическая установка для запуска летательного аппарата, содержащая направляющую, каретку, разгонное устройство каретки, включающее в себя пневматическую трубу с поршнем, ресивер и трос с отклоняющими блоками, причем один конец троса соединен с поршнем, а другой конец троса соединен с кареткой, на которой смонтирован узел стыковки с летательным аппаратом, отличающаяся тем, что ресивер разгонного устройства соединен с пневматической трубой через клапан, внутри которого размещены поршень клапана, тарелка, шток и возвратная пружина, причем тарелка закрывает отверстие ресивера, а поршень клапана соединен со штоком и выполнен с диаметром большим, чем диаметр тарелки, дополнительно клапан соединен с ресивером через воздуховод с вентилем, а узел стыковки представляет собой сменный ложемент под установку летательных аппаратов разной массы, выполненный с возможностью фиксации летательного аппарата.

2. Пневматическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что имеет второй трос, связанный с поршнем и с кареткой, причем каретка, тросы, поршень и отклоняющие блоки образуют замкнутую кинематическую цепь.

3. Пневматическая установка по п. 1, отличающаяся тем, что в боковой стенке корпуса пневматической трубы выполнены щелевые отверстия, причем величина суммарного проходного сечения щелевых отверстий составляет не менее площади поперечного сечения пневматической трубы.