Результат интеллектуальной деятельности: БЕСПИЛОТНЫЙ ЛЕТАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Изобретение относится к области транспортирования, а именно к беспилотным летательным аппаратам вертикального взлета с кольцевым крылом.

Из уровня техники известны беспилотные летательные аппараты (БПЛА) различных схем. Кроме аппаратов традиционных схем (самолетная, вертолетная), существуют так называемые аппараты вертикального взлета и посадки с вентилятором в канале (Ducted Fan VTOL UAV) в качестве несущей системы. Характерными аналогами являются аппараты iSTAR фирмы Allied Aerospace, T-Hawk фирмы Honeywell, IAV фирмы BAE Systems Inc.

Наиболее близким по технической сущности к заявленному изобретению является беспилотный летательный аппарат, состоящий из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей (см. патент EP 2193994, кл. B64C 39/02, опубл. 09.06.2010).

Общими недостатками известных устройств являются невысокий КПД, недостаточная мощность, плохая управляемость и малая аэродинамическая стабильность БПЛА.

Задачей изобретения является устранение указанных недостатков. Технический результат заключается в улучшении аэродинамических характеристик БПЛА и, как следствие, в повышении эффективности его работы. Поставленная задача решается, а технический результат достигается тем, что в беспилотном летательном аппарате, состоящем из кольцевого крыла, вентилятора-движителя, центрального тела и, по меньшей мере, четырех независимых аэродинамических рулей, внутренняя поверхность кольцевого крыла включает цилиндрический участок диаметром D_вд и длиной L_цил=(0.45÷0.55)D_вд, хорда кольцевого крыла составляет b_кк=(1.1÷1.25)D_вд, максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет h_max=(0.145÷0.18)D_вд, a расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет L_нос=(0.145÷0.165)h_max, при этом внутри цилиндрического участка расположен вентилятор-движитель, состоящий из входного направляющего аппарата, рабочего колеса и спрямляющего аппарата, входной направляющий аппарат состоит из радиальных аэродинамических элементов, соединяющих кольцевое крыло и центральное тело и имеющих симметричный профиль с хордой постоянной величины, рабочее колесо выполнено таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величина хорды b_рк описывается линейной функцией от радиуса, угол установки профилей θ_рк описывается кубической функцией от радиуса, величина прогиба f_рк описывается полиномом пятой степени от радиуса, величина толщины профиля c_рк описывается линейной функцией от радиуса, а спрямляющий аппарат выполнен таким образом, что средняя линия профилей его лопаток изогнута по дуге окружности, величины хорды b_са и толщины c_са профиля постоянны, угол установки профилей θ_са описывается кубической функцией от радиуса, а величина прогиба f_рк описывается полиномом пятой степени от радиуса. Центральное тело предпочтительно выполнено цилиндрическим с диаметром D_цп=0.35D_вд, а его длина составляет L_цт=(1.75÷1.95)D_вд. Расстояние от начала цилиндрического участка кольцевого крыла до точки максимальной толщины профиля предпочтительно составляет L_hmax=(0.18÷0.23)h_max. Высота от крайней передней точки кольцевого крыла до цилиндрического участка предпочтительно составляет h_нос=(0.65÷0.8)h_max. Диаметр кольцевого крыла на выходе предпочтительно составляет D_вых=(1.05÷1.19)D_вд. Отношение числа радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата n_вна к числу лопаток рабочего колеса n_рк предпочтительно составляет 7/5.

На фиг.1 представлен общий вид предлагаемого БПЛА;

на фиг.2 - поперечное сечение кольцевого крыла и центрального тела с характерными размерами;

на фиг.3 - общий вид вентилятора-движителя;

на фиг.4 - общий вид радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата;

на фиг.5 - то же, что на фиг.4, вид сбоку;

на фиг.6 - сечение А-А по фиг.5;

на фиг.7 - общий вид лопасти рабочего колеса;

на фиг.8 - то же, что на фиг.7, вид сбоку;

на фиг.9 - сечение А-А по фиг.8;

на фиг.10 - общий вид лопасти спрямляющего аппарата;

на фиг.11 - то же, что на фиг.10, вид сбоку;

на фиг.12 - сечение А-А по фиг.11.

Предлагаемый БПЛА состоит из кольцевого крыла 1, вентилятора-движителя, в состав которого входят входной направляющий аппарат 2, рабочее колесо 3 и спрямляющий аппарат 4, центральное тело 5, в котором размещается полезная нагрузка, и четыре или более независимых аэродинамических рулей 6. Указанные элементы имеют описанную ниже оптимальную аэродинамическую компоновку.

Кольцевое крыло 1 является телом вращения с несимметричным профилем, содержащим цилиндрический участок, в котором расположен вентилятор-двигатель. Относительная длина этого участка составляет

где L_цил - размерная длина цилиндрического участка, а

D_вд - внешний диаметр вентилятора-движителя или диаметр цилиндрического участка крыла 1.

Центральное тело 5 выполнено цилиндрическим с диаметром D_цт=0.35D_вд. Его относительная длина составляет

где L_цт - размерная длина центрального тела.

Геометрия кольцевого крыла 1 представлена на фиг.2.

Диаметр кольцевого крыла на выходе предпочтительно составляет D_вых=(1.05÷1.19)D_вд.

Безразмерная хорда кольцевого крыла составляет

где b_кк - размерная хорда кольцевого крыла.

Безразмерная максимальная толщина профиля кольцевого крыла составляет

где h_max - размерная максимальная толщина профиля кольцевого крыла.

Безразмерное расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла до начала цилиндрического участка составляет

где L_нос - размерное расстояние от крайней передней точки кольцевого крыла.

Безразмерная высота от крайней передней точки кольцевого крыла до цилиндрического участка составляет

где h_нос - размерная высота от крайней передней точки кольцевого крыла.

Безразмерное расстояние от начала цилиндрического участка до точки максимальной толщины профиля составляет

где L_hmax - размерное расстояние до точки максимальной толщины. Безразмерный диаметр кольцевого крыла на выходе составляет

где D_вых - размерный диаметр кольцевого крыла на выходе.

Геометрия вентилятора-движителя представлена на фиг.3. Отношение числа радиальных аэродинамических элементов входного направляющего аппарата n_вна к числу лопаток рабочего колеса n_рк составляет 7/5.

Входной направляющий аппарат 2 состоит из радиальных аэродинамических элементов, выполняющих роль распорок и соединяющих кольцевое крыло 1 и центральное тело 5. Указанные элементы (см. фиг.4-6) имеют симметричный профиль с хордой постоянной величины, что позволяет выравнивать поток перед рабочим колесом 3 на различных режимах полета и приводит к увеличению тяги вентилятора-движителя.

В рабочем колесе 3 (фиг.7-9) профили лопастей имеют среднюю линию, изогнутую по дуге окружности. Распределение величины хорды профилей от радиуса описывается по линейному закону

где r - текущий радиус рабочего колеса,

R_рк - внешний радиус рабочего колеса.

Зависимость угла установки профилей θ_рк от радиуса описывается кубической функцией

.

Зависимость величины прогиба от радиуса описывается полиномом пятой степени

.

Зависимость толщины профиля от радиуса описывается по линейному закону

.

В спрямляющем аппарате 4 (фиг.10-12) для его лопастей величина хорды и величина толщины профиля постоянны и не зависят от текущего радиуса

Зависимость величины угла установки профилей θ_са от радиуса описывается кубической функцией

.

Зависимость величина прогиба от радиуса описывается полиномом пятой степени

.

Экспериментально было показано, что такие геометрические параметры вентилятора-движителя обеспечивают создание необходимой тяги. Для того чтобы транспортировать необходимый вес полезной нагрузки, БПЛА может быть соответствующим образом промасштабирован с сохранением вышеприведенных соотношений, при этом изменится мощность, потребляемая вентилятором-движителем, и потребное число оборотов.