ВОЗДУХОПЛАВАТЕЛЬНЫЙ АППАРАТ

Предлагаемое изобретение относится к области воздухоплавательных аппаратов, в частности к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). Известен воздухоплавательный аппарат (дирижабль), содержащий ферму, сигарообразную оболочку, заполненную газом легче воздуха, стабилизатор, элементы крепления оболочки к ферме, движители в виде воздушных винтов, кабину для экипажа и груза [2].

Известно также изобретение [3], в котором технический результат достигается тем, что в воздухоплавательный аппарат, содержащий ферму, сигарообразную оболочку, заполненную газом легче воздуха, стабилизатор, элементы крепления оболочки к ферме, движители в виде воздушных винтов, кабину для экипажа и груза, причальные приспособления. Воздухоплавательный аппарат состоит из трех горизонтально расположенных оболочек (центральная имеет стабилизатор), соединенных снизу общей фермой, причем между оболочками расположены и прикреплены к ферме О-образные части, с установленными в них на поперечных поворотных осях движителями.

За базовый вариант летательного устройства можно принять любой из беспилотников (БПЛА), квадрокоптеров или дронов, дополнив его элементами, обладающими новизной. Конструкций дронов в России и мире множество, как военного, так и гражданского предназначения [3, 4, 5]. Мини-БПЛА стремительно обретают популярность в гражданской сфере, где большие БПЛА аэродромного базирования традиционно были недоступны как финансово, так и юридически. За рубежом мини-БПЛА используются для охраны сельхозугодий, картографии, дистанционного химико-физического анализа, контроля всхожести и спелости урожая, химической обработки. Примером этому служат японские БПЛА-вертолеты для фермеров Yamaha RMAX. В России подобная практика только-только начинает внедряться отдельными организациями [6].

В 2012 году компания Parrot завоевала рынок удачным и довольно доступным квадрокоптером AR.Drone, а недавно представила новую модель под названием Bebop Drone (AR.Drone 3.0). Она также предназначена для любительского пилотирования и аэрофотосъемки. Аппарат уже оборудован HD-камерой с продвинутой системой стабилизации и 180-градусным объективом. Также есть и встроенный модуль GPS. Управление может осуществляться со смартфона или планшета через WiFi. Кроме того, в качестве опции доступен дополнительный пульт с удобными органами управления и дальнобойной антенной. Гарнитура виртуальной реальности Oculus Rift также имеет штатную поддержку. Недостатком новинки является слабый аккумулятор на 1200 мА⋅ч. Его хватит всего на 12 минут полета. Для повышения грузоподъемности квадрокоптера большинство его элементов выполняется из легких углепластов, а крыло заполняется гелием. Желательно, чтобы квадрокоптер длительное время парил в воздухе без включения движителей.

В основе любого автоматического управления лежит простая последовательность: измерение, сравнение и парирование возмущающего воздействия. Как правило, в современном профессиональном бортовом комплексе навигации и управления функцию измерения состояния системы выполняет малогабаритная инерциальная интегрированная система (МИНС) [7, 8].

Имея в своем составе триады инерциальных датчиков (микромеханических гироскопов и акселерометоров), а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр, и комплексируя данные этих датчиков с данными приемника GPS, система вырабатывает полное навигационное решение по координатам и углам ориентации.

Типовая структурная схема автопилота включает: магнитный компас, барометрический датчик скорости, барометрический датчик высоты, ультразвуковой датчик высоты (для взлетов посадок), систему спутниковой навигации, гировертикаль, пиродатчик горизонта, исполнительные механизмы и радарные устройства, отслеживающие воздушную ситуацию по пути следования.

Для обеспечения поставленных задач, а также определения координат исследуемых участков местности АСУ квадрокоптера должна содержать в своем составе: устройства получения видовой информации, спутниковую навигационную систему, устройства радиолинии видовой и телеметрической информации, устройства командно-навигационной радиолинии с антенно-фидерным устройством, устройство обмена командной информацией, устройство информационного обмена, бортовую цифровую вычислительная машину (БЦВМ), устройство хранения видовой информации. Для обеспечения связи на значительные расстояния и повышения помехозащищенности за счет пространственной селекции в комплексах управления БПЛА широко используются остронаправленные антенные системы (АС) как на ПУ, так и на БЛА. Система управления остронаправленной АС включает в себя: собственно остронаправленную АС, радиотехнические параметры которой выбираются, исходя из требований обеспечения необходимой дальности связи по радиолинии, сервопривод АС, обеспечивающий пространственную ориентацию ДН АС в направлении ожидаемого появления излучения объекта связи, систему автоматического сопровождения по направлению (АСН), обеспечивающую устойчивое автосопровождение объекта связи в зоне уверенного захвата пеленгационной характеристики системы АСН, радиоприемное устройство, обеспечивающее формирование сигнала «Связь», свидетельствующего о приеме информации с заданным качеством, систему управления антенной системой, обеспечивающую анализ текущего состояния системы управления АС, формирование сигналов управления сервоприводом для обеспечения пространственной ориентации АС в соответствии с полетным заданием и алгоритмом пространственного сканирования. Таким образом, наиболее важной составляющей беспилотного авиационного комплекса является система управления и связи.

В настоящее время беспилотники выполняют научные задачи или используются в разведывательных целях. Полезную нагрузку, кроме управляющей и наблюдательной аппаратуры, они не несут.

Известно изобретение (http://www.findpatent.ru/patent/258/2581971.html © FindPatent.ru - патентный поиск, 2012-2016), которое относится к области воздухоплавательных аппаратов. Воздухоплавательный аппарат включает восьмиугольную ферму с электродвижителями по концам, системы наблюдения, ориентации, связи и автоматического управления. В центре восьмиугольной фермы расположена пневматическая полимерная труба, состоящая из герметично изолированных секций, армированных полимерными обручами и скрепленных между собой замковыми соединениями, поддерживаемая в вертикальном положении с помощью автоматических натяжных устройств. При заполнении легким газом полимерная труба создает подъемную силу, компенсирующую вес груза, подвешиваемого к ферме. Изобретение направлено на создание летательного аппарата, хорошо ориентирующегося в пространстве; принято в качестве прототипа.

Недостатком данного изобретения можно назвать следующее:

- «мягкая» оболочка секций полимерной трубы, большое лобовое сопротивление ветру уменьшают возможности воздухоплавательного аппарата для вертикального маневра;

- аппарат в соответствии с физическими принципами должен иметь форму, близкую к форме эллипсоида (дискообразную или сигарообразную), причем сигарообразная форма целесообразна в основном для аппарата очень большой грузоподъемности, а дискообразная - для аппарата с высокой маневренностью.

Целью предлагаемого изобретения является создание воздухоплавательного аппарата, обладающего высокой маневренностью, устойчивостью к боковому давлению ветров и способного нести значительный полезный груз.

На фиг. 1 представлен вид на воздухоплавательный аппарат сбоку с разрезом, на фиг. 2 - тот же аппарат сбоку, на фиг. 3 - тот же аппарат с видом сверху.

Воздухоплавательный аппарат состоит:

1 - панель солнечной батареи с аппарелями 2 и опорными стойками 3, 4 - сильфон несущей газовой камеры, 5 - сильфон малой камеры высокого давления, 6 - кольцевое ребро жесткости, 7 - несущая ферма гексакоптера, 8 - электродвижитель с изменяемым вектором тяги, 9 - газовая подушка, 10 – шасси с замковыми захватами 11 и пневмоамортизаторами 12, 13 - груз, 14 - обтекатель, 15 - пневмобалон с газом, 16 - аккумуляторы электроэнергии.

За основу принят гексакоптер с шестью электродвижителями с изменяемым вектором тяги. Корпус солнечной батареи выполнен в виде эллипсоида и заполнен газом. Аппарели служат для увеличения площади генерации электроэнергии, а также служат парусом при попутном ветре или прикрытием от сильных боковых ветров. Корпус газовой камеры выполнен в виде сильфона, способного раздвигаться и сокращаться. В качестве рабочего газа принят гелий. Корпуса всех устройств выполняются из ультралегкого и прочного кевляра.

Вес полезного груза значительно компенсируется подъемной силой емкостями с гелием: газовой подушкой, сильфонами газовых камер и корпусом солнечной батареи, заполненной газом.

Электродвижители активно используются при взлете и посадке, при полете на заданной высоте они используются в основном на перемещение груза по заданному маршруту с помощью автопилота и навигатора. В высотном полете, при набранной крейсерской скорости, обтекающие потоки воздуха корпуса солнечной батареи создают дополнительную динамическую подъемную силу, при этом корпус как крыло самолета может изменять угол атаки путем поворота аппарелей. Маневренность воздухоплавательного аппарата улучшается за счет изменения объема несущих газовых камер путем их сжимания сильфонами газовых камер высокого давления, заполненных гелием из пневмоболона и конечно тягой электродвижителей, в значительной мере свободных от поднятия грузов.

Устойчивость к боковому давлению ветров повышается путем улучшения аэродинамической сигарообразной формы аппарата, жесткого корпуса газовых камер и уменьшения их высоты.

Воздушная подушка, расположенная под несущей фермой гексакоптера, при «жесткой посадке» может служить амортизирующим элементом и защитить дорогостоящую аппаратуру автоматического управления от поломки.

Для повышения сохранности дорого и текучего гелия все газовые емкости изнутри покрыты эластичной пленкой, нанесенной путем напыления.

Воздухоплавательный аппарат включает шестиугольную ферму с электродвижителями по концам, газовые камеры, панель солнечной батареи, системы наблюдения, ориентации, связи и автоматического управления.

Основным отличием является то, что корпуса газовых камер выполнены в виде жестких сильфонов, способных изменять объем несущих газовых камер под нажимом сильфонов малых камер высокого давления, созданного за счет газа из пневмоболона.

Другим отличием является то, что корпус солнечной батареи, выполненный в форме эллипсоида и заполненный газом, выполняет роль крыла и при обтекании его воздушными потоками создает дополнительную аэродинамическую подъемную силу и улучшает стабильность положения и маневренность полета.

При попутном ветре не все движители могут быть задействованы и некоторые движители могут работать как ветряки - в режиме генератора энергии. В том же режиме их можно использовать при наземном положении гексакоптера, при загрузочно-разгрузочных работах. При этом движитель автоматически разворачивается навстречу ветру.

Данный беспилотник должен иметь систему видионаблюдения, радар, систему ориентации и сопровождения по «Гланас», систему связи, систему автоматического управления, а также громоотводную систему. Солнечная панель направляется по ходу солнца сервоприводами. Программное приложение позволяет просматривать пройденный маршрут по GPS-координатам и корректировать дальнейшую работу воздухоплавательного аппарата. Управление гексакоптером и работой всех устройств осуществляет блок АСУ, а также оператор со смартфона или планшета (не исключено и специальное электронное устройство управления).

Объемы газовых камер не ограничены ни по высоте, ни по диаметру, их количество тоже не ограничено, а это значит, что и перевозимый груз может быть значительным Большинство элементов предлагаемого устройства выполняются из легких углепластиков, например пластик ABS или волокна КЛЕВЛАР, которые прочнее стали, но легче ее.

На основе углеродных волокон и углеродной матрицы создают композиционные углеграфитовые материалы, способные долго выдерживать в инертных или восстановительных средах температуры до 3000 град. Углепластики очень легки и в то же время прочные материалы [9]. Например, полимер этого класса, названный «Хайпол», обладает следующими параметрами: рабочая температура до 2000 град., химическая инертность к окислительным средам, не горит, в 1.5 раза легче алюминия и весьма прочен [10]. Вызывает интерес последняя разработка российских ученых - полимер ГРАФИН, обладающий особенными и экзотическими свойствами [11]. За эту разработку российские ученые получили Нобелевскую премию в 2010 году. Углеграфитовые трубки могут достигать прочность, в 50 раз превышающую прочность стали.

Углеродные тонкие пленки, нанесенные путем напыления на стенки газовых камер изнутри, предохраняют утечки газа. При посадке аппарата используются все средства маневрирования воздухоплавательного аппарата: поворот движителей и изменение вектора тяги, изменение объема несущих газовых камер, разворот аппарелей солнечной батареи. При экстренной посадке газ из несущих газовых камер выпускается в атмосферу, а газовая подушка служит амортизирующим элементом.

Предлагаемому беспилотнику не нужны аэродромы, как самолету, не нужны базы дозаправки горючим, как вертолету, не нужны дороги, как фурам. Трудно придумать отказ оборудования, в результате чего груз мог бы быть не доставлен по назначению.

Воздухоплавательный аппарат предназначен для перевозки больших грузов в местах, где нет дорог, посадочных площадок, при плохой видимости, там, где работа традиционных видов транспорта затруднена или невозможна: в условиях тайги, тундры и Крайнего Севера. Воздухоплавательный аппарат может быть использован и в степях Казахстана и пустыни Средней Азии и Монголии.

ИСТОЧНИКИ ИНФОРМАЦИИ

1. Современные системы очистки газовых выбросов. www.coolreferat.com.

2. Патент РФ 2420425.

3. -bp-la.ru/primenenie-bespilotnyx-letatelnyx-apparatov/

4. А. Каримов, В. Ильин. «Военное обозрение», #46 (268), 2013.

5. 24gadget.ru/tags/дpoн.

6. Н.С. Сенюшкин. Особенности классификации БПЛА самолетного типа. «Молодой ученый», - 2010, - №11, - с. 65-68.

7. А. Поскутников. Системы автоматического управления БПЛА. «Молодой ученый», - 2011, - №9, - с. 56-58.

8. В. Слосар. Радиолинии связи с БПЛА: Примеры реализации. Электроника: наука, технология, бизнес. - 2010, - №5. - с. 56050

9. Конкин А.А. Углеродные и другие жаростойкие волокнисты материалы. М., Высшая школа, 2004.

10. http:highpol.com.

11. http:newchemistry.ru