Результат интеллектуальной деятельности: Способ управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве и комплекс для его осуществления

Группа изобретений относится к авиации, конкретно - к способам и устройствам для осуществления технологической гибкой взаимосвязи (стыковки, точного наведения свободного конца гибкой связи - веревочной лестница, троса лебедки, топливного или водяного шланга и т.д.) летательного аппарата (ЛА - вертолета, как правило, с экипажем, дирижабля и т.д.) с другим объектом (человеком, конструкцией или ее элементом, полезным грузом, источником жидкого топлива локальным скоплением нефти на водоеме, локальным пожаром и т.д.) в целях спасения с беспосадочной эвакуацией, дозаправки летательного аппарата или упомянутого объекта, борьбы со стихией и т.д.

Известны способы управления положением свободного конца закрепленной на ЛА гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, и комплексы технических средств для их осуществления, включающие в свой состав ЛА (вертолет) и бортовое оборудование - гибкую связь и лебедку для выпуска из ЛА упомянутой гибкой связи, при этом свободный конец гибкой связи совмещают с координатами X, Y, Z объекта взаимосвязи, манипулируя положением в пространстве ЛА и длиной выпущенной части гибкой связи [1. RU 2545684 С1, МПК B64D 1/22, 10.04.2015 «Спасательное устройство на внешней подвеске вертолета»; 2. RU 2558355 С1, МПК А62В 1/00, B64D 1/14, F16F 7/09, 10.08.2015 «Устройство для спасения людей при пожарах»; 3. RU 90686 U1, МПК А62В 1/02, B64D 47/00, 20.01.2010 «Устройство для эвакуации людей из высотных зданий с помощью вертолета»; 4. RU 1665630 С1, МПК В63С 9/01, 27.03.1995 «Устройство для подъема людей и грузов с поверхности воды и суши на борт вертолета»; 5. RU 2288760 С2, МПК А62С 3/00, 10/12/2006 «Способ тушения пожаров в высотных зданиях при помощи вертолета»; 6. RU 42218 U1, МПК B64D 1/10, А62С 31/00, 27.11.2004 «Система пожаротушения высотных зданий»; 7. RU 2723352 С1, МПК F41H 13/00, F41H 7/03, B64D 1/22, 10.06.2020 «Объект бронетехники с капсулой для экипажа, эвакуируемой вертолетом»; 8. RU 2729527 С1, МПК B64D 1/22, 07.08.2020 «Способ форсирования участка местности с малой несущей способностью наземным транспортным средством с вертолетом сопровождения»].

Однако управление с помощью гравитации пассивно и весьма ограничено, а управление путем корректировки положения самого ЛА в пространстве дает существенную погрешность наведения, весьма зависит от высоты ЛА (длины выпущенной части гибкой связи), скорости ветра, далеко не всегда возможно в конкретной расстановке физических тел и требует большого расхода топлива и существенно зависит от опыта управления ЛА экипажем.

Имеет место и проблема колебаний подвешенного груза на гибкой связи в динамике движения (см. описание и критику прототипа ниже по тексту).

В некоторых источниках информации содержатся сведения о дополнительном инструменте управления положением свободного конца гибкой связи - устройства поворота (корректировки) по азимуту уже присоединенного к концу гибкой связи объекта (полезного груза) [9. RU 2209745 С2, МПК B64D 1/22, B64D 9/00, 10.04.2003 «Устройство для азимутальной ориентации и фиксации груза на внешней подвеске летательного аппарата»; 10. RU 109739 U1, МПК B64D 9/00, 27.10.2011 «Устройство для монтажа груза вертолетом»; 11. RU 2307049 С1, МПК B64D 1/22, 27.09.2007 «Устройство для азимутальной ориентации и стабилизации груза на внешней подвеске летательного аппарата»].

Однако управления по высоте Z и азимуту во многих случаях явно недостаточно, особенно в неблагоприятных погодных условиях и взаимном расположении ЛА и объекта(ов) взаимосвязи со свободным концом гибкой связи в процессе управления («наведения»).

Известны и комплексы для доставки полезных грузов с малогабаритным беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) - «дроном», в качестве грузового ЛА [12. RU 2672505 С1, МПК В63С 11/46, В63В 21/00, B63G 8/16, G05D 1/00, 15.11.2018 «Система автоматического управления дроном сопровождения водолаза»; 13. RU 2646689 С1, МПК В64С 39/02, G06Q 10/08, 06.03.2018 «Система доставки контейнера с помощью дрона»].

Часто БПЛА снабжают системой видеонаблюдения, но известны и системы наблюдения из грузового вертолета [14. RU 2015075 С1, МПК B64D 3/00, 30.06.1994 «Система контроля положения груза, подвешенного на гибкой связи к вертолету при монтажных работах»].

Весьма близким к заявляемой группе изобретений является способ управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, при котором из управляемого основного летательного аппарата выпускают закрепленную одним концом гибкую связь и, управляя, посредством гравитационного поля и комплекса технических средств, включая средства маневрирования основного летательного аппарата, положением в пространстве другого, свободного конца гибкой связи, совмещают его с объектом взаимосвязи [15. RU 195445 U1, МПК В66С 13/06, В66С 13/46, В66С 23/58, B64D 1/00, 28.01.2020: см. также 16. WO 2019/156782 от 15.08.2019].

В нем запатентовано устройство несколько иного назначения - обеспечения устойчивости груза на внешней подвеске, но близкое к заявляемому по конструктивным признакам. Упомянутая подвеска представляет собой гибкую веревочную лестницу или канат, один конец которой(ого) закреплен в вертолете, а свободный конец спущен вниз под действием гравитационного поля и лебедки. Лестница используется для беспосадочной эвакуации людей (см. [15, фиг. 1, где эвакуируемые люди зацепились за свободный конец лестница]). В условиях динамических воздействий самого вертолета и внешних факторов окружающей среды конец гибкой связи с «полезным грузом» (эвакуируемыми людьми) раскачивается как «маятник». Для устранения этого вредного явления, на гибкой связи у ее свободного конца закреплено специализированное устройство стабилизации свободного конца гибкой связи - «устройство устойчивости груза (УУГ). УУГ выполнено в виде блока с четырьмя разнонаправленными разнесенными вентиляторами, связанными с системой управления и источником электропитания. При этом оси всех четырех вентиляторов ориентированы исключительно горизонтально при отвесном положении гибкой связи, а при любой амплитуде колебаний гибкой связи с УУГ, оси вентиляторов сохраняют перпендикулярность линии гибкой связи. Управляемой работой вентиляторов УУГ возвращает гибкую связь в отвесное положение «статического равновесия» в дополнение к стабилизирующему действию гравитационного поля. В этом и заключается стабилизация вертикального положения гибкой связи.

Однако, успешно решая задачу борьбы с динамическими отклонениями от заданных координат свободного конца гибкой связи, задачу стабилизации ее отвесного положения, такое устройство и осуществляемый им способ управления концом гибкой связи не применим вообще или применим иногда и в очень узком диапазоне корректирующих перемещений свободного конца в трехмерном пространстве, в целях «точного наведения» (в дополнение к первичному «грубому наведению» самим вертолетом) свободного конца гибкой связи на заданные координаты X, Y, Z - для совмещения с координатами объекта взаимосвязи (того же подлежащего эвакуации человека на суше или в воде). В то же время, при беспосадочной технологической операции типа описываемой эвакуации, доставки грузов, монтажных работах, топливозаправке и т.д., погрешность такого совмещения координат (а значит и управления) может быть существенна. И она возрастает с длиной выпущенной гибкой связи, скоростью ветра или течения, подвижностью объекта, и т.д.

В результате, такие способ и устройство, при всех их положительных сторонах, остаются с недостаточно высокими технико-эксплуатационными возможностями (ТЭВ). Иначе говоря - недостаточно совершенны.

Наиболее близким (базовым) к заявляемой группе изобретений является (принят) способ управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, при котором из управляемого основного летательного аппарата выпускают закрепленную одним концом гибкую связь, при этом управление положением в пространстве свободного конца гибкой связи осуществляют дополнительно посредством управляемого маневрирования вспомогательного летательного аппарата, предварительно соединив последний с указанной гибкой связью у ее свободного конца [17. US 2019283901 А1 (FLYING WHALES), 19.09.2019].

Такое техническое решение обеспечивает более точное наведение конца гибкой связи для совмещения с объектом взаимосвязи (см. [17], л. 8, С. 3, абз. 0051; С. 1, абз. 0005, 0007).

Однако, в разнообразных возможных эксплуатационных условиях описанных операционных (в отношении способа) и материальных (в отношении устройства в обеспечение способа) средств недостаточно для оптимального выполнения практических задач. Так, ограничен маневр вспомогательного ЛА относительно основного ла; стыковка свободного конца гибкой связи с объектом взаимосвязи осуществляется почти вслепую; не используются возможности стабилизации заданного пространственного положения свободного конца.

В результате, способ-прототип и устройство-прототип (базовые), при всех их положительных сторонах, также остаются с недостаточно высокими технико-эксплуатационными возможностями (ТЭВ). Иначе говоря - недостаточно совершенны.

Задачей, на решение которой направлена заявляемая группа изобретений - способ и устройство для его осуществления, является расширение его ТЭВ.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что в способе управления положением свободного конца закрепленной на летательном аппарате гибкой связи с внешним объектом в окружающем пространстве, при котором из управляемого основного летательного аппарата выпускают закрепленную одним концом гибкую связь, при этом управление положением в пространстве свободного конца гибкой связи осуществляют дополнительно посредством управляемого маневрирования вспомогательного летательного аппарата, предварительно соединив последний с указанной гибкой связью у ее свободного конца, согласно заявляемому изобретению-способу, управляя, посредством гравитационного поля и комплекса технических средств, включая средства маневрирования основного летательного аппарата, положением в пространстве другого, свободного конца гибкой связи, совмещают его с объектом взаимосвязи, а маневром вспомогательного летательного аппарата свободный конец гибкой связи при необходимости отклоняют от вертикального положения статического равновесия последней в общем случае по трем декартовым координатным осям - X*, Y*, Z*.

Поставленная задача решается также, с дополнительными преимуществами, за счет частных (дополнительных) признаков способа и их совокупностей, а именно:

- при последующих, после соединения свободного конца гибкой связи с объектом взаимосвязи, вывешивании и транспортировки последнего, вспомогательный летательный аппарат поворачивают на 90° в вертикальной плоскости и стабилизируют положение гибкой связи в вертикальном положении, путем подавляющей компенсации тягой винтов вспомогательного летательного аппарата раскачки объекта взаимосвязи (это позволяет практически «бесплатно», попутно сохранить функционал прототипа - возможность стабилизации вертикального положения гибкой связи с объектом - вывешенным грузом);

- параллельно упомянутой гибкой связи с присоединенным к ней вспомогательным ЛА, из основного ЛА выпускают по меньшей мере еще одну гибкую связь с прикрепленным у ее свободного конца вспомогательным ЛА, аналогичные упомянутым, после чего, дифференцированно управляя ими, осуществляют независимую друг от друга последовательную или параллельную во времени взаимосвязь свободных концов с пространственно разнесенными различными объектами взаимосвязи или фрагментами крупногабаритного объекта взаимосвязи (это дополнительно и существенно расширяет ТЭВ предложения в случаях двух- и множественности объектов взаимосвязи, особенно в условиях важности быстродействия, например при спасении людей при кораблекрушениях).

В соответствии с заявляемой группой изобретений, кроме способа, заявляется и устройство (комплекс) для его осуществления, которое содержит летательный аппарат и регулируемую по длине гибкую связь с закрепленным на летательном аппарате одним концом и свободным другим концом для взаимосвязи с объектом в окружающем пространстве, причем в состав комплекса дополнительно входит другой управляемый, по крайней мере из основного летательного аппарата, вспомогательный летательный аппарат, например квадрокоптер, с возможностью его соединения с упомянутой гибкой связью у свободного ее конца до выпуска последнего из основного летательного аппарата, согласно заявляемому изобретению-устройству, упомянутый управляемый летательный аппарат является основным, преимущественно вертолетом, а вспомогательный летательный аппарат укомплектован системой видеонаблюдения - по радиоканалу или по кабелю, сопряженному с гибкой связью.

- комплекс может дополнительно содержать, по крайней мере, одну дополнительную гибкую связь, аналогичную упомянутой, и соответствующее дополнительное количество вспомогательных ЛА, сопрягаемых с дополнительными гибкими связями у их свободных концов, с возможностью их дифференцированного управления и пространственного разнесения управляемых таким образом свободных концов всех гибких связей в пространстве (это существенно повышает «производительность спасательных и иных операций при двух и более рассредоточенных объектах, например, терпящих бедствие в водной стихии).

Реализация заявляемого комплекса для осуществления также заявляемого способа возможна как применением известных компонентов-устройств (материальных объектов) - см. близкий аналог [15], прототип [17] и аналоги-дроны [12], [13] для осуществления базового способа), так и новых, отличающихся от имеющихся в настоящее время небольшими изменениями (модернизациями), которые могут, с одной стороны, очевидным образом следовать для специалистов из современного уровня техники, а с другой стороны - посредством существенно новых устройств на уровне изобретений и полезных моделей. Иначе говоря, устройство для осуществления заявляемого способа формируется посредством по-отдельности известных компонентов (комплекса технических средств), взаимосвязанных по-новому, неочевидным до этого образом. При этом сам способ в своих основных и дополнительных существенных признаках соответствует признакам в описании работы (использования) заявляемого устройства, приведенного ниже по тексту сразу после описания устройства. В принципе, возможен спектр устройств в рамках заявляемой совокупности существенных признаков (см формулу группы изобретений).

Заявляемый способ и комплекс (как устройство для осуществления этого способа) иллюстрируется чертежами (схемами) - см. фиг. 1, 2, где позициями обозначены:

1 - основной (первый, базовый), управляемый ЛА на примере вертолета; 2 - вспомогательный (второй) ЛА на примере малогабаритного квадрокоптера (дрона), с системами теле- или автоматического управления и ТВ-наблюдения (по радио- или проводному каналу) с (из) ЛА 1; 3 - гибкая связь (трос, канат, веревочная лестница, шланг или др.) или «внешний подвес» для оперативной, не ручной, беспосадочной и бесстыковочной (непосредственно) организации взаимосвязи ЛА 1 и ЛА 2; 4 - лебедка на ЛА 1 с зафиксированным первым (верхним) концом гибкой связи 3; 5 - второй (далее по тексту - «свободный») конец гибкой связи 3; 6 - взаимосвязь (на примере жесткой взаимосвязи на заданном расстоянии) ЛА 2 со свободным концом 5 гибкой связи 3; 7 - объект целевой взаимосвязи с концом 5 гибкой связи 3 (внешний, т.е. вне ЛА 1, на суше, на поверхности воды, в воде или в воздухе), например эвакуируемый человек, полезный груз или источник/потребитель топлива; 8 - поверхность Земли; 9 - второй объект взаимосвязи: 10 - дополнительная гибкая связь (ветвь), аналогичная гибкой связи 3; 11 - свободный конец гибкой связи 10: 12 - третий, тоже вспомогательный ЛА (аналогичен ЛА 2); 13 - взаимосвязь (аналогична взаимосвязи 6) ЛА 12 со свободным концом 11 гибкой связи 10.

На фиг. 1 показана схема управления свободным концом гибкой связи (внешним подвесом) по его пространственному совмещению с объектом взаимосвязи, вид сбоку, где (X, Y, Z) - координаты объекта взаимосвязи; (X*, Y*, Z*) - координаты управляемого свободного конца гибкой связи (внешнего подвеса);

на фиг. 2 - схема с двумя гибкими связями, с независимо управляемыми их свободными концами, где (Х1, Y1, Z1) - координаты первого объекта взаимосвязи; Х1*, Y1*, Z1* - координаты управляемого свободного конца первой гибкой связи (первого внешнего подвеса); (Х2, Y2, Z2) - координаты второго (дополнительного) объекта взаимосвязи; Х2*, Y2*, Z2* - координаты управляемого свободного конца второй (дополнительной) гибкой связи (второго, дополнительного внешнего подвеса).

Заявляемый комплекс содержит (в порядке подробного описания с использованием чертежей) основной управляемый ЛА 1, преимущественно вертолет (1), и регулируемую по своей длине (в в впущенном состоянии) гибкую связь 3 с закрепленным на ЛА 1 (преимущественно на бортовой лебедке 4) одним концом и свободным другим концом - 5 для взаимосвязи с объектом 7 в окружающем пространстве (в частности на поверхности Земли 8).

В его состав дополнительно входит другой управляемый, вспомогательный ЛА - 2, с возможностью его соединения с гибкой связью 3 у ее свободного конца 5 до выпуска последнего (5) из основного ЛА 1.

В качестве вспомогательного ЛА 2 может быть использован, преимущественно, малогабаритный беспилотный ЛА (БПЛА), управляемый, по крайней мере, из основного ЛА 1.

В качестве БПЛА (2) может быть использован, преимущественно, мультикоптер (2), преимущественно квадрокоптер (2).

Вспомогательный ЛА 2 укомплектован системами теле- или автоматического управления и видеонаблюдения - по радиоканалу или по кабелю, сопряженному с гибкой связью 3.

Комплекс может дополнительно содержать, по крайней мере, одну дополнительную гибкую связь 10, аналогичную упомянутой 3, и соответствующее дополнительное количество вспомогательных ЛА 12, сопрягаемых (связь 13) с дополнительными гибкими связями 10 у их свободных концов 11, с возможностью их дифференцированного управления и пространственного разнесения управляемых таким образом свободных концов (5, 11) всех гибких связей (3, 10) в пространстве (см. фиг. 2).

Возможны другие конкретные устройства и способы в рамках формулируемых (см. формулу группы изобретений) существенных совокупностей признаков.

Заявляемое устройство (комплекс технических средств) работает (используют) следующим образом, в соответствии с заявляемым способом управления положением свободного конца 5 гибкой связи 3.

Из основного ЛА 1, преимущественно вертолета с экипажем, выпускают, посредством лебедки 4, закрепленную одним концом гибкую связь (веревочную лестницу, трос, шланг и др.) 3.

Управляя, посредством гравитационного поля и комплекса технических средств, включая известные (штатные) средства маневрирования основного ЛА 1, положением в пространстве другого, свободного конца 5 гибкой связи 3, совмещают его (стыкуют известными автосцепками или обеспечивают досягаемую дистанцию до объектов-людей или объектов-животных) с объектом 7 взаимосвязи ЛА 1 и ЛА 2. Иначе говоря, совмещают координаты X*, Y*, Z* конца 5 с координатами X, Y, Z объекта 7 (см. фиг. 1).

Управление положением в пространстве свободного конца 5 гибкой связи 3 дополнительно осуществляют посредством управляемого маневрирования вспомогательного ЛА 2, предварительно (на борту ЛА 1) соединив ЛА 2 с гибкой связью 3 у ее свободного конца 5 (вблизи него на заданном из условия геометрического, маневрового удобства и безопасности функционирования).

В примере с «мультиагентной системой» (см. фиг. 2) параллельно гибкой связи 3 с присоединенным к ней вспомогательным ЛА 2, из основного ЛА 1 выпускают, по меньшей мере, еще одну гибкую связь - 10 с прикрепленным у ее свободного конца 11 вторым вспомогательным летательным аппаратом - ЛА 12, аналогичные упомянутым. После чего, дифференцированно управляя (динамика изменения координат Х1*, Y1*, Z1* и Х2*, Y2*, Z2*) всеми вспомогательными ЛА (2, 12, …), осуществляют независимую друг от друга последовательную или параллельную во времени взаимосвязь свободных концов (5, 11, …) с пространственно разнесенными (Х1, Y1, Z1 и Х2, Y2, Z2 соответственно) различными объектами взаимосвязи (7, 9, …) или фрагментами крупногабаритного объекта взаимосвязи (7, 9, …).

Таким образом, заявляется способ с весьма расширенными возможностями: с двойным (одновременно или последовательно) «наведением» конца 5 на «цель» - объект 7, соответственно, грубое (аппаратом 1) и точное (аппаратом 2) «наведение» (управление). При этом радиус действия ЛА 2 ограничен лишь длиной выпущенной гибкой связи 3 (не считая местных препятствий).

Это особенно важно и эффективно в условиях таких неблагоприятных эксплуатационных условиях, как удаленность объекта 7 от ЛА 1, внешние воздействия, включая ветер, затрудненная зачастую «геометрическая» доступность конца 5 к объекту 7 (ниши в скальных породах, окна высотных зданий и балконы) и нестабильность положения ЛА 1 в пространстве.

Существенно в оценке технического результата использования группы изобретений и еще два преимущества:

- возможна (см. фиг. 2) одновременная, к примеру, эвакуация двух и более живых существ (людей или животных) 7, 9 с равнинной местности 8, со скал, с водной поверхности и т.д., когда они рассредоточены в пространстве в пределах до десятков метров, использованием «пучка» гибких связей 3, 10, к концу 5, 11 каждой составляющей которого прикреплен индивидуальный дрон 2, 12 (так называемая «мультиагентная система» дронов 2, 12, …);

- в заявляемом предложении сохраняется возможность (технический результат) близкого аналога [15], поскольку ЛА 2 - квадрокоптер может выполнять и функцию ГГУ (блока вентиляторов - см. [15]), теперь уже как один из возможных эксплуатационных режимов (т.е. частный случай работы устройства) ЛА 2, - в повернутом на 90° положении в вертикальной плоскости, для стабилизации транспортируемого по воздуху аппаратом 1 груза (на чертежах не показано в связи ясностью словесного описания).

Предложенная группа изобретений (способ и устройство) технологически относительно проста, весьма доступна на текущем витке развития прогресса в авиации и в перспективе, представляется достаточно эффективной.

Таким образом, ее использование решает поставленную задачу при сохранении также функций прототипа.