Аэростатический летательный аппарат

 

Изобретение относится к летательным аппаратам легче воздуха, использующим дополнительную тягу несущего винта. Тороидальный баллон с мягкой оболочкой заполнен газом легче воздуха, например гелием. Внутренняя часть баллона образует воздушный канал. Стенка воздушного канала выполнена в виде жесткого экрана, к поверхности которого с помощью балочных держателей прикреплена мотогондола. Аппаратура управления дирижаблем и двигатель привода размещены внутри мотогондолы. На оси привода, ориентированной вдоль оси симметрии мотогондолы, установлены лопатки спрямляющего аппарата с изменяемым углом атаки и автомат перекоса, обеспечивающий наклон вектора тяги несущего винта, при этом управляющие входы спрямляющего аппарата и автомата перекоса подключены к аппаратуре управления дирижаблем. Предпочтительно аппаратура управления имеет автономный источник питания, например аккумулятор, а двигатель привода выполнен в виде электромотора, подключенного к автономному источнику питания. Изобретение позволяет расширить сферу применения дирижабля, который может использоваться в качестве носителя рекламной информации или платформы для установки аппаратуры землеобзора. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к воздухоплавательной технике, в частности к летательным аппаратам (ЛА) легче воздуха, использующим дополнительную тягу несущего винта.

Известны ЛА, построенные по комбинированной схеме - на принципах "дирижабль - вертолет" (SU №1816708, В 64 В 1/02, 23.05.1993, RU №2104903, В 64 В 1/34, 20.02.1998, RU №2155143, В 64 В 1/30, 27.08.2000).

К этому классу ЛА относится, например, воздушное транспортное средство, содержащее оболочку, разделенную внутри на отсеки и заполненную газом легче воздуха, силовую установку с двигателем и воздушными винтами, воздухонагнетательные установки с вертикальными каналами для подачи воздуха, при этом для повышения эксплуатационной надежности указанный ЛА снабжен упрочняющими тороидальными камерами, размещенными в отсеках оболочки и опоясанными стропами, герметичной эластичной диафрагмой, перекрывающей отверстие центральной тороидальной камеры, системой подвески груза, выполненной в виде кольцевой трапеции, соединенной со связанными вместе концами строп, устройством контакта груза с опорной поверхностью, звездообразными платформами, подвешенными за стропы крайних тороидальных оболочек, воздухонагнетательные установки размещены на звездообразных платформах, а ограждение для образования воздушной подушки, прикрепленное по периметру оболочки, выполнено гибким, например гофрированным, и снабжено растяжками (SU №1808760, В 64 В 1/00, В 60 V 3/08, 15.04.1993).

Подъемная сила всех указанных ЛА складывается из аэростатической (архимедовой) подъемной силы надувной оболочки, снабженной тороидальными камерами, которые заполняются под избыточным давлением легким газом, например гелием или горячим воздухом, и подъемной силы, создаваемой избыточным давлением воздуха, подаваемого от воздухонагнетательных установок. Эта суммарная подъемная сила уравновешивает вес конструкции ЛА и вес перевозимого или поднимаемого им груза.

Основным назначением всех вышеупомянутых ЛА является подъем и/или транспортировка тяжелых грузов. Соответственно, ЛА характеризуют большие габариты и большой объем газа, заполняющего оболочку. Поскольку легкий газ, например гелий, имеет высокую текучесть, он проникает через оболочку. Поэтому такие ЛА требуют периодической дозаправки. Горячий же воздух остывает и требует постоянного подогрева. Все это создает большие неудобства при доставке ЛА к месту запуска, затрудняет эксплуатацию указанных ЛА и требует дополнительных эксплуатационных расходов, а также наличия штата обслуживающего персонала.

Для повышения оперативности доставки и запуска ЛА, а также для повышения удобства эксплуатации ЛА (в первую очередь - беспилотных), построенных по комбинированной схеме на принципах "дирижабль-вертолет", усиливают их "вертолетную компоненту" - элементы конструкции, обеспечивающие вертикальную тягу. За счет этого добиваются уменьшения габаритов ЛА, повышения удобства эксплуатации при сохранении или увеличении общей подъемной силы.

К этому классу технических решений относится, например, малогабаритная мобильная авиационная система, по патенту RU №2015067, В 64 С 29/02, 30.06.1994, содержащая беспилотные ЛА с автономным электроприводом, подвижный контейнер для транспортировки беспилотных ЛА и аппаратуру дистанционного управления полетом беспилотных ЛА, в которой беспилотные ЛА выполнены в виде вертикального взлетающих платформ с жесткими винтовентиляторами, снабженных системой автоматической посадки, а передвижной контейнер базируется на автомобильном шасси и снабжен устройствами обеспечения беспилотных ЛА энергией для их полета и осуществления рабочего цикла взлета и посадки.

Входящие в состав указанной системы беспилотные ЛА управляются дистанционно по радиолучу с помощью компьютера и манипулятора, установленных на автомобильном шасси. Автономная электрическая силовая установка выполнена в виде блока двигателя внутреннего сгорания и генератора или маховичного накопителя энергии. После прибытия передвижного контейнера в расчетную точку зоны обслуживания водитель-оператор устанавливает антенну аппаратуры дистанционного управления беспилотным ЛА в рабочее положение и производит подзарядку бортовых устройств ЛА.

Это является недостатком указанной системы, поскольку отсутствие на борту автономного источника питания резко ограничивает время полета, а отсутствие автономных средств ориентации платформы затрудняет использование средств видеонаблюдения земной поверхности, необходимых для решения многих практических задач. Кроме того, в составе аппаратуры, установленной на платформе, отсутствуют средства, обеспечивающие горизонтальное движение ЛА, что также необходимо во многих практических применениях беспилотных ЛА.

Частично указанные недостатки устраняются в изобретении по патенту WO №00/32469, В 64 С 27/20, В 64 В 1/06, 08.06.2000, выбранном в качестве прототипа настоящего изобретения.

В нем описан тороидальный аэростатический ЛА, построенный по комбинированной схеме и содержащий мягкую заполненную газом легче воздуха тороидальную оболочку. Внутренняя часть тороида ЛА образует воздушный канал. Внутри этого воздушного канала находится несущий винт с приводом от двигателя, расположенным внутри воздушного канала. Блок управления несущего винта установлен на жесткой раме, подвешенной с помощью балочных держателей к круглой балке, образующей профиль тороидального аэростатического ЛА.

На круглой балке установлен жидкостной гироскоп с блоком управления. Образующая профиль ЛА балочная конструкция отходит радиально от круглой балки. Она представляет собой комплиментарную поддерживающую конструкцию с предварительно напряженными дугами и стяжками или же сконструирована как простая балочная сквозная ферма. Образующая профиль аэростатического ЛА балочная конструкция и консоли круглой балки соединены дугообразными распорками. Блок управления установлен на раме вблизи центра масс ЛА. Привод компрессора поворачивает несущий винт компрессора с дистанционным приводом оси и создает необходимое избыточное давление в компрессионной трубе газовых рулей. От компрессионной трубы через выпускные каналы воздухонагнетательного трубопровода обтекаемой секции осуществляется отклонение газовых рулей, обеспечивающее устойчивость при маневрировании ЛА. Выпускные каналы воздухонагнетательного трубопровода расположены вокруг образующей профиль балочной конструкции и соединены с помощью трубопроводов, разделенных на две нити. На концах выпускных каналов воздухонагнетательного трубопровода, которые выступают за контур газовых ячеек, расположены панели газовых рулей. Вблизи центра масс к раме подвешена кабина. Из кабины можно управлять нижним блоком крепления, который служит для удерживания груза. Нижний блок крепления непосредственно связан с верхним блоком крепления с помощью несущей балки, которая проходит через основную ось несущего винта, конструктивно выполненную в виде трубопровода.

Описанный выше тороидальный аэростатический ЛА приземляется с помощью основного шасси и вспомогательных колес, которые обеспечивают его движение по земле и парковку.

Конструкция ЛА позволяет ему перемещаться только по направлению "вверх-вниз" и медленно двигаться "вперед-назад" и "направо-налево" в горизонтальной плоскости, избегая наклонов относительно поперечной оси. Это обеспечивается благодаря жидкостному гироскопу и управлению напором воздуха в вертикальном воздушном канале. Жидкостной гироскоп представляет собой кольцевой трубопровод, внутри которого под действием мотора циркулирует жидкость, момент инерции которой стабилизирует горизонтальное положение ЛА.

Недостатком прототипа является громоздкость его конструкции и большая масса, которые затрудняют его применение при решении задач, выходящих из узкого круга задач транспортировки сверхтяжелых грузов. Например, подобный ЛА не может быть использован для полета в закрытых помещениях при демонстрации рекламной информации. Затраты на его эксплуатацию достаточно высоки.

Предметом настоящего изобретения является аэростатический ЛА, содержащий заполненный газом легче воздуха, например гелием, тороидальный баллон с мягкой оболочкой, внутренняя часть которого образует воздушный канал, внутри которого расположены двигатель, выполненный с возможностью обеспечения вращения привода, и привод, на оси которого находится несущий винт, а также подключенная к двигателю аппаратура управления ЛА, балочные держатели и прикрепленные к нижней кромке воздушного канала посадочные приспособления, ось вращения несущего винта совпадает с осью симметрии тороидального баллона с мягкой оболочкой, - при этом внутренняя стенка воздушного канала выполнена в виде жесткого экрана, к поверхности которого с помощью балочных держателей прикреплена мотогондола, внутри которой установлена аппаратура управления ЛА, привод помещен в мотогондолу и ориентирован вдоль ее оси симметрии, на оси привода установлены лопатки спрямляющего аппарата с изменяемым углом атаки и автомат перекоса, обеспечивающий наклон вектора тяги несущего винта, при этом управляющие входы спрямляющего аппарата и автомата перекоса подключены к аппаратуре управления ЛА.

Частными существенными признаками изобретения являются следующие.

Аппаратура управления ЛА содержит автономный источник питания, например аккумулятор, а двигатель выполнен в виде электромотора, подключенного к автономному источнику питания.

Источник питания находится на земле и связан с двигателем и с аппаратурой управления ЛА кабелем-тросом.

Электромотор выполнен бесколлекторным.

Задачей, на решение которой направлено настоящее изобретение, является обеспечение возможности применения аэростатического ЛА, использующего дополнительную вертикальную тягу несущего винта, в закрытых помещениях, например в больших выставочных павильонах - для демонстрации рекламной информации, ведения видеосъемки и др. Обеспечиваемый технический результат заключается в уменьшении массы и габаритов ЛА при сохранении устойчивости полета и безопасности применения, характерных для ЛА этого класса.

Суть изобретения поясняется с помощью фиг.1 и 2, на которых приведены, соответственно, эскизный чертеж конструкции предлагаемого аэростатического ЛА и упрощенная структурная схема электронного оборудования. При этом на фиг.2 показан вариант исполнения электронного оборудования, в котором источник питания не входит в состав аппаратуры управления ЛА, а расположен на земле и связан с двигателем и с аппаратурой управления ЛА кабелем-тросом.

На фиг.1 и на фиг.2 использованы следующие обозначения:

1 - тороидальный баллон с мягкой оболочкой; 2 - аппаратура управления ЛА; 3 - мотогондола; 4 - двигатель; 5 - привод; 6 - несущий винт; 7 - жесткий экран; 8 - воздушный канал; 9 - лопатка; 10 - спрямляющий аппарат; 11 - автомат перекоса; 12 - посадочное приспособление; 13 - балочные держатели; 14 - источник питания. Ось симметрии тороидального баллона 1 с мягкой оболочкой обозначена на фиг.1 литерами I-Iʹ.

Внутри тороидального баллона 1 с мягкой оболочкой, заполненного газом легче воздуха, например гелием, расположен воздушный канал 8, стенки которого представляют собой жесткий экран 7, плотно прилегающий к внутренней поверхности тороидального баллона 1 с мягкой оболочкой. К жесткому экрану 7 с помощью системы балочных держателей 13 прикреплена мотогондола 3, внутри которой установлена аппаратура 2 управления ЛА, двигатель 4 и привод 5. При этом двигатель 4 предназначен для вращения привода 5.

В воздушном канале 8 на оси привода 5 расположен несущий винт 6, ось вращения которого совпадает с осью симметрии I-Iʹ тороидального баллона 1 с мягкой оболочкой. На оси привода 5 установлены лопатки 9 спрямляющего аппарата 10 с изменяемым углом атаки и автомат 11 перекоса, предназначенный для принудительного отклонения вектора тяги несущего винта 6 от оси I-Iʹ. Управляющие входы спрямляющего аппарата 10 и автомата 11 перекоса подключены к аппаратуре 2 управления ЛА. Балочные держатели 13, удерживающие мотогондолу 3, находятся внутри воздушного канала 8 и скреплены с жестким экраном 7, обеспечивая прочность всей конструкции ЛА. Сфера обметания несущего винта 6 вписывается в жесткий экран 7 (расположенный внутри воздушного канала 8), чем обеспечивается безопасность применения ЛА. Балочные держатели 13 и вращающиеся лопасти несущего винта 6 всегда находятся внутри жесткого экрана 7 и отделены им от внешних предметов.

К нижнему концу жесткого экрана 7, ограниченному нижней кромкой воздушного канала 8, прикреплены посадочные приспособления 12, выполненные, например, в виде посадочного кольца, полозьев или колес.

Представленная выше конструкция ЛА обеспечивает возможность его быстрого вертикального взлета (посадки), разворота по курсу и горизонтального движения в заданном направлении.

Подъемная сила предлагаемого ЛА складывается из трех составляющих:

- архимедовой силы, создаваемой газом легче воздуха, находящимся в тороидальном баллоне 1 с мягкой оболочкой;

- тяги несущего винта 6;

- аэродинамической силы, возникающей при протекании воздуха по воздушному каналу 8.

Работа рассматриваемого аэростатического ЛА осуществляется следующим образом.

На земле (или на полу павильона) оболочка тороидального баллона 1 с мягкой оболочкой заполняется газом легче воздуха, например гелием. Заранее, программным путем в аппаратуру 2 управления ЛА вводится полетное задание, включающее в себя траекторию полета с промежуточными пунктами маршрута, заданные высоту и скорость полета. После этого обеспечение полета по заданной траектории возлагается на бортовую аппаратуру 2 управления ЛА. Алгоритмы управления полетом могут формироваться, например, с помощью микропроцессора и обеспечивать стабилизацию курса, крена и тангажа в прямолинейном полете и при координированных разворотах.

Перемещение ЛА по вертикали осуществляется аппаратурой 2 управления ЛА путем подачи соответствующих команд на расположенный в мотогондоле 3 двигатель 4 с приводом 5, выполненный, например, в виде бесколлекторного электромотора. Эти команды изменяют скорость вращения несущего винта 6, и соответственно, его тягу, а аэродинамическая подъемная сила, возникающая при обтекании воздушным потоком жесткого экрана 7 в воздушном канале 8 еще более увеличивает общую подъемную силу. Разворот по курсу осуществляется изменением угла атаки (установки) лопаток 9 спрямляющего аппарата 10.

Перемещение ЛА в горизонтальной плоскости (по продольной и поперечной осям) осуществляется путем наклона с помощью автомата 11 перекоса вектора тяги несущего винта 6.

Взлет ЛА осуществляется вертикально с земной поверхности, с пола выставочного павильона или с платформы (на которую ЛА устанавливается для дозаправки и программирования аппаратуры 2 управления ЛА) с помощью посадочных приспособлений 12. Совершив требуемый полетным заданием набор высоты, ЛА следует с заданной скоростью и высотой полета к промежуточному пункту маршрута и совершает, к примеру, зависание в указанном промежуточном пункте маршрута на заданное время. После этого он продолжает движение по заданному маршруту, проходя заданные промежуточные пункты, после чего совершает автоматическую посадку в конечном пункте маршрута, используя посадочные приспособления 12. После посадки ЛА на конечном пункте производится его дозаправка газом легче воздуха, введение нового маршрута и следующий запуск.

При использовании ЛА в закрытых выставочных помещениях для демонстрации рекламной информации, как правило, начальный и конечный пункты маршрута совпадают. В этом случае введение нового маршрута может не производиться.

Для контроля набранной высоты полета и допустимых отклонений от заданного маршрута используются датчики, входящие в состав аппаратуры 12 управления ЛА.

Управление вращением и углом наклона несущего винта 6 осуществляется так же, как в вертолетах - с циклическим шагом и с принудительным отклонением оси.

Жесткость конструкции обеспечивается системой балочных держателей 13 (подкосов), прикрепленных к жесткому экрану 7.

Несущий винт 6 приводится в движение двигателем 4 с приводом 5, например, бесколлекторным электромотором.

Электрическое питание всех размещенных в воздушном канале 8 узлов осуществляется с помощью автономного источника 14 питания, например аккумулятора. Источник 14 питания может входить в состав аппаратуры 2 управления ЛА или же (как показано на фиг.2) находиться на земле и подключаться к двигателю 4 и к аппаратуре 2 управления ЛА с помощью кабеля-троса.

Указанная аппаратура 2 управления ЛА контролирует с помощью датчиков, входящих в ее состав, перемещение ЛА по заданному маршруту. При отклонении от маршрута, превышающем заданные программой пределы, или при достижении ЛА промежуточного или конечного пункта маршрута аппаратура 2 управления изменяет траекторию движения ЛА. Для этого аппаратура 2 управления ЛА формирует (например, с помощью микропроцессора) командные воздействия:

- на двигатель 4 с приводом 5 (изменяя тягу несущего винта 6);

- на автомат 11 перекоса (формируя горизонтальную составляющую скорости движения за счет наклона оси несущего винта 6);

- на лопатки 9 спрямляющего аппарата 10 (обеспечивая разворот ЛА по курсу).

Предлагаемый аэростатический ЛА выгодно отличается простотой и легкостью конструкции, небольшой массой и габаритами.

При этом он сохраняет достоинства прототипа - аэростатического ЛА, использующего дополнительную вертикальную тягу несущего винта - связанные с высокой грузоподъемностью, устойчивостью полета и безопасностью использования.

Это позволяет использовать предлагаемый аэростатический ЛА в закрытых помещениях, например в выставочных павильонах - для демонстрации рекламной продукции, ведения видеосъемки и т.п.

Формула изобретения

1. Аэростатический летательный аппарат, содержащий заполненный газом легче воздуха, например гелием, тороидальный баллон с мягкой оболочкой, внутренняя часть которого образует воздушный канал, внутри которого расположены двигатель, выполненный с возможностью обеспечения вращения привода, и привод, на оси которого находится несущий винт, а также подключенная к двигателю аппаратура управления летательным аппаратом, балочные держатели и прикрепленные к нижней кромке баллона посадочные приспособления, при этом ось вращения несущего винта совпадает с осью симметрии тороидального баллона с мягкой оболочкой, отличающийся тем, что внутренняя стенка воздушного канала выполнена в виде жесткого экрана, к поверхности которого с помощью балочных держателей прикреплена мотогондола, внутри которой установлена аппаратура управления летательным аппаратом, двигатель помещен в мотогондолу и ориентирован вдоль ее оси симметрии, на оси привода установлены лопатки спрямляющего аппарата с изменяемым углом атаки и автомат перекоса, обеспечивающий наклон вектора тяги несущего винта, при этом управляющие входы спрямляющего аппарата и автомата перекоса подключены к аппаратуре управления летательным аппаратом.

2. Аэростатический летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что аппаратура управления дирижаблем содержит автономный источник питания, например аккумулятор, а двигатель привода выполнен в виде электромотора, подключенного к автономному источнику питания.

3. Аэростатический летательный аппарат по п.1, отличающийся тем, что источник питания находится на земле и связан с двигателем и с аппаратурой управления летательным аппаратом кабелем-тросом.

4. Аэростатический летательный аппарат по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что электромотор выполнен бесколлекторным.

РИСУНКИ