Область техники

Изобретение относится к области вертолетостроения, более точно к беспилотным вертолетам с тросом для удержания вертолета относительно поверхности земли.

Предшествующий уровень техники

Известен аэроподъемник, патент США N° 3223358, опубликованный 14 декабря 1965 г., включающий винтомоторный блок и средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, закрепленное на винтомоторном блоке в месте, расположенном на оси вращения винта. Недостатком этого технического решения является то, что управляющий элемент для удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности закреплен ниже центра тяжести винтомоторного блока. Из-за этого при наклоне винтомоторного блока, вследствие каких-либо возмущений, сила тяжести, действующая на винтомоторный блок, создает опрокидывающий момент относительно места крепления к нему средства удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, в результате чего аэроподъемник характеризуется низкой мобильностью, а также невысокой надёжностью и безопасностью при эксплуатации.

Раскрытие изобретения

Техническим результатом, на достижение которого направлено заявленное изобретение, является восстанавливающий момент, возникающий при наклонах находящегося в воздухе аэроподъемника, и повышение, таким образом, устойчивости аэроподъемника к воздействующим на него возмущениям, приводящим к его наклону при эксплуатации.

Указанный технический результат достигается тем, что в аэроподъемнике, включающем винтомоторный блок и средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, закрепленное на винтомоторном блоке на оси вращения винта, средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности закреплено выше центра тяжести винтомоторного блока. Средство удержания может быть закреплено шарнирно. например, посредством сферического или карданного шарнира. В отдельных случаях средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может быть закреплено жестко, например, посредством защемления.

Кроме того, для достижения указанного технического результата винтомоторный блок аэроподъемника может включать каркас или полый цилиндр, на котором установлен, по крайней мере, один электродвигатель с кольцеобразным статором, охватывающим каркас или полый цилиндр, а средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности закреплено внутри каркаса или полого цилиндра с возможностью отклонения относительно оси вращения ротора электродвигателя при наклоне или смещении аэроподъемника относительно земной поверхности.

Средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может иметь различные конструкции. В самом простом случае средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности выполнено в виде троса.

Кроме того, средство удержания может быть в виде троса и рычага, включающего два последовательно соединенных колена, одно из которых соединено с тросом, а другое - закреплено внутри каркаса или полого цилиндра с возможностью поворота вокруг оси вращения винта, в частности, посредством своего привода, и привод, регулирующий угол между коленами.

Также средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может быть выполнено в виде троса и рамы, закрепленной посредством сферического или карданного шарнира на винтомоторном блоке. Рама может быть выполнена с возможностью охвата винтомоторного блока, т.е. винтомоторный блок может быть расположен внутри рамы. При этом винтомоторный блок может включать электродвигатель и установленный в статоре электродвигателя опорный элемент для рамы средства удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, закрепленной посредством сферического или карданного шарнира на торце опорного элемента, а средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может включать электрический кабель, соединяющий наземный источник электроэнергии с электродвигателем винтомоторного блока. Опорный элемент может быть выполнен полым для размещения в нем электрического кабеля, соединяющего наземный источник электроэнергии с электродвигателем винтомоторного блока.

Винтомоторный блок аэроподъемника может включать два винта, а рама средства удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может быть закреплена на винтомоторном блоке между первым и вторым винтами. Кроме того, рама средства удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может быть закреплена под винтом или винтами, если винтомоторный блок содержит два винта. В частности, винтомоторный блок может включать привод, выполненный с корпусом, на котором закреплена рама средства удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности.

Винтомоторный блок не обязательно включает электродвигатель. Может быть использован, например, двигатель внутреннего сгорания, а топливо подаваться по трубопроводу, входящему в состав средства удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности. Кроме того, использование электродвигателя не обязательно предполагает подведение электроэнергии с земной поверхности. Источник электроэнергии может быть установлен на аэроподъемнике, или на винтомоторном блоке или на средстве удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности.

Краткое описание чертежей

Изобретение поясняется чертежами, где: на фиг. 1 изображена схема аэроподъемника, в котором средство удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности закреплено внутри каркаса или полого цилиндра винтомоторного блока; на фиг. 2 приведено -детальное изображение крепления средства удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности внутри каркаса или полого цилиндра и крепление втулок винтов на роторах электродвигателей; на фиг. 3 изображена схема сил, действующих на аэроподъемник при внешних возмущениях; на фиг. 4 изображена схема аэроподъемника со средством удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, включающим трос и рычаг; на фиг. 5 изображена схема аэроподъемника со средством удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, включающим трос и раму, закрепленную на корпусе привода винтомоторного блока; на фиг. 6 изображена схема аэроподъемника со средством удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, включающим трос и раму, охватывающую один из двух винтов винтомоторного блока; на фиг. 7 показано взаимное расположение рамы средства удержания винтомоторного блока и винтомоторного блока при наклоне винтомоторного блока; на фиг. 8 изображена схема аэроподъемника со средством удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности в виде троса и рамы, охватывающей винтомоторный блок с двумя винтами.

Описание изобретения

Аэроподъемник, как показано на фиг. 1 состоит из винтомоторного блока, включающего каркас или полый цилиндр (1 ), винты (2) и силовую установку (3), и закрепленного на винтомоторном блоке средства (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности.

Средство (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности выполнено в виде троса или грузонесущего электрокабеля, верхний конец которого закреплен внутри каркаса или полого цилиндра (1) так, что место крепления расположено на оси вращения винта (2) выше центра тяжести винтомоторного блока, а нижний конец троса или грузонесущего электрокабеля закреплен на земле или транспортном средстве.

В винтомоторном блоке, как правило, используются один или два винта фиксированного шага. Для решения специальных задач, требующих большей эффективности, могут быть применены винты изменяемого шага. Воздушные винты (2) приводятся во вращение электродвигателями силовой установки (3). В самом простом варианте исполнения аэроподъемника один электродвигатель вращает один винт, в более сложных вариантах могут использоваться два и более двигателя на один винт. Такие варианты могут диктоваться специальными требованиями, например резервированием, но в общем случае применение одного двигателя более эффективно с точки зрения уменьшения массы винтомоторного блока. Подача электропитания к двигателям силовой установки осуществляется посредством электрокабеля (5), который может являться составной частью средства (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности. Кроме того, в состав средства (4) могут также входить провода для передачи информации, как для управления аэроподъемником, так и провода от устройств, размещенных на аэроподъемнике, в том числе оптоволоконные и коаксиальные кабели.

Средство (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности крепится на винтомоторном блоке таким образом, чтобы обеспечить возможность отклонения средства (4) относительно оси вращения винта при наклоне или смещении аэроподъемника относительно земной поверхности. С этой целью средство (4) может быть закреплено шарнирно, например, посредством сферического шарнира (6), преимуществом которого является его простота, или карданного шарнира (поз. 22 на фиг. 2). В отдельных случаях при использовании гибкого троса или кабеля-троса, средство (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может быть закреплено жестко, например, защемлено.

Для исключения касания каркаса или полого цилиндра (1) средством (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, которое может возникнуть в случае наклона винтомоторного блока аэроподъёмника в результате внешнего возмущения, например возникновения бокового воздушного потока, аэроподъемник снабжен датчиками положения средства (4) удержания винтомоторного блока, формирующими сигнал о его положении относительно каркаса или полого цилиндра (1). В качестве датчиков положения могут использоваться индукционные, оптические, емкостные, датчики Холла, потенциометрические, тензодатчики и т.д. В случае применения индукционных датчиков или датчиков Холла неподвижная часть датчиков (7) установлена на каркасе или полом цилиндре (1 ), а подвижная часть датчиков

(8) установлена на средстве (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности. При использовании иных датчиков они могут быть установлены либо только на каркасе или полом цилиндре (1), либо только на средстве (4) удержания винтомоторного блока. На основании сигналов этих датчиков система управления аэроподъемника не допускает опасного касания за счет принудительного изменения взаиморасположения каркаса или полого цилиндра (1) и средства (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности.

На каркасе или полом цилиндре (1) могут быть установлены регулируемые аэродинамические поверхности (9), которые располагаются в индуктивном потоке под винтами (2) и управляются рулевыми электрическими, гидравлическими или электрогидравлическими приводами (10). Регулируемые аэродинамические поверхности

(9) обеспечивают поворот аэроподъёмника по крену, тангажу, а также разворот вокруг вертикальной оси. Управление по крену и тангажу необходимо для перемещения аэроподъёмника в пространстве относительно точки закрепления нижнего конца средства (4) удержания винтомоторного блока на земле или транспортном средстве, а управление разворотом вокруг вертикальной оси является дополнительным средством стабилизации от вращения аэроподъемника. Кроме того, регулируемыми аэродинамическими поверхностями (9) компенсируется реактивный момент, возникающий при выходе из строя одного из винтов (2) и при увеличении мощности, подаваемой к другому. Также регулируемые аэродинамические поверхности (9) могут использоваться для парирования возмущающих воздушных потоков. Для исключения разворота винтомоторного блока аэроподъёмника вокруг вертикальной оси на каркасе или полом цилиндре (1) установлен один (или несколько) датчик разворота (1 1), например, гироскоп, акселерометр, датчик курсовой системы, датчик скольжения и т.д. На основе сигналов от этого датчика система стабилизации (12) дифференцированно управляет электродвигателями, снижая скорость вращения одного винта и/или увеличивая скорость вращения другого винта. При использовании винтов изменяемого шага система стабилизации (12) дифференцированно управляет шагом винтов, увеличивая его на одном и/или уменьшая на другом.

Снизу на каркасе или полом цилиндре (1) размещены шасси (13) и места для установки полезной нагрузки (14), такой как тепловизор, фото-, видеокамеры, антенны и др.

Для исключения свободного падения аэроподъёмника на его верхней платформе (15) установлена аварийная спасательная парашютная система (16). автоматически срабатывающая при отказе или отключении силовой установки (3).

В случае выполнения винтомоторного блока с каркасом или полым цилиндром (1), см. фиг. 2, на последнем может быть установлен электродвигатель, который выполняется с кольцеобразным статором (17), охватывающим каркас или полый цилиндр. В этом случае винты (2) устанавливаются непосредственно на роторы (18) электродвигателей. Каждый двигатель включает многополюсный статор (17) с обмотками из катушек (19) и ротор (18) с парными полюсами постоянных магнитов (20). Статор установлен на каркасе или полом цилиндре (1) неподвижно, а ротор (18) установлен на каркасе или полом цилиндре (1) посредством подшипников (21 ). В качестве электродвигателей применяются высокомоментные электродвигатели. При необходимости винтомоторный блок может быть дополнительно снабжен одним или несколькими редукторами и в этом случае винт устанавливается на выходном валу редуктора.

Средство (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может быть закреплено на винтомоторном блоке посредством карданного шарнира (22).

При внешнем возмущении, таком как перемещение точки закрепления нижнего конца средства (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности на транспортном средстве, например, при движении этого транспортного средства, или как действие воздушных потоков, аэроподъёмник выведен, как показано на фиг. 3, из устойчивого состояния. За счет перемещения аэроподъёмника относительно нижней точки закрепления автоматически возникает восстанавливающая сила Fв, которая является векторной суммой силы тяги T, силы натяжения троса Fi ₄ и силы тяжести оборудования Fo _, установленного на верхней платформе. Сила Fв перемещает аэроподъёмник в устойчивое положение. Одновременно с этим появляется восстанавливающий момент M _G , являющийся произведением силы тяжести винтомоторного блока G на плечо I _G - Восстанавливающий момент будет стремиться восстановить вертикальное положение винтомоторного блока, а восстанавливающая сила будет стремиться привести аэроподъёмник в стабилизированное положение.

Для расширения диапазона угла наклона средства (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности, закрепленного внутри каркаса или полого цилиндра (1), данное средство, как показано на фиг. 4, выполнено в виде троса и рычага, включающего два последовательно соединенных колена, одно из которых (23) соединено с тросом, а другое (24) - закреплено внутри каркаса или полого цилиндра (1) с возможностью поворота вокруг оси вращения винта. Средство (4) удержания винтомоторного блока снабжено рулевым приводом (25), регулирующим угол между коленами, и рулевым приводом (26), обеспечивающим разворот аэроподъёмника вокруг оси вращения винта. При совместной работе электроприводы обеспечивают отклонение средства (4) удержания винтомоторного блока по углу места на любом азимуте. При приближении к каркасу или полому цилиндру (1) колена (24) рычага средства (4) удержания винтомоторного блока, системой управления аэроподъёмника подается сигнал в электропривод рычага на его поворот в вертикальной плоскости, при этом система самоустанавливается, обеспечивая необходимый запас до касания и устойчивость при воздушном возмущении, ветре или полете аэроподъёмника за движущимся транспортным средством на привязи, а рулевой привод (26) позволяет обеспечить заданную решаемыми техническими задачами ориентацию аэроподъемника.

Кроме того, средство (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности может быть выполнено, как показано на фиг. 5, в виде троса или грузонесущего электрокабеля и рамы (27), закрепленной посредством сферического или карданного шарнира на винтомоторном блоке. В зависимости от поставленных задач возможны различные варианты конструкций рамы. В частности, возможна конструкция рамы, при которой силовая установка (3) расположена внутри рамы, а винты (2) находятся выше точки крепления рамы к винтомоторному блоку. Также возможна конструкция рамы, как показано на фиг. 6 и фиг. 7, выполненной с возможностью размещения внутри нее силовой установки (3) и одного из винтов, при этом рама (27) средства (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности закреплена между первым и вторым винтами. Особенностью данных конструкций рамы (27) с внешним закреплением на винтомоторном блоке является то, что при любой форме рамы необходимо обеспечить положение центра тяжести рамы вместе с установленным на ней оборудованием (полезной нагрузкой) G _p на оси вращения винтов при вертикальном направлении силы тяги.

В отдельных случаях конструкция рамы может быть выполнена, как показано на фиг. 8, полностью охватывающей винтомоторный блок (силовую установку и винт или винты). При этом рама (27) закреплена над воздушными винтами с помощью сферического или карданного шарнира на торце опоры, например, трубы (28), которая проходит внутри винтомоторной установки и на которой закреплены статоры двигателей винтомоторного блока. Использование трубы (28) предпочтительно, поскольку ее полость используется для подводки к электродвигателю силового электрического кабеля из рамы (27) средства (4) удержания винтомоторного блока относительно земной поверхности.