"БУМЕРАНГ"

Малогабаритная мобильная авиационная система

Изобретение относится к области авиационной техники, в частности к беспилотным летательным аппаратам тяжелее воздуха. Технический результат, достигаемый при использовании изобретения, заключается в повышении оперативности и эффективности эксплуатации...

06.04.1992 B 64 C 29/00 Патент №2015067

Утверждаю

Директор НТД «Взлет»

И.Н. Колпакчиев

Техотчёт НИР

"Разработка Электро-

Энергетического

Комплекса

МАЛОГАБАРИТНОЙ

АВИАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ

"БУМЕРАНГ".

Этап 1. "Выбор схемотехнических решений электроэнергетического комплекса" Предварительная оценка масса-габаритных и энергетических показателей электропривода воздушных винтов и генераторного блока. ШИФР ТЕМЫ "БУМЕРАНГ"

Авторы отчета: Доцент каф. 310 МАИ к.т.н. Калугин В.Н.; Доцент кафедры102 ИАИ к.т.н. Ионашов В..М.

МОСКВА

ноябрь 1992 года

Введение

1. Анализ различных электромеханических преобразователей энергии применительно к электроприводу воздушных винтов летающей платформы. Выбор перспективных типов для расчетов.

2.Предварительная оценка массогабаритных вэнергетические показатели электроприводавоздушных винтов и генераторного блока.

Заключение. Список литературных источников.

"МОБИЛЬНАЯ АВИАЦИОННАЯ СИСТЕМА "БУМЕРАНГ."

Устройство представляет собой комплекс дистанционно пилотируемых, вертикально взлетающих платформ, размещенных на автомобильном шасси, снабженном системами управления и обслуживания указанных платформ.

Такое конструктивное выполнение по существу представляет собой передвижной аэродром и обеспечивает мобильность и эффективность применения данной малогабаритной системы на больших площадях, в том числе, внутри города и на пересеченной местности.

В качестве силовой установки летающих платформ применен гипермаховик с обращенным компрессором. Вертикальная тяга обеспечивается четырьмя вихревыми подъемно-тяговыми системами (ВПТС), а горизонтальная - путем отклонения корпуса платформы относительно оси гипермаховика с вертикальной осью вращения. При этом гипермаховик регулируемо-жестко закреплен относительно корпуса платформы, что, с одной стороны, позволяет ей перемещаться относительно всех трех главных осей и поворачиваться относительно вертикальной оси, а с другой, при постоянном жестком скреплении с корпусом гироскопический момент маховика исключает возможность произвольного наклона аппарата относительно продольной и поперечной осей, обеспечивая ему уникальное свойство, которое можно определить, как гиперустойчивость.

Нейтральное положение корпуса платформы в пространстве в этом случае строго соответствует ориентации гипермаховика при взлете. Иными словами, “внутренняя стабилизация” в данном случае превращает ранее критически неустойчивую летающую платформу в “летающий гироскоп”, подобно рассмотренному выше “Еирокару” П.П.Шиловского для наземного транспортного средства. Это накладывает определенные требования на пилотирование такого аппарата, одновременно придавая ему свойства, отсутствующие у традиционных самолетов и вертолетов, в частности, варьируя вертикальную тягу, можно построить алгоритм управления полетным модулем так, что он за короткое время, почти мгновенно, будет переходить от висения к горизонтальному полету и обратно или менять направление своего движения; резко взмывать вверх или проваливаться; “размазываться” по невидимой плоскости; закручиваться относительно вертикальной оси волчком или притаиться практически в любой точке земли... Эти свойства особенно важны при использовании системы для разведки на поле боя или неуловимого высокоточного оружия. Дистанционное управление летающими платформами осуществляется при помощи специальной компьютерной системы, обеспечивающей для оператора полную имитацию полета в реальном масштабе времени.

Летающие платформы снабжены также системами автоматического привода для посадки; спутниковой навигации и, при необходимости, автономной инерционной навигационной системой, разработанной для полета над Марсом; лазерной системой высокоточной посадки; блоками малогабаритных видеокамер, обеспечивающих круговой обзор в полете; съемными грузовыми контейнерами и специальным оборудованием по потребности (аэрофотоаппарат, фары, прожектор, выносной микрофон и громкоговоритель, минилебедка, легкое стрелковое вооружение, и прочее). Отсутствие у полетного модуля системы “Бумеранг” внешних вращающихся элементов обеспечивает безопасность обслуживания системы.

Система “Бумеранг” может выполнять следующие типовые операции:

■ использоваться в качестве “летающего полицейского робота” для патрулирования городских улиц и закрытых дворов, задержания особо опасных преступников и террористов, в том числе, с применением автоматического оружия с воздуха, автономного и привязного патрулирования магистралей и дорог, принудительной остановки автомобилей - нарушителей дорожного движения;

■ выполнять сельскохозяйственные работы с ультрамалообъемной обработкой растений на больших площадях и малой высоте полета;

■ проводить автоматическую и визуальную аэрофотосъемку с малых высот;

■ оценивать экологическое состояние атмосферы в городе, брать пробы грунта на зараженных участках местности;

■ патрулировать линии электропередач, газо- и нефтепроводы, туристические и геологические маршруы;

■ доставлять почту и мелкие грузы в труднодоступные районы;

■ проводить противопожарную охрану лесов;

■ наблюдать за миграцией диких животны и рыб, защищать купающихся от акул на побережье;

■ выполнять всепогодную морскую разведку, спасательные операции на море, в частности, доставку легкого спасательного оборудования, продуктов питания и медикаментов, буксировку пострадавших к берегу или к кораблю;

■ использоваться в полевых антитеррористических операциях, осуществлять всепогодный пограничный дозор в труднодоступных местностях и на море.

На систему получен патент Российской Федерации № 5041536 от 6 апреля 1992 года.

Известно несколько десятков небольших, дистанционно пилотируемых летательных аппаратов в основном самолетного типа. Они применяются главным образом для выполнения оперативной разведки на поле боя, как это было во время “войны в заливе,”, где с большой эффективностью использовался управляемый с земли и запускаемый с рук микросамолет “Пойнтер”. Практически аналогичен ему разведывательный самолет “Преер” (“Хищник”), применявшийся американскими войсками в Афганистане и Ираке. К их недостаткам следует отнести высокие посадочные скорости, которые гасятся разрушаемой частью конструкции. В российской армии для этих целей используется микросамолеты “Шмель” и “Пчела”, конструкции ОКБ им. А.С. Яковлева. Об их эффективности можно судить по следующему сообщению. “В Нижнем Тагиле на выставке вооружений произошло ЧП с беспилотным самолетом-разведчиком “Пчела”. Из-за правил безопасности сажать “Пчелу” рядом с трибунами запретили, и пришлось посадить самолет в 16 км от площадки. Приехавшие на место посадки техники самолета не обнаружили”

Разведывательные вертикально взлетающие аппараты как правило используются в привязном варианте, поскольку имеют практически нулевую устойчивость. Из десятка разведчиков такого типа можно отметить летающую платформу “Сифер”, конструкции фирмы Сикорский (США) и микровертолет соосной схемы фирмы “Бомбардье” (Канада).

Мобильная авиационная система “Бумеранг” выгодно отличается от них минимальными размерами, компактной конструкцией, сверхвысокой устойчивостью, высокими летными, экономическими и экологическими показателями.

Применение системы “Бумеранг” в сельском хозяйстве наиболее эффективно при ультрамалообъемной обработке посевов с расходом химикатов порядка 0,5 - 1 л/га, что позволяет обработать за один вылет модуля до 10 -12 га сельхозугодий. При этом подвижный контейнер 2 устанавливается вблизи маркера 4, используемого затем в качестве контрольного при каждой последующей обработке поля. 1. Пост дистанционного управления размещен либо на отдельном автомобиле, либо смонтирован в том же подвижном контейнере 2. Он снабжен компьютером 6, отображающим на дисплее рабочую “картинку” 7 обрабатываемой площади 1. Эта “картинка” создается в начале работы путем облета разведывательным модулем 8 границы 9 обрабатываемой площади 1. Видеокамера 8, размещенная на модуле, передаёт изображение в компьютер 6, где оно при помощи специальной программы “нарезается” на прогоны 10, соответствующие техническим характеристиками полетных модулей 3.

Обработка поля 1. может производиться одновременно всеми полетными модулями 3. вдоль виртуальных “прогонов” 10, или путем периодической смены модулей 3., когда у них кончаются запасы энергии или химикатов. Точки 11 начала работы следующего модуля также определяются при помощи управляющей компьютерной программы в соответствии с техническими возможностями полетных модулей 3.

Контроль за полнотой обработки участка, да и сам процесс его разметки может быть значительно упрощен при использовании так называемых обратных эмульсий. При малообъемной обработке требуется равномерно распределить на каждый гектар 2- 3, максимум 10 литров вещества, в то время как при обычных авиахимических работах на гектар выливается от 400 до 600 литров ядовитых веществ. Однако непосредственное супердисперсионное распыление жидкого препарата приводит к тому, что он мгновенно высыхает, теряя свою активность, либо его сносит ветром в сторону. В моей практике исследований авиахимработ, известен случай дефолиации сорной растительности вблизи линии высоковольтной электропередачи, когда сильнодействующие химикаты были зафиксированы на расстоянии 15-20 км от места обработки.

Для исключения подобных последствий, дисперсионные аэрозоли смешивают с высоковязкими жидкостями, получая обратные эмульсии. По существу, это гель, имеющий консистенцию крема или майонеза и состоящий примерно из 10% масла, в котором “спрессован” водный раствор химиката. Авиационные испытания показали, что примерно в течение часа после опрыскивания, на растениях остается белая, блестящая как сахарная, полоса эмульсии, что облегчает визуальный контроль за обработкой посевов. В этом случае компьютеру уже не нужно делить поле на равные прогоны, а сам оператор, сверяясь с телевизионной “картинкой” и изображением, передаваемым работающим модулем, укладывает полосу к полосе.

Положительной особенностью обработки посевов с воздуха при помощи системы “Бумеранг” является интенсивная обработка всего растения, включая стебель и нижние стороны листьев, где обычно и прячутся насекомые. Самолет в этом отношении менее эффективен, поскольку накрывает шлейфом химикатов только верхние части растений.

Рисунок показывает, как осевые вихри 2, выходящие из вихревых подъемных устройств1., при контакте с землей 3 трансформируются в поперечные (отраженные) вихри 4, которые и взаимодействуют с обрабатываемыми растениями 5. Растворенные в масле химикаты в мелкодисперсном состоянии подаются внутрь вихревых устройств 1, где смешиваются с воздухом и доставляются им к земле 3. В качестве рабочих используются передняя пара вихревых устройств с тем, чтобы исключить влияние на выходящие из них осевые вихри второй пары ВПТС. Как видно на приводимом рисунке, передние вихревые устройства установлены под небольшим углом к вертикальной оси модуля, что, при пренебрежимо малой потере тяги, обеспечивает существенно большую ширину захвата, чем при вертикальном размещении ВПТС.

Умеренные скорости истечения воздушных струй обеспечивает “мягкое” взаимодействие с растениями, что не только исключает травмированние их воздушными потоками, но и позволяет применить “нехимическую” технологию борьбы с сельскохозяйственными вредителями. Суть ее состоит в том, что обрабатываемое поле “накрывается” тончайшей липкой пленкой, создаваемой при мелкодисперсном распыле с воздуха специальных, абсолютно безвредных химикатов. Насекомые-вредители запутываются в этой пленке и погибают, а сама пленка уничтожается при первом же дожде. Данная технология отработана в России, однако отсутствие подходящего авиационного носителя, сдерживает ее промышленное использование.

Особенно эффективна данная система для выполнения некоторых специфических, уникальных работ, например, выявление и уничтожение гнездовий саранчи, которая в последнее время, в связи с общим потеплением климата начала регулярные набеги на южные страны. Обычно стаи этих зловредных насекомых зарождаются в пустынных, практически непроходимых и неконтролируемых местностях на площади в сотни гектар, причем само гнездовье располагается на “пятачке” в 30-40 квадратных метров. Обнаружить, а тем более уничтожить такое гнездовье с воздуха обычными средствами невозможно. И тогда … “Многомиллионная армия красной саранчи вторглась на прошлой неделе в Южную Африку, оккупировав ряд приграничных районов. К воскресенью она уже оказалась на подступах к столице, где по ней был нанесен мощный удар химикатами с воздуха. Почти сутки самолеты опыляли несметную армаду, уничтожив большую часть прожорливых насекомых. Однако часть стаи, которая приземлилась в непосредственной близости от пригородных поселков, уцелела. ...Министерство сельского хозяйства предупредило, что невиданное за последние полвека нашествие может иметь самые негативные последствия для будущего урожая. Борьба с ней врукопашную не имеет никакого смысла. Со своей стороны, специалисты по борьбе с “красной угрозой” надеются, что удастся накрыть остатки стаи на очередном бивуаке. Но если ей все же удастся добраться до охваченной наводнениями прибрежной полосы Индийского океана с идеальными условиями для размножения насекомых, эта задача станет практически невыполнимой. … Южная Африка действительно окажется на грани катастрофы”.

“Бумеранг” решил бы эту задачу - поиск и уничтожение гнездовий саранчи - с легкостью курицы, расклевывающей дождевого червя.

В качестве другой специфической задачи можно назвать охрану икорного бизнеса. “ООН сообщила, что снимает запрет на экспорт черной икры прикаспийскими странами: Россией, Азербайджаном, Казахстаном и Туркменией. Тем самым было признано, что победить браконьерство обычным мораторием на экспорт практически невозможно. ... По заявлению генерального секретаря Международной конвенции по охране природы (CITES) Виллема Вийнстекерса, на Каспии сложилась благоприятная ситуация по охране биоресурсов, поскольку “в первый раз страны смогли создать объединенную систему защиты Каспийского моря”. Итогом такой оценки ситуации на Каспии стало то, что в ООН утвердили экспортные квоты, которые страны-экспортеры икры представили в Международную конвенцию. По согласованию с CITES в 2002 году Россия сможет экспортировать 29,4 т икры, Азербайджан - 7,7 т, Казахстан - 23,5 т, Туркмения - 5,8 т. Уровень нелегального икорного бизнеса, по мнению господина Вийнстекерса, по-прежнему “в 10, 12 или 13 раз превышает уровень легального”. ...

Можно утверждать: по одной системе “Бумеранг” на каждую икородобывающую страну - и через месяц все браконьеры и их плавсредства будут мечены несмываемой краской. Затраты, ей-богу, будут ниже, чем потери от годового нелегального лова. Я могу утверждать так категорически потому, что видел аэрофлотские снимки с вертолета пиратских лодок, окруженных белесыми пятнами выброшенных за борт осетровых туш с безжалостно распоротыми животами. Все, что могли сделать вертолетчики - это вызвать на посмешище “рыбакам” маломощный милицейский катер.

Система “Бумеранг” - разведчик лесных пожаров - еще один пример ее эффективного применения, поскольку известно, что такие пожары ежегодно приносят миллиардные убытки практически во всех странах мира. Из пестрой ленты многолетних газетных сообщений я вытянул для примера три - об относительно маленьком и очень больших лесных пожарах, случившихся в последние годы в Америке.

“Флорида. ... Мак Маккарти - один из 600 пожарных, брошенных властями на борьбу с лесным пожаром, уже уничтожившим 64 акра в национальном парке Осцеола и болоте-заповеднике Окефеноки. Пожарным, пытающимся остановить огненную стихию, приходится иметь дело еще с одной опасностью – аллигаторами. …

Маккарти, житель городка Анадарко, штат Оклахома, - американский индеец из племени киова. Для борьбы с огнем прислали пожарных и другие индейские племена - навахо, крик, чероки, арапахо и чикасо. Индейцы традиционно одушевляют природные явления и дают им выразительные имена. Лесной пожар, с которым им приходится сражаться, индейцы назвали Дружеским Огнем. Он начался от удара молнии в дерево

“Хелена”, Монтана. - В западных штатах полыхают 86 лесных пожаров, которые уже уничтожили более миллиона акров посадок. Власти закрыли южный вход, а Йелоустонский национальный парк и эвакуировали людей. ... По данным Межнационального центра лесных пожаров, по всей стране сгорели 4,9 миллиона акров лесов (! - И.К.), что в два раза больше среднего показателя за последнее десятилетие.

В Монтане горят 25 крупных пожаров. … В этом году в штате зарегистрировано 2.000 больших и малых пожаров, уничтоживших 460 тыс. акров леса. Это ... самая тяжелая за 100 лет катастрофа”.

“Как сообщил официальный представитель Межведомственного центра по борьбе с пожарами, борьбу с огнем ведут свыше 10 тыс. пожарных, им помогают армейские части. ... Пожары также зарегистрированы в штатах Вашингтон, Вайоминг, Аризона, Невада, Калифорния, Колорадо, Нью-Мексико и Юта. ... Президент… пообещал выделить дополнительно 150 млн. долларов на борьбу с огнем”.

“Америка выгорает”, - название еще одного трагического репортажа. Убейте меня, но не могу я понять логику “гарантов Конституции”: швырять в огонь сотни миллионов долларов, чтобы сжечь в пожарах еще сотни миллиардов и жмотничать паршивый миллион, чтобы сделать эффективную воздушную систему наблюдения за лесом. (В 2008 году и нашим предлагал И.Н. , и уже не первый раз, защитить леса от пожаров, но единственное, что сказали в последних известиях из его письма, что иногда пожары начинаются из за терроризма, ему же ответа небыло и мы до сих пор боремся с лесными пожарами. Т.П.)

Я хотел остановиться на этом, да 2002-ой оказался еще страшнее. Глобальное потепление, вызванное экологическим кризисом, о котором, собственно, я здесь только и говорю, помимо столетнего рекорда жары и в Москве, и в Монреале, вызвало небывалые (в буквальном смысле), лесные пожары в России. Страшно горел Дальний Восток, еще страшнее Красноярский край - я летал там в 76-ом, таком же пожарном году, когда за долгие часы полета из-за дыма не видно тайги, но сейчас передают, еще хуже - людей нет, авиатоплива нет, дождя в ближайшие два месяца не ожидают. Горела Новгородская область и тушить было невозможно, потому что в лесу взрывались снаряды, оставшиеся с войны. Полыхнуло и Подмосковье - ТВ передает: вокруг Москвы 600 лесных пожаров. Лето-2002 мы провели дома, значит, в Москве: нужно было порыться в архиве, подобрать материалы для книги. Что-то хотел сфотографировать в столице, да по лености оставил на потом. Но “потом” - весь август и сентябрь от пожаров был такой смог, что, простите за каламбур, я не смог. О горящем Шатурском торфе сообщали чуть ли не во всех “Новостях”.

А какая причина, кроме, естественно, жары? Неосторожное обращение с огнем грибников, ягодников, отдыхающих. Иногда говорили об умышленном поджоге. Но все равно, это дело рук человеческих. Главное - как любую болезнь, выявить загорание на раннем этапе. Постоянно барражирующий над лесом “Бумеранг”, не скажу, что заметит дымящийся окурок, но непогашенный костер выявит запросто. Ну а для тушения его вполне достаточно двух ведер воды, которые соответствуют грузоподъемности модуля.

Раскрою еще один секрет системы “Бумеранг”: его полетный модуль может быть снабжен складывающимися крыльями. Но это уже не первоначальный простейший модуль - пластмассовая мыльница с четырьмя дырками и маховиком. По существу, для этого необходимо провести глубокую модификацию, заменив блок вихревых подъемно-тяговых систем единым подъемно-тяговым вихреэжектором (ПТВЭ) и добавить к нему хвостовой управляющий диффузор (УД) (не показан). При этом форма полетного модуля в плане округляется, приближаясь к форме божьей коровки. Именно так и была названа эта кардинальная модификация вместо унылостандартного обозначения “Бумеранг-2”.

“Божья коровка” (по-английски, “Lady-bird”) напоминает прелестного жучка не только по названию. Как и “Сафари”, он строится, если так можно выразиться, по “жучиной”, а не “птичьей” концепции. Летать, как птица - это не только звонкая метафора, это принцип построения всей “крыльевой” авиации. Летать, как жук - звучит немного двусмысленно, но, присмотритесь! - какие прекрасные летуны практически все из жучинного племени. Жук летит и жужжит, - единственное слово, которое взяла от него авиация, - распушив яркие подкрылья, в несколько раз больше самого себя. И вдруг - плюх! - и уже ползет жесткий маленький жучишка. Если аэродинамика птичьего машущего полета кое-как еще исследована, то секреты лётного искусства жука все еще за семью печатями. В “Божьей коровке”, “Сафари” и бизнес-самолете (см. ниже) я попытался хотя бы практически реализовать этот древний способ летания.

Помимо грациозного свободного полета, “Божья коровка” может летать очень и очень долго, используя экранный эффект. Известно несколько летательных аппаратов, построенных на этом принципе. Сущность феномена состоит в том, что подъемная сила крыла резко увеличивается, а его аэродинамическое сопротивление уменьшается при приближении крыла к земле или воде (экрану). Соответственно, отношение между этими величинами, называемое качеством крыла, увеличивается, повышая его несущую способность и, в той же степени дальность полета.

В горизонтальном полете воздушная струя от подъемно-тягового вихреэжектора отбрасывается назад, поэтому при приближении к экрану она оказывается “зажатой” не только сверху и снизу, но и скошенными крыльями с боков, то есть в экранном полете под модулем формируется динамическая воздушная подушка, аналогичная той, которая была применена для транспортного модуля СМТС (см. разд. 2.3). Такая компоновка не только повышает подъемную силу модуля, а, следовательно, и дальность, но и увеличивает высоту его полета над экраном. Как следует из приведенного графика зависимости качества крыла от относительной высоты, при h= 0,1 качество крыла увеличивается примерно в два раза. На столько же оно повышается за счет поддува от ПТВЭ. Иными словами, при использовании экранного эффекта дальность полета “Божьей коровки” теоретически увеличивается до 186*2*2 " 800 км. Слово “теоретически” здесь применено потому, что полет, совершаемый на малой высоте над водой может осуществляться лишь при относительно небольшом волнении, что нереально при указанной дальности. Однако длительный полет над определенным районом акватории, скажем, в разведывательных целях (поиск жертв кораблекрушения, обнаружение косяков рыб, спасательных буйков, мин и прочее) вполне осуществим, особенно при комбинировании его с обычным