способ перевозки грузов на летательном аппарате

Формула изобретения

Способ перевозки грузов на летательном аппарате, согласно которому кинематически соединяют летательный аппарат с перевозимым грузом, осуществляют режим взлета, в котором производят набор высоты с использованием подъемной силы с управляемым вектором тяги, полетный режим с грузом и посадку с опусканием груза, отличающийся тем, что в режиме взлета летательным аппаратом предварительно набирают заданную расчетную высоту без воздействия веса груза, затем производят циклическое силовое воздействие на груз, заключающееся в том, что груз подтягивают к летательному аппарату с использованием кинематической связи силой, превышающей вес груза, и после сближения с летательным аппаратом до расчетного расстояния груз отпускают, после чего производят дополнительный набор высоты летательным аппаратом, при этом вышеупомянутые циклы на режиме взлета производят до набора необходимой высоты, затем груз состыковывают с летательным аппаратом и переходят в совместный полетный режим, а на режиме посадки расстыковывают летательный аппарат и груз на заданной высоте, груз отпускают до расчетной высоты с использованием упомянутой кинематической связи, после чего производят циклическое воздействие на груз, заключающееся в том, что груз подтягивают к летательному аппарату, а затем опускают, при этом вышеупомянутые циклы производят до достижения безопасной скорости опускания груза на место посадки.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к области авиационных средств и может быть использовано в авиационной промышленности для перевозки крупногабаритных и тяжелых грузов на значительные расстояния.

Известны способы перевозки грузов на летательном аппарате, в которых перевозимый груз состыковывается с самим летательным аппаратом и перевозится на необходимое расстояние (см. авт. св. N 1612480, МКИ B 64 D 3/00, 1987 года).

Известны также способы перевозки грузов на летательном аппарате, включающем в себя кинематическое соединение летательного аппарата с перевозимым грузом, режим взлета, в котором производят набор высоты с использованием винтовой подъемной силы с управляемым вектором тяги, полетный режим с грузом на внешней подвеске, включающий в себя перелет по типу самолета на расстояние, превышающее дальность полета винтовых летательных аппаратов и посадку с опусканием груза (см. авторское свидетельство СССР N 1684165, МКИ B 64 D 3/00 от 1989 года).

Однако известные способы перевозки грузов имеют целый ряд недостатков. Любой из указанных летательных аппаратов при взлете должен иметь подъемную силу, превышающую его вес и вес груза, а также большой удельный расход топлива при крейсерском режиме, следствием чего является относительно малая дальность полета по сравнению с крылатыми летательными аппаратами.

Задачей изобретения является обеспечение возможности вертикального подъема летательного аппарата при помощи поднимающего устройства, имеющего подъемную силу меньшую, чем общий вес летательного аппарата, а также увеличение дальности полета летательного аппарата с габаритным грузом в крейсерском режиме с последующей безопасной посадкой.

Решение технической задачи обеспечивается тем, что способ перевозки грузов на летательном аппарате включает в себя кинематическое соединение летательного аппарата с перевозимым грузом, режим взлета, в котором производят набор высоты с использованием винтовой подъемной силы с управляемым вектором тяги, полетный режим с грузом и посадку с опусканием груза, при этом на режиме взлета предварительно набирает заданную расчетную высоту поднимающее устройство летательного аппарата без воздействия веса груза, затем производят циклическое силовое воздействие на груз, заключающееся в том, что груз подтягивают к поднимающему устройству летательного аппарата с использованием кинематической связи силой, превышающей вес груза, и, после сближения с поднимающим устройством до расчетного расстояния, груз отпускают, после чего производят дополнительный набор высоты поднимающим устройством, при этом количество вышеупомянутых циклов на режиме взлета производят до набора необходимой высоты, затем груз состыковывают с поднимающим устройством и переходят в совместный полетный режим, а на режиме посадки расстыковывают поднимающее устройство и груз на заданной высоте, груз отпускают до расчетной высоты с использованием упомянутой кинематической связи, после чего производят циклическое воздействие на груз, заключающееся в том, что груз подтягивают к поднимающему устройству, а затем отпускают, при этом количество вышеупомянутых циклов производят до опускания груза на место посадки с безопасной скоростью, причем груз перевозят на расстояние, превышающее дальность полета винтокрылых летательных аппаратов, а подъемная сила поднимающего устройства меньше веса поднимаемого груза, при этом максимальную длину упомянутой кинематической связи определяют по величине силы, действующей между поднимающим устройством и грузом.

Устройство для реализации способа перевозки грузов на летательном аппарате схематично изображено на следующих чертежах.

На фиг. 1 изображен режим взлета с грузом, в котором производят набор высоты с использованием винтовой подъемной силы с управляемым вектором тяги.

На фиг. 2 изображена стыковка поднимающего устройства с грузом для перехода летательного аппарата в полетный режим.

На фиг. 3 изображен режим посадки с опусканием перевезенного груза.

Способ перевозки грузов на летательном аппарате заключается в том, что летательный аппарат соединяют с перевозимым грузом кинематической связью (например, тросом с лебедкой), затем проводят режим взлета, в котором производит набор высоты поднимающее устройство на заданную расчетную высоту с использованием винтовой подъемной силы с управляемым вектором тяги, без воздействия веса груза, затем производят циклическое силовое воздействие на груз, заключающееся в том, что груз подтягивают к поднимающему устройству летательного аппарата с использованием кинематической связи силой, превышающей вес груза. При этом, при подтягивании груза к поднимающему устройству, находящемуся в воздухе на заданной расчетной высоте, возникает дополнительная аэродинамическая сила, обусловленная скоростью снижения поднимающего устройства (проседания по высоте) от сопротивления вращающихся винтов.

Следует отметить, что подъемная сила поднимающего устройства может быть меньше веса поднимаемого груза.

После сближения с поднимающим устройством до расчетного расстояния, груз отпускают, а в момент отсутствия веса груза (например, при провисании троса, соединяющего поднимающее устройство и груз) производят дополнительный набор высоты поднимающим устройством, при этом количество вышеупомянутых циклов на режиме взлета производят до набора необходимой высоты.

После последнего силового взаимодействия на груз, в момент их максимально сближенного расстояния, груз состыковывают с поднимающим устройством и переходят в совместный полетный режим, который проходит так же, как летают самолеты (например, с использованием подъемной силы крыльев). Долетев до места перевозки груза, переходят на режим посадки.

На режиме посадки расстыковывают поднимающее устройство и груз на заданной высоте, груз отпускают до расчетной высоты с использованием упомянутой кинематической связи, после чего производят циклическое воздействие на груз, заключающееся в том, что груз подтягивают к поднимающему устройству, а затем отпускают, при этом количество вышеупомянутых циклов производят до опускания груза на место посадки с безопасной скоростью.

Максимальную длину упомянутой кинематической связи определяют по величине силы, превышающей вес груза.

Летательный аппарат (далее Л. А.) состоит из: поднимающего устройства (далее П. У. ), соединяющей конструкции, выполненной в виде кинематической связи, длина которой может меняться в заданных пределах между поднимающим устройством и грузом, который может быть выполнен, например, в виде планера.

На фиг. 1 изображено 7 положений режима взлета Л.А. с грузом (планером).

Положение 1, когда (П.У.) и груз (планер) состыкованы и находятся на земле.

Положение 2, когда на взлете расстояние между (П.У.) и грузом (планером) достигло расчетного значения, при котором включается механизм силового взаимодействия через кинематическую связь.

Положения 3, 4, когда включен механизм силового взаимодействия, между (П.У.) и грузом (планером) действует сила Т, которая по величине превосходит вес планера P_пл. В результате движения (П.У.) к подъемной силе F_пу добавляется аэродинамическая сила Q_пу, обусловленная скоростью снижения поднимающего устройства.

Q_пу = каспу V² - аэродинамическое сопротивление (П.У), где: (каспу) - коэффициент аэродинамической силы поднимающего устройства, () - знак умножения. Груз (планер) поднимается вверх с положительным ускорением, т.е. с увеличением скорости.

Положение 5, когда расстояние между (П.У.) и грузом (планером) достигло заданного значения и силовое взаимодействие прекращено.

Положение 6, когда выключен механизм силового взаимодействия от кинематической связи. Поднимающее устройство (П.У.) при отсутствии направленной вниз силы T набирает высоту, а груз (планер), набравший во время действия на него силы T положительную вертикальную скорость, продолжает подниматься с отрицательным ускорением, т.е. с уменьшающейся скоростью.

Положение 7, когда вновь включен механизм силового взаимодействия с помощью кинематической связи. Между поднимающим устройством (П.У.) и грузом (планером) действует сила T, которая по величине превосходит вес планера P_пл. В результате движения (П.У.) к подъемной силе F_пу добавляется аэродинамическая сила Q_пу. Груз (планер) поднимается вверх с положительным ускорением, т.е. с увеличивающейся скоростью.

На фиг. 2 изображено 3 положения режима стыковки с грузом (планером) для перехода летательного аппарата в совместный крейсерский самолетный режим полета.

На фиг. 3 изображено 4 положения посадки летательного аппарата с опусканием перевезенного груза (планера).

Положение 1, в начальный момент, когда (П.У.) и груз (планер) в состыкованном состояния находятся в воздухе на некоторой высоте.

Положение 2, когда происходят расстыковка и опускание груза, а расстояние между (П.У.) и грузом (планером) достигло расчетного значения. Производят циклическое воздействие на груз при помощи кинематической связи, заключающееся в том, что груз подтягивают к поднимающему устройству, а затем отпускают, причем при подтягивании груза к поднимающему устройству его скорость уменьшается, а при отпускании груза - поднимающее устройство зависает над грузом. Количество вышеупомянутых циклов силового взаимодействия производят до достижения безопасной скорости снижения летательного аппарата, причем при снижении поднимающего устройства возникает дополнительная аэродинамическая сила, обусловленная скоростью снижения поднимающего устройства. На данном этапе грузу (планеру) сообщается вертикальное ускорение, а сила T выбирается такой, что в момент касания земли скорость груза (планера) имеет заданное значение.

Положение 3, когда груз (планер) приземлился, а механизм силового взаимодействия выключен. Поднимающее устройство совершает посадку с заданной скоростью, используя силу F_пу.

Положение 4, когда посадка завершена. Поднимающее устройство и груз (планер) находятся на земле.

Движение поднимающего устройства описывается уравнением:

M_пу d²h_пу/dt² = -P_пу + f_пу - T, (1)

где

M_пу - масса поднимающего устройства;

h_пу - высота поднимающего устройства;

dh_пу/dt - скорость поднимающего устройства;

d²h_пу/dt² - ускорение поднимающего устройства;

P_пу - вес поднимающего устройства;

f_пу - сумма внешних сил, действующих на поднимающее устройство;

T - сила взаимодействия между поднимающим устройством и грузом (планером);

() - знак умножения;

/ - знак деления.

Движение груза (планера) описывается уравнением:

M_пл d²h_пл/dt² = -P_пл + f_пл + T, (2)

где

M_пл - масса планера;

h_пл - высота планера;

dh_пл/dt - скорость планера;

d²h_пл/dt² - ускорение планера;

P_пл - вес планера;

f_пл - сумма внешних сил, действующих на планер.

Расчет движения системы:

Поднимающее устройство - планер

В общем случае, f_пу, f_пл и T являются произвольными функциями времени, положения и скорости объекта f_пу = f_пу(t, h_пу, dh_пу/dt), f_пл = f_пл(t, h_пл, dh_пл/dt) и T=T(t, h_пу, dh_пу/dt, h_пл, dh_пл/dt).

В этом случае для расчета движения необходимо применить вычислительную технику. Приведем формулы, выведенные в предположении, что силы, действующие на (П. У. ) и планер, кроме аэродинамических, не зависят от их положения, скорости и времени. Кроме того предполагается, что движение одномерное и функции f_пу, f_пл, T, h_пу, h_пл скалярные. В этих предположениях удается получить аналитическое решение, дающее наглядное представление о движении системы.

f_пу = F_пу - каспу sign(dh_пу/dt)(dh_пу/dt)²,

где

каспу - коэффициент аэродинамической силы поднимающего устройства;

sign(dh/dt) равен 1, если dh/dt > 0

sign(dh/dt) равен 0, если dh/dt = 0

sign(dh/dt) равен -1, если dh/dt < 0

каспу - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

каспу = Cx_пуS_пу/2,

Cx_пу - аэродинамический коэффициент сопротивления (П.У.);

S_пу - площадь сечения поднимающего устройства, перпендикулярного скорости;

- плотность воздуха;

F_пу - сила, действующая на (П. У.) и направленная вертикально вверх (далее считается постоянной).

f_пл = -каспл sign(dh_пл/dt)(dh_пл/dt)²,

каспл - коэффициент, рассчитываемый по формуле:

каспл = Cx_плS_пл/2,

Cx_пл - аэродинамический коэффициент сопротивления планера;

S_пл - площадь крыла планера;

T - сила взаимодействия между П.У. и планером (далее считается постоянной).

Получаем систему из двух дифференциальных уравнений:

1.1) M_пу d²h_пу/dt² = F_пу - P_пу - каспу sign(dh_пу/dt)(dh_пу/dt)²-T

2.1) M_пл d²h_пл/dt² = -P_пл - каспл sign(dh_пл/dt)(dh_пл/dt)²+T

Перенесем члены, содержащие скорость, в левую часть уравнения:

1.2). d²h_пу/dt²+каспу sign(dh_пу/dt)(dh_пу/dt)²/M_пу= (F_пу - P_пу - T)/M_пу.

2.2). d²h_пл/dt²+каспл sign(dh_пл/dt)(dh_пл/dt)²/M_пл= (-P_пл + T)/M_пл.

Введем обозначения:

a₀ = sign(dh_пу/dt) каспу/M_пу

b₀ = (F_пу - P_пу - T)/M_пу

Производим замену переменных:

y₀ = dh_пу/dt

dy₀/dt=d²h_пу/dt²

Уравнение 1.2 принимает вид:

1.3) dy₀/dt + a₀ y₀² = b₀

Введем обозначения:

a₁ = sign(dh_пл/dt) каспл/M_пл

b₁ = (-P_пл + T)/M_пл

Производим замену переменных:

y₁ = dh_пл/dt

dy₁/dt=d²h_пл/dt²

Уравнение 2.2 принимает вид:

2.3.) dy₁/dt + a₁ y₁² = b₁

Уравнения 1.3 и 2.3 являются частным случаем уравнения Рикатти (с разделяющимися переменными).

Решение, согласно Э. Камке

"Справочник по обыкновенным дифференциальным уравнениям", изд. Физико-математической литературы, г. Москва, 1961 г.

имеет вид:

1. если a_i b_i < 0;

dy₀/dt + a₀ y₀² = b₀



2. если a_i b_i > 0;



где i = 0, 1;

th - тангенс гиперболический.

Движение системы состоит из трех этапов:

1. Движение поднимающего устройства (П.У.) летательного аппарата вверх, когда еще не включен механизм силового взаимодействия (T = 0).

Время заключено в интервале (t₀, t₁)

2. Процесс включения механизма силового взаимодействия, когда (П.У.) и груз (планер) соединяются в единое устройство.

Время заключено в интервале (t_1-, t₁₊)

3. Движение, когда включен механизм силового взаимодействия.

Время заключено в интервале (t₁, t₂)

1. Движение поднимающего устройства вверх, когда не включен механизм силового взаимодействия.

1.4. dy₀/dt + a₀ y₀² = b₀

a₀ > 0, так как sign (dh_пу/dt)=1

b₀ > 0, так как F_пу больше P_пу, следовательно a₀ b₀ > 0 и решение 1.4) имеет вид

1.5)

Так как в начальный момент (П.У.) покоится, то y(t₀)₀=0 и решение 1.4 будет иметь вид:

скорость (П.У.) как функция времени

1.6

высота (П.У.) как функция времени

1.7

где ch - косинус гиперболический

1n - логарифм натуральный

Подставляем значения

y(t)₀ = dh_пу/dt

a₀=каспу/M_пу

b₀ =(F_пу - P_пу)/M_пу

получим скорость (П.У.) как функцию времени:

1.8)

Получим высоту (П.У.) как функцию времени:

1.9)

Время t₁ окончания набора высоты (П.У.) определяется конструкцией устройства, соединяющего (П.У.) и груз (планер).

2. Включение механизма силового взаимодействия.

Время заключено в интервале (t_1-, t₁₊)

Расстояние между (П.У.) и грузом (планером) в интервале времени (t₀, t₁) растет, а после включения механизма силового взаимодействия в интервале времени (t₁, t₂) уменьшается. Следовательно, в момент t₁ (П.У.) и планер неподвижны друг относительно друга. Рассматривая включение механизма силового взаимодействия как удар, найдем общую начальную скорость (П.У.) и груза (планера) в момент t₁ из закона сохранения количества движения. При соответствующем подборе сил, действующих на систему, возможны и другие модели, например, безударный переход к силовому взаимодействию (П. У.) и груза (планера).

M_пу dh(t_1-)пу/dt + M_пл dh(t_1-)пл/dt=(M_пу + M_пл dh(t₁₊)пл/dt

где

dh(t_1-)пу/dt - скорость (П.У.) до соударения;

dh(t_1-)пл/dt - скорость планера до соударения (равна нулю);

dh(t₁₊)пу/dt = dh(t₁₊)пл/dt - их общая скорость после соударения.

Находим dh(t₁₊)пл/dt

dh(t₁₊)пл/dt = M_пу/(M_пу + M_пл) dh(t_1-)пу/dt

3. Движение поднимающего устройства вниз и подъем груза (планера) в процессе работы механизма силового взаимодействия.

Время заключено в интервале (t₁₊, t₂)

В силу наличия положительной начальной скорости (П.У.) в течение некоторого промежутка времени продолжает движение вверх, при этом скорость его зависит от времени следующим образом:



Через время скорость (П.У.) станет равной нулю и начнется его движение вниз.

За время t (П.У.) поднимется на высоту h, равную





где



Далее (П. У. ) опускается, а груз (планер) поднимается и они движутся навстречу друг другу со скоростями, соответственно равными:





В доказательство работоспособности заявленного способа перевозки грузов на летательном аппарате приводятся расчеты, проведенные для устройства, имеющего, например, следующие данные:

P_пу = 200 кг; F_пу = 600 кг

если t₀ = < t < t₁, каспу = 1

если t₁ < t = < t₂, каспу = 6

T = 1400 кг; P_пл = 700 кг; F_пл = 0.0

каспл = 1

Максимальная длина соединяющего устройства (кинематической связи) - 30 м;

дают следующий результат:

Поднимающее устройство (П.У.) достигается высоты 30 м за 2.193 с, набрав при этом скорость 19.466 м/с.

В момент t₁ включения механизма силового взаимодействия общая скорость (П.У.) и груза (планера) 4.326 м/с.

Время, в течение которого (П.У.) потеряет положительную скорость 4.326 м/с после включения механизма силового взаимодействия t = 0,085c, при этом (П.У.) наберет высоту h = 0,687м.

В результате силового взаимодействия за время от 2.193 с до 3.6 с (П.У.) опустится до 15.971 м, а планер поднимется на высоту 14.679 м.

Для (П.У.), подставляя значения b₀ = -49,05; a₀ = -0,2943;

t₂ = 2,278 с; в формулу:



получим, что вертикальная скорость (П.У.) на высоте 15,971 м будет -12,9 м/с, т. е. поднимающее устройство потеряло примерно 14 метров высоты из предварительно набранной 30-метровой высоты.

При этом подставляя t₁ = 2,193; t = 3,6; a₁ = 0,014; b₁ = 9,81; y(t₁)₁ = 4,326; в формулу:



получим, что вертикальная скорость груза (планера) на высоте 14,679 м будет у (3,6)₁ = 15,766 м/с, т.е. в момент состыковки положительная скорость груза (планера) (15,76) больше отрицательной скорости поднимающего устройства, а сам процесс состыковки производится с использованием амортизирующих устройств (на чертежах не показан), исключающих превышение допустимых перегрузок, а набранная высота позволяет перейти к совместному полету, либо к следующему циклу взлета.

Использование изобретения позволит значительно увеличить дальность полета летательных аппаратов, перевозящих различный груз, включая и крупногабаритный, а также использовать при этом летательные аппараты с меньшей тяговооруженностью.