PL247813B1 - Układ napędowy bezzałogowego statku powietrznego - Google Patents

Abstract

Układ napędowy bezzałogowego statku powietrznego, w postaci dyszy o zmiennym obszarze wlotowym i wylotowym, charakteryzuje się tym, składa się z pierścienia kontrolnego obszaru wylotowego (1), który ma zamocowaną na niej przekładnię zębatą (3) oraz koło zębate śrubowe (4) w przedziale sterującym obszaru wylotu zewnętrznej membrany o średnicy większej niż kontrolnego obszaru wylotowego (1), przy czym koło zębate śrubowe (4) osadzone na pierścieniu kontrolnym obszaru wlotowego (1) współpracuje z kołem zębatym regulatora środkowego (5), które jest osadzone na kołnierzu zewnętrznym drugiego pierścienia kontrolnego środkowej membrany (2), przy czym pierścień kontrolny obszaru wylotowego (1) ma odpowiednio większą średnicę, umożliwiającą nasadzenie go na kołnierz zewnętrzny pierścienia kontrolnego środkowej membrany (2), przy czym pierścień kontrolny środkowej membrany (2), po przeciwległej stronie od kołnierza wlotowego, ma zamocowane obwodowo w równych odstępach przeguby kulowe (6), do których przymocowane są obrotowo główne siłowniki, a także posiada siłowniki regulacji powierzchni wylotowej (9), które są zamocowane jednym końcem do zaczepów (8), które osadzone są od strony pierścieni kontrolnych (1, 2), przy czym zaczepy (8) mają wykonane w swoich ramionach otwory przelotowe, w których osadzone są łączniki przegubowe tak, że łączą kolejne zaczepy (8) między sobą, dodatkowo pomiędzy ramionami zaczepów (8) zamocowany jest trzpień, na którym osadzone są obrotowo ramiona siłowników regulacji powierzchni wylotowej (9), a pomiędzy nimi zamocowane są obrotowo walcowe koła zębate (10), zaś po drugiej stronie głównych siłowników oraz siłowników regulacji powierzchni wylotowej (9) zamocowane są łączniki (13), połączone ze sobą poprzez cylindry i tłoki, przy czym łączniki (13) zamocowane są pomiędzy końcami siłowników regulacji powierzchni wylotowej (9) i posiadają kulowe wypusty do mocowania drugich końców głównych siłowników, przy czym łączniki te, mają wykonane otwory, służące do mocowania kolejnych cylindrów i tłoków, tworząc membranę stanowiącą wylot dyszy.

Description

Przedmiotem wynalazku jest układ napędowy bezzałogowego statku powietrznego.

Powszechnie znane są rozwiązania związane z układem napędowym bezzałogowych statków powietrznych UAV (UAV - ang. Unnamend Aircraft Vehicle). Dysza o zmiennej powierzchni jest rodzajem dyszy, która składa się z wielu wzdłużnie rozciągających się segmentów, które poruszają się jednocześnie w równych równoległych względem siebie, aby zwiększyć lub zmniejszyć obwód dyszy, a tym samym zwiększyć lub zmniejszyć powierzchnię gardzieli dyszy. Statek powietrzny lub UAV jest wymagany do wykonywania wielu różnych trybów operacyjnych w jednym cyklu lotu. Takie tryby obejmują kołowanie, start, wznoszenie, przelot, utrzymanie w powietrzu i lądowanie, w przypadku których silniki statku powietrznego muszą również spełniać powiązane wymagania dotyczące osiągów.

Konwencjonalne silniki z turbiną gazową, zwłaszcza turbowentylatorowe, pracują przy stosunkowo niskich stosunkach ciśnień w dyszach wylotowych, przy czym do wytworzenia ciągu wystarczy zastosować dyszę zbieżną, ponieważ strata ciśnienia na skutek rozszerzalności zewnętrznej pracujących gazów spalinowych jest stosunkowo niewielka. Wraz ze wzrostem prędkości lotu stosunek ciśnień dyszy wzrasta, a ekspansja gazów musi być kontrolowana w celu zmniejszenia strat, zwykle za pomocą dyszy zbieżno-rozbieżnej. W idealnym ustawieniu podczas lotu ciśnienie wylotowe dyszy jest redukowane do otoczenia przez rozbieżną część dyszy. Jeśli dysza ma stałą geometrię zbieżno-rozbieżną, zoptymalizowaną do przelotu, straty przy niższych stosunkach ciśnień dyszy wzrosłyby z powodu nadmiernego rozprężenia gazów spalinowych lub rozdzielenia strumienia spalin. Zatem korzystne jest, aby stosunek powierzchni dyszy zbieżno-rozbieżnej zmieniał się wraz z prędkością lotu i stosunkiem ciśnień w dyszy.

Znane są różne konstrukcje dysz o zmiennej powierzchni, wykorzystujące różne mechanizmy, a każda z nich ma swoje wady i zalety. Dysze te są stosowane głównie w silnikach odrzutowych (turboodrzutowych] i składają się ze stopów metali i stopów żelaza, aby były odporne na wysoką temperaturę. Stosowanie takiej dyszy w UAV wykorzystującym gaz, paliwo płynne lub inne źródło energii do wytwarzania strumienia gorącego powietrza (gazu) pod wysokim ciśnieniem może mieć wiele wad. Po pierwsze, składają się z wielu ruchomych części, które mogą prowadzić do awarii systemu. Po drugie, mogą być ciężkie nawet wtedy, gdy są wykonane z kompozytów i tworzyw termoodpornych z powłoką ceramiczną lub innego rodzaju materiałów żaroodpornych. Po trzecie, fakt, że są zbudowane z różnych ruchomych części czyni je skomplikowanymi i trudnymi do diagnostyki w przypadku jakiejkolwiek awarii. Po czwarte, zawsze będą jakieś obszary, które powodują opór aerodynamiczny, innymi słowy opór powietrza i turbulencję przepływu powietrza. Szczeliny między ruchomymi częściami i nakładającymi się częściami są przykładami tego typu oporu powietrza i nieefektywnego przepływu. Po piąte, dysze o zmiennej geometrii mają ograniczenia w zakresie transformacji geometrycznych. W związku z tym każda zmienna dysza jest przeznaczona do określonego zastosowania i nie może być używana ani montowana w innych turbinach, czy silnikach odrzutowych o innych właściwościach.

Znany jest z publikacji opisu patentowego US3142153 system do kierowania wektora ciągu silnika rakietowego, realizowany przez zespół czterech dyszy silnika rakietowego, zamontowanych na końcu pocisku. Każdą z tych dysz można podłączyć do oddzielnego lub wspólnego silnika rakietowego w zależności od konkretnej wydajności i wymagań projektowych systemu. Każda z dysz posiada dyfuzor, który może być odchylany w płaszczyźnie prostopadłej do płaszczyzny zawierającej oś centralną pocisku oraz dysze.

Znany jest z publikacji opisu patentowego US3069852 układ do wektoryzacji ciągu realizujący odchylenie strumienia gazów od osi dyszy silnika rakietowego. Wokół poszerzonego końca dyszy znajduje się pusty zawór kulowy, który jest otwarty na przeciwstawnych końcach i zamontowany obrotowo. Serwomotor obraca zawór wokół osi tak, aby wychylać strumień gazu wychodzący z dyszy w jednym lub drugim kierunku. W wyniku tych wychyleń strumienia gazów możliwa jest zmiana kierunku lotu pocisku rakietowego. Układ ten nie posiada uszczelek pierścieniowych, charakteryzuje się stosunkowo dużymi szczelinami, w celu wyeliminowania zamarzania, zmniejszenia ciężaru i kosztów konstrukcji, przy jednoczesnym utrzymaniu wysokiej sprawności urządzenia. Inny ważnym elementem konstrukcji jest to, że mechanizm napędowy do przesuwania lotek może być umieszczony na zewnątrz kadłuba, ponieważ występuje przestrzeń pomiędzy dyszą a osłoną gorącej dyszy.

Znany jest z publikacji opisu patentowego US3090198 system sterowania dyszy obrotowej z dyfuzorem, która jest wychylana w celu osiągnięcia zadanego położenia przez dysze pomocnicze. Ruchoma połowa dyszy i dyfuzora jest połączona obrotowo z drugą nieruchomą połową dyszy za pomocą pierścienia kardanowego z możliwością wykonania 360-stopniowego obrotu ruchomej części dyszy.

Znany jest z publikacji opisu patentowego US3230708 sterowany silnik rakietowy z kulistymi dyszami i środkami chłodzącymi. Rozwiązanie dotyczy silników reakcyjnych, a w szczególności do ulepszonej osiowo dyszy wylotowej. Rozwiązanie umożliwia obracanie dysz wylotowych strumienia gazów w celu sterowania wektorem ciągu. Ruchoma dysza silnika rakietowego wyposażona jest w przegub kardanowy na końcu komory ciągu i składa się z pierścienia kardanowego, który obraca się w płaszczyźnie pionowej za pomocą rozmieszczonych na średnicy sworzni obrotowych. Pary ramion podporowych dyszy zamontowanych na sworzniu połączonych z pierścieniem kardanowym w celu umożliwienia ruchu w płaszczyźnie poziomej z wykorzystaniem rozmieszczonych na średnicy sworzni obrotowych. W ten sposób dysza silnika, może być łatwo przesuwana lub obracana do pożądanego położenia kątowego względem osi komory ciągu za pomocą zdalnie sterowanych siłowników do zmiany wektora ciągu silnika rakietowego.

Z publikacji opisu patentowego US3659788 znany jest zespół dysz strumieniowych, składający się z korpusu o zakrzywionej powierzchni nośnej zapewniającej miejsce osadzenia dla wychylnego elementu dyszy, wewnątrz którego podczas pracy może przepływać strumień napędowy. Dodatkowe elementy zespołu stanowią siłownik, który powoduje obracanie się elementu dyszy względem korpusu, kanał doprowadza płyn chłodzący i/lub smarujący powierzchni oraz element kołnierzowy przymocowany do dyszy. Obudowa posiada wspornik, na którym znajduje się zamontowany co najmniej jeden siłownik, za pomocą którego nachylenie elementu dyszy do osi podłużnej obudowy może być zmieniane. W przypadku, gdy siłownik działa dwukierunkowo, pojedynczy siłownik może być wystarczający do nachylenia i obrotu elementu dyszy. Dla przypadku, gdy mamy do dyspozycji siłowniki jednostronnego działania, wymagana jest para takich siłowników rozmieszczonych naprzeciwko elementu dyszy.

Powyższe niedogodności rozwiązano poprzez nowatorską konstrukcję dyszy bezzałogowego statku powietrznego o zmiennej geometrii. Taka dysza o zmiennej powierzchni może przechodzić w różnego rodzaju dysze zbieżne lub zbieżno-rozbieżne, lub może być neutralna, czyli mieć taką samą średnicę wylotu wentylatora kanałowego o zmiennej długości. Pod względem wagi, proponowane rozwiązanie jest lekkie i składa się z mniej ruchomych części w porównaniu do innych typów dysz zmiennych. Można go zamontować do dowolnego wentylatora kanałowego (turbiny) o odpowiedniej średnicy.

Układ napędowy bezzałogowego statku powietrznego, w postaci dyszy o zmiennym obszarze wlotowym i wylotowym, charakteryzuje się tym, że składa się z pierścienia kontrolnego obszaru wylotowego, który ma zamocowaną na niej przekładnię zębatą oraz koło zębate śrubowe w przedziale sterującym obszaru wylotu zewnętrznej membrany o średnicy większej niż kontrolnego obszaru wylotowego, przy czym koło zębate śrubowe osadzone na pierścieniu kontrolnym obszaru wlotowego współpracuje z kołem zębatym regulatora środkowego, które jest osadzone na kołnierzu zewnętrznym drugiego pierścienia kontrolnego środkowej membrany. Pierścień kontrolny obszaru wylotowego ma odpowiednio większą średnicę, umożliwiającą nasadzenie go na kołnierz zewnętrzny pierścienia kontrolnego środkowej membrany, przy czym pierścień kontrolny środkowej membrany, po przeciwległej stronie od kołnierza wlotowego, ma zamocowane obwodowo w równych odstępach przeguby kulowe, do których przymocowane są obrotowo główne siłowniki. Układ posiada także siłowniki regulacji powierzchni wylotowej, które są zamocowane jednym końcem do zaczepów, które osadzone są od strony pierścieni kontrolnych, przy czym zaczepy mają wykonane w swoich ramionach otwory przelotowe, w których osadzone są łączniki przegubowe tak, że łączą kolejne zaczepy między sobą, dodatkowo pomiędzy ramionami zaczepów zamocowany jest trzpień, na którym osadzone są obrotowo ramiona siłowników regulacji powierzchni wylotowej, a pomiędzy nimi zamocowane są obrotowo walcowe koła zębate. Po drugiej stronie głównych siłowników oraz siłowników regulacji powierzchni wylotowej zamocowane są łączniki, połączone ze sobą poprzez cylindry i tłoki, przy czym łączniki zamocowane są pomiędzy końcami siłowników regulacji powierzchni wylotowej i posiadają kulowe wypusty do mocowania drugich końców głównych siłowników. Łączniki te, mają wykonane otwory, służące do mocowania kolejnych cylindrów i tłoków, tworząc membranę stanowiącą wylot dyszy.

Rozwiązanie, według wynalazku, przedstawia dyszę o zmiennym obszarze wlotowym i wylotowym, która zapewnia pożądaną konfigurację poprzez zestaw ruchów obrotowych i liniowych realizowanych przez silnik elektryczny, przekładnie i siłowniki. Sterowanie procesem transformacji zapewnia elek troniczne urządzenie obliczeniowe i/lub sterujące, poprzez kable elektryczne, światłowód lub technologię bezprzewodową. Dysza, według niniejszego ujawnienia, może być montowana na dowolnym typie wentylatora kanałowego bezzałogowego statku powietrznego.

Przedmiot wynalazku został uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku, na którym fig. 1 przedstawia widok z boku zdemontowanej dyszy o zmiennej powierzchni w stanie zbieżnym - rozbieżnym, fig. 2 - widok dyszy w powiększeniu z fig. 1, fig. 3 - perspektywiczny widok dyszy o zmiennym obszarze w stanie rozbieżnym, fig. 4 - widok z boku zmontowanej dyszy, fig. 5 - widok dyszy w powiększeniu z fig. 4, fig. 6 - widok z przodu dyszy o zmiennym obszarze w stanie zbieżnym - rozbieżnym, fig. 7 - perspektywiczny widok dyszy o zmiennym obszarze w stanie zbieżnym, fig. 8 - widok z boku dyszy o zmiennej powierzchni w stanie zbieżnym rozbieżnym ze 100% zamkniętą membraną zewnętrzną i długością ‘a’, fig. 9 - widok z boku dyszy o zmiennej powierzchni w stanie zbieżnym - rozbieżnym ze 100% zamkniętą membraną zewnętrzną i długością ‘b’, fig. 10 - widok z dołu dyszy z fig. 9, fig. 11 - widok z dołu dyszy o zmiennej powierzchni w stanie zbieżno-rozbieżnym ze 100% zamkniętą membraną zewnętrzną i maksymalnym ograniczeniem zamkniętej membrany środkowej, fig. 12 - widok z boku dyszy o zmiennej powierzchni w stanie zbieżnym ze 100% zamkniętą membraną zewnętrzną, fig. 13 - widok z dołu dyszy z fig. 12, fig. 14 - widok z boku dyszy o zmiennej powierzchni w stanie neutralnym ze 100% otwartą membraną zewnętrzną, a fig. 15 - widok z dołu dyszy z fig. 14.

Jak pokazano na fig. 1, fig. 2 i fig. 3, układ napędowy bezzałogowego statku powietrznego, w postaci dyszy o zmiennym obszarze wlotowym i wylotowym, zawiera pierścień kontrolny obszaru wylotowego 1 zewnętrznej membrany, który zawiera przekładnię zębatą 3 oraz koło zębate śrubowe 4 w przedziale sterującym obszaru wylotu zewnętrznej membrany. Koło zębate śrubowe 4 osadzone na pierścieniu kontrolnym obszaru wlotowego 1 współpracuje z kołem zębatym regulatora środkowego 5, które jest osadzone na kołnierzu zewnętrznym pierścienia kontrolnego środkowej membrany 2. Pierścień kontrolny obszaru wylotowego 1 ma odpowiednio większą średnicę, umożliwiającą nasadzenie go na kołnierz zewnętrzny pierścienia kontrolnego środkowej membrany 2. Pierścień kontrolny środkowej membrany 2, po przeciwległej stronie od kołnierza wlotowego, ma zamocowane obwodowo w równych odstępach przeguby kulowe 6.

Układ zawiera także zestaw siłowników 7, które mocowane są do przegubów kulowych 6, co pokazano bliżej na fig. 4 i fig. 5, a także zestaw siłowników regulacji powierzchni wylotowej 9. Sferyczne przeguby 6, które są przeznaczone do utrzymywania siłowników 7, umożliwiają im swobodny ruch w dowolnym kierunku podczas obrotu i zmiany średnicy wlotu lub wylotu dyszy.

Siłowniki regulacji powierzchni wylotowej 9 są ze sobą połączone poprzez zaczepy 8, które osadzone są od strony pierścieni kontrolnych 1, 2. Zaczepy 8 kształtem przypominają klamrę paska, która w górnych częściach ramion ma wykonane otwory przelotowe. W otworach przelotowych zaczepów 8 osadzone są łączniki przegubowe 11 tak, że łączą kolejne zaczepy 8 między sobą. Pomiędzy ramionami zaczepów 8 zamocowany jest trzpień, na którym osadzone są obrotowo ramiona siłowników regulacji powierzchni wylotowej 9, a pomiędzy nimi walcowe koła zębate 10. Po drugiej stronie głównych siłowników 7 oraz siłowników regulacji powierzchni wylotowej 9 zamocowane są łączniki 13, połączone ze sobą poprzez cylindry i tłoki 12. Łączniki 13 zamocowane są pomiędzy końcami siłowników regulacji powierzchni wylotowej 9 i posiadają kulowe wypusty do mocowania drugich końców głównych siłowników 7. Łączniki te, posiadają wykonane otwory, służące do mocowania cylindrów i tłoków 11, tworząc membranę stanowiącą wylot dyszy.

Obracanie przekładni zębatej 3 realizowane jest przez silnik elektryczny, niepokazany na rysunku, dlatego też pierścień kontrolny obszaru wylotowego 1, koło zębate walcowe 4, a co za tym idzie koła zębate walcowe 10, obracają się i pchając/ciągnąc cylindry i tłoki 12, poprzez siłowniki 9, czego efektem jest zmiana powierzchni otworu wylotowego dyszy.

Jak przedstawiono na fig. 4, fig. 5, fig. 6 i fig. 7, pokazano dyszę o zmiennym obszarze w stanie zbieżno-rozbieżnym ze 100% otwartą membraną zewnętrzną, czyli otworem wylotowym dyszy. Wewnętrzny obszar dyszy jest pokryty materiałami termoodpornymi, odpowiednio rozciągliwymi, takimi jak silikon lub inne rozciągliwe materiały odporne na ciepło.

Jak przedstawiono na fig. 8, fig. 9, fig. 10 i fig. 11, pokazana jest dysza o zmiennym obszarze w stanie zbieżno-rozbieżnym ze 100% zamkniętą membraną zewnętrzną o długości ‘a’ i ‘b’, czyli otworem wylotowym o znacznie mniejszej średnicy od otworu wlotowego dyszy. Pokazuje to, że możliwe są różne długości dyszy w zależności od zastosowania lub sytuacji, w której znajduje się dron.

Na fig. 11 zobrazowano również maksymalną granicę zamkniętej membrany środkowej, obszar środkowy, to jest różnicę średnicy otworu wlotowego dyszy do średnicy otworu wylotowego dyszy.

Wykaz oznaczeń:

1. Pierścień kontrolny obszaru wylotowego

2. Pierścień kontrolny środkowej membrany

3. Przekładnia zębata

4. Koło zębate śrubowe w sterowniku zewnętrznej membrany (obszar wylotowy)

5. Koło zębate (regulator środkowego obszaru/ środkowa membrana)

6. Przeguby kulowe

7. Siłowniki

8. Zaczepy

9. Siłowniki regulacji powierzchni wylotowej

10. Koła zębate walcowe

11. Łączniki

12. Cylindry i tłoki

13. Łączniki

Claims (1)

1. Układ napędowy bezzałogowego statku powietrznego, w postaci dyszy o zmiennym obszarze wlotowym i wylotowym, znamienny tym, że składa się z pierścienia kontrolnego obszaru wylotowego (1), który ma zamocowaną na niej przekładnię zębatą (3) oraz koło zębate śrubowe (4) w przedziale sterującym obszaru wylotu zewnętrznej membrany o średnicy większej niż kontrolnego obszaru wylotowego (1), przy czym koło zębate śrubowe (4) osadzone na pierścieniu kontrolnym obszaru wlotowego (1) współpracuje z kołem zębatym regulatora środkowego (5), które jest osadzone na kołnierzu zewnętrznym drugiego pierścienia kontrolnego środkowej membrany (2), przy czym pierścień kontrolny obszaru wylotowego (1) ma odpowiednio większą średnicę, umożliwiającą nasadzenie go na kołnierz zewnętrzny pierścienia kontrolnego środkowej membrany (2), przy czym pierścień kontrolny środkowej membrany (2), po przeciwległej stronie od kołnierza wlotowego, ma zamocowane obwodowo w równych odstępach przeguby kulowe (6), do których przymocowane są obrotowo główne siłowniki (7), a także posiada siłowniki regulacji powierzchni wylotowej (9), które są zamocowane jednym końcem do zaczepów (8), które osadzone są od strony pierścieni kontrolnych (1, 2), przy czym zaczepy (8) mają wykonane w swoich ramionach otwory przelotowe, w których osadzone są łączniki przegubowe (11) tak, że łączą kolejne zaczepy (8) między sobą, dodatkowo pomiędzy ramionami zaczepów (8) zamocowany jest trzpień, na którym osadzone są obrotowo ramiona siłowników regulacji powierzchni wylotowej (9), a pomiędzy nimi zamocowane są obrotowo walcowe koła zębate (10), zaś po drugiej stronie głównych siłowników (7) oraz siłowników regulacji powierzchni wylotowej (9) zamocowane są łączniki (13), połączone ze sobą poprzez cylindry i tłoki (12), przy czym łączniki (13) zamocowane są pomiędzy końcami siłowników regulacji powierzchni wylotowej (9) i posiadają kulowe wypusty do mocowania drugich końców głównych siłowników (7), przy czym łączniki te, mają wykonane otwory, służące do mocowania kolejnych cylindrowi tłoków (11), tworząc membranę stanowiącą wylot dyszy.