Многофункциональная аэродинамическая распределённая система

Изобретение относится к области авиации, в частности к авиационным системам сбора информации. Многофункциональная аэродинамическая распределенная система включает в себя множество беспилотных самолетов вертикального взлета и посадки, каждый из которых содержит расположенный в головной части фюзеляжа воздушный винт изменяемого шага с автоматом перекоса, а также хвостовое шасси, обеспечивающее вертикальное положение фюзеляжа при взлете и посадке. В полете шасси складывается с образованием конического хвостового обтекателя. Хвостовое оперение отсутствует. Управление летательным аппаратом осуществляется изменением циклического шага винта и элеронами. Система связи построена с применением оптической связи между соседними элементами системы в пределах прямой видимости. Она же используется в качестве системы навигации и позиционирования отдельных элементов с применением триангуляции по опорным точкам. Обеспечивается повышение дальности действия системы, устойчивости к помехам и живучести в условиях активного противодействия. 3 ил.

 

Изобретение относится к области прикладных кибернетических систем и может быть применено для создания систем связи, систем сбора и передачи разведданных, а также высокоточных ударных систем большой дальности действия, устойчивых в условиях активного противодействия.

Известно два вида систем аналогичного назначения: природные (биосистемы) и искусственные, которые, в свою очередь, подразделяются на социальные (системы взаимодействия между людьми и между государствами) и технические, т.е. системы способные к автоматическому функционированию с целью выполнения задач, которые ставит человек. Во всех указанных системах, в отличие от функционирования простых технических систем, присутствует фактор активного противодействия, которое может состоять в постановке искусственных помех, применение различных видов оружия или применение альтернативной аналогичной системы с встречным целеполаганием.

Технических системы подобного рода в последнее время особенно сильно развиваются в области вооружений в связи тем, что развитие науки и технологии достигло некоего критического уровня, начиная с которого становится возможным создание кибернетических устройств, способных к автоматическому функционированию, превышающему возможности человека по мощности, быстродействию, скорости, разнообразию сред применения и по сложности решаемых при этом задач.

Причем, указанная критическая стадия развития технических систем достигнута в шести главных технических отраслях: в мобильных энергоустановках, в средствах передвижения, в средствах получения информации об окружающей обстановке, в средствах передачи информации, в средствах распознавания и управления (искусственный интеллект) и в средствах активного воздействия для нанесения ущерба.

В любой естественной, т.е. биологической, системе мы наблюдаем высокий уровень развития всех шести указанных свойств и возможностей. Однако в технических системах эти возможности в настоящее время по многим параметрам превосходят возможности биологических систем, и строятся они по совершенно другим принципам и в более широком диапазоне физических условий. Причем человек, как управляющее звено, будучи представителем системы природного происхождения, плохо вписывается в современные технические системы, приводя к ухудшению массогабаритных характеристик системы, снижению быстродействия и других тактико-технических параметров. Однако пока на практике мы встречаемся главным образом с человеко-машинными системами.

Рассмотрим в качестве прототипа типичную систему вооружений, соответствующую современной военной доктрине по опубликованным источникам (см. например naked-science.ru «Война будущего»).

В качестве наиболее эффективного средства передвижения применяется пилотируемый самолет аэродромного базирования: истребитель, бомбардировщик или транспортный самолет сравнительно большой грузоподъемности, а также ракеты.

При этом основной энергоустановкой летательного аппарата является газотурбинный двигатель с реактивной тягой или ракетный двигатель (твердотопливный или воздушно-реактивный)..

В качестве основного средства получения информации об окружающей среде применяется радиолокатор, а также оптические системы ночного видения и инфракрасные головки самонаведения.

В качестве основного средства передачи информации используется радиосвязь, защищенная сложными системами модуляции, кодирования и угловой направленности с синтезированной апертурой.

Для обработки информации, распознавания и управления используются микропроцессоры и полупроводниковые твердотельные накопители информации.

В качестве средств противодействия и нанесения ущерба используются фугасные или осколочные боезаряды, кумулятивные снаряды, ядерные боеприпасы и др., а также средства радиоэлектронной борьбы (постановщики помех, генераторы ложных целей, мощные генераторы подавления входных устройств радиоприемников неизбирательной перегрузкой и т.п.), а также мощные импульсные лазеры.

Устойчивость к средствам противодействия реализуется за счет дублирования вышеуказанных элементов системы и их рассредоточения в пространстве. При этом реализуется множество обходных каналов связи и элементов ударного воздействия взамен выведенных из строя. Кроме того, реализуется фактор массированности, усиленный применением ложных целей, перегружающий средства противодействия. Все это можно условно назвать фактором пространственной избыточности или распределенности, широко используемой в гомеостазе биосистем.

Описанная выше типичная современная система вооружений имеет следующие недостатки.

1. Ограниченные возможности дублирования элементов в виду их высокой стоимости и высокого энергопотребления.

2. Высокая уязвимость элементов системы (самолетов, включая их средства навигации, радаров, средств радиоэлектронной борьбы), обусловленная большими (по необходимости) размерами элементов. Например размеры пилотируемого самолета ограничены наличием кабины пилота, а также ограничены размерами газотурбинного двигателя, который по газодинамическим соображениям не может быть маломощным. Размеры радаров и другой радиаппаратуры ограничены условием пространственной избирательности, требующей диаметра апертуры антенны, на порядки превышающего длину волны.

3. Последнее обстоятельство также затрудняет обеспечение достаточной помехоустойчивости каналов связи, радиолокации и радионавигации.

4. Ограниченные возможности применения методов ретрансляции, что зачастую ограничивает дальность обнаружения цели пределами прямой видимости и, в частности, заставляет прибегать к использованию барожирующего самолета дальнего радиолокационного обнаружения. Это усложняет решение задачи непрерывного длительного контроля воздушного пространства на дальних рубежах.

5. Дальность действия подобной системы ограничена дальностью полета применяемых летательных аппаратов, т.к. применение дозаправки самолетов в воздухе в боевой обстановке небезопасно.

6. Наконец, описанная система пока не может работать в чисто беспилотном режиме, т.к. указанные элементы системы в существующей конфигурации трудно автоматизируемы из за большой номенклатуры и разнородности используемых средств, а также чувствительности к средствам противодействия, что требует искусства управления. Это дополнительно ограничивает массированость дублирования элементов и обуславливает неизбежность людских потерь при применении системы в реальных боевых действиях.

Целью предлагаемого изобретения является устранение вышеперечисленных недостатков многофункциональной аэродинамической распределенной системы, т.е. повышение ее устойчивости к различным факторам противодействии, повышение дальности действия системы, повышение эффективности ее действия, полная автоматизация, позволяющая исключить людские потери. Кроме того, ставится цель снижения затратности функционирования системы и, как следствие, достижение возможности расширения реализуемых системой функций на сферу экономики.

Предлагается многофункциональная аэродинамическая распределенная система, состоящая из множества летательных аппаратов, содержащих автономные средства навигации, наблюдения окружающей обстановки и управления полетом и связанных между собой каналами оптической и электромагнитной связи. Цель изобретения достигается тем, что каждый из указанных летательных аппаратов системы (называемый далее аэродинамическим элементом или просто элементом) представляет собой беспилотный самолет вертикального взлета и посадки, содержащий крыло с элеронами и фюзеляж, в головной части которого расположен воздушный винт изменяемого шага с автоматом перекоса. Причем ось винта расположена относительно фюзеляжа продольно. В хвостовой части фюзеляжа расположено шасси, обеспечивающее вертикальное положение продольной оси фюзеляжа при взлете и посадке. Причем шасси выполнено в виде шарнирно прикрепленных к фюзеляжу створок, образующих при смыкании конический хвостовой обтекатель, а средство контроля окружающей обстановки представляет собой оптическую систему кругового обзора. Такое устройство летательного аппарата, являющегося главным элементом системы, обеспечивает, в отличии от беспилотных летательных аппаратов традиционных схем, высокую скорость и топливную экономичность полета, т.к. в крейсерском режиме полета винт работает, как у самолета - без косой обдувки. Причем аэродинамическое качество данного аппарата, из за отсутствия хвостового оперенья, лучше, чем у обычного самолета. Это, учитывая принципиальную простоту и дешевизну такой конструкции, позволяет увеличивать размеры системы до многих сотен и тысяч километров, сохраняя при этом целостность ее функционирования за счет оптической связи, реализуемой в пределах прямой видимости между соседними элементами. Т.о. реализуется вариант сети интернет, состоящий из мобильных элементов, который, если использовать также и космические элементы, может охватить своим влиянием весь земной шар. При этом возможность вертикального взлета и посадки элементов полученной сети позволяет переводить отдельные элементы, по мере возможности, временно, в стационарный режим работы, что позволит экономить горючее. Причем, система может сама обеспечивать себя питанием, осуществляя эстафетную передачу контейнеров с горючим или дозаправку в режиме автоматической стыковки соседних элементов. Подвижность отдельных элементов такой сети дополнительно, по сравнению с сетью, состоящей из стационарных элементов, повышает надежность функционирования в условиях противодействия, т.к. позволяет компенсировать возникающие разрывы связей за счет перемещения элементов и растягивания цепи. Т.е. система использует для залечивания отдельных разрывов весь свой объем, чем обеспечивается живучесть системы в условиях активного противодействия. Этому способствует также и высокая помехозащищенность оптических каналов связи за счет более высокой угловой избирательности диаграммы направленности оптических систем по сравнению с радиоволновыми. Наличие также и радиоканалов связи необходимо на случай потери прямой видимости при наличии облачности, задымления или ограничения поля зрения предметами ландшафта (особенно во время стоянки на земле). В крайнем случае, если и радиосвязь элемента с системой потеряна, элемент может перемещаться в автономном режиме, выходя т.о. из мертвой зоны.

Навигация аэродинамических элементов системы осуществляется путем автономного позиционирования, осуществляемого способом измерения фазовой задержки передачи оптических сигналов между элементами системы находящимися в пределах прямой видимости. Т.о. система обладает, возможностями, аналогичными возможностям спутниковой системы позиционирования. Однако отличие состоит в использовании методов триангуляции с использованием базовых опорных точек. Каждый элемент системы обладает и обычным бортовым комплектом навигационных приборов - гироскопом (вращательным, вибрационным или оптическим), измерителем воздушной скорости и высотомером.

Следует также заметить, что предлагаемая система является открытой, т.е. может устанавливать связи с другой системой, в частности со стационарной сетью интернет, системой спутникового позиционирования или с отдельными абонентами, включая население, если его снабдить карманными радиоинтерфейсами, наподобие мобильных телефонов.

Изобретение поясняется нижеследующим описанием примера конструктивного выполнения основных составляющих, а также перечислением возможных вариантов использования системы.

На фиг. 1 изображена схема возможного варианта конструктивной реализации аэродинамического элемента предлагаемой системы.

На фиг. 2 показано движение отдельных элементов при выполнении операций, требующих кумулятивного эффекта, т.е. суммирования действий многих элементов системы в одной точке и в один момент времени.

На фиг. 3 показан одномерный вариант топологии связей аэродинамических элементов между собой. Каждой стрелке соответствует направление передачи по симплексному каналу оптической связи.

В изображенном на фиг. 1 варианте конструктивного выполнения аэродинамический элемент предлагаемой системы, т.е. специальный беспилотный самолет вертикального взлета и посадки содержит крыло 1 с элеронами 2 и фюзеляж 3. В головной части фюзеляжа 3 расположен винт 4 изменяемого шага с автоматом перекоса 5, расположенном в его втулке. Принципиальная схема автомата перекоса ничем не отличается от вертолетной. В хвостовой части фюзеляжа 3 расположено шасси 6, обеспечивающее вертикальную ориентацию продольной оси фюзеляжа при взлете и посадке. Шасси выполнено в виде шарнирно прикрепленных к фюзеляжу створок 7, которые в сомкнутом состоянии образуют конический хвостовой обтекатель фюзеляжа. Хвостовое оперенье отсутствует, т.к. его заменяет вышеуказанный автомат перекоса 5 винта 4. Кроме компоновочных соображений, это уменьшает аэродинамическое сопротивление, что необходимо для достижения больших скоростей полета (до 700 км/час) и больших дальностей полета (до неск. тыс. км). Имеется также электропривод (не показан), управляющий раздвижением створок 7 в посадочное положение (показано штрихпунктирной линией). Привод винта 4 осуществляется одноцилиндровым 4-хтактным ДВС, соединенным с валом винта посредством конической зубчатой передачи. Двигатель выполнен с избыточным объемом цилиндра. Это позволяет на малых высотах обеспечивать полное расширение продуктов сгорания и бесшумный выхлоп, а на больших высотах (до 10 тыс. м.) сохранить достаточную для крейсерского режима мощность.

Имеются также сервоприводы управления элеронами, автоматом перекоса, общим шагом винта и мощностью ДВС, соединенные с выходами микропроцессорной системы управления (не показаны). Запуск двигателя производится электродвигателем 8, выполняющим также функцию генератора подзарядки бортовой батареи. Для облегчения запуска применяется декомпрессор. Бак с горючим размещается в крыле 1.

Оптическая система кругового обзора в частном варианте конструктивного выполнения содержит множество объективов 9, распределенных по поверхности фюзеляжа 3, включая головной обтекатель. Таким образом образована фасеточная структура, перекрывающая своим полем зрения практически всю сферу. В фокальной плоскости каждого из объективов 9 расположен матричный фотоприемник, каждый пиксель которого подключен к отдельному входу процессора обработки изображения. Применение вместо этого матрицы ПЗС проблематично с точки зрения получения достаточного быстродействия, необходимого для обработки транзитных потоков информации от множества удаленных элементов системы. Передающая часть оптической системы связи в принципе не должна иметь острой направленности. Она может быть выполнена в виде узко-спектрального источника света, например лазера с импульсно-кодовой модуляцией, сканируемого вращающимся зеркалом. Однако для обеспечения скрытности целесообразно разместить передающий источник света в отдельных объективах с охватом всей сферы несколькими зонами, используемыми в зависимости от обстановки. Т.о. передача в любом случае осуществляется циркулярно на значительный сектор неба при использовании кодовой избирательности, как в интернете. Радичастотная система связи выполнена всенаправленной. При этом в качестве передающей и приемной антенны в частном варианте выполнения используется винт 4, лопасти которого выполняют функцию антенного диполя. При этом лопасти выполнены из непроводящего материала, например стеклопластика, с алюминиевым покрытием, соединяемым посредством емкостных токосъемных устройств с клеммами приемопередатчика. Всенаправленность антенны обеспечивается за счет вращения винта 4.

Имеется также система автоматического управления посадкой, содержащая оптическую локационную систему технического зрения - импульсную или паралаксную (например по авторским свидетельствам СССР №1374951 (приор. От 2.10.85 г.) и №1678144 (приор, от 24.11 88 г.). В первом случае излучатель и приемник системы располагаются в хвостовой части фюзеляжа под створками 7, а во втором случае - на концах крыла 1.

В головной части фюзеляжа может быть расположен боезаряд 10 -фугасный, осколочный, кумулятивный, а также (не исключено) и фрагмент ядерного боезаряда докритической массы. В последнем случае система может использоваться для поэлементной доставки ядерного заряда со сборкой критической массы при применении специальных способов, реализуемых самой системой. При этом часть элементов системы может скоординировать и синхронизировать свои движения по принципу фокусировки (см. фиг. 2). Последнее необходимо учитывать при разработке оборонительных доктрин, т.к. всякая возможность может стать реальностью.

Указанным способом фокусировки может быть также обеспечена возможность неограниченного наращивания величины обычного боезаряда. Т.о. ударная сила в принципе не ограничена грузоподъемностью аэродинамических элементов системы. Т.о., в сочетании с неограниченной дальностью действия и устойчивостью к противодействию, данная система может иметь стратегическое значение.

Структура топологии связей, реализуемая вышеописанной оптической системой, проиллюстрирована на одномерном примере на фиг. 3. Она характеризуется полной транзитивностью связей в локальных зонах, соответствующих прямой видимости. Дальние же зоны связаны между собой через множество промежуточных элементов. При этом каждый элемент вынужден выполнять функцию ретранслятора. При этом имеется множество альтернативных путей передачи информации, чем обеспечивается живучесть системы в условиях естественных и искусственных помех и умышленного противодействия.

Кроме упомянутых выше возможностей ударного высокоточного оружия с большой дальность действия, предлагаемая система может выполнять функцию сбора и передачи информации (видео, акустической, химической, биологической, радиотехнической, радиационной), если снабдить элементы системы соответствующими датчиками, например для фронтовой разведки.

Наконец, система может использоваться как безстанционная система мобильной связи внутри городов, а также по всей территории. При этом аэродинамические элементы системы могут большую часть времени находится без движения, располагаясь на крышах домов и других случайных площадках, которые они могут выбирать, руководствуясь космической системой глобального позиционирования.

Многофункциональная аэродинамическая распределенная система, состоящая из множества летательных аппаратов, содержащих автономные средства навигации, наблюдения окружающей обстановки и управления полетом и связанных между собой каналами оптической и электромагнитной связи, отличающаяся тем, что каждый из указанных летательных аппаратов системы представляет собой беспилотный самолет вертикального взлета и посадки, содержащий крыло с элеронами и фюзеляж, в головной части которого расположен воздушный винт изменяемого шага с автоматом перекоса, причем ось винта расположена относительно фюзеляжа продольно, в хвостовой части фюзеляжа расположено шасси, обеспечивающее вертикальное положение продольной оси фюзеляжа при взлете и посадке, выполненное в виде шарнирно прикрепленных к фюзеляжу створок, образующих при смыкании конический хвостовой обтекатель, а средство контроля окружающей обстановки представляет собой оптическую систему кругового обзора.