RU2721325C2

RU2721325C2 - Multi-rotor flying platform

Info

Publication number: RU2721325C2
Application number: RU2018136176A
Authority: RU
Inventors: Илья Дмитриевич Зверков; Алексей Владимирович Крюков; Игорь Спартакович Ким
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Моторостроительная компания ЗК-Мотор" (ООО "ЗК-Мотор")
Priority date: 2018-10-12
Filing date: 2018-10-12
Publication date: 2020-05-19
Also published as: RU2018136176A; RU2018136176A3

Abstract

FIELD: aviation.

SUBSTANCE: invention relates to aircraft engineering, particularly, to structures of multi-screw flying platforms. Multi-rotor flying platform with possibility of vertical and horizontal movement includes at least four rotary cells fixed on platform and each containing two air screws installed in hubs with possibility of opposite rotation from drive of power plant, and enveloping screws of shell. Shells on the inner side are made in the form of rigid expanding upward diffusers with elastic shaping shells from the outside. Diameter of the upper part of the shell makes from 1.5 to 3 diameters of the propeller. Lower part of the shell is rigidly fixed on the hub and hinged to the mast with the possibility of changing the inclination angle by means of at least two tie-rods controlled by one end fixed by one end on the hub, and by the other one at the mast. Length of the mast is not less than two diameters of the screw.

EFFECT: higher capacity of multi-rotor flying platform, improved controllability, manoeuvrability, safety of use.

5 cl, 4 dwg

Description

Мультироторная летающая платформа относится к области авиации и предназначена для вертикального и горизонтального перемещения в воздушной среде людей и грузов в пилотируемом и беспилотном варианте, а так же в качестве подъемного устройства типа «летающий кран».The multi-rotor flying platform belongs to the field of aviation and is designed for vertical and horizontal movement of people and goods in the air in a manned and unmanned version, as well as a lifting device of the “flying crane” type.

Мультироторная летающая платформа состоит из нескольких (не менее четырех) роторных ячеек, которые, могут непосредственно присоединяться к полезной нагрузке или собираться в сборки с помощью фермы.A multi-rotor flying platform consists of several (at least four) rotor cells, which can be directly connected to the payload or assembled into assemblies using a truss.

Известен летательный аппарат, использующий для создания подъемной силы и управления группу воздушных винтов (ячеек) установленных на платформе. Такие как мультироторная платформа в патенте США US 3614030 и грузоподъемный аппарат, описанный в Интернете на странице: Volocopter https://www.volocopter.com/de/ (фиг. 4).Known aircraft using to create lift and control a group of propellers (cells) mounted on the platform. Such as the multi-rotor platform in US patent US 3614030 and the lifting device described on the Internet at: Volocopter https://www.volocopter.com/de/ (Fig. 4).

Недостатком указанных технических решений является плохая маневренность в горизонтальной плоскости. Отсутствие механизмов отклонения струй винтов, приводит к наклону всей платформы. Не решена проблема безопасности при касаниях воздушных винтов с внешними препятствиями, например с ветками деревьев и проводами.The disadvantage of these technical solutions is poor maneuverability in the horizontal plane. The lack of mechanisms for deflecting jets of screws leads to the inclination of the entire platform. The security problem is not resolved when touching propellers with external obstacles, such as tree branches and wires.

Проблема управляемости в горизонтальной плоскости частично решена в конструкции геликоптеров, описанных в патентах WO 8400339, 1984 г., В64С 27/10 и DE 19860609, 2000 г., В64С 27/08. В указанных патентах воздушные винты закреплены на шарнирном узле и могут наклоняться в двух плоскостях, обеспечивая при этом перемещение летательного аппарата по горизонтали.The problem of controllability in the horizontal plane is partially solved in the design of helicopters described in patents WO 8400339, 1984, B64C 27/10 and DE 19860609, 2000, B64C 27/08. In these patents, propellers are mounted on a hinge assembly and can be tilted in two planes, while ensuring the horizontal movement of the aircraft.

Это легкие геликоптеры, предназначенные для подъема малого веса (одного пилота), имеющие одну пару винтов не дающие достаточного прироста подъемной силы. Низкое расположение воздушных винтов непосредственно над сидением пилота приводит при взлете и посадке к нежелательному воздействию струи воздуха от винтов на землю и саму конструкцию.These are light helicopters designed for lifting low weight (one pilot), having one pair of screws that do not give a sufficient increase in lifting force. The low position of the propellers directly above the pilot's seat leads during takeoff and landing to the undesirable effects of a jet of air from the propellers on the ground and the structure itself.

Проблема ограждения винтов и создание дополнительной подъемной силы частично решена в патенте US 2015053826, 2015 г., В64С 27/20, где ячейки воздушных винтов заключены в аэродинамическую жесткую обечайку.The problem of screw enclosure and the creation of additional lifting force is partially solved in patent US 2015053826, 2015, ВСС 27/20, where the cells of the propellers are enclosed in an aerodynamic rigid shell.

Недостаток конструкции данной установки заключается в том, что примененный аэродинамический профиль обечайки не дает значительного прироста подъемной силы, при этом жесткая обечайка не дает полную защиту от возможных ударов и столкновений с внешними препятствиями.The disadvantage of the design of this installation is that the applied aerodynamic profile of the shell does not give a significant increase in lifting force, while the rigid shell does not provide complete protection against possible impacts and collisions with external obstacles.

Задачей изобретения является увеличение грузоподъемности мультироторной летающей платформы, улучшение ее управляемости (маневренности), безопасности использования, а так же расширение сферы ее использования за счет модульности конструкции.The objective of the invention is to increase the load capacity of a multi-rotor flying platform, improve its controllability (maneuverability), safety of use, as well as expand the scope of its use due to the modularity of the design.

Положительный эффект обеспечивается благодаря предложенному конструктивному решению мультироторной летающей платформы.A positive effect is provided thanks to the proposed constructive solution of the multi-rotor flying platform.

Поставленная задача решается благодаря тому, что мультироторная летающая платформа с возможностью вертикального и горизонтального перемещения, включает не менее четырех роторных ячеек закрепленных на платформе и содержащих каждая по два воздушных винта, установленных в ступице с возможностью встречного вращения от привода силовой установки и обечайку, охватывающую винты. Согласно изобретению, обечайка каждой роторной ячейки выполнена в виде расширяющегося к верху жесткого диффузора с эластичной формообразующей оболочкой снаружи, при этом диаметр верхней части обечайки составляет от 1.5 до 3 диаметров воздушного винта, а нижняя часть обечайки закреплена неподвижно на ступице, при этом ступица с воздушными винтами и обечайкой шарнирно закреплены на мачте с возможностью изменения угла наклона роторной ячейки посредством регулируемых по длине тяг, по крайней мере, не менее двух, закрепленных одним концом на ступице, а другим на мачте. Диаметр внешней части обечайки может варьироваться в зависимости от степени раздутия эластичной оболочки. Относительно мачты ступица с обечайкой может отклоняться на угол до 20 градусов в любую сторону. Длина каждой мачты составляет не менее двух диаметров воздушного винта для снижения воздействия на платформу от аэродинамической струи воздушных винтов. Роторные ячейки, как при вертикальном, так и при горизонтальном перемещении платформы могут работать, как синхронно, так и автономно и так же изменять частоту вращения воздушных винтов.The problem is solved due to the fact that the multi-rotor flying platform with the possibility of vertical and horizontal movement includes at least four rotor cells mounted on the platform and each containing two propellers installed in the hub with the possibility of counter rotation from the power unit drive and a shell covering the screws . According to the invention, the casing of each rotor cell is made in the form of a rigid diffuser expanding towards the top with an elastic forming shell from the outside, the diameter of the upper part of the casing being from 1.5 to 3 diameters of the propeller, and the lower part of the casing fixedly mounted on the hub, while the hub with air screws and a shell are pivotally mounted on the mast with the possibility of changing the angle of inclination of the rotor cell by means of at least two length-adjustable rods fixed at one end on the hub and the other on the mast. The diameter of the outer part of the shell may vary depending on the degree of swelling of the elastic shell. With respect to the mast, the hub with the shell can deviate by an angle of up to 20 degrees in any direction. The length of each mast is at least two diameters of the propeller to reduce the impact on the platform from the aerodynamic jet of propellers. Rotor cells, both during vertical and horizontal movement of the platform can work both synchronously and autonomously and also change the speed of the propellers.

Преимуществом предложенного технического решения является предложенный профиль обечайки в виде диффузора, входной диаметр которого не менее чем в 1.5 до 3 раза больше диаметра воздушного винта. Обечайка снаружи снабжена эластичной надувной оболочкой, которая при подаче избыточного давления принимает обтекаемую форму, например тороидальной оболочки. Это позволяет значительно повысить грузоподъемность каждой ячейки и в целом всей платформы при тех же затратах мощности привода. Надувная торообразная оболочка надежно защищает вращающиеся воздушные винты от соударений с внешними препятствиями. Обечайка вместе со ступицей и воздушными винтами, шарнирно закрепленными на мачте высотой не менее двух диаметров воздушного винта, что уменьшает воздействие от аэродинамической струи воздушных винтов на конструкцию платформы и поверхность земли. С помощью управляемых тяг каждая роторная ячейка благодаря шарнирному закреплению на мачте, может наклоняться относительно мачты в двух плоскостях на угол до 20 градусов, увеличивая маневренность всей платформы. Управляемость платформы достигается также за счет изменения оборотов воздушных винтов и изменения угла наклона каждой роторной ячейки относительно мачты, как синхронно, так и автономно. Использование нескольких роторных ячеек на одной платформе обеспечивает надежную эксплуатацию и устойчивый полет всей платформы. Мачты роторных ячеек можно крепить как непосредственно к грузу в количестве не менее четырех, так и соединять их в сборки с помощью дополнительной фермы любой конструкции. В зависимости от массы груза и требуемого запаса надежности число ячеек в сборке мультироторной платформы можно увеличивать (изменять). Этим достигается оптимальность использования и расширение сферы применения данного изобретения.An advantage of the proposed technical solution is the proposed shell profile in the form of a diffuser, the input diameter of which is not less than 1.5 to 3 times the diameter of the propeller. The shell on the outside is equipped with an elastic inflatable shell, which when applied to excess pressure takes a streamlined shape, for example a toroidal shell. This allows you to significantly increase the load capacity of each cell and the entire platform as a whole at the same drive power costs. The inflatable toroidal shell reliably protects the rotating propellers from collisions with external obstacles. The shell along with the hub and propellers pivotally mounted on the mast with a height of at least two diameters of the propeller, which reduces the impact of the aerodynamic jet of propellers on the platform structure and the surface of the earth. With the help of controlled rods, each rotor cell, due to the hinged mounting on the mast, can tilt relative to the mast in two planes by an angle of up to 20 degrees, increasing the maneuverability of the entire platform. The platform’s controllability is also achieved by changing the revolutions of the propellers and changing the angle of inclination of each rotor cell relative to the mast, both synchronously and autonomously. The use of several rotor cells on one platform ensures reliable operation and stable flight of the entire platform. The masts of the rotor cells can be attached directly to the load in an amount of at least four, and connect them to the assembly using an additional truss of any design. Depending on the mass of the cargo and the required safety margin, the number of cells in the assembly of the multi-rotor platform can be increased (changed). This achieves the optimality of use and the expansion of the scope of this invention.

На фиг. 1. изображена мультироторная летающая платформа. На фиг. 2 продольный разрез роторной ячейки мультироторной платформы. На фиг. 3. мультироторная платформа ферменного типа. На фиг. 4 - Volocopter https://www.volocopter.com/de/.In FIG. 1. depicts a multi-rotor flying platform. In FIG. 2 is a longitudinal section of a rotor cell of a multi-rotor platform. In FIG. 3. multi-rotor truss platform. In FIG. 4 - Volocopter https://www.volocopter.com/de/.

Описание конструкции мультироторной летающей платформы.Description of the design of the multi-rotor flying platform.

Мультироторная летающая платформа 1 выполнена с возможностью вертикального и горизонтального перемещения (фиг. 1). На платформе симметрично расположены не менее четырех роторных ячеек 2 (фиг. 2), содержащих каждая по два воздушных винта 3, установленных в ступице 4 с возможностью встречного вращения от привода 5 силовой установки 6. На ступице 4 неподвижно закреплена обечайка 7, охватывающая воздушные винты 3. Обечайка 7 каждой роторной ячейки 2 выполнена в виде расширяющегося кверху жесткого диффузора с диаметром в верхней части, равным от 1.5 до 3 диаметров охватываемых воздушных винтов 3. Диаметр нижней части обечайки может изменяться в зависимости от степени раздутия наружной эластичной оболочки. Ступица 4 с воздушными винтами 3 и обечайкой 7 посредством шарнира 8 закреплена на мачте 9 с возможностью изменения угла наклона роторной ячейки 2 от вертикального положения до необходимого угла наклона для придания движению мультироторной летающей платформе горизонтальной составляющей. Изменение угла наклона роторных ячеек 2 осуществляют посредством регулируемых по длине тяг 10, по крайней мере, не менее двух тяг на каждую роторную ячейку, которые крепятся одним концом на ступице 4, а другим на мачте 9 на некотором расстоянии от шарнира 8. Это позволяет наклонять ячейку в любую сторону на угол до 20 градусов. Мачта 9 имеет длину не менее 2 диаметров воздушного винта для уменьшения влияния аэродинамической струи из-под нижней части обечайки 7 на платформу и груз (фиг. 3). Обечайка 7 снаружи выполнена с герметичными эластичными, формообразующими оболочками 11, которые по мере подачи избыточного давления в них принимают, например, тороидальную форму. Эластичная оболочка 11 может компенсировать удары при столкновении платформы о преграды и уменьшать силу аэродинамического сопротивления платформы при полете. Нижняя часть платформы может быть выполнена в виде фермы из нескольких сборных элементов с полезным грузом. Роторные ячейки 2, как при вертикальном, так и при горизонтальном перемещении могут работать, как в синхронном, так и автономном режиме.Multirotor flying platform 1 is made with the possibility of vertical and horizontal movement (Fig. 1). At least four rotor cells 2 (Fig. 2) are symmetrically located on the platform, each containing two propellers 3 installed in the hub 4 with the possibility of counter rotation from the drive 5 of the power unit 6. A shell 7 covering the propellers is fixedly mounted on the hub 4 3. The shell 7 of each rotor cell 2 is made in the form of a rigid diffuser expanding upward with a diameter in the upper part equal to 1.5 to 3 diameters of the covered propellers 3. The diameter of the lower part of the shell may vary depending on the degree of bloating of the outer elastic shell. The hub 4 with propellers 3 and the casing 7 by means of a hinge 8 is mounted on the mast 9 with the possibility of changing the angle of inclination of the rotor cell 2 from a vertical position to the desired angle of inclination to give the movement of the multi-rotor flying platform a horizontal component. Changing the angle of inclination of the rotor cells 2 is carried out by means of length-adjustable rods 10 of at least two rods for each rotor cell, which are attached at one end to the hub 4 and the other on the mast 9 at a certain distance from the hinge 8. This allows you to tilt cell in any direction at an angle of up to 20 degrees. The mast 9 has a length of at least 2 diameters of the propeller to reduce the influence of the aerodynamic jet from under the lower part of the shell 7 on the platform and the load (Fig. 3). The shell 7 is externally made with sealed elastic, forming shells 11, which, as the overpressure is applied to them, take, for example, a toroidal shape. The elastic shell 11 can compensate for impacts when the platform collides with obstacles and reduce the aerodynamic drag of the platform during flight. The lower part of the platform can be made in the form of a farm of several precast elements with a payload. Rotor cells 2, both in vertical and in horizontal movement can work, both in synchronous and autonomous mode.

Мультироторная летающая платформа работает следующим образом.Multirotor flying platform works as follows.

Пока платформа 1 стоит на земле, на ней размещают полезный груз. Груз либо складывают на платформу (фиг. 1), либо подвешивают к платформе если она выполнена в виде фермы (фиг. 3). Запускают силовую установку 6 и работу привода 5 и соосные воздушные винты 3 в роторных ячейках 2 начинают вращаться. Струя воздуха в обечайках 7 отбрасывается сверху вниз, создавая часть подъемной силы за счет наружных эластичных оболочек 11, другая часть подъемной силы создается за счет жесткого диффузора обечайки в силу того, что перед воздушными винтами 3 создается зона пониженного давления. Таким образом, подъемная сила каждой роторной ячейки 2 с воздушными винтами 3 и с обечайкой 7 больше, чем от воздушных винтов 3 без обечайки 7 (открытые винты) при той же подводимой мощности. С увеличением оборотов воздушных винтов платформа 1 отделяется от земли и поднимается на заданную высоту. За счет того, что роторные ячейки 2 установлены на достаточно высоких мачтах 9 воздействие отбрасываемых струй воздуха от воздушных винтов на землю и на саму платформу уменьшается, что увеличивает безопасность и удобство эксплуатации. Ступица 4 с воздушными винтами 3 посредством шарнира 8 закреплена на мачте 9 и управляется тягами 10, которые могут изменять наклон ячейки относительно мачты на угол до 20 градусов. Для возможности быстрого наклона ячейки без возникновения дестабилизирующих гироскопических моментов в конструкции используются соосные воздушные винты. Совместным либо автономным наклоном ячеек относительно своих мачт может достигаться любой маневр в горизонтальной плоскости, например вперед, назад, вправо, влево, поворот относительно вертикальной оси по команде с пульта управления, (на фиг. не показано), причем пульт управления может находиться удаленно. При этом само положение платформы может оставаться горизонтальным. Для изменения высоты полета увеличивают или уменьшают обороты воздушных винтов всех ячеек. Для наклона платформы можно так же управлять как наклоном ячеек так и оборотами винтов. При этом можно обеспечить любые маневры в горизонтальной плоскости с наклоненной на заданный угол платформой. Безопасность летающей платформы при столкновениях с препятствиями обеспечивают эластичными оболочками 11 обечаек, которые надувают например от динамического давления струй отметаемого воздушными винтами воздуха. Энергия столкновения таким образом гасится при деформации эластичной оболочки 11 (фиг. 2). Отказоустойчивость платформы обеспечивается тем, что используется минимум четыре ячейки, суммарная максимальная тяга которых в два раза превышает взлетный вес платформы. При отказе одной ячейки выключают симметричную ей ячейку и производят безопасную посадку на оставшихся ячейках. При увеличении количества ячеек запас по мощности можно уменьшать, либо повысить степень отказоустойчивости всей платформы (фиг. 3). Увеличение удобства эксплуатации и расширение сферы применения мультироторной летающей платформы достигается за счет модульности конструкции. Количество ячеек должно быть не менее четырех, а дальше их количество можно увеличивать в зависимости от веса полезной нагрузки и требуемого запаса надежности.While platform 1 is on the ground, a payload is placed on it. The cargo is either folded onto the platform (Fig. 1), or suspended from the platform if it is made in the form of a truss (Fig. 3). Start the power plant 6 and the operation of the actuator 5 and the coaxial propellers 3 in the rotor cells 2 begin to rotate. The air stream in the shells 7 is thrown from top to bottom, creating part of the lifting force due to the outer elastic shells 11, the other part of the lifting force is created by the rigid shell diffuser due to the fact that a reduced pressure zone is created in front of the propellers 3. Thus, the lifting force of each rotor cell 2 with propellers 3 and with a shell 7 is greater than from the propellers 3 without a shell 7 (open screws) with the same input power. With increasing revolutions of propellers, platform 1 is separated from the ground and rises to a predetermined height. Due to the fact that the rotor cells 2 are mounted on sufficiently high masts 9, the impact of the thrown air jets from the propellers on the ground and on the platform itself is reduced, which increases safety and ease of use. The hub 4 with propellers 3 by means of a hinge 8 is mounted on the mast 9 and is controlled by rods 10, which can change the cell inclination relative to the mast by an angle of up to 20 degrees. To enable fast cell tilting without the occurrence of destabilizing gyroscopic moments, coaxial propellers are used in the design. By joint or autonomous tilting of the cells relative to their masts, any maneuver in the horizontal plane can be achieved, for example, forward, backward, right, left, rotation about the vertical axis by command from the control panel (not shown in Fig.), And the control panel can be remotely. In this case, the position of the platform itself can remain horizontal. To change the flight altitude, increase or decrease the revolutions of the propellers of all cells. To tilt the platform, you can also control both the tilt of the cells and the revolutions of the screws. In this case, it is possible to provide any maneuvers in the horizontal plane with the platform inclined by a given angle. The safety of a flying platform in collisions with obstacles is ensured by the elastic shells of 11 shells, which are inflated for example from the dynamic pressure of the jets swept by air propellers. The collision energy is thus extinguished by deformation of the elastic shell 11 (Fig. 2). The fault tolerance of the platform is ensured by the fact that at least four cells are used, the total maximum thrust of which is twice the take-off weight of the platform. In case of failure of one cell, the cell symmetrical to it is turned off and a safe landing is made on the remaining cells. With an increase in the number of cells, the power margin can be reduced or the degree of fault tolerance of the entire platform can be increased (Fig. 3). Increasing the ease of use and expanding the scope of the multi-rotor flying platform is achieved due to the modularity of the design. The number of cells must be at least four, and then their number can be increased depending on the weight of the payload and the required safety margin.

Предложенное техническое решение обеспечивает увеличение грузоподъемности мультироторной летающей платформы, улучшение управляемости (маневренности), безопасности использования и широкую область применения для подъема габаритных грузов в труднодоступных местностях в качестве подъемного устройства типа «летающий кран».The proposed technical solution provides an increase in the carrying capacity of a multi-rotor flying platform, improved controllability (maneuverability), safety of use and a wide range of applications for lifting large loads in hard-to-reach areas as a flying crane type hoisting device.

Источники информацииSources of information

1. Патент US 3614030, МПК В64С 29/04, 1971 г.1. Patent US 3614030, IPC B64C 29/04, 1971

2. Статья в Интернете: Volocopter https://www.volocopter.com/de/.2. Internet article: Volocopter https://www.volocopter.com/de/.

3 Патент WO 8400339, 1984 г., МПК В64С 27/10.3 Patent WO 8400339, 1984, IPC B64C 27/10.

4. Патент DE 19860609, 2000 г., МПК В64С 27/08.4. Patent DE 19860609, 2000, IPC B64C 27/08.

5. Патент US 2015053826,2015 г., МПК В64С 27/20 - прототип.5. Patent US 2015053826,2015, IPC B64C 27/20 - prototype.

Claims

1. Multirotor flying platform with the possibility of vertical and horizontal movement, including rotor cells mounted on the platform and each containing two propellers installed in the hubs with the possibility of counter rotation from the drive of the power plant, and covering the shell screws, characterized in that the platform contains at least symmetrically placed four rotor cells, the shells of which are made on the inside in the form of rigid diffusers expanding upward with elastic forming shells on the outside, while the diameter of the upper part of the shell is from 1.5 to 3 diameters of the propeller, and the lower part of the shell is fixed on the hub and pivotally relative to the mast with the possibility of changing the angle of inclination by at least two length-adjustable rods and fixed at one end to the hub and the other to the mast, the length of which is at least two screw diameters.

2. Multirotor flying platform according to claim 1, characterized in that the platform is made in the form of a farm with a payload.

3. The multirotor flying platform according to claim 1, characterized in that the rotor cells, both in vertical and horizontal movement, operate synchronously.

4. The multi-rotor flying platform according to claim 1, characterized in that the rotor cells, both in vertical and horizontal movement, operate autonomously.

5. Multirotor flying platform according to claim 1, characterized in that the rotor cells can have autonomous power plants.