CC BY
411
ОСОБЕННОСТИ КЛАССИФИКАЦИИ БПЛА САМОЛЕТНОГО ТИПА
© Шаталов Н.В.1
Московский государственный университет леса, г. Мытищи
В статье рассмотрена классификация беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) по взлетной массе. Проведен анализ применяемых типов двигателей, вариантов взлета и посадки для разных классов БПЛА.
Ключевые слова БПЛА самолетного типа, БПЛА легкого класса, БПЛА среднего класса, БПЛА тяжелого класса, БПЛА сверхтяжелого класса, способы взлета БПЛА самолетного типа, способы посадки БПЛА самолетного типа, электродвигатель на БПЛА самолетного типа, двигатель внутреннего сгорания на БПЛА самолетного типа.
БПЛА самолетного типа можно разделить на классы по различным признакам: дальности полета, грузоподъемности, радиусу действия, взлетной массе и т.д., но, пожалуй, наиболее удачной является классификация по взлетной массе, которая позволяет точней и удобней разделить БПЛА на классы. Такой подход позволяет объединить аппараты, схожие по техническим решениям, выполняемым задачам, находящиеся в достаточно узком диапазоне других технических характеристик. Выделим 4 группы беспилотников по максимальной взлетной массе:
1. Легкие - взлетная масса меньше 20 килограмм;
2. Средние - взлетная масса от 20 до 200 килограмм;
3. Тяжелые - взлетная масса более 200 килограмм;
4. Сверхтяжелые - взлетная масса более 1500 килограмм.
Легкие БПЛА со взлетной массой менее 20 кг, получили распространение только в последнее время в связи с прогрессом в электронике и удешевлением малогабаритных электронных устройств. Большинство БПЛА этой разновидности имеют массу полезной нагрузки до килограмма. Наиболее миниатюрные аппараты имеют размах крыла до полуметра и массу порядка 0,25 кг. Основное назначение - патрулирование, тактическая разведка на уровне взвода и отделения, обнаружение малых отрядов противника (на дальности до 5 км). В связи с этим акцент при проектировании делается на компактности, удобстве транспортировки (большинство аппаратов может переноситься расчетом из 2-х человек) и оперативности запуска. Большинство БПЛА этой группы выполнены по схеме летающее крыло, обладающей наибольшей несущей площадью и полезным объемом при минимальных габаритах. В данном классе можно выделить две разновидности аппаратов по типу двигателя - с электродвигателем и двигателем внутреннего сгорания.
1 Магистрант кафедры Вычислительной техники.
Электродвигатели являются практически единственно возможным вариантом силовой установки для сверхлегких БПЛА. Для аппаратов массой до 30 кг становится возможным применение ДВС малой и сверхмалой кубатуры, выбор двигателя в этом случае диктуется желаемыми техническими и эксплуатационными характеристиками. Для более тяжелых БПЛА применение электродвигателей возможно, но встречается очень редко. В настоящее время в беспилотных аппаратах применяются трехфазные бездатчико-вые бесколлекторные электродвигатели переменного тока. Такие двигатели обеспечивают следующие преимущества:
- Высокую массовую удельную мощность;
- Малое количество подвижных частей - высокая надежность и низкий уровень шума и вибраций;
- Простоту управления тягой и устойчивую работу в широком диапазоне оборотов;
- Возможность остановки и запуска двигателя в любой момент полета;
- Высокий КПД;
- Низкую тепловую заметность.
Однако электродвигатели имеют недостатки:
- Сложность проектирования;
- Дороговизна из-за применения редких материалов;
- Для работы электродвигателя требуется сложная и дорогая система управления;
- Малая удельная массовая энергоемкость аккумуляторов по сравнению со сгорающими топливами (примерно от 200 Вт-час/кг для литий-ионных аккумуляторов и 11600 Вт-час/кг для бензина).
Все эти недостатки делают неэффективным применение электродвигателей в аппаратах массой более 40 килограмм. Однако в более легких аппаратах многие из них могут быть преодолены конструктивно, например, за счет применения быстросменных аккумуляторов.
Наряду с электродвигателями в легких БПЛА применяют современные ДВС малой кубатуры. Достоинства таких двигателей:
- ДВС выпускаются в значительном диапазоне размеров и мощностей;
- Сгорающие топлива обеспечивают высокую энергоемкость, а соответственно высокую дальность и продолжительное время полета;
- Часто для ДВС не нужен сложный блок управления.
Основными недостатками ДВС являются:
- Низкий КПД;
- Относительно узкий диапазон оборотов устойчивой работы;
- Высокий уровень шума и вибраций, что затрудняет работу аппаратуры наблюдения;
- Значительный нагрев работающего двигателя повышает заметность БПЛА в инфракрасном диапазоне;
- ДВС имеют малый ресурс по сравнению с электродвигателями;
- Часто невозможно обеспечить запуск ДВС в полете в случае его за-глохания.
Типичным способом взлета БПЛА данного класса является старт с леера-катапульты, состоящей из прочного резинового жгута, крепящегося одним концом к фюзеляжу взлетающего аппарата, а другим к штырю, закрепленному на земле. Достоинствами такого способа старта являются малый вес и крайняя простота необходимого оборудования. Альтернативой может быть запуск с жесткой катапульты с направляющей. Такая катапульта тяжелее леера, но позволяет запускать значительно более тяжелые аппараты. Аппараты с массой менее 5 килограммов чаще всего могут взлетать, используя только свой двигатель, для взлета их достаточно бросить рукой. Наиболее распространенным способом посадки является спуск на парашюте. Такой способ выбирают отчасти из-за простоты его реализации как с технической стороны (парашют на скорости выбрасывается пружинным или пиромеханизмом из аппарата), так и со стороны квалификации оператора - такой способ посадки требует только дать команду на выпуск парашюта над желаемым районом приземления. Однако есть и значительные недостатки - парашют занимает значительный объем в корпусе, снижает грузоподъемность, спуск на парашюте неуправляем и в ветреную погоду непредсказуем. Иногда применяют альтернативные способы посадки - аэродинамическое торможение органами управления с последующим парашютированием (аппарат Raven, Dragon), или посадку по самолетному - на брюхо или шасси. Такие способы посадки сложнее и требуют либо участия квалифицированного оператора, либо сложной программы управления.
Полезная нагрузка легких БПЛА включает в себя одну или несколько фото-, видеокамер (обычная и инфракрасная). В некоторых аппаратах полезная нагрузка выполнена в виде отдельного быстросъемного модуля и может устанавливаться в зависимости от решаемой задачи, времени суток и т.п. Так как основной функцией этих аппаратов является разведка или наблюдение стандартом стала установка радиооборудования, в реальном времени, транслирующем изображение. Типичным представителем этого класса аппаратов является БПЛА российской фирмы ZALA-aero.
БПЛА среднего класса. Аппараты этого класса являются наиболее распространенными и многочисленными. Из-за высокой взлетной массы их транспортировка и обслуживание вручную значительно усложняется, поэтому большинство комплексов БПЛА монтируются на одну или несколько транспортных машин. Основная военная задача, решаемая БПЛА среднего класса - тактическая разведка в ближней прифронтовой зоне (до 200 км); гражданская - осмотр протяженных объектов (трубопроводов, линий ЛЭП), картографическая съемка и т.п. БПЛА этого класса в подавляющем большинстве имеют классическую аэродинамическую схему моноплана с высо-
корасположенным крылом, компоновкой типа «рама» и задним расположением двигателя. Это позволяет расположить полезную нагрузку в передней части корпуса БПЛА, обеспечить хороший обзор передней полусферы, однако при аварийной посадке дорогое разведывательное оборудование будет страдать первым. Также широко распространена компоновка с традиционным решением хвостовой балки и вынесенным вверх на пилоне. В таком вариант конструкции двигатель обычно расположен близко к центру масс машины, что позволяет менять модель двигателя без существенного изменения центровки.
Основным способом посадки таких аппаратов является спуск на парашюте, однако для БПЛА с взлетной массой около 200 килограмм он уже не является бесспорно оптимальным, так как не обеспечивает достаточную вероятность безаварийного приземления. Для уменьшения перегрузок, возникающих при посадке на БПЛА использующих этот метод устанавливаются габаритные шасси-амортизаторы. Так как фото и видео оборудование устанавливается в нижней части фюзеляжа БПЛА, для его большей сохранности при парашютной посадке часто переворачивают БПЛА во время спуска (такое решение применено на аппаратах Luna X-2000 и Phoenix. На последнем на верхней части фюзеляжа вдобавок установлена пенопластовая сминаемая секция).
Альтернативой является посадка по самолетному. Такой способ позволяет с большей вероятностью гарантировать сохранение аппарата, однако обладает целым рядом минусов. Он требует наличия крупной ровной площадки, отсутствия высоких строений или деревьев на траектории посадки, сильно усложняется в неблагоприятных погодных условиях. Автоматическая посадка на неподготовленную площадку сейчас невозможна, поэтому это действие полностью контролируется оператором. Для осуществления такой посадки аппараты оборудуют закрылками. Еще одним интересным способом посадки является применение сетки (аппарат Luna X2000). Сеть высотой приблизительно 10 метров натягивается вертикально и закрепляется. После посадки аппарата в сеть его транспортировка осуществляется вручную.
Интересное решение применено в аппарате I-View Mk150 (рис. 1): вместо парашюта применен параплан. Такое решение является фактически гибридным между посадкой по самолетному и парашютным спуском - параплан выпускается как парашют, но является по сути дополнительным крылом большой площади. Соответственно резко снижается скорость полета и сваливания, аппарат заходит на посадку практически со скоростью пешехода, полностью сохраняя при этом управление, что резко повышает точность посадки и снижает перегрузки. Однако способ сохранил многие минусы парашютной посадки и посадки по самолетному - невозможно отменить посадочный режим после выпуска параплана, и для правильной посадки требуется точное управление.
Рис. 1. Посадка с использованием параплана
Практически безальтернативным вариантом двигателя для БПЛА этой весовой категории является двигатель внутреннего сгорания. Обычно используются четырехтактные двухцилиндровые бензиновые двигатели, имеющие меньший уровень вибраций. Однако могут применяться как двухтактные одноцилиндровые, так и двигатели с большим числом цилиндров. Во многих БПЛА этого класса установлен генератор, питающий бортовое оборудование.
Диапазон полезных нагрузок для БПЛА среднего класса колеблется в пределах от 20 до 50 килограмм. В состав полезной нагрузки обычно входят обычная и инфракрасная камера, часто дополнительно устанавливается радар, фотоаппарат высокого разрешения, лазерный дальномер. Все эти устройства монтируются на вращающейся в двух плоскостях стабилизированной платформе. Система передачи данных аппаратов этого класса может обеспечить передачу информации на дальность до 500 километров.
БПЛА тяжелого класса. Беспилотные летательные аппараты тяжелого класса применяются для дальней тактической разведки, целеуказания и наведения на поле боя. Могут они также применяться для метеорологических, экологических и других исследований, требующих длительного пребывания в воздухе. Аппараты этого класса имеют размах крыла от 5 до 15 метров, обычно построены по нормальной аэродинамической схеме с высокорасположенным крылом и подобны БПЛА среднего класса. Однако встречаются и более экзотические аэродинамические схемы - такие как тандем, бесхвост-ка и другие. Отличительной особенностью аппаратов этого типа является длительное время пребывания в воздухе (от 8 до более чем 20 часов). Для достижения такого долгого времени полета необходимо высокое аэродина-
мическое качество планера, большое удлинение крыла и значительный запас топлива.
Большинство БПЛА тяжелого класса базируются на аэродромах. По своим взлетно-посадочным характеристикам они подобны легким винтовым самолетам гражданской авиации, с поправкой на более высокое качество планера БПЛА. Они могут взлетать и садится на асфальтовые и грунтовые аэродромы. Некоторые образцы могут взлетать с катапульты или с использованием твердотопливных ускорителей. В основном на аппаратах такого класса применяются бензиновые двигатели внутреннего сгорания (чаще всего 4-х цилиндровые).
Большинство БПЛА тяжелого класса имеют гиростабилизированную поворотную платформу для установки полезной нагрузки. Обычно на нее устанавливается инфракрасная / обычная камеры с телеобъективом высокого качества, лазерный целеуказатель, радар и т.д. Многие БПЛА тяжелого класса передают собранную информацию через спутник.
БПЛА сверхтяжелого класса. Такие аппараты появились сравнительно недавно и мало распространены. Если рассматривать общую тенденцию развития этого класса, то можно выделить две ветви - аппараты-аналоги пилотируемых самолетов и сверхдальние стратегические разведчики. Наибольший интерес вызывает экспериментальный аппарат Northrop Grumman X-47 Pegasus - прототип корабельного многоцелевого беспилотного истребителя. Основной задачей программы объявлено создание сверхманевренного беспилотного палубного истребителя, однако уровень развития современной компьютерной техники пока не позволяет реализовать полностью автономные действия в качестве истребителя.
Список литературы
1. www.dpla.ru.
2. www.ispl.ru/Sistemy_upravleniya-BLA.html.
3. Беспилотные летательные аппараты / С.В. Ганин, А.В. Карпенко, В.В. Колногоров, Г.Ф. Петров. - СПб.: Невский бастион, 1999. - 160 с.
СИСТЕМЫ АВТОМАТИЧЕСКОГО УПРАВЛЕНИЯ БПЛА
© Шаталов Н.В.1
Московский государственный университет леса, г. Мытищи
В статье рассмотрен состав бортового оборудования БПЛА, обеспечивающий решение задач широкого круга: определение навигацион-
1 Магистрант кафедры Вычислительной техники.
