Предпосылки к применению беспилотных воздушных судов в России Текст научной статьи по специальности «Энергетика и рациональное природопользование»

УДК 681.5

Э.С. Мухьянов, С. В. Ефимов

Воронежский институт - филиал ФГБОУ ВО «Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России»

ПРЕДПОСЫЛКИ К ПРИМЕНЕНИЮ БЕСПИЛОТНЫХ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ В РОССИИ

Рассмотрена актуальность применения беспилотных воздушных судов, приведена их классификация, решаемые задачи, уделено внимание летным происшествиям и проведены расчеты для их минимизации.

Ключевые слова: беспилотное воздушное судно, расстояние, безопасность, авария.

E.S. Mukhyanov, S. V. Efimov

BACKGROUND ТО THE APPLICATION OF AIRCRAFT AIRCRAFT IN RUSSIA

The relevance of the use of unmanned aircraft was considered, their classification, tasks to be solved were given, attention was paid to flight incidents and calculations were made to minimize them.

Key words: unmanned aircraft, distances, safety, accident.

Предпосылка применения БВС в качестве нового инструмента являются недостатки двух традиционных способов получения данных с помощью космических спутников (космическая съемка) и воздушных пилотируемых аппаратов (аэрофотосъемка). В частности, данные спутниковой съемки позволяют получить снимки с максимальным общедоступным разрешением 0,5м, что не достаточно для крупно масштабного картирования и детального изучения местности. Но главное, теряется оперативность получения данных, в связи с изменением обстановки при ЧС. Традиционная аэрофотосъемка, которая проводится с помощью самолетов (Ту-134, Ан-2, Ан-30, Ил-18, Cesna, L-410) или вертолетов (Ми-8Т, Ка-26, AS-350) требует высоких экономических затрат на обслуживание и заправку. И этот вариант также часто проигрывает в оперативности БВС и затруднен при ЧС на труднодоступных локальных участках. В то время как с БВС можно подлететь очень близко к месту ЧС[1].

Таким образом, очевидными плюсами применения БВС являются:

— Рентабельность;

— Возможность съемки с небольших высот и вблизи объектов. Получение снимков высокого пространственного разрешения;

— Оперативность получения снимков и видеоинформации;

— Возможность применения в зонах чрезвычайных ситуаций без риска для жизни и здоровья пилотов;

— Возможность доставки медикаментов и необходимого оборудования к месту ЧС и пострадавшим;

— Возможность в режиме онлайн следить за местом ЧС по видеоканалу с борта беспилотника.

— Для мониторинга потенциально опасных территорий и зон промышленных объектов целесообразно использовать роботизированные системы, способные в реальном

масштабе времени передавать соответствующим органам управления информацию об их состоянии для принятия оперативных и адекватных мер.

- В связи с вышеизложенным применение беспилотных летательных аппаратов является весьма актуальным.

- Беспилотная авиационная техника переживает настоящий бум. В воздушное пространство различных стран поднимаются беспилотные летательные аппараты самого различного назначения, разнообразных аэродинамических схем и с многообразием тактико-технических характеристик.

- Успех их применения связан, прежде всего, с бурным развитием микропроцессорной вычислительной техники, систем управления, навигации, передачи информации, искусственного интеллекта. Достижения в этой области дают возможность осуществлять полет в автоматическом режиме от взлета до посадки, решать задачи мониторинга земной (водной) поверхности, а беспилотным летательным аппаратам военного назначения обеспечивать разведку, поиск, выбор и уничтожение цели в сложных условиях. Поэтому в большинстве промышленно развитых стран широким фронтом ведутся разработки как самих летательных аппаратов, так и силовых установок к ним.

Беспилотное воздушное судно предназначен для решения следующих задач:

- Регулярный мониторинг трубопроводов, в том числе обследование участков перехода через водные преграды и железнодорожные переходы;

- Обследование околотрубного пространства;

- Оперативное обнаружение разливов нефти;

- Поддержание надежности работы напорных трубопроводов;

- Выявление несанкционированного отбора нефти из трубопроводных магистралей;

- Обнаружение посторонних лиц в охраняемых зонах;

- Контроль за проведением работ на объектах;

- Оценка технического состояния трубопроводов, обнаружение повреждений;

- В случае необходимости БВС могут использоваться для мониторинга аварийных и нештатных ситуаций, а также для координации наземных групп, исключая при этом риск нахождения людей на месте происшествия

- Координация действий наземных групп в случае возникновения ЧС.

Мониторинг осуществляется днем и ночью, в благоприятных и ограниченных

метеоусловиях.

Во время полета, как правило, управление беспилотным летательным аппаратом автоматически осуществляется посредством бортового комплекса навигации и управления, в состав которого входят:

- приемник спутниковой навигации, обеспечивающий прием навигационной информации от систем ГЛОНАСС и GPS;

- система инерциальных датчиков, обеспечивающая определение ориентации и параметров движения беспилотного летательного аппарата;

- система датчиков, обеспечивающая измерение высоты и воздушной скорости;

- различные виды антенн.

Бортовая система связи функционирует в разрешенном диапазоне радиочастот и обеспечивает передачу данных с борта на землю и с земли на борт.

Рассматривая опыт применения беспилотных летательных аппаратов можно сделать следующие обобщения:

- экономическая целесообразность применения беспилотных летательных аппаратов обусловлена простотой использования, возможностью взлета и посадки на любой выбранной территории;

- оператор получает достоверную видео- и фотоинформацию;

- возможность передачи видео и фотоинформации в реальном масштабе времени на пункты управления позволяет оперативно влиять на изменение ситуации и принимать правильное управленческое решение;

- возможность ручного и автоматического использования беспилотных летательных аппаратов.

2. Классификация БВС по принципу полета

Выполнение различных задач, как в военной, так и в гражданской сфере, существенной расширяют линейку БВС, которые можно применять для этой цели. Уже сейчас ясно, что в ближайшем будущем потребуется несколько платформ, с разными типами двигателей и, самое главное, с различным комплектом бортовой аппаратуры.

Можно отметить, что самый многочисленный класс «беспилотников», на сегодняшний день в России, это электролеты массой до 15 кг. Почти все они способны летать не более 2-х часов, взлетают, как правило, с применением стартовых устройств и садятся, в большинстве случаев, на парашюте. Сравнительно небольшая взлетная масса ограничивает и массу полезной нагрузки, поэтому, большинство из этих БВС, имеют сменную полезную нагрузку, что само по себе, в этой ситуации, оправдано.

Существует большое количество задач, как в военной, так и в гражданской сфере, которые могут быть успешно решены при использовании таких аппаратов. Эти БВС должны стоить дешево, применяться малоквалифицированными в летном отношении специалистами, не требовать серьезного обслуживания и быть мобильными без применения спец.транспорта. Наземная часть такой системы должна быть проста и удобна в эксплуатации. Собственно по такому пути и идут большинство разработчиков данных систем. Учитывая малый вес полезной нагрузки, существенно возрастают требования к бортовым датчикам оптического и инфракрасного диапазона. Датчики системы должны выполнять в основном наблюдательные функции и в меньшей степени измерительные.

Для эксплуатации данных систем не нужно создавать специальных подразделений. Высокая степень автоматизации должна позволить эксплуатировать эти системы рядовым специалистам как в военной, так и в гражданской сфере[6].

Следующей ступенью в классификации применения БВС, стоит задача создания «беспилотников» для проведения разведки земной поверхности и водной акватории на удалении в 100 км. Для выполнения таких задач должна применяться «беспилотная» техника, способная летать днем и ночью, в простых и сложных метеоусловиях. Видимо такая техника должна быть способна детально обследовать район до 1000 км2 за один вылет. Это может обеспечить только БВС, способные летать не менее 10 часов. Удаление в 100 км обуславливается расстоянием прямой радиовидимости с высоты до 3 тыс. м, на котором можно, без ретранслирования сигнала, обеспечить передачу потокового изображения в режиме реального времени. Нетрудно подсчитать, что при полете по прямой, с условием возврата в точку вылета, такой БВС способен отлететь на расстояние в 600 км. Аппарат способный летать 10 часов будет имеет взлетный вес 100 - 200 кг и, конечно, потребует взлетно-посадочную полосу длиной не менее 300 м, а также обслуживание квалифицированным экипажем. В настоящее время такие аппараты способны взлетать с применением стартовых устройств.

Передача видео и фотоизображения в реальном масштабе времени позволяет организовать взаимодействие с другими техническими средствами мониторинга.

Учитывая продолжительность полета данных БВС, можно говорить о том, что одно подразделение БВС, состоящее из одного-двух комплексов способно контролировать участок протяженностью до 1000 км.

По этому критерию все БВС можно разделить на 5 групп (первые 4 группы относятся к аппаратам аэродинамического типа):

1) с жестким крылом (БВС самолетного типа);

2) с гибким крылом;

3) с вращающимся крылом (БВС вертолетного типа);

4) с машущим крылом;

5) аэростатического типа.

Кроме БВС перечисленных пяти групп существуют также различные гибридные подклассы аппаратов, которые по их принципу полета трудно однозначно отнести к какой-либо из перечисленных групп.

Этот тип аппаратов известен также как БВС с жестким крылом (англ.: fixed-wing UAV). Подъемная сила у этих аппаратов создается аэродинамическим способом за счет напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Аппараты такого типа, как правило, отличаются большой длительностью полета, большой максимальной высотой полета и высокой скоростью.

Существует большое разнообразие подтипов БВС самолетного типа, различающихся по форме крыла и фюзеляжа. Практически все схемы компоновки самолета и типы фюзеляжей, которые встречаются в пилотируемой авиации, применимы и в беспилотной. На рисунках представлены некоторые примеры.

Влияние метеорологических факторов на безопасность полёта беспилотных воздушных судов

Метеорологические факторы оказывают существенное влияние на взлет, посадку и полет по маршруту летательных аппаратов, не исключением из правил являются и беспилотники в одних случаях это влияние благоприятное, в других - крайне нежелательное. Однако в любом случае оператору перед вылетом следует тщательно изучить фактические и ожидаемые значения метеорологических параметров.

Из теории авиационной метеорологии [3 ] и теории аэродинамики известно, что параметры режима ветра на маршруте полета БВС воздействуют на следующие показатели:

- дальность полета (а) - расстояние, которое может пролететь БВС в одном направлении при заданном запасе топлива;

- радиус действия (К) - максимальное расстояние, на которое может удалиться БВС от места старта и вернуться назад, не пополняя запаса топлива (GT);

- продолжительность полета (Г) - время, за которое БВС может функционировать при данном запасе топлива.

Дальность (а) и продолжительность полета (Г) при известных значениях километрового (Ск) и часового (Сь) расходов топлива можно определить соотношениями:

GT т GT

а. = —V = 7

С С

(1)

В случае, когда параметры ветра по направлению, скорости и расходу топлива на маршруте полета БВС постоянны, его путевая скорость (\У) равна:

г Г, " -Г' (2)

Таким образом, представленные формулы позволяют оценить расход топлива БВС в зависимости от скорости ветра.

Оценку дальности полета (а) БВС в летной практике, как правило, принято производить путем сравнения ее в реальных и стандартных (штиль) условиях. Для стандартных условий скорость БВС (V) из ранее приведенных формул (1) и (2) можно представить в виде:

Тогда дальность полета БВС можно вычислить как:

v С* Г С» V — —— шш С. = —

Q v

Взяв отношение дальности полета при наличии ветра к дальности полета при штиле и учитывая, что

W=V coscp +U cos 8

где U - скорость ветра; V - путевая скорость БВС без ветра, получим следующее выражение:

a G,

ск с, W W Fcoso + C/cose

- "х- - -

а. С\ в. V С V V

(3)

где 8 - угол воздействия ветра в обычных условиях; ср - угол воздействия ветра в стандартных условиях.

результате этого максимальная дальность полета БВС будет наблюдаться припопутном ветре (г = 0; ср = 0) и минимальная - при встречном ветре (в =180 ; ср = 0). Для этих предельных случаев выражение (3) будет иметь следующий вид:

и

w L 1 и I а I 1 L

— niiax = 1 + — . — 111111 = 1--

а J V UJ V

о У

(4)

Для определения разницы в значениях дальности полета БВС из-за отсутствия учета направления ветра решим конкретный пример. В качестве исходных данных примем а о = 1 200 км; ( =150 км/ч; 11= 36 км/ч (10 м/с). Подставив исходные данные в формулы (4), получим:

1 о.

1 i6 ЛЧА

max = 1 +-= 1,^4. = 1 240 км.

150

i а I , 36

— вшп = 1--= 0. 6. а ""60 км.

К Г 150

Таким образом, полученные результаты свидетельствуют, что разница в значениях дальности полета БВС из-за отсутствия учёта направления ветра довольно существенна и составляет 480 км.

Анализ авиационных происшествий и инцидентов показал, что на безопасность полетов воздушных судов малой размерности существенно влияет режим ветра на маршруте полета [4].

Основное количество лётных происшествий происходит в ходе взлёта и посадки БВС. При наборе высоты БВС самолётного типа может попасть в зону более сильного встречного ветра. Это значит, что подъёмная сила самолёта с высотой увеличивается быстрее, чем это необходимо, траектория полёта самолёта оказывается выше расчётной, при сильных сдвигах ветра самолёт может попасть на закритические углы атаки. В свою очередь, это приводит к срыву потока воздуха с плоскости, сваливанию самолёта на крыло к возможному столкновению летательного аппарата с землей. В случае сильного бокового ветра существует вероятность бокового сваливания БВС. Вариант попутного ветра не рассматривается, так как взлёт и посадка БВС осуществляется только против ветра.

С БВС вертолётного типа ситуация складывается иначе. Благодаря маховому движению лопастей, значительная доля энергии ветровых возмущений демпфируется,

уровень перегрузки вертолета оказывается в целом сравнительно невысоким. Например, для одних и тех же условий ветра уровень перегрузки вертолета в 1,5-2 раза ниже, чем самолета (поэтому БВС вертолетного типа рассчитывать не будем). Также в приземном слое в ходе процесса трения воздушных масс о подстилающую поверхность возникает большое количество турбулентностей и завихрений. Вследствие чего возникают кратковременные, локальные изменения движения воздушных масс. Изменение движения ветра обычно сопровождается кратковременным увеличением скорости ветра -

«порывы ветра». Порывы ветра в большинстве случаев возникают в местах перепадов высот, границ леса, в местах с плотной застройкой зданий. Следовательно, место запуска и посадки БВС следует выбирать на открытых площадках без ветрозащитных полос. На открытых пространствах движение воздушных потоков равномерно как по скорости, так и по направлению.

Краткие выводы:

1. Положительной стороной БВС с ДВС является приблизительно одинаковый расход топлива в зимний и в летний период эксплуатации, тем самым можно довольно четко определить время полета в отличии от БВС с электрическим двигателем, который при использовании в зимнее время существенно быстрее разряжает аккумуляторные батареи, а следовательно время нахождения в воздухе и выполнения полетного задания сокращается. В условиях крайнего Севера беспилотник с ДВС имеет существенный плюс, наряду с плюсами имеются и неудобства его использования. Для взлета и посадки необходима взлетно-посадочная полоса, что несет дополнительные затраты по ее постройке и обслуживанию.

2. Для мониторинга линейных трубопроводов рекомендуется использовать БВС самолетного типа, их преимущество заключается в покрытии значительных расстояний за меньшее время и минимальными затратами;

3. Для мониторинга объектов таких как нефтебаза, база хранения СУГ где происходит перекачка, переработка, хранение нефти и газа целесообразнее использовать квадрокоптеры ввиду их явных преимуществ, таких как функциональная возможность зависания, снижения и приближения к объекту на максимально близкое расстояния для выработки необходимых мер по предупреждению и/или ликвидации ЧС.

4. Показали высокую важность учета направления ветра при прокладывании маршрута полета. Рассчитали и получили результаты которые свидетельствуют, что разница в значениях дальности полета БВС из-за отсутствия учёта направления ветра довольно существенна и составляет 480 км.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Барбасов В.К. Топографический БПЛА мультироторного типа: устройство и основные технические характеристики.

2. Ефимов C.B., Поляков Р.Ю., Яцун С.Ф. Метод раннего обнаружения пожара с помощью мобильных газовых пожарных извещателей // Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. - 2017. - Т. 7, № 4 (25). - С. 81-89.

3. Позднякова В.А. Практическая авиационная метеорология. - Екатеринбург: Уральский УТЦ ГА, 2010.