ДПЛА.ру/ «НОВЫЕ» ИЛИ миниДПЛА

 

 

[ДПЛА.ру/Главное меню]

 

 

 

Э.П. Лукашева, Н.В. Чистяков

 

 

 

 

 

1. Предмет обсуждения. 1

2. Предпосылки появления «новых» ДПЛА.. 2

3.Краткая историческая справка. 4

3.1. Родоначальники «новых» ДПЛА.. 4

3.2. На подступах к минимальному ДПЛА.. 5

4. Электролёты.. 6

4.1. Авиамодели с электроприводом.. 6

4.2. ДПЛА - электролёты.. 7

5. «Новые» ДПЛА с двигателем внутреннего сгорания. 14

6. Экономика «новых» ДПЛА.. 15

 

 

 

 

 

 

 

1. Предмет обсуждения

Эта статья посвящена рождающемуся буквально сегодня направлению ДПЛАстроения, которое можно назвать «новые или миниДПЛА». В области тактических ДПЛА «новые ДПЛА» способны потеснить, а может быть, и полностью вытеснить традиционные ДПЛА. Именно «способны». Произойдёт ли это в реальности? Вряд ли. Причина парадоксальна: «новые ДПЛА» слишком дёшевы.

Чтобы сразу внести ясность, коротко определим понятие «новый ДПЛА», которое, по нашему мнению, характеризуется двумя признаками:

 

·       масса «нового ДПЛА» не превышает 4 кг,

·       комплекс на основе «нового ДПЛА» решает какую-то задачу, обычно возлагаемую на «серьёзные» комплексы тактических ДПЛА.

 

В тоже время, «новый» ДПЛА – это не микроДПЛА, которые сейчас активно обсуждаются в литературе (Joel M. Grasmeyer  and Matthew T. Keennon Development of the Black Widow Micro Air Vehicle. AeroVironment, Inc. 4685-3H, Industrial St.Simi Valley, CA 93063, pdf 370 Кб) и в Интернете.  Масса «нового» ДПЛА исчисляется, всё-таки, килограммами, а не сотнями граммов.

Масса «нового ДПЛА» обеспечивает возможность старта ДПЛА с руки. Рубеж 4 кг экспериментально определён нами как максимально допустимая масса для надёжного запуска беспилотного летательного аппарата с руки человеком со средним физическим развитием. Малая масса «нового ДПЛА» также позволяет транспортировать его на любом транспортном средстве, вплоть до того, что просто носить в контейнере.  Поэтому  беспилотный авиационный комплекс на основе «нового ДПЛА» не должен содержать в своём составе транспортно-пусковой установки или иных специальных средств транспортировки и запуска ДПЛА.

«Новый ДПЛА» можно характеризовать как миниДПЛА. При этом «мини» имеет иной смысл, чем в случае с  мини-юбкой. МиниДПЛА – это минимальный ДПЛА в том смысле, что он не содержит ничего лишнего, кроме насущно необходимого для решения задачи по его основному назначению.

Последователи концепции «новых» или миниДПЛА придерживаются убеждения, что ДПЛА не являются универсальным оружием и не должны применяться «в любых условиях обстановки», например, при морозе минус 50 градусов или при ветре у земли 20 м/с. Следование разумным ограничениям и обуздание аппетитов заказчиков и создателей комплексов являются необходимыми условиями. И, естественно, никакой «многофункциональности». Всё должно быть направлено на решение основной задачи. Для решения другой основной задачи должен быть другой миниДПЛА, пусть  и очень похожий. Постановщик помех не должен носить с собой закладные элементы для установки фотоаппарата или гироплатформы ТВ камеры. И наоборот, разведчик не должен носить с собой лебёдку для выпуска антенны передатчика помех.

 

«Новые» ДПЛА не будут решать 100%  задач в 100% случаев. Пусть они будут решать 70% задач в 70% случаев. Тогда они решат ПОЛОВИНУ возникающих задач.

 

 

 

 

 

2. Предпосылки появления «новых» ДПЛА

Концепция «новых» или минимальных ДПЛА выросла из предпосылок, возникших в ряде областей техники на рубеже XX – XXI веков:

 

Область техники

Предпосылки концепции «новых ДПЛА»

 

Вычислительная техника

Создание дешёвых, массовых, быстродействующих однокристальных микроЭВМ

 

Навигация

 

1.    Полномасштабное надёжное развёртывание спутниковой группировки глобальной круглосуточной навигационной спутниковой системы GPS (Global Positioning System)

2.    Всемирное распространение дешёвых, массовых, миниатюрных приёмоиндикаторов GPS

3.    Появление дешёвых, массовых и достаточно точных твёрдотельных баровысотомеров

 

Приборы ориентации

Появление дешёвых, массовых, миниатюрных изделий микромеханики: акселерометров и датчиков угловой скорости

 

Оптоэлектроника

Широкое распространение миниатюрных матриц для создания телевизионных и даже инфракрасных камер

 

Химические источники тока

Распространение дешёвых и надёжных никель-кадмиевых, никель-металлогидридных и литиевых аккумуляторов высокой удельной ёмкости

  

Аэродинамика

1. Доступность программных комплексов для моделирования аэродинамических процессов

2. Появление и исследование новых профилей и форм крыла для малых скоростей обтекания

 

Авиамоделизм

1. Микроминиатюризация, повышение надёжности и сравнительное удешевление передатчиков, приёмников, рулевых машинок, двигателей и другого оборудования авиамоделей

2. Распространение среди авиамоделистов вакуумной технологии изготовления крупных деталей планера авиамоделей из угле- и стеклоткани,  эпоксидной смолы и других доступных материалов

 

Разработка, изготовление и эксплуатация ДПЛА

Появление практического опыта работы с ДПЛА на всех фазах их жизненного цикла. Возникновение практического понимания причин трудного внедрения БПЛА и ДПЛА в практику, особенно, в гражданскую. Понимание путей повышения доступности БПЛА и ДПЛА для практики

 

 

 

 

 

 

 

3.Краткая историческая справка

3.1. Родоначальники «новых» ДПЛА

Родоначальником отечественных миниДПЛА следует считать американский ДПЛА Pointer фирмы AeroVironment Inc. По крайней мере, абсолютно точно известно, что отечественные разработки в области миниДПЛА были инициированы авторами в январе 1991 года именно по информации о «Пойнтере» и его применении в операции «Буря в пустыне». Первым отечественным миниДПЛА (точнее АЗПП – аэродинамически забрасываемым передатчиком помех) была «Амёба» (1993 г.). Назначение АЗЗП «Амёба» - постановка помех УКВ линиям радиосвязи в диапазонах 30..110 МГц и 110..220  МГц. Масса «Амёбы» составляла 3 кг.   Это был простой летательный аппарат самолётной схемы с двигателем на метаноле. В 1994.. 1995 гг. были произведены и использованы на учениях несколько десятков «Амёб».

 

3.2. На подступах к минимальному ДПЛА

Промежуточное положение между традиционными и миниДПЛА занимают АЗПП «Мошкара» (1998 г.) и ДПЛА «ГрАНТ» (2001 г.) со взлётной массой до 20 кг.  Большая стартовая масса объясняется тем, что ко времени разработки «Мошкары» ещё не было достаточно миниатюрной массовой техники для создания бортовой ЭВМ и системы автоматического управления. Высокое энергопотребление целевой нагрузки АЗПП требовало электропитания от генератора. Не было и навыка разработки сложной, но лёгкой и миниатюрной бортовой аппаратуры. Разработчики и конструкторы ещё были не готовы отказаться от наработанных годами и десятилетиями подходов к конструированию. В то же время, на «Мошкаре» была идейно реализована концепция минимального ДПЛА, в смысле отсутствия аппаратных излишеств, максимальной передачи всех функций программно-математическому обеспечению и отказа от потенциала будущей модернизации АЗПП, например, в наблюдатель поля боя. Отказ от универсализации, наряду с двумя признаками миниДПЛА, указанными в начале статьи, очевидно важен для реализации концепции миниДПЛА. В свете того, что предшествениик «Мошкары» с примерно такими же лётно-техническими характеристиками, ДПЛА «Пчела», имел стартовую массу 140 кг, АЗЗП «Мошкара» является вполне миниатюрным беспилотным летательным аппаратом.

ДПЛА ГрАНТ (Гражданский аэродинамический наблюдатель телевизионный) является развитием очень удачного летательного аппарата «Мошкара» и тоже имеет взлётную массу до 20 кг.

Планеры АЗПП «Мошкара» и ДПЛА ГрАНТа изготавливаются по вакуумной авиамодельной технологии.

 Разработка комплекса дистанционной постановки помех «Мошкара» была остановлена после успешного проведения этапа предварительных испытаний из-за прекращения финансирования (см. также статью в «Независимом военном обозрении»).

Беспилотный комплекс воздушной разведки ГрАНТ был впервые представлен на Международном авиакосмическом салоне в августе 2001 года.

 

 

 

 

 

4. Электролёты

4.1. Авиамодели с электроприводом

В таблице предпосылок миниДПЛА отсутствует позиция по электродвигателям на редкоземельных материалах. Это можно оправдать тем, что такие компактные и лёгкие электродвигатели известны и практически доступны уже более 20 лет.  Появление химических источников тока высокой удельной ёмкости вкупе с электродвигателями на редкоземельных материалах дали толчок развитию новой отрасли авиамоделизма – авиамоделям с электроприводом.

На рисунке и фото внизу показан пример такой авиамодели (заимствовано с http://hobby.sky.net.ua/Jazz.html ).

 

Эскизный чертёж электролёта Jazz

 

 Фото электролёта Jazz

 

Электролёт Jazz:

Размах крыла: 180см.
Длина 98см.
Профиль  RG-15 8%.
Пустой вес модели: 650g.
10-16 аккумуляторов

 

4.2. ДПЛА - электролёты

Самым известным электролётом, безусловно, является уже упоминавшийся «Пойнтер» (на фото). Силовая установка ДПЛА Pointer основана на электродвигателе. Первые «Пойнтеры» (около 1990 года) выпускались как с электродвигателем, так и с двигателем внутреннего сгорания. Это объясняется недостаточной удельной ёмкостью никель-кадмиевых аккумуляторов тех лет.

Пуск ДПЛА "Пойнтер"

Удельная энергетическая отдача аккумуляторных батарей в несколько раз ниже, чем у бензина или метилового спирта. Поэтому требования к аэродинамическому совершенству и массе электролёта гораздо более строги, чем для летательного аппарата с двигателем внутреннего сгорания.

Разработчики ДПЛА-электролётов всячески стремятся снизить лобовое сопротивление ДПЛА. Для этого тщательно отрабатывают форму летательного аппарата, добиваются высокой гладкости поверхности электролёта. Большую роль  играет технология. Планер электролёта должен сочетать высокую прочность и малую массу. Наилучших результатов позволяет добиться вакуумная технология изготовления крупных деталей планера.

Для увеличения продолжительности полёта разработчики идут двумя путями. Первый путь – это уменьшение удельной нагрузки на крыло электролёта. Электролёт с малой удельной нагрузкой на крыло способен держаться в воздухе длительное время за счёт парения. Для таких электролётов традиционно крыло с относительно толстым профилем и двойной V-образностью. При этом воздушная скорость электролёта невелика. Примером такого подхода служат уже упоминавшийся «Пойнтер», а также ДПЛА-электролёты «Аист» харьковского НИИ ПФМ и французский ДПЛА «Azimut».

 

Харьковский ДПЛА-электролёт «Аист»

 

 

"Аист-1" в полете

 

Запуск мини-ДПЛА

 

Основные данные  мини-ДПЛА "АИСТ":

размах крыла

длина аппарата

масса взлетная

масса целевой  нагрузки

продолжительность полета

радиус действия

1,8  м

1,2 м

2 кг

0,3 кг

1 ч

10 км

 

Французский ДПЛА-электролёт «Azimut»

 

"Azimut" заходит на посадку

 

"Azimut" в полёте

 

Основные данные  мини-ДПЛА " Azimut ":

размах крыла

длина аппарата

масса взлетная

масса целевой  нагрузки

продолжительность полета

радиус действия

3,4  м

2,1 м

6,5 кг

          2,0 кг (макс)

45 мин

12 км

 

ДПЛА-электролёты имеют невысокую воздушную скорость:

 

Название ДПЛА-электролёта

 

Нагрузка на крыло (оценка), Г/дм2

Данные о воздушной скорости

«Пойнтер»

40

35.. 80 км/час

 

«Аист»

43

Нет данных

 

«Azimut»

40

Парение – 30 км/час

Крейсерская – 50 км/час

Максимальная – 120 км/час

 

 

Невысокая воздушная скорость присуща ДПЛА-электролётам с малой нагрузкой на крыло. Надо понимать, что заявляемые максимальные скорости практически неприменимы в реальной работе ДПЛА-электролётов, так как сопряжены с повышенным расходом заряда аккумуляторов.

Второй подход к строительству ДПЛА-электролёта, исповедуемый нашим предприятием, заключается в применении крыла с тонким профилем. Электролёты с тонким профилем крыла применяют спортивные авиамоделисты. Именно такой профиль имеет показанный выше авиамодельный электролёт Jazz. Тонкий профиль позволяет построить летательный аппарат с высоким аэродинамическим качеством. Благодаря высокому аэродинамическому качеству и гладкости всей поверхности планера, ДПЛА-электролёт затрачивает минимум энергии на преодоление сопротивления воздуха. С уменьшением толщины профиля крыла повышается аэродинамическое качество, то есть отношение коэффициента подъёмной силы крыла к его коэффициенту лобового сопротивления. Абсолютная величина коэффициента подъёмной силы, тем не менее, уменьшается.

Проиллюстрируем наш подход на известных формулах практической аэродинамики  (Н.Г. Григорьев. Основы аэродинамики и динамики полёта. М., Машиностроение, 1995). Часовой QЧ и километровый Qкм расходы топлива в килограммах (в случае электролёта – расход заряда аккумулятора в кулонах) равен:

 

QЧ=(1/3,6)*(m*g)*V*Ce/K,

Qкм=(1/3,6)*(m*g)*Ce/K,

 

где m*g – вес самолёта, Ce – эффективный удельный расход топлива (заряда), кг/(Вт*час) или Кулон/(Вт*час) с учётом КПД воздушного винта, K – аэродинамическое качество самолёта.

Видно, что расход топлива (заряда) на километр пути не зависит от скорости самолёта и обратно пропорционален аэродинамическому качеству. Для компенсации снижения коэффициента подъёмной силы у тонкого крыла требуется повысить скорость самолёта. Часовой расход топлива (заряда) из-за этого повышается, и электролёт с тонким крылом имеет, при прочих равных, меньшую продолжительность полёта. Однако, поскольку с уменьшением толщины профиля крыла потребная скорость растёт медленнее, чем увеличивается качество, то «прочих равных» нет. С ростом аэродинамического качества растёт и продолжительность полёта.

На рисунке внизу показан старт одного из первых электролётов с тонким крылом нашего предприятия.

 

Старт электролёта с тонким крылом

 

 

Тонкое крыло порождает ряд проблем. Назовём две из них: требуется большая скорость электролёта на старте и возникает непредсказуемое поведение при срыве потока на закритических углах атаки. Первая проблема кладёт предел уменьшению толщины профиля крыла (уменьшение толщины профиля крыла ограничено также и необходимой прочностью).

Вторая проблема очень серьёзна. Именно из-за неё приведённые выше примеры электролётов («Пойнтер», «Аист», «Azimut») оснащены крылом толстого профиля. Крыло толстого профиля с двойной V-образностью позволяет обходиться вообще без автопилота. Срыв потока на таком крыле приводит к плавному уменьшению подъёмной силы с последующим уменьшением угла атаки в силу устойчивости самолёта по тангажу. В случае тонкого крыла срыв потока приводит, как правило, к катастрофе. Без скрупулёзного постоянного управления продольным движением электролёта полёт на тонком крыле практически невозможен. Благодаря тому, что наше предприятие располагает необходимым автопилотом, мы применяем крыло тонкого профиля без опасений.

 

Тонкое крыло является важнейшей технической особенностью «нового» ДПЛА.

 

 

 

 

 

5. «Новые» ДПЛА с двигателем внутреннего сгорания

Как показывают испытания, ДПЛА-электролёт с тонким крылом при массе ДПЛА 2,5 кг способен обеспечить дальность действия комплекса 10 км при продолжительности всего полёта ДПЛА 0,5 часа.  В авиационном смысле дальность полёта ДПЛА-электролёта составляет не менее 20 км.

Интересный результат получается, если на планере для электролёта с тонким крылом смонтировать силовую установку на двигателе внутреннего сгорания, например, калильный двигатель, работающий на метаноле. Благодаря тому, что удельная энергетическая отдача метанола во много раз больше, чем у Ni-Mh аккумуляторов, продолжительность и дальность полёта такого ДПЛА возрастают. Так, для ДПЛА массой 2,5 кг авиационная дальность полёта (дальность полёта в одну сторону) по результатам испытаний оценивается не менее 90 км. Теперь сопоставим эту дальность с дальностью стрельбы такой грозной системы, как РСЗО «Смерч». Она тоже равна 90 км. Если применять ДПЛА как одноразовый снаряд, то «игрушечный», запускаемый с руки ДПЛА способен решать задачи целеуказания и контроля результатов стрельбы РСЗО «Смерч». Сейчас на эту роль продвигается ДПЛА «Пчела-1». Один пороховой ускоритель «Пчелы» стоит столько же, сколько «новый» миниДПЛА. А для пуска «Пчелы» используются два ускорителя…

 

Важнейшей разновидностью «новых» ДПЛА являются ДПЛА с тонким крылом и двигателем внутреннего сгорания. Такие миниДПЛА позволяют достичь дальности действия на всю тактическую глубину.

 

 

 

 

 

6. Экономика «новых» ДПЛА

«Новые» ДПЛА дёшевы. Это их сила и слабость одновременно. Сила в том, что стоимость минимального ДПЛА массой до 4 кг сопоставима со стоимостью бытовой техники длительного пользования, то есть составляет несколько тысяч долларов.    (Статья пишется в марте 2003 года). «Серьёзные» ДПЛА стоят сотни, а то и миллионы долларов. Поскольку многие задачи «серьёзных» ДПЛА могут быть решены миниДПЛА, то ставятся под угрозу прибыли «серьёзных» корпораций и всей военно-промышленной унии, участвующей в миллионных заказах. В связи с этим возникает сомнение в победном шествии «новых» ДПЛА.  Видимо, «новые» ДПЛА могут увидеть свет только тогда, когда возникнет нестерпимая нужда в них.

 

 

 

 

[ДПЛА.ру/Главное меню]

 

 

 

ДПЛА.ру/ «НОВЫЕ» ИЛИ миниДПЛА

 

 

 

 

 

Авиационный топ. Нижние два числа - хитов всего и хитов в среднем за день.