Особенности конструкции и эксплуатации беспилотных летательных аппаратов самолетного типа

Особенности компоновки БПЛА

Под беспилотным летательным аппаратом (БПЛА) подразумевается летательный аппарат (ЛА), который летает без пилота и экипажа на борту.

БПЛА, как и пилотируемые воздушные суда, бывают самолетного и вертолетного типа (вертолеты и мультикоптеры — летательные аппараты с четырьмя и более несущими винтами).

БПЛА самолетного типа называется летательный аппарат тяжелее воздуха, подъёмная сила которого создается неподвижным относительно других частей летательного аппарата крылом при его поступательном движении в воздухе.

Превосходством БПЛА по сравнению с пилотируемыми воздушными судами является, прежде всего, меньшая стоимость эксплуатации, а также уменьшение регламентных работ.

Существует большое разнообразие подтипов БПЛА самолетного типа, различающихся по форме крыла и фюзеляжа. Практически все схемы компоновки самолета и типы фюзеляжей, которые встречаются у пилотируемых воздушных судов, применимы и в беспилотных ЛА.

Все ЛА самолетного типа можно классифицировать по следующим конструктивным признакам [1]:

— по числу и расположению крыльев;

— по типу фюзеляжа;

— по форме и расположению оперения;

— по типу, количеству и расположению двигателей;

— по типу и расположению шасси.

По количеству крыльев ЛА подразделяются на монопланы (с одним крылом) и бипланы (с двумя крыльями, расположенными одно над другим).

По расположению крыла относительно фюзеляжа различают низкоплан, среднеплан и высокоплан.

Фюзеляжи, не несущие оперения, называют гондолами. Оперение в этом случае поддерживается двумя балками, и ЛА при этом называют двухбалочными.

В зависимости от расположения хвостового оперения различают:

— ЛА стандартной схемы, у которых стабилизатор и киль размещаются в хвостовой части фюзеляжа;

— ЛА схемы «утка», у которых горизонтальное оперение расположено впереди крыла;

— ЛА типа «бесхвостка», у которых горизонтальное оперение отсутствует.

Большинство современных БПЛА самолётного типа выполнено по первой схеме, которая имеет следующие конструктивные разновидности:

— однокилевое оперение;

— разнесенное вертикальное оперение;

— V-обpазное оперение;

— Т-образное оперение.

Переднее расположение горизонтального оперения при использовании схемы «утка» повышает его эффективность, исключая его затенение впереди находящимся крылом.

Взаимное пространственное расположение частей ЛА и его оборудования называется компоновкой БПЛА.

В настоящее время сложились две основные схемы компоновки БПЛА самолетного типа: стандартная (классическая) и «летающее крыло». Реже используют схему «бесхвостка».

В горизонтальном полете без ускорения на БПЛА самолетного типа действуют следующие силы: тяга двигателя, сила тяжести, подъемная сила и лобовое сопротивление. Последние две силы относятся к аэродинамическим.

При горизонтальном полёте с постоянной скоростью подъемная сила уравновешивает вес ЛА, а сила тяги — силу лобового сопротивления.

Если подъемная сила больше силы тяжести, БПЛА набирает высоту, если меньше — снижается.

Если тяга больше силы лобового сопротивления, ЛА разгоняется, если меньше — скорость полета уменьшается.

Основной системой координат, используемой в динамике полета, является скоростная (подвижная) система координат, движущаяся вместе с ЛА. Начало этой системы координат находится в центре масс БПЛА.

Силы обычно раскладываются по трём осям: х — по направлению движения, y — перпендикулярно оси «Ох» в плоскости симметрии ЛА; z — перпендикулярно плоскости «хОy» и направлена по правому крылу.

Дополнительная аэродинамическая сила горизонтального оперения БПЛА самолетного типа, направленная вниз, уравновешивает пикирующий момент вокруг центра тяжести, создаваемый подъёмной силой крыла.

На других этапах полёта (взлёт, набор высоты, снижение, посадка) и при выполнении эволюций (манёвров) ЛА схема сил, действующих на него, будет сложнее.

К БПЛА предъявляются весьма разнообразные и зачастую противоречивые требования. Одним из основных является требование наименьшего веса и достаточной прочности, поскольку повышение прочности обычно связано с утяжелением конструкции, а облегчение конструкции — с понижением прочности.

К основным элементам БПЛА самолетного типа относятся: планер, включающий в себя крыло, фюзеляж и хвостовое оперение, двигатель с топливной системой, управление ЛА с автопилотом, шасси и спецоборудование.

Иногда можно обойтись без шасси. В этих случаях ЛА запускаются рук или с помощью катапульты.

Наиболее дорогостоящие элементы — спецоборудование, авионика, программное обеспечение.

Двигатель ЛА может быть поршневым или электрическим.

Причем, поршневой двигатель внутреннего сгорания обеспечивает большее полетное время. Однако такой мотор сложен, менее надежен и требует большего времени для подготовки ЛА к взлету.

Поршневой бензиновый двигатель внутреннего сгорания на ЛА имеет смысл применять в тех случаях, когда необходима большая дальность полета.

Электрический мотор, напротив, очень нетребователен к уровню квалификации обслуживающего персонала.

Важными составляющими БПЛА являются системы управления, навигации и связи.

Автопилот — с инерциальной системой — наиболее важный элемент системы управления ЛА.

В комплект автопилота, кроме мощного процессора, входят трехосевые гироскоп и акселерометр, приемник спутниковой навигационной системы, датчик давления, датчик воздушной скорости. С такой авионикой ЛА сможет лететь строго по программе.

В ЛА имеется радиомодем для получения управляющих команд и отправки сообщений на землю телеметрических данных о полете и текущем местоположении ЛА.

По сравнению с ЛА вертолетного типа БПЛА самолетного типа имеет следующие преимущества:

— скорость полета;

— радиус действия;

— грузоподъемность;

— более простая конструкция.

Примечание: Для увеличения продолжительности и дальности полета мультикоптера в качестве источника электропитания вместо аккумуляторов можно использовать универсальную гибридную силовую установку, включающую в себя простейший бензиновый двигатель внутреннего сгорания с электрогенератором.

Мультикоптеры могут собираться в различной конфигурации в зависимости от задачи из унифицированных модулей. Оригинальность идеи в том, что мультикоптер формируется из унифицированных модулей-квадрокоптеров, их число в БЛА определяется грузом, который нужно перевезти.

По сравнению с БПЛА вертолетного типа БПЛА самолетного типа имеет следующие недостатки:

— меньшая маневренность;

— сложность эксплуатации;

— меньшая гибкость применения.

Примечание: Преимущества БПЛА самолетного и вертолетного типа могут успешно использоваться при создании беспилотных ЛА конвертируемого типа, таких например, как конвертопланы, мотодельтопланы, автожиры и т. п.

Беспилотные ЛА, построенные по схеме «летающее крыло», обладают многими преимуществами по сравнению с традиционными схемами. Эти преимущества обусловлены снижением веса конструкции, аэродинамического сопротивления и стоимости благодаря отсутствию фюзеляжа и хвостового оперения.

Особенности аэродинамической схемы «летающее крыло» дают возможность при одинаковых удлинениях крыла достичь более высоких, чем у БПЛА классической схемы, значений величины аэродинамического качества крейсерского полета и на 25%…30% увеличить полезную нагрузку по сравнению с такими ЛА.

Недостатками рассматриваемой схемы являются сложность выбора места для размещения горизонтального и вертикального оперения и, как следствие, проблемы обеспечения приемлемых характеристик продольной и путевой устойчивости и управляемости ЛА, связанные с компактностью аппарата вдоль продольной и нормальной осей, а также относительно малым плечом органов стабилизации и управления, относительно его центра масс.

Кроме того, для таких ЛА существует необходимость использования шасси большой высоты для создания достаточных для их безопасного взлета и посадки «по самолетному» углов атаки. Подобное обстоятельство влечет за собой увеличение веса конструкции ЛА.

Еще одним недостатком ЛА типа «летающее крыло» является низкое критическое число Маха полета, обусловленное необходимостью использования профилей большой относительной толщины в центральном сечении для размещения целевой нагрузки и агрегатов без чрезмерного увеличения его габаритных размеров. Основными органами управления такого ЛА, так же как и в схеме «бесхвостка» являются элевоны, установленные либо на концах крыла, либо в средней части. В ЛА схемы «летающее крыло» горизонтальные органы управления отсутствуют.

Перспективным вариантом является объединение в одном ЛА квадрокоптера с самолётом схемы, так называемого квадроплана. В результате за счёт аэродинамического качества самолёта достигается повышение дальности и продолжительности полёта при сохранении возможности ВВП.

Взлёт и посадка такого ЛА осуществляется вертикально за счёт тяги воздушных винтов, расположенных на крыльях. После вертикального взлёта БПЛА с разгоном переходит в режим горизонтального полета и выполнял крейсерский полёт как обычный самолёт. Основную часть полёта ЛА совершает в горизонтальном положении как обычный самолёт, у которого воздушные винты и крыло создают горизонтальную тягу и подъёмную силу соответственно.

Примечание: При анализе схемы БПЛА необходимо учитывать, что улучшение одних качеств ЛА нередко ведет к ухудшению других, а некоторые сочетания таких требований вообще невыполнимы. Попытки постройки многоцелевого БПЛА, как правило, хороших результатов не дают.

Планер БПЛА

Фюзеляж

Планер современного БПЛА, как правило, изготавливают из легкого и дешевого пластика. Конструкция планера выполнена в основном из стеклопластиковых композиционных материалов, чтобы защитить дорогостоящее спецоборудование и средства управления и навигации, а его крылья — из пластика или экструдированного пенополистирола (EPP). Этот материал легок, достаточно прочен и не ломается при ударе. Деформированную деталь из ЕРР зачастую можно восстановить подручными средствами.

Легкий ЛА может выдержать несколько сотен полетов с небольшим ремонтом, который, как правило, включает замену крыльев, элементов фюзеляжа и др.

В полете фюзеляж изгибается и скручивается аэродинамическими силами, действующими на хвостовое оперение. При перегрузках эти силы достигают значительной величины и чтобы противостоять им, фюзеляж необходимо выполнять достаточно прочным и жестким.

Практически же сечений, рассчитанных на аэродинамические силы, оказывается недостаточно, чтобы фюзеляж не сломался при принудительных и аварийных посадках модели. При таких посадках действующие на фюзеляж перегрузки в 2—3 раза превышают действующие в полете. Таким образом, не полет, а посадка определяет необходимую прочность фюзеляжа.

Большое значение для прочности и веса фюзеляжа имеет форма его поперечного сечения.

Хорошей жесткостью обладают ферменные фюзеляжи; кроме того, они имеют наименьший вес среди всех типов современных фюзеляжей.

Продольные элементы ферменного фюзеляжа — мощные лонжероны, число которых обычно равно 4 или 6; поперечные элементы — раскосы. Для образования жесткой фермы необходимо, чтобы в одной точке на лонжероне сходились четыре раскоса — по два на каждой грани фюзеляжа. Число раскосов можно увеличить.

Фюзеляж-моноблок. Такие фюзеляжи представляют собой коробку, образованную жесткой обшивкой, подкрепленной каркасом из стрингеров и шпангоутов. Изгибающие моменты в моноблочных фюзеляжах воспринимаются обшивкой и стрингерами, которые имеют меньшее сечение, чем, например, лонжероны ферменных фюзеляжей. Шпангоуты устанавливаются редко, на сравнительно большом расстоянии друг от друга.

Стрингер в моноблочном фюзеляже выдерживает большее усилие, чем точно такой же стрингер в фюзеляже с мягкой обшивкой; жесткая обшивка подкрепляет стрингеры и они, как говорят, работают на чистое сжатие.

Фюзеляж-монокок. В фюзеляжах такого типа обшивка полностью воспринимает изгибающие и скручивающие моменты. Для подкрепления ее иногда устанавливают шпангоуты, преимущественно в местах крепления других узлов и деталей модели. Стрингеры отсутствуют.

Фюзеляж смешанной конструкции. Такой фюзеляж имеет мягкую обшивку в хвостовой части и жесткую — в передней. Хвостовая часть получается легкой, вследствие чего улучшается устойчивость модели. Применение жесткой обшивки в передней части фюзеляжа позволяет создать прочные и жесткие узлы крепления крыла, двигателя, стартового крючка и других деталей, расположенных в передней части.

Примечание: В качестве хвостовой части фюзеляжа может использоваться дюралевая труба или труба, изготовленная из композиционных материалов.

Крыло

Крыло является важнейшей частью ЛА и служит для создания подъемной силы.

Кроме того, крыло обеспечивает поперечную, а на «бесхвостках» также продольную устойчивость и управляемость ЛА.

Под внешней формой крыла подразумевают его вид в плане и спереди, а также форму его поперечного сечения (профиль).

Профилем крыла называется форма сечения его плоскостью по набегающему потоку воздуха. Наибольшее распространение получили двояковыпуклые несимметричные профили.

Отрезок прямой, соединяющий две наиболее удалённые точки профиля, называется хордой профиля.

Кривизна профиля определяется как расстояние между хордой и средней линией профиля [2].

Относительная максимальная толщина профиля определяется как отношение максимальной толщины профиля к его хорде.

Основными геометрическими характеристиками крыла в плане являются: форма в плане, удлинение и стреловидность.

Удлинение крыла определяется как отношение квадрата размаха крыла к его площади.

На виде спереди крыло характеризуется углом поперечного V, который образован плоскостью хорд консоли крыла и перпендикуляром к плоскости симметрии ЛА.

Придание крылу положительной V-образность увеличивает поперечную устойчивость ЛА.

Увеличение удлинения ведет к увеличению аэродинамического качества крыла, но уменьшает его жесткость.

Аэродинамическое качество определяется как отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению или дальности планирования к высоте полета, на которой произойдет отказ всех двигателей:

Для выбора сужения крыла БПЛА необходимо учитывать трудности, связанные с изготовлением крыла, поэтому для упрощения конструкции лучше использовать прямоугольные крылья с нулевой стреловидностью.

Стреловидность крыла определяется углом, замеряемым между линией фокусов (точек приложения аэродинамических сил) и перпендикуляром к плоскости симметрии ЛА.

Все многообразие крыльев ЛА по форме в плане может быть сведено к трем основным типам: прямые, стреловидные, треугольные.

Крыло, обеспечивая создание практически всей подъемной силы, является высоконагруженной частью ЛА. К основным нагрузкам крыла относятся аэродинамические и массовые силы.

Аэродинамическая нагрузка возникает в результате взаимодействия крыла с воздушным потоком и является распределенной.

Равнодействующие погонной аэродинамической нагрузки приложены по линии центров давления крыла.