Кратко о Микро–БЛА с вибропредкрылком

Ю.С.Воронков, Член Клуба авиастроителей, Председатель Координационного Совета Благотворительного общества научно-технического творчества и экологии «Ювенал» г. Таганрога

 

 

 

 

Как известно, ряд научно-исследовательских учреждений и конструкторских организаций США и других стран, совершенствуя БЛА, подошли к решению задач их создания на новой элементной базе с повышением их тактико-технических возможностей, что позволило существенно уменьшить их размеры. Таким образом, был совершен революционный прорыв в вопросах создания беспилотных летательных аппаратов нового класса – микро-беспилотных летательных аппаратов (Micro Air Vehicles, MAVs), или микро-БЛА, в которых заложены новые принципы организации связи, навигации и управления, а также создана качественно новая миниатюрная целевая нагрузка, поставляющая необходимую информацию для потребителей.

По мнению западных специалистов, микро-БЛА, прежде всего должны служить военной сфере применения и входить в амуницию бойца. При необходимости проведения разведки аппарат должен запускаться с помощью несложной пусковой установки и передавать изображение на дисплей, находящийся в руках бойца, в том числе демонстрируя обстановку внутри зданий и сооружений, куда они способны проникать.

Потребность в создании  микро-БЛА

В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БЛА) активно используются практически во всех вооруженных конфликтах с участием армий развитых стран. Широкое внедрение таких летательных аппаратов отвечает концепциям повышения автоматизации управления подразделениями и частями с целью сокращения потерь личного состава.

Опыт боевых действий в локальных конфликтах последних лет, а также условия их ведения показали потребности повышения информационного обеспечения наземных войск тактического уровня. Исследования, проведенные в ряде стран, показывают важность обладания информацией для войсковых соединений, в том числе тактических единиц уровня взвода. Средствами, поставляющими информацию такого рода, в отличие от средств разведки с более высоким уровнем характеристик, подобно спутникам и высотным БЛА, будут являться микро-БЛА.

Микро-БЛА позволят во многих операциях исключить или значительно уменьшить боевые потери. Разведывательный комплекс, построенный на использовании микро-БЛА, будет служить для обеспечения командира на поле боя воздушной разведывательной информацией о текущей обстановке в его зоне ответственности. Использование таких комплексов, позволит обходиться без заявок на разведку в вышестоящий штаб, связанный с авиационными полками, оснащенными пилотируемыми самолетами-разведчиками.

Применение микро-БЛА в гражданском секторе экономики возможно для контроля радиационной обстановки в зонах АЭС, мониторинга лесных, степных массивов, труднодоступных зон земледелия, для обнаружения пожаров и содействия в их ликвидации и т.д.

Особенности аэродинамики микро-БЛА

Теория полета управляемых объектов с размерами птиц или больших насекомых, каковыми являются микро-БЛА, значительно сложнее теории полета пилотируемого самолета. Это является результатом того, что микро-БЛА летают в так называемой области критических чисел Рейнольдса (Rek). Диапазон чисел Rek = (10 000 – 200 000) соответствует диапазону чисел Re авиамоделей, что позволяет использовать ряд положений теории полета летающих моделей, в том числе основы физики кризисных явлений при обтекании несущих поверхностей аппарата [1].

Эта область характерна тем, что в ней все аэродинамические характеристики претерпевают резкие, малоизученные скачки, которые зависят от направления изменения скорости и угла потока. Поляра при этом перестает быть постоянной. Большинство самолетных теорий становятся неприменимыми к микрообъектам или нуждаются в серьезной корректировке. Полет управляемого микрообъекта можно сравнить с полетом самолета при скорости звука, причем микро-БЛА в критической области приходится летать постоянно.

​Из теории полета летающих моделей известно, что уменьшение числа Re приводит к падению аэродинамического качества K фиксированных несущих поверхностей. А с уменьшением габаритных размеров летательного аппарата, равно как и чисел Re, а также, его массы, подтверждается общая тенденция в авиации и природе – стремление к уменьшению удельной нагрузки на несущие поверхности, т.е. на крыло. Это уменьшение приводит к уменьшению скорости полета, а, следовательно, к падению эффективности фиксированной несущей поверхности, росту удельной мощности силовой установки. Это, в конечном счете, приводит к необходимости отказа от фиксированных несущих поверхностей и применению подвижных несущих поверхностей, какими являются воздушный винт или комбинация подвижных поверхностей с неподвижными. В качестве такой комбинации может быть представлен предкрылок А.И. Болдырева.

Предкрылок А.И. Болдырева

Работы отечественных ученых-аэродинамиков МАИ, ХАИ, ЦАГИ, проводившиеся в довоенное время, отличались своей новизной и зачастую опережали время.

Так, А.И. Болдыревым [4] на летающих моделях, а также, во время продувок моделей в аэродинамической трубе, был обнаружен новый интересный аэродинамический эффект. Установленный чуть впереди и выше носка крыла предкрылок приводился в быстрое колебательное движение, и при этом возникала сила тяги и увеличивалась подъемная сила крыла (Рис.1). Предкрылок колебался относительно своего носка вниз и вверх на углы порядка ±15°. Автором со своими помощниками была выполнена и продута в аэродинамической трубе модель самолета в половину натуральной величины. По полученным результатам выполнен аэродинамический расчет.

В 1946 году А.И. Болдырев завершил проект оригинального самолета с колеблющимся предкрылком. Проект рассматривался в ЦАГИ, и после положительных отзывов был заключен договор на разработку самолета в МАИ при финансовой поддержке ЦАГИ. В конце 1947 года самолет был построен в учебно-производственных мастерских (УПМ) МАИ и передан на испытания.

Самолет прошел лишь первый – стендовый этап испытаний, так как сломалась коническая шестерня привода предкрылка, и в конце 1947 года испытания прекратили.

В ходе незавершенных испытаний были получены максимальная тяга на месте около 90 кг и подтверждение, что колеблющийся предкрылок создает тягу и подъемную силу. Были выявлены большие динамические нагрузки на привод. Для окончательных натурных продувок в аэродинамической трубе с работающим предкрылком самолет был передан в ЦАГИ.

Очевидно, самолет с колеблющимся предкрылком опережал свое время и на фоне стремительного освоения реактивной техники не вызвал особого интереса в промышленности.

Последователями А.И. Болдырева в этом направлении были Б.С. Блинов, который разработал и испытал в МАИ ряд моделей с предкрылком А.И. Болдырева, а также Л. Дунц и А. Васильев.

Опыты на моделях [4] показали, что скорость струи воздуха за предкрылком на всех режимах работы в 2,5 раза выше средней линейной скорости движения задней кромки предкрылка. Скорость полета в зависимости от нагрузки на крыло составляла 30 ÷ 80% от скорости воздушного потока за предкрылком. Модель массой 0,82 кг отрывалась от земли при достижении двигателем мощности 0,07 л.с. при оборотах двигателя 2 900 об/мин. При мощности 0,12 л.с. модель шла в набор высоты под углом 47° к горизонту.

Позднее за рубежом появился целый ряд интересных теоретических и экспериментальных работ, подтверждающих, что колебание аэродинамических элементов поверхности крыла, например, интерцепторов, элеронов или закрылков, с частотой 60 ÷ 80 Гц приводит к значительному снижению индуктивного сопротивления, уменьшению интенсивности концевых вихрей и увеличению аэродинамического качества.

Самолет и микро-БЛА в воздушной среде

Отличия обтекания воздушной средой микро-БЛА и полноразмерного (пилотируемого) самолета [7] выглядят следующим образом:

Обтекание крыла самолета происходит на закритическом режиме, поэтому желательно, чтобы ламинарность пограничного слоя сохранялась как можно дольше с целью использования малого трения при ламинарном обтекании, при этом желательно, чтобы турбулентный срыв, вызванный потерями на трение, в турбулентном потоке происходил на возможно больших углах атаки.

При ламинарном обтекании крыла микро-БЛА с числом Рейнольдса Re < 10 000 в пограничном слое может наблюдаться нежелательное докритическое состояние потока с резким увеличением аэродинамического сопротивления.

Для нескоростного полноразмерного самолета выбирают толстый профиль крыла с тупым носом.

Для микро-БЛА – выбирают тонкий профиль с острым носиком.

Для скоростного полноразмерного самолета используют тонкий ламинарный профиль с очень незначительной вогнутостью средней линии, но с большим расстоянием до максимальной толщины профиля по хорде от передней кромки крыла.

Для микро-БЛА – рекомендуется использовать турбулентный профиль со значительной вогнутостью средней линии профиля и малым расстоянием максимальной вогнутости профиля по хорде.

Крыло самолета должно быть по возможности гладким для уменьшения поверхности трения, особенно на носке крыла.

На носике микро-БЛА необходима незначительная шероховатость и, в некоторых случаях, даже выступ. Таким образом, поверхностное трение играет меньшую роль для микро-БЛА. При числах Re, меньших по величине, чем числа закритической полностью турбулентной зоны, все мероприятия искусственной турбулентности крыла (шероховатость его верхней поверхности, острая передняя кромка, выступ на носике крыла и особенно турбулизатор перед носиком крыла) полезны для микро-БЛА.

Для полноразмерного самолета данные мероприятия – всегда нежелательны. Для самолета выгодны эллиптическая и суживающаяся форма крыла в плане и форма лопасти воздушного винта, так как указанная геометрия снижает индуктивное сопротивление.

Для микро-БЛА выгоднее прямоугольная форма крыла, чтобы избежать докритического режима обтекания концов крыла и получить по возможности закритическую область чисел Re на всем крыле. При этом путем закрутки прямоугольного крыла можно получить эллиптическое распределение подъемной силы.

Современные планеры имеют максимальное аэродинамическое качество K = 25 ÷ 40, а летающие модели-парители из-за малых чисел Re на закритических режимах K = 15 ÷ 20. Аэродинамическое качество полноразмерного планера или самолета не может быть достигнуто микро-БЛА без специальных средств механизации крыла

На основании теоретических сведений и опыта по колеблющимся элементам несущих поверхностей в Благотворительном обществе научно-технического творчества и экологии «Ювенал» города Таганрога были построены несколько летающих моделей – прототипов микро-БЛА. Элементы колеблющегося предкрылка, как и его привод в микро-БЛА, по сравнению с самолетными агрегатами имеют минимальные инерционные массы, что открывает определенные перспективы создания и использования такого движителя для микро-БЛА. Необходимый ресурс вибропредкрылка и его привода обеспечивается использованием новых высокомодульных композитных материалов. Один из микро-БЛА рассматривается в данной работе.

Краткое описание микро-БЛА с вибропредкрылком

Техническое решение поясняется чертежами:

Фиг.1 – Вид аппарата сбоку;
Фиг.2 – Вид аппарата сверху;
Фиг.3 – Вид аппарата спереди;
Фиг.4 – Компоновка оборудования аппарата.

В соответствии с представленными чертежами аппарат состоит из следующих элементов и оборудования:

1. Крыло;
2. Колеблющийся предкрылок;
3. Обтекатель внешней оси предкрылка;
4. Обтекатель оборудования;
5. Элероны;
6. «^»-образное оперение;
7. Руль высоты и направления;
8. Траектория колебания предкрылка;
9. Видеокамера;
10. Генератор колебаний;
11. Приемник воздушного давления;
12. Датчик давления;
13. Приемник спутниковой радионавигационной системы (СРНС);
14. Бортовая миниатюрная инерциальная интегрированная навигационная система (МИИНС);
15. Аккумуляторная батарея;
16. Магнитометр;
17. Микросервопривод;
18. Передатчик;
19. Распределитель электропитания;
20. 20Микроавтопилот;
21. 21.Передняя кромка крыла;
22. 22.Бортовой вычислитель.

Микро-БЛА (Фиг.1, 2, 3, 4) спроектирован по схеме «летающее крыло» трапециевидной формы 1 с вибропредкрылком 2, с «^»-образным оперением 6, установленным на верхней поверхности крыла 1. Данная аэродинамическая схема позволяет всем поверхностям управления аппаратом 5, 7, размещенным в обдуваемой потоком воздуха зоне от вибропредкрылка 2, быть эффективными на минимальных скоростях. По концам левой и правой консолей крыла установлены обтекатели 3, в которых шарнирно закреплены внешние оси вибропредкрылка 2. Внутренние оси вибропредкрылка 2 соединены с генератором колебаний 10 и закрыты обтекателем 4 оборудования.

Вибропредкрылок 2, установленный сверху и спереди передней кромки 21 крыла 1, приводится в колебательное движение генератором колебаний 10. Генератор колебаний 10 вибропредкрылка 2 может быть выполнен в виде механизма, преобразующего вращение вала привода в колебания специального рычага, соединенного с вибропредкрылком, или в виде электромагнитновибрационного привода, непосредственно воздействующего на вибропредкрылок 2. Колебания вибропредкрылка 2 индуцируют возникновение не только подъемной силы на крыле 1, но и одновременно создают тягу.

По тангажу аппарат управляется одновременным отклонением поверхностей управления 7 «вверх-вниз», по курсу – дифференциальным отклонением тех же управляющих поверхностей 7. По крену аппарат управляется элеронами 5.

Диапазон 8 колебаний вибропредкрылка находится в пределах ±16°, а частота колебаний 60 ÷ 85 Гц.

Технология изготовления оболочки аппарата основана на формовании органоткани в матрице с пропиткой в двухкомпонентном связующем с последующей укладкой до отверждения проводящих электрический ток линий, шин и соединений.

Функцию навигации и управления микро-БЛА выполняет система, в которой реализован алгоритм бесплатформенной инерциальной навигационной системы, интегрированной с приемником спутниковой радионавигационной системы.

Приемник спутниковой радионавигационной системы (СРНС) 13 выдает данные широты, долготы, высоты, скорости, путевого угла и текущего времени полета аппарата.

Бортовая миниатюрная инерциальная интегрированная навигационная система (МИИНС) 14, имея в своем составе триады инерциальных датчиков в виде микромеханических гироскопов и акселерометров, а также барометрический высотомер и трехосный магнитометр 16, выдает данные широты, долготы, высоты, баровысоты, горизонтальной скорости, вертикальной скорости, курса, крена, тангажа, угловой скорости, линейного ускорения. 

Путем объединения данных МИИНС с данными приемника СРНС вырабатывается полное навигационное решение по координатам и углам ориентации полета аппарата и направляется в микроавтопилот 20.

Микроавтопилот 20 осуществляет выработку управляющих команд в соответствии с  законами управления, заложенными в его вычислитель, и обеспечивает управление сервоприводами 17, контроллером силовой установки, бортовой аппаратурой 12, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 20.

В память микроавтопилота 20 заносятся поворотные пункты маршрутов полета. Каждая точка характеризуется координатами, высотой прохождения и скоростью полета. В полете микроавтопилот 20 обеспечивает выдачу в канал передачи телеметрической информации для слежения за полетом микро-БЛА.

Питание бортового оборудования 12, 13, 14, 16, 17, 18, 19, 20, целевой нагрузки и силовой установки обеспечивается аккумуляторной батареей 15.

В качестве целевой нагрузки используется миниатюрная видеокамера 9, установленная в носовой части аппарата.

Выводы

Результатом выполнения работ по созданию микро-БЛА с колеблющимся предкрылком, должна стать высокоинтегрированная система в интеллектуальной оболочке с минимизацией габаритно-массовых параметров, с обеспечением максимально возможных характеристик соответствия дальности, маневренности, управляемости, скрытности, надежности, с возможностями поставки необходимого объема и качества информации с её борта потребителю, с возможностями обеспечения ею операций в стесненных городских условиях.

Источники информации

1. Болонкин А.А. Теория полета летающих моделей. — М.: ДОСААФ, 1962.
2. Гаевский О.К. Летающие модели планеров. — М.: ДОСААФ, 1955г.
3. Г.С. Панатов, А.А. Колесников, А.П. Дятлов, С.Г. Муганлинский, Ю.С.Воронков.   Информационный доклад к Тематической Карточке СПП РАН «Разработка методов и принципов создания высокоэффективных Микро-Беспилотных Летательных Аппаратов» (Микро — БЛА), НИР «Микрон», ТРТУ, 2000г.
4. Макаров Ю.В. Летательные аппараты МАИ. – М.: Изд-во МАИ, 1994.
5. Миклашевский Г.В.  Летающие модели – М.: Оборонгиз, 1946 г.
6. Шмитц Н.В. Аэродинамика малых скоростей: пер с немецкого. – М.: ДОСААФ, 1963.
7. Воронков Ю.С., Елманов И.М., Лежнев В.Г., Лежнев М.В., Карсян А.Ж., Потетюнко Э.Н. , Задачи обтекания тел, монография, РГУПС – Ростов-на-Дону, 2011 г.  

 

Координационный Совет ОНТТЭ «Ювенал», г. Таганрог, e-mail: yuven@mail.ru