Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние

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

1) БПЛА с жестким крылом (БПЛА самолетного типа);

2) БПЛА с гибким крылом;

3) БПЛА с вращающимся крылом (БПЛА вертолетного типа);

4) БПЛА с машущим крылом;

5) БПЛА аэростатического типа.

Кроме БПЛА перечисленных пяти групп существуют также различные гибридные подклассы аппаратов, которые по их принципу полета трудно однозначно отнести к какой-либо из перечисленных групп. Особенно много таких БПЛА, которые совмещают качества аппаратов самолетного и вертолетного типов.

1.2.2.1. БПЛА самолетного типа

Этот тип аппаратов известен также как БПЛА 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 БПЛА самолетного типа, различающихся по форме крыла и фюзеляжа. Практически все схемы компоновки самолета и типы фюзеляжей, которые встречаются в пилотируемой авиации [12], применимы и в беспилотной. На рис. 1.1 – 1.6 представлены некоторые примеры.

На рис. 1.1 показан экспериментальный многоцелевой самолет Proteus разработки американской компании Scaled Composites. Разработаны как пилотируемый, так и беспилотный варианты этого самолета. Особенностью конструкции является тандемная схема расположения крыльев. Его длина составляет 17,1 м, размах задних крыльев 28 м, потолок высоты 16 км (при нагрузке 3,2 т), взлетная масса 5,6 т, максимальная скорость 520 км/ч (на высоте 10 км), длительность полета до 18 ч. Силовая установка – два турбореактивных двигателя с тягой по 10,2 кН .

Рис. 1.1. Экспериментальный самолет Proteus (США, 2006). Под фюзеляжем подвешена гондола с радиолокационным оборудованием

На рис. 1.2 показан разведывательный БПЛА RQ-4 Global Hawk, разработанный американской фирмой Teledyne Ryan Aeronautical, дочерним предприятием компании Northrop Grumman. Он отличается необычной формой фюзеляжа, в носовой части которого размещено радиолокационное, оптическое и связное оборудование. Аппарат изготовлен из композитных материалов на основе углеволокна и аллюминиевых сплавов, имеет длину 13,5 м, размах крыльев 35 м, взлетную массу около 15 тонн, способен нести полезную нагрузку массой до 900 кг. RQ-4 Global Hawk может находиться в воздухе до 30 часов на высоте до 18 км. Максимальная скорость 640 км/ч. Силовая установка – турбореактивный двигатель с тяговым усилием 34,5 кН.

Рис. 1.2. БПЛА RQ-4 Global Hawk (США, 2007)

На рис. 1.3 показан перспективный боевой палубный БПЛА Х-47В, разрабатываемый компанией Northrop Grumman (США). Он имеет форму широко выгнутой буквы "V" без хвостовой части. Крылья могут складываться, что немаловажно для ограниченной площади палубы авианосца. Для управления полетом БПЛА оснащен 6-ю рабочими плоскостями. Турбореактивный двигатель канадской фирмы Pratt amp; Whitney обеспечивает высокую скорость полета беспилотного аппарата и расположен в задней части аппарата. Беспилотник состоит из четырех частей, собранных из композитных материалов и соединяющихся примерно в середине корпуса. Самолет имеет длину 11,6 м, размах крыльев 18,9 м (в сложенном состоянии 9,4 м), собственную массу 6,3 т, максимальную взлетную массу 20,2 т. Крейсерская скорость составляет 900 км/ч. Радиус действия 3900 км. Потолок 12,2 км. Предположительно аппарат будет приспособлен для выполнения дозаправки в воздухе. При этом БПЛА будет готов при необходимости беспрерывно выполнять поставленную боевую задачу в течение 80 часов, что на порядок больше длительности полёта боевых самолетов с пилотами [13].

Рис. 1.3. БПЛА X-47B компании Northrop Grumman (США, 2013)

Х-47В UCAS-D Air Vehicle System in Focus

Altitude: ›40,000 ft

Speed: High Subsonic

Weapons Payload Provisions: 4,500 lbs

Max Unrefueled Range: ›2,100 NM

Max Unrefueled Endurance: ›6 hours

Sensor Provisions: EO/IR/SAR/ESN

Air Refueling Provisions: USN/USAF

CV Demo TOGW: 44,567 lbs

CV Launch OPWOD: -3.6 kts

CV Recovery WOD: 9.3 kts

Spot Factor (F/A-18C): 0.87

На рис. 1.4 показан ударный БПЛА MQ-9 Reaper, разработанный американской компанией General Atomics и стоящий на вооружении ВВС США и других стран с 2007 г. Как и многие другие БПЛА, аппарат имеет V-образное оперение, состоящее из двух наклонных поверхностей, выполняющих функции и горизонтального, и вертикального оперения. Синхронное отклонение управляющих поверхностей играет роль руля высоты и управляет тангажом, а асинхронное руля направления и управляет рысканьем. Для беспилотников V-образное оперение представляется более экономичным решением, чем классическое. MQ-9 Reaper оснащен турбовинтовым двигателем, позволяющим развивать скорость более 400 км/ч. Практический потолок составляет 13 км. Максимальная продолжительность полёта равна 24 ч.

Рис. 1.4. БПЛА MQ-9 Reaper во время боевого вылета в Афганистане, 2008 год.

БПЛА тактического назначения Viking 300 разработки американской компании L-3 Unmanned Systems представлен на рис. 1.5. Он построен полностью из композитных материалов. Оснащен двухтактным двухцилиндровым двигателем внутреннего сгорания мощностью 25 л.с. с толкающим винтом. Причем винт расположен между основным крылом и хвостовым оперением, а не позади него, как в предыдущем примере. Модульная конструкция позволяет легко собирать и разбирать аппарат. Длительность полета составляет 8-10 ч при крейсерской скорости 100 км/ч. Максимальная взлетная масса 144 кг, а масса полезной нагрузки 13,5 кг. Радиус действия составляет 50-75 км. Особенностью аппарата является возможность осуществлять полностью автономные взлет и посадку, которые могут выполняться не только на бетонной полосе, но и на плохо подготовленных поверхностях.

Рис. 1.5. Тактический БПЛА Viking 300 – разработка фирмы L-3 Unmanned Systems (США, 2009)

Еще один пример (рис. 1.6) – это любительская разработка летающей радиоуправляемой модели с дисковым крылом. Аппарат отличается хорошей маневренностью и способность сохранять стабильность полета на малых скоростях.

Рис. 1.6. Радиоуправляемая модель с дисковым крылом

В качестве движителей аппаратов самолетного типа обычно используются тянущие или толкающие винты, а также импеллеры (лопаточные машины, заключенные в цилиндрический кожух – англ.: impeller, ducted fan, shrouded propeller) или реактивные двигатели.

Для аппаратов самолетного типа обычно необходима взлетно-посадочная полоса (ВПП) (рис. 1.7 а). Для некоторых типов при взлете используют стартовые катапульты (рис. 1.7 б). Есть также самолетные БПЛА легкого класса, запускаемые "с руки" (рис. 1.7 в). При посадке может применяться ВПП, парашют (рис. 1.8) или специальные уловители (тросы, сетки, растяжки) (рис. 1.9).

а

б

в

Рис. 1.7. Различные типы старта БПЛА самолетного типа: а – запуск с ВПП; б – запуск с катапульты; в – запуск "с руки"

Рис. 1.8. Посадка БПЛА с помощью парашюта

Рис. 1.9. Посадка БПЛА с помощью тормозного троса (иллюстрация к патенту США № 7335067)

Взлеты и посадки традиционных БПЛА самолетного типа – процесс достаточно трудоемкий и затратный, требующий наличия специальных вспомогательных средств (ВПП, устройств запуска и посадки), поэтому разработчики новой техники все чаще обращаются к нетрадиционным схемам самолетных БПЛА, позволяющим создать безаэродромные БАС. Речь идет прежде всего о самолетах вертикального взлета и посадки (СВВП). На сегодняшний день существует много разновидностей аппаратов ВВП [14, 15]. Многие из них являются гибридами самолетов и вертолетов, поэтому рассмотрены в следующих подразделах (см. далее – "Винтокрылы", "Конвертопланы"). Те же СВВП, которым в большей степени присущи свойства самолета, чем вертолета, обычно имеют в качестве движителя реактивный двигатель, импеллер или небольшие по размеру пропеллеры. Их условно можно разделить по положению фюзеляжа при взлете и посадке [16] на аппараты с вертикальным положением фюзеляжа (тэйлситтеры, от англ. – tailsitter) и аппараты с горизонтальным положением фюзеляжа.

Рис. 1.10. Тэйлситтер SkyTote – разработка компании AeroVironment (США, 2006). Основное назначение – быстрая доставка небольших грузов.

Тэйлситтер ы в стартовом положении обычно опираются хвостовой частью на грунт. Если в качестве движителя используются тянущие винты, то они располагаются в носовой части (как в примере, показанном на рис. 1.10). Посадка, как и взлет, у таких аппаратов обычно производится вертикально. Самое сложное для СВВП – это переход с вертикальной фазы полета на горизонтальную и обратно. У показанного на рис. 1.10 БПЛА SkyTote, например, для управления полетом в этих фазах используется даже специальный нейросетевой контроллер [17].

В последнее время в тэйлситтерах все чаще в качестве движителей используют импеллеры, особенно если движитель является толкающим и находится в хвостовой части аппарата, – это энергетически выгоднее обычного пропеллера [18]. Примером может служить разработка группы исследователей южнокорейского института KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) (рис. 1.11). У представленного беспилотного тэйлситтера предусмотрена возможность взлета и посадки как вертикально, так и горизонтально (т.е. по-самолетному – на ВПП) [19].

Рис. 1.11. Тэйлситтер разработки KAIST (Южная Корея, 2012): а – взлет из вертикального положения; б – взлет с ВПП

Особой разновидностью тэйлситтеров можно считать т.н. колъцепланы (или колеоптеры) – летательные аппараты с крылом, имеющим при виде спереди правильную кольцевую форму. Внутренняя полость кольцевого крыла обдувается воздушной струёй, отбрасываемой двумя соосными винтами противоположного вращения, расположенными на входе в крыло. Хвостовое оперение в конце короткого фюзеляжа и управляющие элероны, установленные на двух профилированных пилонах, крепящих кольцевое крыло к фюзеляжу, находятся в зоне интенсивного обдува струёй от винтов, что повышает их эффективность. В 1959 во Франции фирмой SNECMA был построен экспериментальный пилотируемый кольцеплан с турбореактивным двигателем и проведены его испытания в вертикально подвешенном состоянии (рис. 1.12). При попытке перейти к горизонтальному полету произошло крушение и после этого проект был закрыт [20].

а

б

Рис. 1.12. Кольцеплаи С-450 фирмы SNECMA (Франция, 1959): а – проект аппарата; б – С-450 в режиме вертикального висения

Однако в наши дни кольцепланы получили новое развитие, но уже в виде беспилотных аппаратов. На рис. 1.13 показаны примеры многофункциональных БПЛА, выполненных по схеме кольцеплана. Кольцевое замкнутое крыло имеет свои преимущества (нет срыва потока по краям, допускаются очень большие углы атаки, большая маневренность, большая прочность и меньшая масса крыла, хорошее соотношение массы полезной нагрузки к общей массе аппарата).

а

б

Рис. 1.13. Беспилотные кольцепланы: а – FanTail фирмы ST Aerospace (Сингапур, 2006); б – Air 250 – разработка ООО "Группа Эйр" (Россия, 2010)

Приведенные в качестве примеров на рис. 1.13 БПЛА предназначены, в первую очередь для видеонаблюдения, причем они могут работать в сложных условиях – внутри строений, лесных массивов, горных ущелий и пещер: защищенность вентилятора корпусом-крылом делает эксплуатацию безопасной и устойчивой к контакту с препятствиями. Вертикальный взлет/посадка делают возможным применение БПЛА с ограниченных площадок и транспортных средств. Оба аппарата работают от двигателей внутреннего сгорания (в российском предусмотрен также вариант с электромотором и аккумулятором) и могут развивать горизонтальную скорость порядка 150 км/ч.

В последние годы появляются сообщения о возобновившихся и небезнадежных попытках создать самолет обычного (не вертикального) способа взлета/посадки с замкнутым крылом. Группа энтузиастов в Белоруссии в 2007 г. испытала самолет с таким крылом. Выяснено, что в поперечном сечении он должен иметь не кольцевую форму, а форму эллипса. Прототип оказался в воздухе очень стабильным, маневренным и экономичным, а длина его пробега по ВПП при взлете/посадке заметно короче, чем, например у биплана такого же размера. Можно ожидать, что вскоре появятся и беспилотные самолеты, реализующие описанную концепцию [21].

СВВП с горизонтальным положением фюзеляжа на взлете/ посадке исторически раньше были реализованы в военной пилотируемой авиации. Наиболее известные СВВП этого класса – это серийно производимые штурмовики: советский Як-38 разработки ОКБ им. Яковлева и американский AV-8B Harrier разработки фирмы McDonnell Douglas (рис. 1.14). Силовая установка Як-38 состоит из одного реактивного подъемно-маршевого двигателя и двух подъемных двигателей, а у AV-8B она состоит из одного мощного подъемно-маршевого двигателя. Управление вектором тяги при смене режима полета осуществляется с помощью поворотных реактивных сопел [22]. Главное достоинство таких СВВП очевидно – возможность базирования на ограниченных по площади полосах, в частности, на палубах авианосцев. Кроме того, СВВП обладают дополнительными преимуществами, а именно возможностью зависания, разворота в этом положении и полёта в боковом направлении. По отношению к другим вертикально взлетающим летательным аппаратам, например, вертолётам, СВВП обладают несравненно большими скоростями и в целом преимуществами, свойственными летательным аппаратам с неподвижным крылом. Недостатками таких самолетов являются сложность управления и энергетическая неэффективность.

а

б

Рис. 1.14. Серийные пилотируемые самолеты с вертикальным взлетом и посадкой: а – советские штурмовики Як-38 на борту тяжёлого авианесущего крейсера "Новороссийск" (Тихоокеанский флот, 1984); б – штурмовик AV-8B Harrier Корпуса морской пехоты США на взлете в аэропорту г. Фритаун (Сьерра-Леоне, 2003)

Беспилотные СВВП с горизонтальным положением фюзеляжа на взлете/посадке стали появляться только в последние 10 лет. Один из примеров – разработка американской компанией American Dynamics военного беспилотного СВВП BattleHog 100х (рис. 1.15).

Летные испытания БПЛА BattleHog 100х прошли в 2006 г. Аппарат мог находиться в воздухе непрерывно до 8 часов. Длина BattleHog 100х составляет 3,8 м, размах крыльев – 5,2 м, высота – 1,5 м, максимальный взлетный вес – 1450 кг, полезная нагрузка – 340 кг, потолок высоты – около 7 тыс. м, максимальная скорость – 500 км/ч, крейсерская – 330 км/ч. Расчет станции управления – от 1 до 3 чел. Дальность передачи данных по каналу прямой видимости – около 250 км. BattleHog 100х оснащен турбовентиляторным двигателем Rolls Royce Т63-А720. Аппарат может действовать как в режиме вертикального взлета и посадки, так и в режиме обычного самолетного взлета и посадки [23]. Разработка BattleHog 100х была ориентирована на использование его в боях в городе или сильнопересеченной местности.

Рис. 1.15. Проект беспилотного СВВП BattleHog 100х фирмы American Dynamics (США, 2006)

Аппарат BattleHog 100х предположительно должен быть оснащен двумя ракетами HellFire, либо пусковыми установками НУРС и артиллерийской системой M134 . Бронирование кевларом призвано защитить подъемный вентилятор от пуль калибра 7,62 мм на дистанции до 50 м, а также от воздействия разрывов гранат в непосредственной близости от аппарата [24].

В ходе испытаний в лесу аппарат продемонстрировал возможность совершать полет ниже уровня верхушек деревьев, что позволяет обеспечить его крайне низкую заметность. Полет с огибанием рельефа местности, между деревьями или зданиями осуществляется с помощью модифицированного радара Raytheon. Управление летательным аппаратом осуществляется путем изменения скорости вращения и угла наклона подъемного вентилятора с высоким крутящим моментом (High Torque Aerial Lift, HTAL). Его применение, во-первых, позволило резко уменьшить габариты роторов, "спрятав" их внутрь фюзеляжа, что одновременно позволило снизить их уязвимость от огня противника. С другой стороны, система HTAL позволила обеспечить BattleHog 100х не только высокую грузоподъемность, но и возможность вертикального взлета и посадки, зависания и полета с предельно малыми скоростями, а также, по заверению разработчиков, уникальную маневренность аппарата без использования аэродинамических управляющих поверхностей – рулей поворота и элеронов (что также снижает уязвимость) или сложных систем управления вектором тяги, используемых в современных военных СВВП.

Другим примером беспилотного СВВП с горизонтальным расположением фюзеляжа является аппарат Excalibur американской фирмы Aurora Flight Sciences (рис. 1.16). Он имеет разворачиваемый подъемно-маршевый газотурбинный двигатель, а для управления положением используются электрические импеллеры, расположенные в крыльях и носовой части. Данный БПЛА также предназначен для применения в качестве штурмовика и рассчитан на подвеску различного ракетного и стрелкового вооружения [25].

И еще один пример БПЛА этого же подкласса – аппарат V-STAR компании Frontline Aerospace (США). Он имеет несколько модификаций, некоторые из которых показаны на рис. 1.17.

V-STAR проектировался как боевая машина универсального применения: для разведки, слежения, целеуказания и поиска; для ударов по наземным объектам с помощью устанавливаемого на борту оружия; для доставки на поле боя и за линию фронта оружия, боеприпасов, продовольствия, медикаментов и т.д.; для эвакуации раненых и др. За свои эксплуатационные характеристики БПЛА V-STAR получил неофициальное название "Humvee of the air" ("воздушный хаммер" – по аналогии с известным американским вездеходом). Основные особенности этого аппарата [26]:

Рис. 1.16. БПЛА Excalibur – разработка американской фирмы Aurora Flight Sciences (США, 2009)

– 2 компактных газотурбинных двигателя Rolls-Royce 250. Передача движения осуществляется как на подъемный вентилятор, расположенный в центре фюзеляжа, так и на маршевый толкающий вентилятор в хвостовой части. При выходе из строя одного двигателя аппарат может продолжить полет и совершить посадку на оставшемся. В штатном режиме оба двигателя работают одновременно лишь на взлёте, когда нужно оторвать аппарат от земли. При горизонтальном полёте маршевый вентилятор приводит во вращение лишь один двигатель, а второй в это время не работает, экономя топливо;

– особая технология энергосбережения делает аппарат эффективным при перевозке грузов и пригодным для длительных полетов на дальние расстояния: V-STAR рассчитан на перевозку грузов до 180 кг при максимальном взлетном весе 1,06 т. Наибольшая скорость 533 км/ч. Дальность полёта 1316 км с полной нагрузкой, при уменьшении массы груза до 15 кг дальность увеличивается до 5570 км. Длительность полета (при нагрузке 50 кг) составляет порядка 20 ч;

а

б

в

г

Рис. 1.17. БПЛА V-STAR компании Frontline Aerospace (США, 2009): а – базовая модель; б – модификация с увеличенной продолжительностью и дальностью полета; в – V-STAR в полете; г – компоновка БПЛА

– груз в машине располагается в центре тяжести агрегата (внутри цилиндрического отсека, вокруг которого вращаются лопасти подъёмного вентилятора), поэтому загрузка/разгрузка не нарушает центровки аппарата;

– особая конструкция крыльев. Основные крылья – ромбовидная "этажерка", которая обеспечивает устойчивый горизонтальный полет, и в то же время не ограничивает скороподъемность. На законцовках могут раскладываться дополнительные короткие крылья для увеличения грузоподъемности на малой скорости;

– вертикальные взлет/посадка или обычные самолетные взлет/посадка с укороченным пробегом по полосе. В полете – способность быстро переключаться от медленного барражирования к мгновенному броску в сторону цели;

– БПЛА V-STAR имеет очень высокий показатель транспортной результативности, который вычисляется как произведение скорости, дальности полёта и полезной нагрузки, деленное на полный взлётный вес. По этому показателю аппарат опережает многие БПЛА самолетного и вертолетного типов.

В заключение темы аппаратов самолетного типа с вертикальным взлетом и посадкой необходимо упомянуть о существовании еще одного особого вида БПЛА – аппаратах с жестким зонтообразным крылом, основанных на эффекте Коанды. Хотя эти аппараты мало похожи на самолеты, по принципу полета они все же больше всего соответсвуют этой классификационной группе.

Эффект Коанды – физическое явление, названное так, потому что в 1932 году румынский учёный Анри Коанда обнаружил, что поток жидкости или газа стремится отклониться по направлению к стенке тела с криволинейной поверхностью и при определенных условиях прилипает к ней, вместо того, чтобы продолжать движение в начальном направлении. Действие эффекта Коанды проявляется тогда, когда подача слоя воздуха на поверхность производится через узкую щель. Этот тонкий скоростной слой захватывает окружающий воздух. В итоге создается т.н. настилающая струя – полуограниченная струя, которая всегда развивается только вдоль поверхности ограждения. Дальность распространения настилающей струи увеличивается приблизительно в 1,2 раза по сравнению со стеснённой струей (т.е. струей, ограниченной со всех сторон, как в трубе). Таким образом, струя, которая настилается на поверхность, имеет большую дальнобойность при остальных одинаковых условиях, чем струя ненастилающая [27].

Летательный аппарат на эффекте Коанды устроен довольно просто: над зонтообразной поверхностью установлен вентилятор или реактивный двигатель, создающий поток воздуха, выходящий через узкую щель и настилающий криволинейную поверхность. Результаты моделирования скорости потока показаны на рис. 1.18.

Рис. 1.18. Результаты моделирования скорости воздушного потока вдоль зонтообразной поверхности (по материалам исследований Jean-Louis Naudin, 2006)

В последние годы ряд исследователей и фирм провели достаточно удачные эксперименты по реализации эффекта Коанды применительно к построению БПЛА. Так, в Великобритании фирмой AESIR [28] испытан экспериментальный аппарат Embler, демонстрирующий возможности использования эффекта. Аппарат выполнен из углепластикового корпуса. Привод вентилятора – электромотор. Аппарат может находиться в воздухе до 10 мин. Управление направлением движения в этом БПЛА осуществляются с помощью управляемых заслонок в выходной щели вентиляторного канала (управление рысканьем), а также с помощью четырех закрылков у кромки зонтообразной поверхности (управление креном и тангажом).

Рис. 1.19. БПЛА Embler компании AESIR, принцип полета которого основан на эффекте Коанды (Великобритания, 2009)

Компания AESIR объявила также о своих планах построения целой линейки аппаратов на эффекте Коанды [29]. Они отличаются своими размерами и грузоподъемностью. Самый крупный из них, названный Hoder, показан на рис. 1.20. Этот БПЛА имеет 2 вентиляторных движителя, приводимых в движение от двигателей внутреннего сгорания. Угол расположения лопаток вентиляторов сделан регулируемым. В отличие от прототипа, показанного на рис. 1.19, у БПЛА Hoder обтекаемые поверхности сделаны вообще без всяких аэродинамических элементов управления. А управление движением осуществляется путем изменения соотношения параметров вращения и углов лопаток вентиляторов. Собственная масса аппарата 1500 кг, масса полезной нагрузки 500 кг. БПЛА предназначен для выполнения локальных транспортных миссий продолжительностью до 8 ч. Такой аппарат имеет преимущество при использовании по сравнению с обычными вертолетами в городских условиях, лесистой и горной местности, где велика вероятность повреждения несущего винта вертолета. У предлагаемого аппарата небольшие столкновения с препятствиями не могут нарушить его работу.

а

б

Рис. 1.20. Перспективный БПЛА Hoder компании AESIR (Великобритания, 2009): а – общий вид аппарата; б – выставочный образец

1.2.2.2. БПЛА с гибким крылом

Это дешевые и экономичные летательные аппараты аэродинамического типа, в которых в качестве несущего крыла используется не жесткая, а гибкая (мягкая) конструкция, выполненная из ткани, эластичного полимерного материала или упругого композитного материала, обладающего свойством обратимой деформации.

В этом классе БПЛА можно выделить беспилотные моторизованные парапланы, дельтапланы и БПЛА с упруго деформируемым крылом.

Беспилотный моторизованный параплан – аппарат на основе управляемого парашюта-крыла, снабжённый мототележкой с воздушным винтом для автономного разбега и самостоятельного полёта. Крыло обычно имеет форму прямоугольника или эллипса. Крыло может быть мягким, иметь жесткий или надувной каркас. Пример – разработки американской фирмы Atair Aerospace, которая предложила серию беспилотных парапланов под общим названием LEAPP (Long Endurance Autonomous Powered Paraglider) (рис. 1.21). Их основное достоинство – экономичность. Они снабжены двигателями внутреннего сгорания и способны длительное время медленно барражировать над объектом, производя, например, видеосъемку. Для запуска требуется площадка длиной 2-3 м для короткого разбега. Модель Micro LEAPP является компактной модификацией, которую может обслуживать один человек (предусмотрена переноска аппарата в заплечном ранце) [30]. Недостатком беспилотных моторизованных парапланов является трудность управления ими, так как навигационные датчики не имеют жесткой связи с крылом. Ограничение на их применение оказывает также очевидная зависимость от погодных условий.

а

б

Рис. 1.21. Беспилотные мотопарапланы фирмы Atair Aerospace: а – модель LEAPP Type I (взл. масса 1600 кг, длина 2,7 м, длительность полета 48 ч ); б – модель Micro LEAPP ( взлетная масса 34 кг, длина 1 м, длительность полета 4 ч); в – одна из модификаций Micro LEAPP в полете

Беспилотный моторизованный дельтаплан – это аппарат на основе мягкого крыла дельтавидной формы. Такое крыло представляет собой три жесткие направляющие, соединённые между собой в передней точке и образующие в горизонтальной плоскости веер, с углом между трубами 90-140 градусов. Между трубами натянута прочная ткань. Две боковые направляющие и задняя кромка ткани образуют при виде сверху почти треугольник. Крыло крепится на тележку, на которой смонтированы двигатель с винтом (тянущим или толкающим) и аппаратура (рис. 1.22). Управление полётом осуществляется обычно с помощью дополнительных аэродинамических элементов, небольшой деформации крыла или с помощью перемещаемого центра тяжести.

а

б

Рис. 1.22. Беспилотные мотодельтапланы: а – с толкающим винтом; б – с тянущим винтом

Рис. 1.23. Беспилотный мотодельтаплан с собранным крылом (Белоруссия, 2007). Назначение аппарата – видеосъемка для различных задач милиции.

Скорость современных дельтапланов составляет от 25 км/ч до 100-130 км/ч, высота полётов достигает 6 км и более. По сравнению с беспилотными мотопарапланами мотодельтапланы значительно проще и стабильнее в управлении благодаря наличию жестких связей крыла с остальной конструкцией.

Преимущество мотодельтаплана по отношению к другим БПЛА заключается в простоте и надёжности конструкции, дешевизне и компактности в сложенном виде (рис. 1.23), минимальной необходимой длине площадки для взлёта и посадки, бесшумности, отсутствию влияния вибраций от ротора несущего винта на аэродинамические элементы конструкции [31].

Крыло в аппаратах такого типа выполняется из композитного материала с большой степенью упругости. Это позволяет сворачивать крыло без опасения потерять его форму (рис. 1.24, а).

а

б

в

Рис. 1.24. БПЛА Maverick компании Prioria Robotics (США, 2013): а – общий вид; б – пневматическая катапульта; в – вылет БПЛА из катапульты

Оно также хорошо противостоит соударениям с землей и препятствиями. Примером может служить БПЛА Maverick – компактный и очень легкий электрический летательный аппарат, разработанный американской компанией Prioria Robotics [32]. Гибкое упругое крыло позволяет размещать Maverick в небольшом тубусе диаметром 15 см. Кроме того, по заявлению авторов, такое крыло способно частично компенсировать порывы ветра и улучшать стабильность полета. Аппарат оснащен камерой для видео и фото съемки. Запуск БПЛА может производиться как "с руки", так и с помощью специальной пневматической катапульты. После вылета из катапульты аппарат разворачивает крылья (рис. 1.24, б, в). Гибкое крыло не имеет элеронов, поэтому управление осуществляется с помощью небольших аэродинамических рулей в хвостовой части. БПЛА Maverick имеет массу 1,16 кг, радиус действия до 5 км и способен находиться в воздухе от 45 до 90 минут, совершая полет со скоростью от 40 до 100 км/ч.

1.2.2.3. БПЛА вертолетного типа

Этот тип аппаратов известен также как БПЛА с вращающимся крылом (англ.: rotary-wing UAV, rotorcraft UAV, helicopter UAV). Часто их называют также VTOL UAV (Vertical Take-off and Landing UAV) – БПЛА с вертикальным взлетом и посадкой. Последнее не совсем корректно, так как в общем случае вертикальный взлет и посадку могут иметь и БПЛА с неподвижным крылом (например, как в СВВП – за счет реактивного сопла, при взлете и посадке направляемого вертикально вниз).

Подъемная сила у аппаратов этого типа также создается аэродинамически, но не за счет крыльев, а за счет вращающихся лопастей несущего винта (винтов). Крылья либо отсутствуют вовсе, либо играют вспомогательную роль. Очевидными преимуществами БПЛА вертолетного типа являются способность зависания в точке и высокая маневренность, поэтому их часто используют в качестве воздушных роботов.

Существует множество схем построения аппаратов вертолетного типа [33, с. 14-17]. Все рассматриваемые далее схемы построения вертолетов сведены в таблицу 1.3.

Рассмотрим более подробно каждую из схем.

Классическая одновинтовая схема с хвостовым рулевым винтом

Двухвинтовая поперечная схема

Схема с перекрещивающимися несущими винтами

Вертолеты с крылом

Двухвинтовая соосная схема

Двухвинтовая продольная схема

Реактивные вертолеты

Винтокрылы

Автожиры

Конвертопланы

Многовинтовые вертолеты (мультикоптеры)

Одновинтовая схема (англ.: single rotor helicopter). Это летательный аппарат с приводным несущим винтом, который при подъеме аппарата вращается в горизонтальной плоскости. Вертолет движется горизонтально за счёт наклона плоскости вращения винта. Чаще всего используется классическая одновинтовая схема с хвостовым рулевым винтом (рис. 1.25). Реактивный крутящий момент у таких вертолетов уравновешивается рулевым винтом, расположенным на хвостовой балке на некотором расстоянии от оси несущего винта. Создавая тягу в плоскости, перпендикулярной вертикальной оси вертолета, рулевой винт компенсирует реактивный момент. Изменяя тягу рулевого винта, можно управлять вертолетом относительно вертикальной оси. Большинство современных вертолетов выполнено по одновинтовой схеме. Достоинством схемы является простота конструкции и системы управления. К недостаткам следует отнести большие габариты за счет хвостовой балки и потери мощности на привод рулевого винта (до 10% от мощности двигателя), уязвимость и опасность повреждения рулевого винта при полете у земли.

Рис. 1.25. Пример беспилотного вертолета, построенного по одновинтовой схеме с хвостовым рулевым винтом – RQ-8A Fire Scout, разработанный компанией Northrop Grumman (США, 2005)

Существуют, однако, варианты реализации одновинтовой схемы, в которых функцию хвостового винта выполняют другие элементы, например, фенестрон (от фр. fenestron – маленькое окно). Это закрытый рулевой винт вертолёта, устанавливаемый в специальный профилированный канал, встроенный в киль вертолета. Пример – вертолет ЕС 120В франко-германской фирмы Eurocopter (рис. 1.26). В отличие от обычных рулевых винтов с 2 или 4 лопастями, фенестроны обычно имеют более 8 лопастей. Преимущества фенестрона: большая безопасность; большая скорость вращения; меньшие шумность и уровень вибраций; существенно более низкие, по сравнению с обычным рулевым винтом, затраты мощности при горизонтальном полете. Недостатки: большая масса; высокая стоимость и высокие требования к тяге двигателя.

Другой способ обойтись без хвостового рулевого винта – применение т.н. технологии NOTAR (от англ. NO TAil Rotor). Суть технологии поясняется на рис. 1.27, а.

Рис. 1.26. Фенестрон на вертолете ЕС 120В компании Eurocopter (2003)

Рис. 1.27. Система NOTAR: а – принцип действия; б – вертолет MD 520N компании MD Helicopters

В хвостовой части фюзеляжа (у основания хвостовой балки) расположен вентилятор, приводящийся в движение от редуктора несущего винта. Вентилятор создаёт поток воздуха, выходящий через два узких длинных сопла на правой стенке хвостовой балки, заставляя нисходящий поток воздуха от несущего винта, обдувающего балку, отклоняться влево, создавая аэродинамическую силу, направленную вправо (проявление эффекта Коанды). Кроме того, для управления используется реактивное воздушное сопло на конце хвостовой балки и кили. Достоинства системы NOTAR заключаются в повышении безопасности и значительном снижении уровня шума. Вертолёты, оборудованные этой системой, – одни из самых "тихих". Вертолёты, использующие систему NOT AR, производятся компанией MD Helicopters (США).

Двухвинтовая соосная схема (англ.: coaxial rotor helicopter): вертолеты имеют два несущих винта, расположенных на одной оси, с противоположным направлением вращения, за счет чего и компенсируются реактивные моменты (рис. 1.28). Плоскости вращения винтов удалены друг от друга для предотвращения схлестывания лопастей нижнего и верхнего винтов на всех режимах полета. Достоинством схемы являются малые габариты. Недостатки схемы: сложная система трансмиссии и управления, недостаточная путевая устойчивость на авторотации.

Рис. 1.28. Пример беспилотного вертолета, построенного по двухвинтовой соосной схеме – КО АХ Х-240 фирмы Swiss UAV (Швейцария, 2010)

Двухвинтовая поперечная схема (англ.: side-by-side rotor helicopter): вертолеты имеют два несущих винта, установленных по бокам фюзеляжа на консолях крыла или фермах. Реактивные моменты уравновешиваются противоположным направлением вращения винтов, которые могут иметь перекрытие при количестве лопастей менее 4-х. Достоинства схемы: аэродинамическая симметрия схемы; небольшие индуктивные потери на режиме горизонтального полета, что повышает экономичность и дальность полета; относительно высокая грузоподъемность. Недостатки схемы: сложность конструкции системы управления и трансмиссии, необходимость синхронизации вращения винтов, дополнительная масса и лобовое сопротивление фермы, поддерживающей крыло.

В истории мирового вертолетостроения, пожалуй, самым известным вертолетом, построенным по такой схеме, является, советский вертолет Ми-12 разработки ОКБ M.Л. Миля (рис. 1.29). Однако, большой популярностью в пилотируемой авиации эта схема не пользовалась. В беспилотной авиации в последние годы наблюдается рост интереса к двухвинтовой поперечной схеме. Однако она используется, как правило, не в чистом виде, а именно: из соображений простоты конструкции для управления движением используется не автоматы перекоса, а различные другие технические решения (рис. 1.30).

Рис. 1.29. Вертолет, построенный по двухвинтовой поперечной схеме (вертолет Ми-12 1967 года постройки – самый большой в мире вертолет, диаметр несущего винта 35 м, максимальная взлетная масса 105 т)

а

б

в

г

Рис. 1.30. Концепты беспилотных вертолетов, основанные на двухвинтовой поперечной схеме

Например, для управления движением могут использоваться:

– дополнительный небольшой хвостовой винт, вращающийся в горизонтальной плоскости – для управления углом тангажа (рис. 1.28, а);

– управляемые заслонки на выходе импеллеров (рис. 1.30, а);

– повороты (на небольшой угол) вокруг своей оси балок с укрепленными на их концах роторами (рис. 1.30, б, в, г);

– небольшие отклонения балок с роторами в вертикальной плоскости относительно точек их крепления (рис. 1.30, г);

– изменение соотношения частот вращения винтов и др.

Очень часто в беспилотных вертолетах, построенных по двухвинтовой поперечной схеме, используют не открытые винты, а винты, защищенные кольцевым кожухом (англ.: ducted fan), или импеллеры (рис. 1.30, а, в). Это увеличивает эффективность винтов и делает более безопасными полеты в условиях возможных столкновений с препятствиями.

Легкие БПЛА, построенные по данной схеме, часто называют бикоптерами (англ.: bicopter, twincopter, dualcopter). Их можно классифицировать также как подкласс мультикоптеров (см. далее – табл. 1.3).

Двухвинтовая продольная схема (англ.: tandem rotor helicopter). У таких вертолетов реактивный момент компенсируется за счет противоположного направления вращения винтов, которые расположены один за другим вдоль фюзеляжа (рис. 1.31). Несущие винты располагаются с перекрытием, причем задний винт имеет превышение, чтобы уменьшить вредное влияние на него потока от переднего винта. Достоинство схемы – большой объем грузовой кабины. Недостатками являются сложная система трансмиссии, необходимость синхронизации вращения несущих винтов, большие индуктивные потери при горизонтальном полете и переменные нагрузки на несущих винтах, а также сложная посадка при авторотации.

Рис. 1.31. Пример беспилотного вертолета, построенного по двухвинтовой продольной схеме – DP-6 Whisper компании Dragonfly Pictures (США, 2007). Назначение: разведка, ретрансляция ТВ-сигнала. Длина 3,35 м. Диаметр ротора 3,2 м. Максимальная взлетная масса 215 кг, масса полезной нагрузки 34 кг. Скорость 185 км/ч. Продолжительность полета 5,5 ч. Двигатель: ДВС, 97 л.с.

Схема с перекрещивающимися несущими винтами (синхроптер) (англ.: intermeshing rotor helicopter). У таких вертолетов несущие винты расположены по бокам фюзеляжа, а их оси наклонены наружу (рис. 1.32). Из-за наклона винтов реактивные моменты уравновешиваются только относительно вертикальной оси, а их проекции относительно поперечной оси складываются, образуя момент тангажа, что необходимо учитывать при расчете продольной устойчивости. Достоинством схемы являются малые габариты вертолета, а недостатками – необходимость синхронизации вращения винтов, сложная система трансмиссии, большой уровень вибраций, возникновение продольного момента, усложняющего балансировку вертолета. Вертолет хорошо приспособлен для вертикального подъема грузов.

Рис. 1.32. Синхроптер К-МАХ фирмы Kaman Aerospace (США). Беспилотная версия разрабатывается совместно с фирмой Lockheed Martin. Способен перевозить грузы массой до 2,7 тонны на расстояние до 500 километров. Максимальная скорость до 185 км/ч. В 2011 г. использовался в Афганистане в беспилотном режиме для доставки боеприпасов.

Реактивный вертолет (англ.: tip jet helicopter). У таких вертолетов механический привод несущего винта заменен реактивным. Суммарный крутящий момент на втулке несущего винта близок к нулю, так как момент несущего винта от сил сопротивления воздуха уравновешивается моментом, создаваемым тягой реактивных двигателей или сопел, установленных на концах лопастей (рис. 1.33).

Рис. 1.33. Экспериментальный реактивный мини-вертолет с пульсирующими реактивными двигателями, установленными на концах лопастей (СССР, 1947 год)

При этом отпадает необходимость в мощном рулевом винте. Реактивный привод несущего винта может осуществляться, например, установкой на концах лопастей реактивных двигателей различного типа, топливо к которым подается через втулку и лопасти винта. Достоинствами вертолетов с реактивным приводом являются простая система трансмиссии и высокая весовая отдача. К недостаткам следует отнести сложную конструкцию втулки и лопасти несущего винта, трудность создания специальных двигателей, работающих в поле центробежных сил, большой расход топлива, а также шум от прямоточных и пульсирующих воздушно-реактивных двигателей.

Пример беспилотного вертолета такой схемы – аппарат ORCA швейцарской фирмы Swiss Unmanned Systems (рис. 1.34). У этого вертолета реактивный двигатель мощностью 215 л.с. установлен сверху. От него горячий воздух (700 °С) подается через полые лопасти к соплам, расположенным на окончаниях этих лопастей. Максимальная взлетная масса вертолета 350 кг, масса полезной нагрузки 120 кг. Потолок составляет 375 м. Длительность полета 2,5 ч.

Вертолеты с крылом. Рост скорости вертолета ограничен срывом потока с отступающей лопасти несущего винта. Для увеличения скорости полета необходимо разгрузить несущий винт. Это может осуществляться постановкой крыла на вертолет. Типичные примеры приведены на рис. 1.35.

Рис. 1.34. Реактивный беспилотный вертолет ORCA фирмы Swiss Unmanned Systems (Швейцария, 2011)

Рис. 1.35. Вертолеты с крылом

Винтокрылы. Для увеличения скорости полета у этих аппаратов используют крылья и дополнительные тянущие двигатели. Подъемная сила на режиме вертикального полета создается несущим винтом, а на режиме горизонтального полета – крылом с дополнительными тянущим (или толкающим) винтом. В англоязычных источниках этот класс аппаратов встречается под самыми разными названиями: gyrodyne, compound helicopter, compound gyroplane, heliplane [34].

Несущих винтов у винтокрыла может быть два (как у вертолета Ка-22, рис. 1.36) или один (как у вертолета Eurocopter ХЗ, рис. 1.37). Возможны также варианты с несущими винтами, выполненными по сосной схеме, как у винтокрыла Sikorsky S-97 Raider (рис. 1.38).

Рис. 1.36. Винтокрыл Ка-22 (СССР, 1960)

Рис. 1.37. Винтокрыл Eurocopter ХЗ. Выпускается с 2010 г. компанией Eurocopter (Франция-Германия). Максимальная крейсерская скорость 430 км/ч

Винтокрыл, обладая несущим винтом, может производить вертикальный взлёт и посадку, как вертолёт. В полёте наличие крыла и дополнительных движителей, как у самолёта, позволяет ему развивать достаточно большую скорость по сравнению с аналогичным вертолётом, что является основным преимуществом. В горизонтальном полёте несущий винт винтокрыла работает в режиме авторотации (или очень близким к нему), как у автожира. Недостатком является сложность конструкции.

Рис. 1.38. Sikorksy S-97 Raider – перспективный скоростной многоцелевой винтокрыл (США). Летные испытания планируются на 2014 г. Разрабатывается в пилотируемой и беспилотной версиях. Максимальная крейсерская скорость 490 км/ч

Гибридные винтокрылые аппараты – автожиры и конвертопланы. Кроме рассмотренных классов аппаратов самолетного и вертолетного типа существуют их гибридные разновидности, такие как автожиры и конвертопланы, которые имеют некоторые признаки как вертолетов, так и самолетов.

Автожир (другие названия: гирокоптер, гироплан, ротаплан, англоязычные: autogiro, gyrocopter, gyroplane, rotoplane) – схема, подобная самолёту, у которого в качестве крыла (или в дополнение к нему) установлен свободно вращающийся винт (рис. 1.39) [35].

Как и вертолёту, автожиру несущий винт необходим для создания подъёмной силы, однако создание подъемной силы основным винтом автожира основано на другом принципе. Он создает виртуальную дисковую поверхность, при набегании на которую встречного потока воздуха и создаётся подъёмная сила. Здесь существенно, что в полёте этот винт наклонён назад, против потока – подобно фиксированному крылу с положительным углом атаки (вертолёт, наоборот, наклоняет винт в сторону движения, т.к. создаёт приводным несущим винтом и подъёмную, и горизонтальную пропульсивную силы одновременно). Кроме несущего ротора, автожир обладает ещё и тянущим (рис. 1.39, а) или толкающим (рис. 1.39, б) маршевым винтом (пропеллером), как и у обычного самолёта. Этот маршевый винт и сообщает автожиру горизонтальную скорость [36-38 ].

а

б

Рис. 1.39. Автожиры: а – Cierva С19 (Великобритания, 1929); б – современный легкий автожир

Автожиры отличаются от винтокрылов, которые имеют подключаемый привод несущего винта от двигателя, позволяющий им использовать как режим авторотации, так и режим вертолётного полёта. На больших скоростях их роторная система действует сходным с автожиром образом (в режиме авторотации), обеспечивая только подъёмную силу, но не тягу. Можно сказать, что винтокрылы занимают промежуточное положение, сочетая в себе качества автожиров и вертолётов [35].

Большинство автожиров не могут взлетать вертикально, но им требуется гораздо более короткий разбег для взлёта (10-50 м, с системой предраскрутки ротора), чем самолётам. Почти все автожиры способны к посадке без пробега или с пробегом всего несколько метров. По маневренности они находятся между самолётами и вертолётами, несколько уступая вертолётам и абсолютно превосходя самолёты. Автожиры превосходят самолёты и вертолёты по безопасности полёта. Самолёту опасна потеря скорости, поскольку он сваливается при этом в штопор. Автожир при потере скорости начинает снижаться. При отказе мотора автожир не падает, вместо этого он снижается (планирует), используя эффект авторотации (несущий винт вертолёта при отказе двигателя также переводится в режим авторотации, но на это теряется несколько секунд и падают обороты ротора, важные при вынужденной посадке). При посадке автожиру не требуется посадочная полоса.

Скорость автожира сравнима со скоростью лёгкого вертолёта и несколько уступает лёгкому самолёту. По расходу топлива они уступают самолётам, техническая себестоимость лётного часа автожира в несколько раз меньше, чем у вертолёта, благодаря отсутствию сложной трансмиссии. Типичные автожиры летают со скоростью до 180 км/ч), а расход топлива составляет 15 л на 100 км при скорости 120 км/ч. Другими преимуществами автожиров являются гораздо меньшая, чем в вертолётах, вибрация, а также способность летать при значительном (до 20 м/с) ветре.

В настоящее время автожиры производятся и в беспилотном исполнении фирмами разных стран. Назначение их самое разнообразное. Так, российская компания "Рустехресурс" (г. Воронеж) разработала беспилотный автожир "Химик" для сельскохозяйственных работ – опыления посадок химикатами (рис. 1.40) [39].

Рис. 1.40. Беспилотный автожир "Химик" (Россия, 2012)

Конвертоплан (англ.: convertiplane, heliplane) – летательный аппарат с поворотными винтами, которые на взлёте и при посадке работают как подъёмные, а в горизонтальном полёте – как тянущие (при этом в полете подъёмная сила обеспечивается крылом самолётного типа). Таким образом, этот аппарат ведет себя как вертолет при взлете и посадке, но как самолет в горизонтальном полете. Большие винты конвертоплана помогают ему при вертикальном взлете, однако в горизонтальном полете они становятся менее эффективными по сравнению с винтами меньшего диаметра традиционного самолета [40].

В некоторых конструкциях используют не открытые винты, а импеллеры. Импеллер обладает очень высокой скоростью отбрасываемого воздушного потока, что позволяет обойтись очень маленькими крыльями, обеспечивая высокую компактность конвертоплана.

Среди конвертопланов можно выделить три принципиально различающихся подкласса: аппараты с поворотными винтами (Tiltrotor), с поворотным крылом (Tiltwing) и со свободным крылом (Freewing).

В конвертопланах с поворотными роторами обычно поворотными являются не сами винты, а гондолы с винтами и двигателями. Крылья (обычно небольшой площади) при этом остаются неподвижными. На рис. 1.41 приведен пример беспилотного конвертоплана типа Tiltrotor.

Рис. 1.41. Беспилотный конвертоплан Smart с поворотными винтами – Tiltrotor (Южная Корея, 2011)

Пример конвертоплана с поворотными роторами, в конструкции которого применены импеллеры, – американский аппарат Х-22А разработки компании Bell (рис. 1.42).

Рис. 1.42. Конвертоплан Bell Х22А с поворотными импеллерами (США, 1967)

Этот аппарат, разработанный еще в 1967 г., мог совершать как вертикальные взлеты/посадки, так и обычные (укороченные). Традиционный фюзеляж имел расположенные в задней части короткие крылья, на передней кромке каждого из которых размещались импеллеры. Управляющие поверхности элеронов находились в турбулентном потоке воздуха от трехлопастного винта диаметром 2,13 м. Силовая установка – четыре турбовальных газотурбинных двигателя, расположенных попарно на заднем крыле и работающих на общую трансмиссию.

Конвертопланы с поворотными импеллерами в пилотируемой авиации сейчас применяются редко (видимо, по экономическим причинам). В беспилотной же авиации у этой схемы, видимо, есть определенные перспективы. Пример – разрабатываемый в США с 2008 г. компанией American Dynamics проект беспилотного конвертоплана с поворотными импеллерами AD-150 (рис. 1.43) [41].

В конвертопланах с поворотным крылом поворачивается всё крыло вместе с установленными на нем двигателями и винтами. Достоинством такой схемы является то, что при вертикальном взлёте крылья не закрывают воздушный поток от винтов (увеличивая тем самым эффективность работы винтов). На рис. 1.44 приведены примеры конвертопланов типа Tiltwing.

Рис. 1.43. Беспилотный конвертоплан AD-150 компании American Dynamics с поворотными импеллерами (США, 2008)

а

б

Рис. 1.44. Конвертопланы с поворотным крылом – Tiltwing: а – экспериментальный конвертоплан Vertol VZ-2 (США, 1957); б – современный беспилотный четырехмоторный Tiltwing на вертикальном взлете – БПЛА компании GH Craft (Япония, 2008)

Беспилотные конвертопланы с четырьмя поворотными роторами, подобные тому, что показан на рис 1.42, а также конвертопланы с поворотным крылом, построенные по схеме, показанной на рис 1.44 б, часто рассматривают как особые подклассы мультикоптеров (точнее – квадрокоптеров) – соответственно QTR UAV (Quad Tilt Rotor UAV) и QTW UAV (Quad Tilt Wing UAV).

В конвертопланах со свободным крылом (Freewing) в зависимости от фазы полета отклоняются винты, создавая вертикальную или горизонтальную тягу, а крылья свободно вращаются вокруг оси, перпендикулярной фюзеляжу.

Под напором воздуха, создаваемого винтами, крылья принимают вертикальное, горизонтальное или какое-либо промежуточное положение. Аппараты такой конструкции отличаются стабильностью полета [42]. На рис. 1.45 показан пример беспилотника типа Freewing.

а

б

Рис. 1.45. Конвертоплан со свободным крылом – Freewing (БПЛА Spirit фирмы Flight Technologies, США): а – взлет/посадка, б – горизонтальный полет

Многовинтовые вертолеты (мулътикоптеры). К этой группе относятся вертолеты, имеющие больше двух несущих винтов. Реактивные моменты уравновешиваются за счет вращения несущих винтов попарно в разные стороны или наклона вектора тяги каждого винта в нужном направлении (рис. 1.46). Беспилотные мультикоптеры, как правило, относятся к классам мини- и микро-БПЛА [65].

Существует некоторая неопределенность относительно того, являются ли мультикоптерами аппараты с двумя симметричными несущими винтами – бикоптеры. В некоторых источниках их считают подклассом мультикоптеров. По мнению авторов этой книги, лучше относить такие аппараты к уже рассмотренным вертолетам с поперечной схемой расположения винтов. Безусловно к мультикоптерам относятся аппараты, имеющие три несущих винта и более. Соответственно трехроторные мультикоптеры называют трикоптерами, четырехроторные – квадрокоптерами, шестироторные – гексакоптерами, восьмироторные – октокоптерами.

QuadCopters:

TriCopter

+Copter

XCopter

Y4Copter

HexaCopter

H6Copter

Y6Copter

OctoCopter

Butte rflyCopter

TwinQuadCopter

Трикоптер – самая простая схема построения мультикоптеров. Обычно трикоптер движется двумя винтами вперед, а третий является хвостовым. Первые два винта имеют противоположные направления вращения и взаимно компенсируют реактивные закручивающие моменты, у хвостового же винта пары нет, поэтому для компенсации его реактивного момента ось вращения этого винта немного наклоняют в сторону, противоположную направлению закручивания. Это делают с помощью специального сервопривода и тяги (рис. 1.47), которые используются для стабилизации или управления положением аппарата по курсу.

Рис. 1.47. Трикоптер и сервопривод отклонения его хвостового ротора

Однако существуют производные от трикоптера схемы построения, в которых отсутствуют механически подвижные части, и корпуса всех двигателей жестко зафиксированы на своих местах. Причем один (в У4-коптере) или все три двигателя (в Y6- коптере, рис. 1.48) имеют симметричные им относительно горизонтальной плоскости двигатели с толкающими винтами, направленными вниз. Управление курсовым углом и направлением перемещения осуществляется за счет изменения соотношения частот вращения винтов.

Рис. 1.48. У6-коптер

Квадрокоптер (quadcopter, quadrotor) – самая распространенная схема построения мультикоптеров. Наличие четырех жестко зафиксированных роторов дает возможность организовать довольно простую схему организации движения. Существуют две таких схемы движения: схема "+" и схема "х" (рис. 1.46). В первом случае один из роторов является передним, противоположный ему – задним, и два ротора являются боковыми. В схеме"х" передними являются одновременно два ротора, два других являются задними, а смещения в боковом направлении также реализуются одновременно парой соответствующих роторов. Алгоритм управления частотами вращения винтов для схемы "+" несколько проще и понятнее, чем для схемы "х", однако последняя используется все же чаще из-за конструктивных преимуществ: при такой схеме проще разместить фюзеляж, который может иметь вытянутую форму, бортовая видеокамера имеет более свободный обзор. То, каким образом квадрокоптер совершает элементарные маневры, понятно из рис. 1.49. Иллюстрация приведена для случая схемы "+".

Из рисунка видно, что одна пара винтов вращается по часовой стрелке, другая – против. Если частоты вращения пар одинаковы, то аппарат неподвижен относительно вертикальной оси. Если увеличить частоту вращения для одной пары на Af а для другой – уменьшить на ту же величину Af (чтобы сохранить общий вертикальный вектор тяги неизменным), то будет реализован поворот влево или вправо вокруг вертикальной оси. При одновременном одинаковом изменении частот вращения всех винтов будет осуществляться подъем или снижение квадрокоптера. Для движения в каком-либо направлении (вперед, назад, влево, вправо) двигатель, соответствующий направлению желаемого смещения, должен уменьшить частоту вращения на Af противополжный ему – увеличить на Af а два других – оставить без изменения.

Рис. 1.49. Принцип движения квадрокоптера (схема "+")

Рис. 1.50. Состав оборудования квадрокоптера

Типичный состав оборудования квадрокоптера показан на рис. 1.50. Для аппаратов с другим количеством роторов он аналогичен.

Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой в самом полетном контроллере от встроенных микросистемных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления двигателями, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (т.н. ESC – Engine Speed Control). Назначение модулей ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электродвигателей. Типичный источник питания для бортсети мультикоптеров – это батарея литий-полимерных аккумуляторов. Потребляемые токи – от единиц до сотен ампер в зависимости от размеров аппарата.

Основное назначение мультикоптеров – это фото- и видеосъемка различных объектов, поэтому они, как правило, оснащаются управляемыми подвесами для камер (рис. 1.51).

Рис. 1.51. Квадрокоптер (схема "+") с видеокамерой

Компоновка оборудования на мультикоптере может быть самой различной. Модуль GPS обычно стараются выносить отдельно как можно дальше от сильноточных цепей. Для защиты пропеллеров часто предусматривают специальные охватывающие ограждения (рис. 1.52).

Для увеличения подъемной силы и повышения живучести аппарата часто объединяют на одной балке тянущий и толкающий винты с соответствующими двигателями (рис. 1.53).

Рис. 1.52. Квадрокоптер с защитой пропеллеров (вверху – GPS-модуль)

Рис. 1.53. Квадрокоптер (схема "х") с совмещенными тянущими и толкающими винтами

Гексакоптеры и октокоптеры, имеющие соответственно по 6 и 8 роторов (рис. 1.54 – 1.55), обладают гораздо большей грузоподъемностью по сравнению с квадрокоптерами. Они также способны сохранять устойчивый полет при выходе из строя одного ротора. Такие аппараты отличаются также гораздо меньшим уровнем вибраций, что особенно важно для видеосъемки.

Рис. 1.54. Гексакоптер

Рис. 1.55. Октокоптер

1.2.2.4. БПЛА с машущим крылом

БПЛА с машущим крылом (flapping-wing UAV) основаны на бионическом принципе – копировании движений, создаваемых в полете летающими живыми объектами – птицами и насекомыми.

Хотя в этом классе БПЛА пока нет серийно выпускаемых аппаратов и практического применения они пока не имеют, во всем мире проводятся интенсивные исследования в этой области. В последние годы появилось большое количество разных интересных концептов малых БПЛА с машущим крылом.

Главные преимущества, которые имеют птицы и летающие насекомые перед существующими типами летательных аппаратов – это их энергоэффективность и маневренность. Если разработчикам "машущих" БПЛА удастся по показателям энергоэффективности и маневренности приблизиться к тому, что уже имеется в живой природе, то тогда их усилия будут не напрасными, и можно ожидать, что этот класс аппаратов начнет находить свое применение.

Аппараты, основанные на имитации движений птиц, получили название орнитоптеров (англ.: omithopter), а аппараты, в которых копируются движения летающих насекомых – энтомоптерами (англ.: entomopter) [43].

При создании БПЛА, имитирующих движения птиц, много внимания уделяется механическому приводу крыльев. Механические передачи должны обеспечивать необходимый набор движений и при этом быть простыми и легкими. Кроме махов вверх/вниз с нужной частотой, система управления движением в подходящие по внешним условиям моменты должна реализовывать режим парения, для того, чтобы аппарат мог максимально эффективно использовать набегающие и восходящие потоки воздуха.

Показательным примером в этой области является БПЛА SmartBird германской фирмой Festo, которая известна своими разработками в области бионики. Созданный ей аппарат внешне действительно очень похож на птицу (рис. 1.56). Он выполнен по образу и подобию реальной птицы – серебристой чайки, но несколько крупнее ее по габаритам. Аппарат способен не только собственно летать, но и совершать самостоятельные взлет и приземление. Крылья SmartBird движутся не только вверх и вниз, но также и поворачиваются вокруг собственной оси, что обеспечивает движениям максимальную точность.

БПЛА SmartBird имеет длину 1 м, размах крыльев 2 м, массу 450 г. Питание осуществляется от литий-полимерной двухэлементной аккумуляторной батареи (7,4 В). Потребляемая мощность в режиме выполнения маховых движений всего 23 Вт, в режиме парения еще меньше – 18 Вт.

Аппараты, подобные описанному, в скором времени вполне смогут найти свое место на рынке БПЛА. Военные ведомства различных стран уже оценили очевидные достоинства этих аппаратов при выполнении разведывательных и диверсионных операций.

Рис. 1.56. Орнитоптер SmartBird компании Festo (Германия, 2011): а – создатели аппарата; б – вид сзади; в – демо-макет механических передач; г – различные фазы полета

БПЛА, имитирующие движения летающих насекомых, условно можно подразделить на имитаторы четырехкрылых и имитаторы двукрылых насекомых. Четырехкрылые (стрекозы, бабочки) совершают более сложные движения, чем двукрылые, и возможностей управления полетом у них гораздо больше. На рис. 1.57 показан пример четырехкрылого энтомоптера, разработанного компанией Festo.

Рис. 1.57. Эитомоитер Вionicopter компании Festo (Германия, 2013)

Длина корпуса аппарата составляет 44 см, размах крыльев 63 см. Крылья выполнены из углеродного волокна и полиэфирной плёнки. Показатель частоты взмахов крылом относительно невысокий – 15-20 Гц. Масса аппарата составляет всего 175 г.

Управление полётом робота осуществляется со смартфона. BionicOpter имеет встроенный ARM-микроконтроллер, обеспечивающий стабилизацию полёта. Аппарат оснащен одним основным электродвигателем и восемью сервоприводами. На борту имеется набор сенсоров для предотвращения столкновений с препятствиями. Схема питается от двухсекционного литийполимерного аккумулятора 7,4 В.

Конструкция BionicOpter обеспечивает этому аппарату множество возможностей маневрирования. Каждое крыло, кроме маховых движений, может совершать вращательные движения вокруг своей оси и угловые перемещения в горизонтальной плоскости. Кроме того, хвостовая часть может изгибаться, меняя положение центра тяжести. Благодаря таким возможностям управления, аппарат может, например, мгновенно зависать на месте и перемещаться в горизонтальной плоскости в любую сторону, не изменяя при этом угла тангажа.

Разработки БПЛА, имитирующие двукрылых насекомых, развиваются, в основном, в направлении микроминиатюризации аппаратов. Здесь все достижения, видимо, еще впереди. Развитие технологий новых сверхлегких материалов, источников питания, наноэлектроники и интеллектуального управления в ближайшие годы позволят создать микроминиатюрные насекомоподобные БПЛА, приближающиеся к живым существам и по выполняемым функциям, и по размеру. Появятся (уже появляются) новые концепции управления коллективами микророботов, перед которыми можно будет ставить цели, ранее не достижимые, т.к. эти формации воздушных микророботов будут обладать большими возможностями в силу таких их качеств, как коллективная живучесть, способность многовариантного решения задач, незаметность перемещений, способность к массированным и непрерывным миссиям и т.д.

Пример разработки миниатюрного двукрылого энтомоптера показан на рис. 1.58. Это микро-БПЛА Mobee (Monolithic Bee), разработанный Лабораторией микроробототехники Гарвардского университета (США). Его особенность в том, что он изготовлен по интегральной многослойной технологии. В основе – тонкая углепластиковая пластина, в которой лазером сделаны все необходимые вырезы, затем нанесено еще множество металлических и неметаллических слоев, формирующих необходимые электронные и микроэлектромеханические устройства, включая сенсоры, радиотехнические устройства и актуаторы крыльев [44].

Рис. 1.58. Энтомоптер Mobee – разработка Harvard Microrobotics Lab (США, 2011)

1.2.2.5. БПЛА аэростатического типа

БПЛА аэростатического типа (blimps) – это особый класс БПЛА, в котором подъемная сила создается преимущественно за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием). Этот класс представлен, в основном, беспилотными дирижаблями.

Дирижабль (от фр. dirigeable – управляемый) – Л А легче воздуха, представляющий собой комбинацию аэростата с движителем (обычно это винт (пропеллер, импеллер) с электрическим двигателем или ДВС) и системы управления ориентацией.

По конструкции дирижабли подразделяются на три основных типа: мягкий, полужёсткий и жёсткий [45].

В дирижаблях мягкого и полужёсткого типа оболочка для несущего газа мягкая, которая приобретает требуемую форму только после закачки в неё несущего газа под определённым давлением. В дирижаблях мягкого типа неизменяемость внешней формы достигается избыточным давлением несущего газа, постоянно поддерживаемым баллонетами – мягкими ёмкостями, расположенными внутри оболочки, в которые нагнетается воздух (рис. 1.59). Баллонеты, кроме того, служат для регулирования подъемной силы и управления углом тангажа (дифференцированная откачка/закачка воздуха в баллонеты приводит к изменению центра тяжести аппарата).

Дирижабли полужёсткого типа отличаются наличием в нижней части оболочки жесткой (в большинстве случаев на всю длину оболочки) фермы. В жёстких дирижаблях неизменяемость внешней формы обеспечивается жестким каркасом, обтянутым тканью, а газ находится внутри жёсткого каркаса в баллонах из газонепроницаемой материи. Жесткие дирижабли в беспилотном исполнении пока практически не применяются.

Рис. 1.59. Система баллонетов

Хорошим примером современного мягкого дирижабля является Skyship 600, разработанный в 1984 г. британской компанией Airship Industries (рис. 1.60). Skyship 600 изготовлен из кевлара и композитных материалов. Большинство построенных дирижаблей Skyship 600 были использованы в рекламных целях [46]. Он может использоваться как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах. В состав оснащения входят бортовые видеокамеры, которые позволяют производить круглосуточный мониторинг территорий. На летних Олимпийских играх 2004 года дирижабль Skyship 600 применялся для видеонаблюдения.

Дирижабль Skyship 600 имеет, как и большинство дирижаблей, традиционную сигарообразную форму. Его основные параметры: длина: 66 м, высота: 22 м; объем оболочки: 7600 м 3 ; крейсерская скорость: 64 км / ч; потолок: 2100 м; дальность полета 644 км; двигатели: 2 х Porsche 930 мощностью по 255 л.с. Положением воздушного корабля можно управлять с помощью баллонетов, поворотных элементов хвостового оперения, а также с помощью двух отклоняемых импеллеров.

Малые мягкие беспилотные дирижабли выпускает множество фирм во всем мире. Они предназначены для управляемых полетов как внутри помещений (таких как выставочные залы, стадионы и т.д.), так и на открытом воздухе.

а

б

в

Рис. 1.60. Дирижабль Skyship 600, разработанный в 1984 г. британской компанией Airship Industries: а – у причальной мачты; б – в полете; в – отклоняемые импеллеры

На рис. 1.61 показан дешевый беспилотный дирижабль фирмы Minizepp (Швейцария). Емкости аккумулятора хватает этому аппарату на 10 часов полета. Его длина составляет 5 м. Дальность полета 300 км, предельная высота 3000 м, максимальная скорость 65 км/ч.

Наиболее типичные применения современных беспилотных дирижаблей – это реклама и видеонаблюдение. Однако в последние годы их все чаще заказывают телекоммуникационные компании для использования в качестве ретрансляторов сигналов. Существуют также проекты постройки дирижаблей очень большой грузоподъемности – 200-500 тонн [47].

Рис. 1.61. Дирижабль фирмы Minizepp (Швейцария, 2012)

Привлекают внимание новые концепты дирижаблей, имеющие, как правило, нетрадиционные форму оболочки и способ движения. Так, в России успешно испытаны дирижабли, имеющие не сигарообразную, а дисковидную форму. Беспилотные дирижабли линзообразной формы планирует выпускать ОАО "Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики" при поддержке "Рособоронэкспорта" и "Ростехнологий". Они будут иметь от 22 до 200 м в диаметре и смогут переносить до нескольких сотен тонн груза. Пока созданы лишь демонстрационные масштабные модели таких дирижаблей. Пример – успешно испытанная модель ДП-27 "Анюта" (рис. 1.62). Дисковидная форма этого аппарата обеспечивает устойчивость к боковому ветру, простоту управления и высокую маневренность этого многоцелевого беспилотного дирижабля. Диаметр корпуса судна – 17 м с объёмом оболочки – 522 куб. м, грузоподъёмность – 200 кг, максимальная высота подъёма достигает 800 м. С помощью 4 двигателей по 25 л.с. аппарат развивает скорость до 80 км/ч, бензобак объемом 40 л позволяет демонстратору осуществлять полёт на дистанцию 300 км. Данный образец предназначен для проверки конструкционных решений и систем управления, которые впоследствии будут применены на полномасштабном опытном дирижабле [48].

Рис. 1.62. Экспериментальный дирижабль "Анюта" Долгопрудненского конструкторского бюро автоматики (Россия, 2011)

В другой разработке российских дирижаблестроителей (компания "Локомоскай" в сотрудничестве с ульяновским ЗАО "Авиастар-СП" [47]) основной особенностью является то, что помимо объемов гелия в аппарате присутствует полость, заполняемая подогреваемым воздухом (идея, предложенная К.Э. Циолковским в 90-х гг. XIX века). Благодаря такой конструкции, позволяющей контролировать подъемную силу, аппарат сможет совершать не только вертикальный взлет, но и зависать в одной точке или садиться на любую ровную площадку – в отличие от классических дирижаблей, которым необходимы специальные мачты для причаливания. Для передвижения аппарата используются электродвигатели (рис. 1.63). Кроме этого, по краям дирижабля планируется расположить небольшие крылья, которые тоже будут создавать некоторую подъемную силу. Дискообразная форма позволяет обеспечить устойчивость под напором ветра (до 20 м/с) при зависании аппарата над определенной точкой. По расчетам, AТЛА (аэростатический термобалластируемый летательный аппарат) "Локомоскайнер" будет способен развивать скорость до 110 километров в час, а максимальная дальность его полета составит 3000 км.

Рис. 1.63. Демонстрационная модель "Локомоскайнера" (Россия, 2010)

Интересны гибридные концепты, в которых объединяются, как правило, аэростатическая и аэродинамическая подъемные силы. Обычные дирижабли иногда обозначают в англоязычных источниках как LTA (Lighter Than Air – легче воздуха). Гибридные аппараты несколько тяжелее воздуха, поэтому обозначаются как НТА (Heavier Than Air). Обычно они представляют собой гибрид дирижабля и самолета. Пример – аппарат Dynalifter DL-100 американской фирмы Ohio Airships (рис. 1.64). Для взлета и посадки аппарату нужна ВПП, однако это окупается очевидными достоинствами по сравнению с обычными дирижаблями: простота взлета и посадки без необходимости иметь специальные персонал и приспособления, устойчивость к ветровым нагрузкам, в том числе при нахождении на земле. В то же время сохраняется, как у всех дирижаблей, способность летать на очень низких скоростях при малых энергетических затратах [49].

Рис. 1.64. Гибридный аппарат Dynalifter DL-100 (США, 2012): а – взлет; б – распределение подъемной силы

В России несколько лет назад был разработан гибрид дирижабля, самолета, вертолета, а также судна на воздушной подушке (СВП) (рис. 1.65). Этот уникальный проект Сибирского научно- исследовательского института авиации (СибНИИА) и ОАО "Тюменьэкотранс" был назван "БАРС" (Безаэродромный с Аэростатической Разгрузкой Самолет) [50]. Создателям БАРСа удалось в этом аппарате исключить недостатки дирижабля, самолета, вертолета и СВП, но сохранив их положительные качества. Так, например, были исключены такие недостатки: у дирижабля – парусность, необходимость иметь сложную систему обслуживания; у самолета – необходимость иметь аэродром; у вертолета – небольшую дальность и дороговизну перевозок. Применение же элементов СВП и несущего винта вертолета позволило обеспечить безаэродромность базирования и эксплуатацию с любой ровной поверхности (воды, болота, снега, грунта). Сохранение элементов самолета (несущие поверхности) и дирижабля (подъемный газ) позволило получить большую грузоподъемность, дальность и высокую экономичность перевозок. Грузоподъемность аппарата может достигать 500 тонн, крейсерская скорость – до 300 км/ч, а дальность полета составляет 3350-4500 км.

Рис. 1.65. Макет гибридного аппарата БАРС (Россия, 2012)

Среди серийно производимых беспилотных гибридов на базе дирижаблей стоит выделить интересную разработку итальянской фирмы Nimbus, которая представляет собой своеобразную комбинацию дирижабля и дельтаплана [51] (рис. 1.66). Очевидные достоинства аппарата: легкость, экономичность, способность летать на низких скоростях, бесшумность, простота транспортировки, низкая стоимость (в т.ч. обслуживания). Недостаток – невозможность работы при сильном ветре.

Рис. 1.66. Гибрид дирижабля и дельтаплана компании Nimbus (Италия, 2013)

Одним из самых успешных проектов в области разработки гибридных аппаратов, использующих одновременно аэростатический и аэродинамический принципы создания подъемной силы, является аппарат Р-791 американской компании Lockheed Martin [52] (рис. 1.67). Он разрабатывается как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах. Первый полёт прототипа этого воздушного судна состоялся в январе 2006 г. Для взлёта аппарату необходима взлётная полоса. В дирижабле Р-791 решена проблема надёжной посадки дирижабля – для этой цели используются 4 воздушные подушки-присоски. Аппарат обладает большой грузоподъёмностью – в новых моделях дирижаблей заложена возможность перемещения грузов массой до 1000 тонн (проект "Морж" (Walrus)).

Рис. 1.67. Гибридный аппарат компании Lockheed Martin (США, 2010)

1.2.3.1. Классификация UVS International

Кроме принципа полета, для классификации БПЛА может быть использовано большое количество объективных критериев: взлетная масса, дальность, высота и продолжительность полета, размеры аппарата и т.д. [53].

Международной ассоциацией по беспилотным системам AUVSI (Association for Unmanned Vehicle Systems International, до 2004 она называлась Европейской ассоциацией по беспилотным системам – EURO UVS) была предложена универсальная классификация БПЛА, которая объединяет многие из названных критериев [9, 11, 54, 55]. В табл. 1.4 показана эта классификация с приведением англоязычных эквивалентов категорий и аббревиатур.

Приведенная классификация распространяется как на уже существующие, так и на перспективные разрабатываемые БПЛА. В основном эта классификация сложилась к 2000 г., но с тех пор много раз пересматривалась. Ее и сейчас нельзя считать устоявшейся. Кроме того, многие особые типы аппаратов с нестандартными комбинациями параметров трудно отнести к какому-либо определенному классу. В некоторых версиях этой классификации специфичные для военного применения классы UCAV, Lethal и Decoys выделяют в отдельную группу БПЛА. Есть также тенденция, в связи с быстрорастущим числом гражданских применений БПЛА, вообще не подразделять БПЛА на стратегические и тактические.

На рис. 1.68 показаны примеры БПЛА, относящихся к категориям Мини и Микро. В примерах указаны страна и фирма-производитель и модель аппарата. В этих категориях встречаются аппараты с самыми различными принципами полета: самолетного, вертолетного типов, с гибким и машущим крылом, аэростатические. В категории Мини особую подгруппу составляют БПЛА аэростатического типа (Mini – Lighter-than-Air), т.к. формально их масса обычно не превышает 150 кг, но по объему они резко выделяются среди остальных. Категория Нано-БПЛА появилась в последние годы в связи с успехами создания сверхлегких (‹ 25 г) аппаратов (в т.ч. насекомоподобных – энтомоптеров).

Рис. 1.68. Примеры БПЛА, относящихся к категориям Мини и Микро (источник иллюстрации: [55])

БПЛА категорий Close Range и Short Range очень многочисленны (рис. 1.69). Типичные применения – разведка и корректировка огня артиллерии, постановка радиопомех Для самолетных аппаратов этой категории обычным способом запуска является запуск с катапульты.

Категория БПЛА MR (Medium Range) представлена аппаратами самолетного, вертолетного типов или их гибридами (рис. 1.70).. В добавление к задачам мониторинга, на них часто возлагают задачи ретрансляции радиосигналов для обеспечения связью наземных и воздушных объектов в радиусе порядка 200 км.

Рис. 1.69. Примеры БПЛА, относящихся к категориям Close Range и Short Range (источник иллюстрации: [55])

Рис. 1.70. Примеры БПЛА, относящихся к категории Medium Range (источник иллюстрации: [55])

От аппаратов предыдущей группы их отличает более мощная силовая установка, улучшенные аэродинамические характеристики и более сложная система управления.

В категории MRE (рис. 1.71) уже редко встречаются аппараты вертолетного типа, – она представлена в основном беспилотными самолетами. Их особенностью, как правило, являются особые аэродинамические параметры конструкции, способствующие экономичности полета.

Рис. 1.71. Примеры БПЛА, относящихся к категории MRE (источник иллюстрации: [55])

Отличительной особенностью категории БПЛА LADP (рис. 1.72) является высокая скорость аппаратов, предназначенных для быстрого проникновения в глубь территории противника. Основными функциями являются разведка и целеуказание. В качестве силовых установок используются реактивные двигатели.

Рис. 1.72. Примеры БПЛА, относящихся к категории LADP (источник иллюстрации: [55])

Аппараты группы LALE (рис. 1.73) предназначены для длительных полетов с целью разведки, видеосъемки, метеорологических и экологических наблюдений. Скорость полета составляет порядка 100-150 км/ч. Они отличаются небольшой массой и экономичной силовой установкой.

Рис. 1.73. Примеры БПЛА, относящихся к категории LALE (источник иллюстрации: [55])

БПЛА из категории MALE (рис. 1.74) занимают промежуточное положение между тактическими и стратегическим БПЛА. Обычно это многоцелевые аппараты. Кроме обычных функций разведки, наблюдения, наведения на цель, радиоретрансляторов, они могут нести на борту оружие (как правило, в виде высокоточных ракет), выполнять транспортные задачи (сброс или принятие груза в установленном месте).

БПЛА класса HALE (рис. 1.75) предназначены для выполнения стратегических задач. Наиболее известным в этой категории является американский аппарат Global Hawk. Как правило, в таких БПЛА совмещают разведывательные и ударные функции. Все фазы полета (включая взлет и посадку на ВПП) они могут выполнять в автоматическом режиме. Аппараты HALE невоенного назначения выполняют функции наблюдения, фотосъемки, ретрансляции сигналов и мониторинга атмосферы. Для обеспечения большой длительности полетов и экономичности аппарата энергетическую установку часто реализуют в виде электрической системы на основе электродвигателей, аккумуляторов и солнечных батарей.

Кроме HALE к стратегическим также относят БПЛА класса UCAV (Unmanned Combat Aerial Vehicle) (рис. 1.76). В России БПЛА этого класса называют беспилотными боевыми самолетами (ББС). ББС – это ударно-разведывательный БПЛА, который представляет собой беспилотный разведчик, способный одновременно вести разведку, поиск целей и их поражение.

Рис. 1.74. Примеры БПЛА, относящихся к категории MALE (источник иллюстрации: [55])

Рис. 1.75. Примеры БПЛА, относящихся к категории HALE (источник иллюстрации: [55])

Для этого аппарат несет высокоточное ударное вооружение. Характерными примерами таких машин являются американские аппараты Predator MQ-1B и Reaper MQ-9. ББС – это уже реальная боевая единица. Фактически он представляет собой беспилотный истребитель или штурмовик. Не случайно такие летательные аппараты предлагали делать на основе серийных пилотируемых самолетов, в частности, истребителей Lockheed Martin F-16 или штурмовиков Fairchild А-10. В настоящее время в России и за рубежом ведутся работы по целому ряду проектов ББС и их демонстрационных прототипов [56]. Так в России начаты работы по созданию ББС, базой для которого послужит новый истребитель пятого поколения ПАК-ФА Т-50 [57].

Современные ББС, кроме ракетного вооружения, отличаются наличием сложных радионавигационных систем, радиолокаторов (обычно на базе АФАР – активных фазированных антенных решёток), высокоэффективных средств наблюдения и передачи данных. Технология "стелс", которая используется в пилотипруемых истребителях новых поколений и обеспечивает незаметность самолета для радаров противника, в ББС также используется, но в очень ограниченных объемах. Их живучесть обеспечивается более простыми методами – малыми размерами, соответствующей компоновкой, низким уровнем шума и камуфляжной окраской. Многие модели ББС предназначены для палубного базирования.

Рис. 1.76. Примеры БПЛА, относящихся к категории UCAV (источник иллюстрации: [55])

Узкоспециализированные категории Lethal и Decoys относятся исключительно к военным применениям. Иногда их не включают в классификацию, размещая модели аппаратов по вышеописанным категориям в соответствии с их взлетной массой и полетными параметрами.

БПЛА класса Lethal совмещают в себе функции разведывательного БПЛА и самонаводящейся бомбы или ракеты. При необходимости аппарат направляется на выбранный объект и уничтожает его. Существуют специальные модификации для разных целей: противотанковые, противорадарные, противокорабельные и др. Запуск таких аппаратов может производиться как с земли, так и с борта морского или воздушного судна (обычно с помощью катапульты или реактивного ускорителя).

БПЛА категории Decoys представляют собой летающие мишени, предназначенные для дезориентации наступательных средств противника, выполнения отвлекающих маневров с целью оценки реакции противника, а также для тренинга своего личного состава и испытаний авиатехники, ракет и радиоэлектронных средств.

Категории стратосферных (Strato) и сверхстратосферных (Exo Strato) аппаратов пока относятся не к производимым, а разрабатываемым аппаратам [58, 59]. Их назначением является длительное (в т.ч. непрерывное) наблюдение за поверхностью земли и состоянием атмосферы, ретрансляция сигналов. В некоторых областях применения такие БПЛА, видимо, будут способны составить конкуренцию орбитальным космическим аппаратам, а в некоторых проектах предполагается их совместное использование.

Количество существующих в мире разработок БПЛА весьма неравномерно распределено по указанным категориям. По данным [60] оно выглядит следующим образом (рис. 1.77).

Как видно из диаграммы, лидером по количеству разработок является категория Mini. Это вполне объяснимо, т.к. бурный прогресс в этом классе аппаратов обусловлен совпадением сразу нескольких благоприятных факторов. Во-первых, это относительная простота их эксплуатации и доступность (в том числе по стоимости) для большого числа конечных потребителей. Во- вторых, эти аппараты подходят для выполнения самых разнообразных задач, причем не только в военной области, но и в гражданских, и именно спрос на аппараты гражданского применения в основном стимулировал их разработки в последние годы. И в третьих, в последнее десятилетие созрели все необходимые условия для разработок и начала производства именно таких аппаратов – относительно небольших по массе и габаритам, но способных выполнять довольно серьезные задачи. К числу таких созревших предпосылок можно отнести: достижения в области микросистемной техники (в частности, появление гироскопов и акселерометров в микроминиатюрном исполнении), широкое внедрение систем глобального позиционирования (таких как GPS), появление других необходимых элементов для комплектования мини-БПЛА: эффективных видеокамер, бесколлекторных электродвигателей и соответствующих драйверов, энергоемких литий-полимерных аккумуляторов и др.

Рис. 1.77. Распределение разработок БПЛА по категориям

1.2.3.2. Российская универсальная классификация

Российская классификация отличается от предложенной UVS International по ряду параметров – некоторые классы зарубежной классификации отсутствуют в РФ, лёгкие БПЛА в России имеют значительно большую дальность и т. д. Согласно российской классификации, которая ориентирована преимущественно пока только на военное назначение аппаратов [61], БПЛА можно систематизировать следующим образом:

Микро- и мини-БПЛА ближнего радиуса действия – взлётная масса до 5 кг, дальность действия до 25-40 км;

Лёгкие БПЛА малого радиуса действия – взлётная масса 5- 50 кг, дальность действия 10-70 км;

Лёгкие БПЛА среднего радиуса действия – взлётная масса 50-100 кг, дальность действия 70-150 (250) км;

Средние БПЛА – взлётная масса 100-300 кг, дальность действия 150-1000 км;

Средне-тяжёлые БПЛА – взлётная масса 300-500 кг, дальность действия 70-300 км;

Тяжёлые БПЛА среднего радиуса действия – взлётная масса более 500 кг, дальность действия 70-300 км;

Тяжёлые БПЛА большой продолжительности полёта – взлётная масса более 1500 кг, дальность действия около 1500 км;

Беспилотные боевые самолёты – взлётная масса более 500 кг, дальностью около 1500 км.

1.2.3.3. Опционально пилотируемые ЛА и адаптированные пилотируемые ЛА

В документах AUVSI [55, 62] упоминаются термины ОРА (Optionally Piloted Aircraft) и CM A (Converted Manned Aircraft). Они не относятся к вышеприведенной классификации, а просто указывают на морфологические особенности разработки: первый из терминов обозначает опционально пилотируемый ЛА (т.е. разработанный специально с таким расчетом, что может пилотироваться как летчиком, так и дистанционно), а второй – адаптированный ЛА (т.е. ранее созданный пилотируемый Л А, преобразованный в беспилотный). В эти группы Л А попадают достаточно тяжелые аппараты самолетного, вертолетного типа, а также некоторые модели аппаратов с мягким крылом и аэростатические. Примеры приведены на рис. 1.78.

Рис. 1.78. Примеры опционально пилотируемых БПЛА (источник иллюстрации: [55])