ВЕРТОЛЁТ 2000 04

Достойный конкурент

В последние годы при выполнении задач, требующих применения авиационной техники, все чаще используют беспилотные летательные аппараты (БПЛА). Речь идет, в основном, о тех случаях, когда полет проходит в зонах повышенной опасности и связан с риском для экипажа.

Рис. 1. Массовые и эргономоческие параметры рассматриваемых самолетов и вертолетов

Кроме того, БПЛА могут освобождать экипажи летательных аппаратов от некоторых видов вредной и монотонной работы (обработка химикатами сельскохозяйственных угодий, продолжительное патрулирование территорий и т.д.), зачастую приводящей к происшествиям вследствие снижения внимания пилотов. Особый интерес представляет класс БПЛА массой около 40 кг. Этот типоразмер летательных аппаратов не требует больших затрат при создании носителя, а уровень развития современной электроники позволяет обеспечить аппараты необходимым оборудованием для полностью автоматизированного полета. В табл.1 и на рис.1 представлены опубликованные в печати характеристики БПЛА двух типов: самолет и вертолет.

Отличительной особенностью беспилотных самолетов взлетной массой более 10 кг является то, что взлет и посадку они осуществляют с привлечением вспомогательных систем: стартовых катапульт, ускорителей, улавливающих сетей или парашютов и т.п. Такие БПЛА должны иметь высокий запас прочности для обеспечения их многоразового использования. В свою очередь, это приводит к снижению весовой эффективности конструкции БПЛА типа «самолет», практически уравнивая данный показатель с вертолетным (рис. 2). Под весовой эффективностью понимается отношение массы полезной нагрузки к полной массе беспилотного аппарата.

Основной особенностью беспилотных вертолетов является способность вертикально взлетать и приземляться на практически неподготовленные площадки, а также возможность зависать во время полета. Из диаграммы на рис. 3 видно, что главным условием применения вертолетов является полет со скоростью менее 50 км/ч, включая режим висения.

Характеристики БПЛА, заявленные в публикациях, свидетельствуют, что редкие вертолеты рассматриваемого типоразмера проектируются для полетов более чем на 10 км, а большинство их используется для полетов вблизи места старта. Однако БПЛА небольших размеров вместе со стартовым комплексом и системой управления легко транспортируются к месту выполнения работ небольшим грузовым автомобилем, что в некоторых случаях облегчает решение проблемы малого радиуса действия вертолета.

Следует отметить, что концепция получения информации с носителя при помощи систем, интегрированных с пусковым комплексом, уже не может считаться передовой. В настоящее время представляет интерес другое решение, согласно которому запускаемый в некоторой точке Земли БПЛА на время полета становится частью стратегической системы, включающей в себя в конкретный момент времени комплекс всех «наблюдательных» средств в регионе. В таких системах беспилотные летательные аппараты будут выполнять функции либо наблюдения и передачи к ближайшему ретранслятору полученной информации, либо только ее ретрансляции. Запущенный БПЛА после достижения крейсерских режимов полета переходит из-под управления стартового комплекса под управление командного пункта, который может находиться практически в любом месте планеты. В этом случае нельзя заранее отдать предпочтение какому-то одному типу БПЛА: самолету, вертолету и др. Можно говорить об оптимизации применения в каждом конкретном случае определенного типа летательного аппарата с максимальным использованием его преимуществ при минимальном проявлении его недостатков.

Масса бортового комплекса, а также потребные дальность и скорость полета определяют конструктивные параметры и типоразмер БПЛА. По месту расположения управляющего модуля эти системы могут быть разделены на две группы: системы управления с управляющим модулем вне летательного аппарата и системы управления с управляющим модулем на борту БПЛА.

Для первой группы возможны следующие «сценарии» управления. Первый – когда полет носителя проходит в области визуального контакта с оператором, осуществляющим пилотирование. Носитель оборудован системой приема сигналов управления и исполнительными механизмами.

Второй предполагает полет носителя без визуального контакта. Пилотирование осуществляется управляющим модулем, расположенным вне носителя. Для восполнения недостающей информации о положении аппарата используются внешние или бортовые системы, определяющие необходимые для управления данные.

Вторая группа систем управления предусматривает полет носителя на любое удаление вплоть до максимального радиуса действия БПЛА. Пилотирование носителем осуществляется бортовым вычислительным комплексом. Постановка целевой задачи выполняется в форме замкнутого или незамкнутого полетного задания. Полетное задание закладывается в память БПЛА перед взлетом. В систему управления аппаратом входят датчики состояния и положения, вычислительный комплекс и исполнительные устройства. Возможно также и наличие системы связи для обмена данными с оператором.

Анализируя типы бортовых комплексов, можно сделать вывод, что БПЛА предназначены либо для полетов с малыми скоростями вблизи оператора, либо для полета вне визуального контакта с относительно большими скоростями и радиусами действия. Таким образом, проектирование малоразмерных беспилотных вертолетов должно производиться с оптимизацией летных характеристик как минимум для двух диапазонов скоростей (до и после 50-60 км/ч). Проектирование вертолета, предназначенного для полета с высокими горизонтальными скоростями, надо производить вместе с оценкой эффективности применения в таких случаях и самолетов, так как их показатели в рассматриваемом случае могут оказаться более приемлемыми. К числу определяющих факторов, кроме скорости полета, следует отнести и ограничения по габаритам, накладываемые требованиями эксплуатации.

Рис 2. Показатели энерговооруженности и весовой эффективности рассматриваемыъ самолетов и вертолетов

Рис 3. Возможные скорости горизонтального полета рассматриваемых БПЛА

Рис 4. Зависимость энерговооруженности от нагрузки на площадь 1c и окружной скорости концов лопастей

Наибольшее прикладное значение имеет проектирование вертолета для полета на малых скоростях. Проектировочными параметрами, влияющими на эффективноетъ несущем системы и скорость попета, являются окружная скорость концов лопастей, нагрузка на площадь, ометаемую лопастями несущего винта (НВ), и энерговооруженность аппарата, определяемая отношением мощности двигателя на режиме висения к весу аппарата.

Окружная скорость лопастей напрямую связана с частотой вращения винта и, следовательно, передаточным числом главного редуктора, определяющим его массу. При большой частоте вращения НВ получаются более легкие главный редуктор и винт, но и более высокие динамические нагрузки на элементы системы управления. При выборе меньшей частоты вращения НВ получается тяжелый и дорогой главный редуктор и более тяжелый, но более эффективный несущий винт.

На потребную мощность силовой установки вертолета влияют принятая удельная нагрузка на винт, необходимая максимальная горизонтальная скорость полета, наибольшая скороподъемность. Зачастую избыток мощности, необходимый для достижения неоправданно высоких летных характеристик, приводит к выбору более мощного и, следовательно, более тяжелого двигателя. Эго ведет к снижению массы полезной нагрузки и перерасходу топлива.

Проанализировав характеристики приведенных выше беспилотных вертолетов, можно увидеть, что основным назначением рассматриваемого типоразмера является выполнение работ на малых скоростях полета при удалении от места старта не более чем на 1000 м. В этих условиях переразмеренные двигатели с большим запасом мощности уместны лишь для аппаратов, нуждающихся в высокой маневренности.

На рис.4 представлены графики потребных значений энерговооруженностей на режиме висения вертолетов у земли. Сюда же нанесены значения располагаемых энерговооруженностей вертолетов из табл. 1. Относительное положение точек, соответствующих параметрам рассматриваемых вертолетов, показывает, что вертолеты 2, 3 имеют достаточный избыток энерговооруженности для обеспечения хороших летных характеристик и высокой маневренности. Эти аппараты имеют более высокую вертикальную скороподъемность и обладают необходимым избытком мощности для достижения высоких горизонтальных скоростей.

Опыт разработки беспилотных вертолетов в настоящее время обширен. Сегодня создано гораздо больше БПЛА различных типов, чем рассмотрено нами в этой статье. В табл. 2 приведены данные наиболее известных беспилотных вертолетов.

Исследования по созданию БПЛА ведутся в большинстве развитых стран. Вместе с тем недоверие и недооценка возможностей беспилотных аппаратов тоже существует. На это есть причины. Одной из них является конкуренция с пилотируемыми аппаратами, которые имеют проработанную технологическую и юридическую базу эксплуатации, действующую инфраструктуру хранения и ремонта. В результате стоимость работ, выполняемых пилотируемыми аппаратами, может быть ниже, чем уровень затрат, потребный для организации работ БПЛА. Поэтому в настоящее время БПЛА используют только в случаях чрезвычайной опасности для экипажа либо когда выполнить задание другим способом невозможно.

Имеет место конкуренция и с беспилотными аппаратами космического базирования. Большая продолжительность полета аппарата с относительно невысокими энергетическими затратами для поддержания орбиты, возможность наблюдения за интересующим участком земной поверхности или ретрансляции полученной информации без нарушения воздушного пространства других государств делает эти аппараты во многих случаях предпочтительнее атмосферных БПЛА. Однако использование космических беспилотных аппаратов обходится чрезвычайно дорого. Получение информации при наблюдении с орбиты зачастую затруднено атмосферными условиями и другими помехами. Часто возникает необходимость в наблюдении территории или объектов, находящихся вне траектории пролета или висения спутника. При этом, если эффект от необходимого наблюдения не окупает затрат на перемещение спутника или изменение его орбиты, возникает необходимость в применении более дешевых средств наблюдения, которыми могут быть атмосферные беспилотные летательные аппараты.

Следующей причиной, тормозящей использование БПЛА, является скептическое отношение к возможности управлять летательным аппаратом на расстоянии и к возможности автономных систем решать возникающие незапланированные задачи. Вследствие этого существует целый ряд запретов и ограничений на использование беспилотных аппаратов в мирное время. Таким образом, можно сказать, что до тех пор, пока не будет разработана относительно дешевая и надежная система управления летающим беспилотным роботом, широкого распространения атмосферные беспилотные аппараты не получат.

Существенной причиной, вызывающей предубеждения по отношению к беспилотным аппаратам, является малый срок их эксплуатации и, как следствие, низкая экономическая эффективность. Малый срок эксплуатации БПЛА определяется большой вероятностью повреждения при посадке из- за высокой степени влияния негативных факторов (порывы ветра, погрешности в срабатывании парашютных систем и т.п.). Главным образом это относится к беспилотным самолетам рассматриваемого типоразмера, осуществляющим посадку в сеть, либо на парашюте, либо на примитивные шасси. На режиме приземления вертолеты выгодно отличаются от самолетов. Однако для меньшей зависимости от случайных атмосферных условий они должны иметь достаточный запас энерговооруженности, что не всегда осуществимо из-за ограничений по габаритам и массе.

В настоящий момент беспилотные вертолеты выполняют главным образом при помощи различной аппаратуры функции «наблюдателя», ретранслятора радиосигналов, используются на сельскохозяйственных работах при опылении полей химикатами.

В заключение отметим, что, несмотря на медленные темпы внедрения беспилотных вертолетов в практику летной эксплуатации, с развитием и удешевлением портативных бортовых систем управления этот тип БПЛА имеет все шансы достойно конкурировать как с беспилотными самолетами, так и с пилотируемыми летательными аппаратами различных типов.

Олег КОМАРНИЦКИЙ, инженер МГТУ (МАИ)

ЭКСПЛУАТАЦИЯ