Применение беспилотника самолетного типа с вертикальным взлетом
автор: Горбунов Александр
Дата публикации: 22, 3, 2020
В последние годы наблюдалось принципиальное разделение рынка беспилотников на летательные аппараты самолетного и мультироторного типов. У каждой группы беспилотных воздушных судов есть как свои явные преимущества, так и неизбежные недостатки, а кроме того и особенности эксплуатации и ограничения в применении. Новым компромиссным решением стало появление целого класса БПЛА самолетного типа с вертикальным взлетом и посадкой.
1. Самолетная аэродинамическая схема
Классический вариант беспилотника. Есть несущая поверхность крыла, есть фюзеляж, хвостовое оперение, управляющие поверхности, двигатель (ДВС или электрический), воздушный винт (тянущий или толкающий). Модификаций множество, но принцип полета один и тот же для всех: двигатель раскручивает воздушный винт, тот создает тягу, которая разгоняет аппарат в воздухе, скорость обеспечивает подъемную силу на крыле (благодаря аэродинамическому профилю). Пока мотор работает – подъемная сила поддерживается на необходимом для полета уровне. Двигатель остановился – скорость снижается, подъемная сила падает и самолет либо теряет высоту, чтобы сохранить скорость (планирует), либо теряет скорость и срывается в штопор. В классическом самолетном крыле для увеличения подъемной силы может быть задействованы закрылки (на взлете и посадке), но на беспилотниках в основном они отсутствуют.
ПРЕИМУЩЕСТВА:
- Большая продолжительность полета. Относительно низкий расход топлива или электроэнергии аккумулятора на обеспечение вращения воздушного винта и поддержание скорости полета. Профиль крыла создает необходимую подъемную силу.
- Низкий уровень шума. Особенно для моделей с электрическим двигателем. Может обеспечить незаметность беспилотника на относительно небольших высотах.
- Низкий уровень вибрации. Для моделей с электрическим двигателем. Качество изображения с камер полезной нагрузки выше.
- Высокая скорость полета. Позволяет преодолевать большие расстояния и наблюдать протяженные или удаленные объекты.
НЕДОСТАТКИ:
- Взлет требует полосы или катапульты для начального разгона беспилотника. Чем больше взлетная масса аппарата, тем более высокую скорость он должен развить на старте прежде, чем сможет перейти к нормальному выполнению полета.
- Большая площадь открытого пространства для взлета. Для разгона и набора высоты требуется много свободного места без деревьев, строений и пр.
- Посадка на полосу или с парашютом. Очень осложняет эксплуатацию беспилотника. Необходимость во взлётно-посадочной полосе сильно ограничивает зону возможного применения, а вариант с посадкой с парашютом часто приводит к выходу из строя элементов конструкции и оборудования в результате жесткого приземления или столкновения с препятствиями.
- Невозможность зависнуть над интересующим объектом для детального рассмотрения. Съемку и мониторинг приходится проводить на крейсерской скорости БПЛА.
2. Мультироторный вариант летательного аппарата
Более поздняя модификация, пришедшая на смену вертолетному типу летательных аппаратов, которые так и не получили популярности в беспилотной промышленности в связи с высоким уровнем технической сложности как в обслуживании, так и в контроле управления полетом.
Большое разнообразие мультироторных схем беспилотников определяется в первую очередь количеством и расположением электрических двигателей и лопастей, создающих тягу и управление полетом. Так наиболее популярными моделями являются квадрокоптеры, гексакоптеры и октокоптеры. Притом, последние могут быть еще и с соосным расположением моторов 4+4 для обеспечения более высокой тяги.
В отличие от самолетного типа летательного аппарата единственным источником подъемной силы коптера является тяга воздушного винта, раскручиваемого электрическим двигателем. Поэтому для нахождения аппарата в воздухе непрерывно расходуется электроэнергия аккумуляторной батареи на борту. Управление в полете происходит так же за счет изменения скорости вращения роторов. Крен и тангаж определяются изменениями тяги лопастей на противоположных лучах, а направление по курсу корректируется разницей крутящих моментов двигателей, создавая общий крутящий момент в одну или другую сторону.
При разряде батареи и потере необходимой тяги для поддержания полета – мультироторный летательный аппарат неизбежно теряет высоту и переходит в неуправляемое падение. Никакой возможности совершить планирование и мягкую посадку в этом случае у него нет. То же самое происходит и при отказе двигателя или разрыве лопасти в воздухе.
ПРЕИМУЩЕСТВА:
- Минимальная необходимая площадь для взлета и посадки летательного аппарата. Быстрый набор высоты над точкой старта. Любая траектория захода и снижения.
- Большая грузоподъемность при небольших габаритах.
- Отсутствие перегрузки на взлете и посадке. Больше возможностей для применения различных видов полезной нагрузки.
- Компактность. Складные конструкции.
- Простота в ремонте. Быстрая замена деталей.
НЕДОСТАТКИ:
- Невысокая продолжительность полета. Редкие модели достигают 60 минут полетного времени.
- Низкая скорость. Тяжелее преодолевают большие расстояния, особенно в ветреную погоду.
- Высокий уровень шума. Большие аппараты заметны даже на высотах от 150 метров.
- Неизбежное падение в случае отказа двигателя или разряда батареи.
3.Самолет с вертикальным взлетом и посадкой
Наиболее удачной гибридной аэродинамической схемой на сегодня можно назвать VTOL – самолет с вертикальным взлетом и посадкой (vertical take-off and landing). Беспилотник является полноценным самолетом с возможностью вертикального полета в режиме квадрокоптера.
Рассмотрим один из вариантов компоновки. Две хвостовые балки размещают на себе 4 мотора для вертикального взлета и посадки по схеме квадрокоптера. Фюзеляж имеет маршевый двигатель с толкающим винтом для горизонтального полета в самолетном режиме. Крыло состоит из двух консолей, имеет два элерона в качестве управляющих поверхностей. Хвостовое оперение V-образное. Данная модель беспилотника самолетного типа с вертикальным взлетом сочетает в себе все преимущества обеих аэродинамических схем ( самолетной и мультироторной) и исключает рассмотренные выше недостатки каждой из них. Таким образом, использование такого летательного аппарата значительно расширяет круг задач, с которыми он может эффективно справляться и снижает требования к условиям эксплуатации и необходимости использования дополнительного оборудования. Мы предлагаем готовые к полету беспилотники Aspasia 2.
Технические характеристики беспилотника Aspasia 2
- Продолжительность полета: до 120 минут.
- Радиус действия: 15 км.
- Размах крыла: 250 см.
- Максимальный взлетный вес: 12 кг.
- Емкость аккумулятора: 35 000 mAh.
- Диапазон температуры эксплуатации: -20 / + 40 °C.
- Сменные комплекты полезной нагрузки: Да.
- Автопилот, полет в автоматическом режиме: Да.
- Разборная модульная конструкция : Да.
- Транспортировочный авиационный кейс: Да.
- Габариты кейса (длина, ширина, высота): 126/46/44 см.
- Масса комплекта: 31 кг.
- Производитель: Конструкторское бюро Горбунова А.А. (KbGo)