Беспилотные ударные самолеты: перспективы развития

ГБОУ СПО «Пермский авиационный техникум им. А.Д. Швецова»

Студент: Вахитов Эльфат Фанисович
25 марта 1997 года (17 лет)
ПАТ им. А.Д. Швецова
Адрес: г. Пермь ул. Рабочая, д. 23-кв. 404
Тел. 8 (342) 902-64-58-770
E-mail: vahitovef@yandex.ru
Руководитель: Смагина Галина Олеговна
Место работы: ПАТ им. А.Д. Швецова

Пермь, 2014
Оглавление
1. ВВЕДЕНИЕ
1.1 Историческая справка
2. РАЗВИТИЕ И УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ СИЛОВОЙ УСТАНОВКИ
2.1 Развитие силовой установки на примере БПЛА MQ-1 PREDATOR
3. РАЗВИТИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ
4. РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ БЛА
4.1. Перспективное развитие в сфере интеллектуального управления БЛА
4.2. Постановка проблемы интеллектуального управления БЛА
5. ЗАКЛЮЧЕНИЕ
6. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Введение
В предлагаемом Вашему вниманию реферате рассматриваются перспективы ударных беспилотных и дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов с аэродинамическими принципами создания подъемной силы в режиме свободного крейсерского полета, которые подпадают под современную формулировку терминов “беспилотный летательный аппарат” и “дистанционно-пилотируемый летательный аппарат”.
С самого начала применения аэропланов и воздушных судов в боевых действиях и, в особенности при выполнении ударных операций, стал вопрос о сохранности в условиях реального противодействия противника экипажей, пилотирующих боевые самолеты.
Одним из возможных способов решения проблемы стало создание беспилотных ударных летательных аппаратов, которые оснащались автономными программными средствами управления в полете или управлялись дистанционно по радио и имели автоматические сис-темы стабилизации.
Согласно определению беспилотный летательный аппарат (БЛА) - летательный аппарат без экипажа на его борту, предназначенный для управляемых и неуправляемых полетов. По назначению БЛА могут быть научно-исследовательскими, народно-хозяйственными, спортивными и военными. Управление БЛА осуществляется с помощью бортовых программных устройств или дистанционно по специальным каналам связи. В последнем случае БЛА называется "дистанционно-пилотируемым летательным аппаратом".
К дистанционно пилотируемым летательным аппаратам (ДПЛА) относятся летательные аппараты, управляемые человеком, находящимся на пункте управления. По назначению ДПЛА подразделяются на разведывательные, ударные, истребительные, радиоэлектронного противодействия, ретрансляционные и др.
Классификационно БЛА и ДПЛА различаются размерами (взлетной массой), местом (носителем) и способом старта; могут быть одно- или многоразовыми по кратности применения.
В реферате рассматриваются несколько видов развития БЛА – это развитие силовой установки, развитие аэродинамической схемы и развитие интеллектуального управления БЛА. Конечно же развитие идет и по другим направлениям, но они не слишком заметны. А вот над развитием силовой установки конструктора и ученные работают тщательно, пытаясь улучшить характеристики силовых установок, поэтому пока это направление остается перспективным для развития. Также в моем видении перспективным направлением остается развитие аэродинамики, и многие страны экспериментируют, пробуя в практике новые аэродинамические схемы, например такие как «интегральное летающее крыло» и другие. Ну и самым перспективным направлением развития БЛА остается применение искусственного интеллекта. Все данные виды развития будут рассмотрены в реферате.

1.1 Историческая справка
Беспилотные летательные аппараты появились в связи с необходимостью эффективного решения военных задач — тактической разведки, доставки к месту назначения боевого оружия (бомб, торпед и др.), управления боевыми действиями и пр.
Работы по созданию беспилотных летательных аппаратов начались в начале XX века практически сразу после появления первых серийных пилотируемых аэропланов (самолетов). Считается, что первый в мире радиоуправляемый беспилотный самолет конструкции Г. Кертисса (G.Curtiss) совершил свой первый полет в 1916 году в США.
 

12 сентября 1916 года состоялись испытания первого радиоуправляемого самолета-снаряда “Хевит-Сперри”. В 1917 году была испытана “воздушная торпеда” - летательный аппарат конструкции одного из пионеров авиации - О.Райта ( O.Wright) был оснащен аппаратурой фирм “Сперри гироскоп” (Sperry Giroscop) и “Дженерал моторс” (General Motors).

2. Развитие и усовершенствование силовой установки
2.1 Развитие силовой установки на примере БПЛА MQ-1 PREDATOR:

Тактико-технические характеристики: БПЛА MQ-1 PREDATOR
Размах крыла 14,84 м
Длина самолета 8,23 м
Высота 2,21 м
Масса взлетная 1020 кг
Силовая установка 1 × ПД Rotax 914 UL
Мощность 105 л.с.
Максимальная скорость 217 км/ч
Крейсерская скорость 110-130 км/ч
Дальность полета 740 км
Практический по-толок 7820 м

Разведывательный БПЛА MQ-1 Predator («Хищник») предназначен для ведения разведки и наблюдения за полем боя в течение длительного времени. Первый полет БПЛА совершил в начале июля 2005 г.
В следствии глубокой модернизации MQ-1: был установлен новый двигатель, увеличены размах крыла и полезная нагрузка, что позволило превратить разведчик в ударный БЛА: БПЛА MQ-1C Grey Eagle - американский разведывательный и ударный беспилотный летательный аппарат производства General Atomics.

Тактико-технические характеристики: БПЛА MQ-1C Grey Eagle
Длина: 8 м
Размах крыльев: 17 м
Высота: 2.1 м
Максимальная взлётная масса: 1450
Силовая установка: 1 × Thielert Centurion 1,7 (1 × 165 л.с.)
Максимальная скорость: 250 км/ч
Продолжительность полета: 30 часов
Практический потолок: 8850 м
Вооружение
Узлы подвески: 4
Ракеты: 4 × AGM-114 Hellfire, 8 × AIM-92 Stinger
Бомбы: 4 × GBU-44 / B Viper Strike
Радар: AN/ZPY-1 Starlite

После модернизации силовой установки MQ-1 «Predator», был создан БПЛА MQ-1C Grey Eagle, если посмотреть ТТК характеристики этих аппаратов, то, можно убедится, что после развития силовой установки ТТК улучшились, что доказывает перспективность развития силовых установок БЛА.

3. Развитие аэродинамической схемы
Под руководством Министерства ВМС США фирмы «Боинг» и «Нортроп-Грумман» на конкурсной основе был разработан прототипа боевого БПЛА корабельного базирования, впоследствии получившего обозначение Х-47А Pegasus:

Тактико-технические характеристики: БПЛА X-47A Pegasus
Длина 5,95 м
Размах крыла 5,94 м
Высота 1,86 м
Масса пустого 1740 кг
Максимальная взлётная масса 2678 кг
Двигатель 1×Pratt & Whitney JT15D-5C турбовентиляторный, 1447 кг (14,2 кН)
Максимальная скорость «высокая дозвуковая»
Крейсерская скорость «высокая дозвуковая»
Дальность 2778+ км
Практический потолок 12192+ м
Тяговооружённость 0,65
Вооружение:
X-47A Отсутствует
X-47B 2×JDAM (905 кг каждая)

БПЛА X-47A Pegasus: выполнен по схеме «интегральное летающее крыло» умеренной обратной стреловидности с саблевидными законцовками. Обратная стреловидность крыла позволяет получить распределенную нагрузку, близкую к эллиптической и уменьшить массу конструкции крыла. Кроме того, улучшаются срывные характеристики ЛА.
Я думаю, что будущее за аэродинамической схемой «интегральное летающее крыло», т.к. у такой схемы есть некоторые преимущества, это:
• Соотношение минимального сопротивления и максимального устойчивого подъема.
• Преимущества низкого паразитного сопротивления.
Есть также наличие других преимуществ данного типа «интегральное летающее крыло», которые пока в полной мере не оценены, но которые могут действительно способствовать заметному улучшению эффективности и сферы использования:
 устранение интерференции реактивной поверхности хвостового оперения;
 возможность устранения взаимодействия скачка уплотнения с пограничным слоем поверхности хвостового оперения крыла.
Вполне очевидно, что беспилотник с аэродинамической схемой "интегрированное летающее крыло" предоставляет сравнительную конструкционную простоту, плюс возможность структурного распределения нагрузки самым эффективным способом на максимальных расстояниях от оси симметрии, плюс возможность уместить двигательную установку, топливо и полезный груз в допустимых пределах по длине крыла, которая не может быть выполнена в традиционных типах компоновки.

4. Развитие технологий БЛА
4.1 Перспективное развитие в сфере интеллектуального управления БЛА
Анализ состояния и перспектив развития беспилотного авиационного комплекса (БАК) позволил выделить следующие основные тенденции:
1. применение в соответствующих операциях крупных группировок БЛА;
2. совместное групповое применение БЛА и пилотируемых ЛА;
3. увеличение числа БЛА, обслуживаемых в режиме «online» операторами БАК с наземных и воздушных пунктов управления;
4. активное использование против БАК средств радиоэлектронного подавления.
Учет этих тенденций требует новых подходов к решению вопросов эффективного управления БЛА различного назначения в достаточно быстро изменяющихся разнообразных и не-предсказуемых условиях их применения.
Одним из современных инструментов решения этих вопросов является применение в составе перспективных БАК интеллектуальных систем управления БЛА.
Целью изучения данной работы является постановка и обсуждение направлений решения проблемы создания и применения таких систем в перспективных БАК.
Актуальность данной проблемы определяется тем, что известные отечественные и за-рубежные работы в области создания и применения авиационных средств искусственного интеллекта в основном ориентированы на автоматизацию функций экипажа ЛА в условиях сложной психофизиологической обстановки и дефицита времени на принятие со-ответствующих решений. В единственной работе рассматриваются вопросы построения таких средств для микро-БЛА нетрадиционной схемы.

4.2. Постановка проблемы интеллектуального управления БЛА
Отмеченные выше перспективные задачи применения БЛА предполагают синтез цели их функционирования в полете, принятие оптимальных оперативных решений с учетом разно¬образных факторов, отражающих состояние БЛА и внешней среды, исполнение этих решений с высокой точностью. Эти функции перспективных БЛА могут быть реализованы с помощью нового класса интеллектуальных систем управления.
Под интеллектуальной системой понимается объединенная информационным процессом совокупность технических средств и программного обеспечения, работающая во взаимосвязи с человеком (коллективом людей) или автономно, способная на основе использования сведений и знаний при наличии мотивации синтезировать цель, вырабатывать решение о действии и находить рациональные способы её достижения.
Таким образом, существенное расширение тактико-технических и эксплуатационных характеристик перспективных БЛА предполагает необходимость разработки бортовых систем управления нового поколения, построенных на основе комплексного использования со-временных интеллектуальных технологий и обеспечивающих возможность их функционирования в условиях неопределенности.
Общая отличительная особенность задач управления БЛА вне зависимости от их типа и на-значения заключается в необходимости учета различных проявлений неопределенности, основными источниками которой являются следующие факторы:
• нечеткость целей функционирования и задач управления;
• нестационарность параметров БЛА и его системы управления;
• априорная неопределенность обстановки и условий выполнения полетного задания;
• наличие случайных воздействии внешней среды;
• искажения поступающей входной информации в каналах дистанционной передачи данных.
С возрастанием сложности систем, уровень которой оценивается объемом циркулирую-щей в них информации, следует попытаться использовать, создать и развивать наиболее интеллектуальные системы и компоненты управления. При создании систем интеллектуального управления, необходимо придерживаться следующих основных принципов:
• принцип информационного обмена;
• принцип открытости системы интеллектуального управления для самообучения и самоорганизации;
• принцип прогнозирования изменений во внешней среде и системе;
На основе этих принципов в работе выделяются четыре класса динамических систем интеллектуального управления:
1) системы идентификационного управления;
2) системы адаптивного управления (системы с самонастройкой);
3) системы интеллектного управления без целеполагания;
4) системы интеллектуального управления c целеполаганием.
В интеллектуальных системах рассматриваются три уровня управления:
• верхний уровень управления (ВУУ), обеспечивающий це-леполагание;
• средний уровень управления (СУУ), осуществляющий поиск способа достижения по-ставленной на верхнем уровне цели;
• нижний уровень управления (НУУ), реализующий выбранный на среднем уровне способ достижения поставленной цели.
В теории и практике разработки систем интеллектуального управления общепринятыми в настоящее время являются следующие элементы:
1. нейронные сети;
2. эволюционные алгоритмы;
3. механизмы логических рассуждений;
4. экспертные системы.
Эволюционные алгоритмы и нейронные сети обладают высокой распараллеливаемостью и, как следствие, повышенным быстродействием, что важно в задачах управления в реальном времени, когда идентификация или формирование закона управления осуществляется в темпе текущего времени. В силу своей реактивности и способности к обучению эти элементы уже в сегодняшнем их состоянии развития могут быть успешно использованы при создании многоуровневых и многофункциональных систем управления с элементами искусственного ин¬теллекта.
Экспертными системами (ЭС) принято называть системы, основанные на знаниях специалистов определенной предмет¬ной области. Такие системы являются прототипом со-временных средств интеллектуального управления.
Для иллюстрации целей, задач и средств интеллектуализации управления БЛА раз-личного назначения рассмотрим подход, использованный в интеллектуальной системе управления (ИСУ) микро-БЛА, которая должна осуществлять решение следующих задач:
• обеспечение автоматических режимов старта, посадки и рулежки БЛА, в том числе и с неподготовленных площадок;
• обеспечение режимов автономного полета БЛА вдоль заданной последовательности опорных точек или к указанной цели без априорно установленного маршрута с уклонением от заранее известных или вновь обнаруженных областей и зон нежелательного появления, возникающих на пути препятствий и т.д.;
• обеспечение автоматического режима соблюдения группового порядка БЛА в воз-душном строю, а также их группового взаимодействия;
• организация автоматических режимов бортовой обработки разведывательной информации и оперативно-тактических данных, собираемых непосредственно в процессе полета;
• организация процессов передачи командной управляющей информации и обмена данными на основе современных сетевых технологий;
• организация интеллектуального человеко-машинного интерфейса, обеспечивающего возможность управления поведением БЛА с помощью команд и целеуказаний на уровне естественного или близкого к нему языка.
Модель объекта управления (БЛА) строится в виде логико-лингвистического описания взаимосвязей входных управляющих воздействий и выходных координат его состояния. При этом для каждого из входных и выходных параметров устанавливается собственная лингвистическая переменная. В свою очередь, значения лингвистических переменных определяют разбиение области допустимых изменений входных и выходных параметров на пересекающиеся нечеткие множества, соответствие которым задается их функциями принадлежности.
Практическая проверка развиваемого подхода к построению интеллектуальной бортовой системы управления автономным микро-БЛА, а также синтеза и отладки ее программно-алгоритмического обеспечения потребовала создания специализированного моделирующего комплекса, обладающего следующим набором основных функциональных возможностей:
 моделирование процессов функционирования ИСУ БЛА, построенной на основе аппарата нечеткой логики;
 моделирование автономного полета БЛА, совершаемого в априорно неизвестных условиях под контролем его ИСУ;
 оперативный синтез и моделирование произвольного рельефа местности;
 оперативное формирование, пополнение и редактирование базы нечетких знаний в интерактивном режиме;
 оперативная отладка базы знаний и настройка ИСУ БЛА;
 моделирование случайных возмущений внешней среды;
 управление БЛА в ручном режиме;
 визуализация карты местности с отображением текущей наземной обстановки и траектории полета БЛА;
 корректировка параметров динамической модели движения БЛА;
 изменение параметров моделей, определяющих имитацию случайных изменений внешней среды.
Данный комплекс позволяет обеспечить проведение широкомасштабной серии экспериментальных исследований по моделированию полетов автономного микро-БЛА, отработке технологий интеллектуального управления на основе методов не¬четкой логики, проверке адекватности различных вариантов математического описания управляемого объекта, а так-же про¬вести синтез и отладку знаний, регламентирующих стратегии целесообразного поведения при решении требуемых прикладных задач в априорно неполно заданных условиях при наличии внешних возмущений случайного характера.
Заметим, что применение нечеткой логики в ИСУ БЛА ставит задачу объективного задания значений функций принадлежности используемых нечетких множеств («fuzzy sets»), введенных в рассмотрение Л. Заде в 70-х годах прошлого века.
Поэтому, на мой взгляд, целесообразно начинать построение интеллектуальных систем управления БЛА с использованием результатов, полученных в области авиационных систем искусственного интеллекта (СИИ), применяющих методологию ЭС.
В связи со значительной ролью персонала БАК в процессах применения БЛА, в составе интегрированной интеллектуальной системы управления (ИИСУ) перспективных БЛА предлагается выделить два взаимосвязанных компонента, представленных на Рис. 1.

Взаимодействие этих частей осуществляется с помощью информационной и командной радиолиний (ИКРЛ) БАК.

Аппаратно-программные средства бортовой части ИИСУ БЛА должны быть включены в состав комплекса бортового оборудования (КБО) БЛА и активно взаимодействовать с его системами в процессе выполнения соответствующего полетного задания. При этом предполагается соответствующие элементы и подсистемы этой части использовать как «надстройки» над существующими элементами КБО БЛА. Такой подход обеспечивает последовательное внедрение элементов искусственного интеллекта в КБО БЛА путем замещения его «жестко» определенных функций «мягкими» интеллектуальными функциями. На Рис. 2 в качестве иллюстрации предлагаемого подхода приведено взаимодействие системы автоматического управления полетом БЛА перспективной бортовой интеллектуальной системой навигации и управления (ИСНУ) сверхзвукового БЛА.

Наземная часть ИИСУ БЛА выступает как средство повышения эффективности деятельности персонала БАК. Другой важной задачей этой части системы является накопление и корректировка знаний и решений, применяемых в бортовой части ИИСУ БЛА.
На Рис. 3 для типового состава персонала такого пункта приведена перспективная струк-тура наземной части ИИСУ БЛА.
Эта часть реализуется в среде аппаратно-программных средств МНПУ БЛА в виде совокупности систем, аналогичных существующим бортовым оперативно советующим экспертным системам пилотируемых ЛА, выполняющих функции «Электронного помощника летчика».

5. Заключение
В реферате были рассмотрены три вида развития БЛА:
1. Развитие силовой установки. На примере существующих БЛА было доказано, что при усовершенствовании силовой установки можно добиться существенных изменений летных характеристик БЛА. И я думаю, что лет через 10-15 будут разрабо-таны новые виды силовых установок, с абсолютно другими способами создания силовой тяги.
2. Развитие аэродинамической схемы. В реферате была рассмотрена перспективная аэродинамическая схема «интегральное летающее крыло», на примере этой схемы было установлено, что эта схема имеет много преимуществ, однако как и другие аэродинамические схемы не лишена недостатков.
3. Самым перспективным направлением развития является, развитие искусственного интеллекта, а если точнее интеллектуального управления БЛА. Развитие такого перспективного направления, как интеллектуальное управление БЛА, на мой взгляд и взгляд многих ученных, должно осуществляться путем создания экспериментальных образцов бортовых и наземных экспертных систем с их широким исследованием на моделирующих стендах. Результаты проведенных исследований и разработок должны быть в обязательном порядке проведены в летных испытаниях опытных образцов БЛА. На их основании вносятся соответствующие корректировки как в теорию интеллектуального управления БЛА, так и в состав применяемых для его реализации бортовых и неземных экспертных систем. В перспективе саморегулирующиеся, самонастраивающиеся, самоприцеливающиеся беспилотники. Работающие в едином информационном поле и полностью автоматическом режиме. Я думаю, что в ближайшем будущем БЛА с искусственным интеллектом будут самыми закупаемыми и сейчас в таких странах как Израиль, США, Россия, Германия созданы экспериментальные виды БЛА с искусственным интеллектом. Я считаю, что примерно через пять лет будет создан БЛА с интеллектуальной системой управления.
В последнее время перспективность применение современных самолетов 5-го поколения стоит под вопросом, т.к. самолеты 5-го поколения слишком дороги, отсутствуют и глобальные конфликты для которых они и предназначаются, также хорошо развитые системы ПРО не дают в полной мере использовать весь потенциал самолетов 5-го поколения. Выгоднее использовать дистанционно пилотируемые аппараты, беспилотники. Они по своей эффективности, стоимости и скорости реакции стоят неизмеримо выше самолетов 5-го поколения. В таком случае средства надо переводить на беспилотники, на многофункциональные авиационные системы, работающие в режиме реального масштаба времени: разведка, ударное поражение, радиоэлектронное противодействие, информация и связь. Все эти слова говорят о перспективности беспилотных ударных самолетов!!!

6. Список использованных источников
1. Научные записки ПИР-центра: Национальная и глобальная безопасность Москва, декабрь 2004 г.
2. Прикладная теория управления беспилотными летательными аппаратами: монография. – Казань: ГБУ «Республиканский центр мониторинга качества образования» (Серия «Современная прикладная математика и информатика»). – 768 с.
3. Лемко О. Л. Аэродинамика и устойчивость летательных аппаратов
схемы «летающее крыло» / О. Л. Лемко Монография. - К.: НТУУ «КПИ», 2011. – С. 321.
4. Василин Н. Я. Беспилотные летательные аппараты/Худ. обл. М. В. Драко. – Мн.: ООО «Попурри», 2003. – 272 с.:ил.
5. Беспилотные летательные аппараты Ганин С. М., Карпенко А. В., Колногоров., Пет-ров Г.Ф. СПб, «Невский Бастион». 1999 г.
6. Беспилотные летательные аппараты Д. П. Иноземцев ООО «Плаз», г. Санкт-Петербург.
7. www.dic.academic.ru
8. Газета "Аргументы недели" №45(437) от 27 ноября 2014 года
9. https://ru.wikipedia.org/wiki/MQ-1_Predator
10. https://ru.wikipedia.org/wiki/General_Atomics_MQ-1C_Grey_Eagle
11. https://ru.wikipedia.org/wiki/Northrop_Grumman_X-47_Pegasus