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

Беспилотные ударные самолеты: перспективы развития

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, 2016

Оглавление

Введение 

Историческая справка 

Развитие и усовершенствование силовой установки 

Развитие силовой установки на примере БПЛА MQ-1 PREDATOR 

РАЗВИТИЕ АЭРОДИНАМИЧЕСКОЙ СХЕМЫ 

РАЗВИТИЕ ТЕХНОЛОГИЙ БЛА          

Перспективное развитие в сфере интеллектуального управления БЛА 

Постановка проблемы интеллектуального управления БЛА 

Структура перспективной интегрированной интеллектуальной системы управления БЛА 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ                                     

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”.

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 и беспилотные, и дистанционно-­пилотируемые летательные аппараты. Целесообразность совместного рас­смотрения этих типов летательных аппаратов обусловлена тем, что они используются для решения одних и тех же задач, в некоторых случаях один и тот же летательный аппарат может использоваться как БЛА на основном этапе полета, а на взлетно-посадочных режимах - как ДПЛА.

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). В ходе Первой Мировой войны произошло первое боевое применение дистанционно управляемой техники - 2 марта 1917 года в порту английского города Ньюпорт радиоуправляемым с немец­кого самолета катером-миной была разрушена значительная часть при­чальной линии.

Развитие и усовершенствование силовой установки

Развитие силовой установки на примере БПЛА MQ-1 PREDATOR:

Таблица 1

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.

Таблица 2

После модернизации силовой установки MQ-1 «Predator», был создан БПЛА MQ-1C Grey Eagle, если посмотреть в таблицу 1 и 2, то, можно убедится, что после развития силовой установки ТТК улучшились, что доказывает перспективность развития силовых установок БЛА.

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:

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.

Развитие технологий БЛА

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 не­предсказуемых 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 зарубежные 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 со­ответствующих решений. В единственной работе рассмат­риваются вопросы построения таких средств для микро-БЛА нетрадиционной схемы.

Постановка проблемы интеллектуального управления БЛА

Отмеченные выше перспективные задачи применения БЛА предполагают синтез цели их функционирования в полете, принятие оптимальных оперативных решений с учетом разно­образных 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 современных интеллектуальных тех­нологий и обеспечивающих возможность их функционирова­ния в условиях неопределенности.

Общая отличительная особенность задач управления БЛА вне зависимости от их типа и назначения 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 циркулирующей 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 поставленной 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 ин­теллекта.

Экспертными системами (ЭС) принято называть системы, основанные на знаниях специалистов определенной предмет­ной области. Такие системы являются прототипом современ­ных средств интеллектуального управления.

Для иллюстрации целей, задач и средств интеллектуализа­ции управления БЛА различного 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 воздушном 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 логико­лингвистического 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 программно­алгоритмического 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 не­четкой логики, проверке адекватности различных вариантов математического описания управляемого объекта, а также про­вести 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 структура 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».

При этом предлагается использовать двухуровневую систе­му принятия решений, где на первом уровне решение принима­ет «электронный помощник», и после его контроля оконча­тельное решение формирует человек (второй уровень).

Как было отмечено выше, возникающие в процессе управ­ления БЛА проблемные ситуации и принимаемые при этом ре­шения наземной частью ИИСУ БЛА используются при разви­тии бортовой части интегрированной системы.

Следует отметить, что с повышением степени интеллекту­альности бортовой части ИИСУ роль ее наземной части при управлении отдельными БЛА должна сокращаться с увеличе­нием объема задач по управлению крупными группировками БЛА.

Структура перспективной интегрированной интеллектуальной системы управления БЛА

Целью создания ИИСУ БЛА является обеспечение макси­мальной степени автономности выполнения БЛА поставленно­го полетного задания с минимальным взаимодействием с пер­соналом МНПУ БАК.

Для реализации интеллектуального управления БЛА на всех этапах полета предлагается выделить в составе ИИСУ сле­дующие подсистемы:

-               функциональная подсистема «Полет», обеспечивающая решение задач навигации и управления для осуществления полета БЛА по запрограммированному маршруту;

-               функциональная подсистема «Целевое задание», осуществляющая управление БЛА на этапах решения целевой задачи (выполнение боевого маневрирования, решение задач прицеливания и выхода в точку применения оружия, взаимодействие с информацией от целевого оборудования и др.);

-               функциональная подсистема «Живучесть», предназначен­ная для оценки степени поражения планера и технического состояния систем БЛА, а также принятия решения о корректировке законов управления или возможности дальнейшего продолжения полета;

-               функциональная подсистема «Взаимодействие», отвечаю­щая за управление средствами связи БЛА и обеспечивающая безопасность его полета (предупреждение столкновений с другими беспилотными и пилотируемыми воздушными объектами и др.).

Взаимодействие и координацию работы этих подсистем осуществляет управляющая подсистема ИИСУ БЛА.

Функциональная структура перспективной ИИСУ БЛА пред­ставлена на Рис. 4.

Заключение

Развитие такого перспективного направления, как интел­лектуальное управление БЛА, на мой взгляд и взгляд многих ученных, развитие интеллектуального управления БЛА, 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.

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., Петров Г.Ф. СПб, «Невский Бастион». 1999 г.
6. Беспилотные летательные аппараты Д. П. Иноземцев ООО «Плаз», г. Санкт-Петербург.
7. www.wikipedia.ru
8. www.dic.academic.ru