| ... |
|
|
Микросамолеты
ГБОУ СПО НАТК
Проектно-исследовательская работа по теме: "что такое микросамолет и какие задачи он решает"
Автор: Серов Роман
Как известно, одним из важных направлений развития авиации является создание и использовании в военных целях беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Еще недавно БЛА были большой редкостью в войсках. В основном они использовались как летающие мишени для тренировки летчиков-истребителей и расчетов зенитных комплексов.
В настоящее время без БЛА не обходится ни один вооруженный конфликт с участием армий развитых стран. Широкое внедрение подобных ЛА отвечает концепциям повышения автоматизации управления подразделениями и частями и сокращения потерь личного состава.
Разведывательный комплекс, основанный на БЛА, служит для обеспечения командира на поле боя воздушной разведывательной информацией о текущей обстановке в его зоне ответственности. Использование такого комплекса позволяет обходиться без заявок на разведку в вышестоящий штаб (связанный с "большой" авиацией) и избавляет от ожидания результатов разведки. Во многих случаях командиру необходимо просто быстренько заглянуть за холм или просмотреть дорогу и ее обочины перед выездом колонны. Интересно знать и реальное положение переднего края противника. Такие задачи в настоящее время обычно решаются разведгруппами. Разведывательные рейды часто сопряжены с людскими потерями и возможностью пленения разведчиков. В свою очередь, БЛА - это всего лишь кусок пластмассы, полупроводников и металла, и если он не вернется, то не жалко послать второй.
К сожалению, существующие БЛА и ДПЛА (дистанционно пилотируемые летательные аппараты) - это сложная, объемная техника, требующая подготовленных специалистов. Такую технику сложно разместить на переднем крае, не говоря о том, чтобы взять её с собой в разведку. Таким образом, перед разработчиками новых перспективных БЛА встала задача создания мобильных, простых в эксплуатации и дешевых средств ведения воздушной разведки.
Ряд научно - исследовательских учреждений и конструкторских бюро в США и других странах подошли к решению этой задачи через уменьшение размеров БЛА и упрощение управления ими, наделяя их большей автономностью.
Создаваемые в ходе этих работ летательные аппараты выделились в отдельный класс ЛА - микролетательные аппараты (МЛА). МЛА - это полуавтономный летательный аппарат, размером менее 15 см в любом измерении, весом около 100 грамм. МЛА должен выполнять различные военные задания, обладая при этом приемлемой ценой (менее 1000 долларов). На аппарате должна быть установлена видеокамера с отображением в режиме реального времени, навигационная и связная аппаратура. МЛА должен летать от 20 минут до 2-х часов с радиусом действия свыше 10 километров и скоростью больше 45 км/ч.
Создаваемые МЛА будут висеть у бойца на поясе подобно гранате. При необходимости проведения разведки аппарат с помощью несложной пусковой установки запускается и сразу на запястье оператора на дисплее пульта управления можно увидеть в режиме реального времени результаты разведки.
Помимо разведывательных полетов над открытой местностью, МЛА проектируется и для ряда других задач, таких, как обследование внутренних областей зданий. Эти задачи могут выполнить только они.
Задачи,которые могут быть выполнены МЛА или с использованием имеющихся средств (БЛА, ДПЛА):
Новые задачи, выполняемые МЛА:
Разведка (фото и видео в режиме реального времени);
Ретрансляция связи в городских условиях;
Биологическая, химическая и ядерная разведка;
Поисково-спасательные работы. Разведка внутренних областей зданий;
Размещение датчиков на горизонтальных и вертикальных поверхностях, на транспортных средствах;
Использование МЛА в управляемых боеприпасах (передача информации о результатах их применения и корректировка);
Использование МЛА при поисково-спасательных работах (использование в НАЗе пилота).
Высокий интерес, проявляемый к разработке этого нового класса ЛА, обусловлен двумя факторами. Во-первых, это изменение тактики ведения современного боя, особенно в городских условиях. Во-вторых - появление технологической возможности изготовления таких аппаратов.
Анализ вооруженных конфликтов, произошедших в последние годы и предсказываемых на XXI столетие, указывает на возрастание роли маленьких групп солдат, воюющих в нетрадиционных средах (например, городские кварталы). В этих условиях МЛА предполагается использовать, как разведывательное средство на уровне взводов или ниже. Наличие таких средств у каждого солдата позволит всем участникам боя выполнять разведывательные действия, приводя к беспрецедентному ситуационному пониманию, большей боевой эффективности.
Технологическая выполнимость МЛА является следствием успехов в нескольких микротехнологиях, включая быстрое развитие миниатюрных электромеханических систем, известных как MEMS. Эти системы объединяют электронные микрокомпоненты с сопоставимыми по размерам механическими элементами различной сложности, что позволяет порой достичь уникальных функциональных возможностей (например, объединить в единую конструкцию датчик, процессор и механический привод). В настоящее время такие устройства производятся промышленным способом. Дальнейшие исследования в этом направлении направлены на удешевление промышленного производства систем MEMS.
Другим направлением развития микроэлектронных систем является разработка крошечных видеокамер, миниатюрных инфракрасных датчиков и датчиков биологического и химического анализа для обнаружения опасных материалов. Размер этих устройств не превышает габаритов обычных микросхем и является определяющим в выборе размеров МЛА.
Но на пути разработки МЛА должны быть ещё решены огромные технические проблемы- оригинальные технические решения должны быть найдены для аэродинамической компоновки, систем управления, навигации и связи. Остается открытым вопрос разработки двигателя и выбора источника энергии для МЛА.
Некоторые из проблем, возникающие при создании МЛА
Устойчивость
Силовая установка
Аэродинамика
- Малая степень продольной устойчивости.
Недостаточная величина управляющего момента по тангажу из-за малого плеча руля высоты.
Возможность возникновения в некоторых конструкциях самопроизвольных колебаний по крену. - Низкая эффективность из-за малых размеров.
- Проблемы промышленного производства. - Конструкция самолета размером меньше 15 см.
- Малое удлинение крыла не позволяет достичь высокого аэродинамического качества.
- Малые числа Рейнольдса Re, обусловленные небольшими размерами и малыми скоростями полета.
Разрабатываемые схемы МЛА, их достоинства и недостатки
С неподвижным крылом
По вертолетной схеме
С машущими (колеблющимися) крыльями
MicroSTAR,
Black Widow,
MITE Kolibri Орнитоптеры – ЛА, воспроизводящие принципы полета птиц (MicroBat)
Энтомоптеры - электромеханические многофункциональные летающие/ползающие аппараты, использующие принципы движения насекомых (Entomopter) - Большие коэффициенты подъемной силы
- Низкая маневренность, невозможность зависания - Высокая маневренность, возможность зависания
- Большой расход энергии - Высокая маневренность, возможность зависания
- Не отработана аэродинамика ЛА и конструкция движителей
На сегодняшний день уже создан и проходит летные испытания целый ряд микросамолетов первой волны. Наиболее отработанны среди них микросамолеты с неподвижным крылом, с движителем - пропеллером, работающим от электродвигателя. В настоящее время проходят летные испытания следующих представителей этого отряда микросамолетов: Микростар фирмы Локхид-Мартин (MicroSTAR, Lockheed Martin), Блэк видоу фирмы АэроВайронмент (Black Widow, AeroVironment, inc) и некоторые другие. МЛА MicroSTAR является совместным проектом, на который Пентагон выделил 42 млн. долл. MicroSTAR будет использоваться для сбора информации, поиска целей и в качестве устройства поддержки мобильной радиосвязи. Для него разрабатываются различные миниатюрные датчики, системы передачи изображений в темноте в реальном масштабе времени и т.д. Вес MicroSTAR составляет 85 г., размах -15 см, дальность полета достигает 5 км, длительность полета - 20 мин, скорость - 50 км/ч. MicroStar будет снабжен цифровой камерой весом менее грамма, принимать изображение с которой можно на обычные мониторы с расстояния до 5 км. MicroStar разрабатывается в двух вариантах: с дистанционным управлением и с предварительно программируемым маршрутом и профилем полета.
Black Widow, разработанный фирмой AeroVironment совместно с Калифорнийским технологическим институтом, стал одним из самых успешных проектов МЛА за 1999 год и одним из первых проектов, совершивших полет. Хотя Black Widow и не достиг критериев определенных для МЛА, развитие этого проекта признано успешным. МЛА совершил несколько 16... 22 минутных полетов со скоростью 45... 70 км/ч. Black Widow представляет собой дискообразной формы ЛА диаметром около 15 см и весом порядка 50 грамм, с двумя управляющими поверхностями. Электрический мотор, работающий от литиевой батарейки, вращает винт диаметром 10 см. КПД винта составляет 82%. Аппарат оснащен цветной видеокамерой весом 2 грамма, передающей на землю изображение в режиме реального времени на дальность до 1 км, и системой радиоуправления весом 3 грамма, занимающей на поверхности ЛА 2,5 см2. Разрабатывается система управления, использующая миниатюрные гироскопы, датчики скорости и угла атаки и систему GPS. Для запуска МЛА используется пневматическая пусковая установка, которая может входить в экипировку солдата на поле боя.
На фотографии показаны внутренности прототипа Black Widow, объединенные электрическими цепями, и антенны, расположенные в хвосте. Подсистемы включают приводы для элевонов (три микро мотора весом 1/3 грамма каждый и диаметром 3 мм), полезную нагрузку - камеру, трехосевые магнитометры, пьезоэлектрический гироскоп, GPS приемник, датчики давления, бортовой компьютер, солнечные батареи и литиевую и никель-кадмиевую батареи.
В Военно-морской исследовательской лаборатории США проводятся работы над микросамолетом MITE (Micro Tactical Expendable). Его размах составляет 15 см, вес 65 гр. На законцовках крыла, в которых расположены батареи и/или топливные ячейки, установлены бесщеточные электродвигатели постоянного тока. Двигатели, вращая пропеллеры диаметром 12см, позволяют развить скорость самолета 10 м/сек. В комбинированном вертикальном и горизонтальном оперении расположены элевоны, управляемые сервоприводами.
Аппарат Kolibri, выполненный по вертолетной схеме, разрабатывает фирма Lutronix. Аппарат оснащен системой GPS, автопилотом и способен с 20 граммовой заправкой выполнять 30-минутный полет с возможностью зависания.
На подходе следующее поколение "летающих микросхем". В качестве движителя в них будут преимущественно использоваться машущие крылья, приводимые в движение широким спектром двигателей: от традиционных микро электродвигателей, но питаемых от электрогенераторов с газовой турбиной размером несколько миллиметров, до миниатюрных прямоточных реактивных двигателей. Машущие крылья - это не только дань преклонения перед природой, но и взвешенный и трезвый расчет. Машущие крылья открывают невиданные возможности для ЛА. Вот некоторые из них:
• Возможность уменьшить лобовое сопротивление до нуля*;
• Ометаемая площадь может быть больше геометрического размера крыльев (увеличение КПД)*;
• Возможность использования энергии окружающей среды*;
• Обладание способностями как вертолета, так и самолета.
Уже сейчас можно увидеть прообраз этих самолетиков (или механических мух?). В качестве примера МЛА с машущими крыльями можно назвать аппараты MicroBat, Entomopter, Mentor и некоторые другие.
Целью проекта MicroBat является создание МЛА с машущим крылом - орнитоптера весом меньше 15 грамм (включая видеокамеру и систему управления), а также исследование неизученных областей аэродинамики такого ЛА. На ЛА установлены крылья, изготовленные по MEMS технологии с использованием титановых сплавов. Крылья приводятся в движение электрическим мотором через трансмиссию. В качестве источника энергии на аппарате установлена электрическая батарея. ЛА оборудован посадочным устройством. Были продемонстрированы первые удачные полеты продолжительностью до трёх минут с частотой взмахов крыльев 20 Гц. Продолжительность полетов во многом ограничена емкостью источника питания.
В работах по созданию механических насекомых, получивших название энтомоптеры (Entomopter), используется новое направление науки и техники - сокращающиеся химические мускулы (Reciprocating Chemical Muscle, RCM). RCM производят механические колебательные движения крыльев, используя химический источник энергии. Помимо механических движений, RCM выделяют некоторое количество электрической энергии для питания бортовых систем и управления полетом.
Следующими этапами развития МЛА, над которыми уже работают в лабораториях разных стран, являются дальнейшее уменьшение геометрических размеров, развитие новых движителей, источников энергии и других подсистем этих необычных, но чрезвычайно перспективных летательных аппаратов.
|
| Категория: Свободные статьи | Добавил: Romik (17.02.2014)
| Автор: Роман E
|
| Просмотров: 2547
| Рейтинг: 5.0/1 |
|
|
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
| ... |
|
| ВНИМАНИЕ! | ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ
В 22-й ОЛИМИПИАДЕ
ОТКРЫТ!
ТЕСТИРОВАНИЕ ОТКРЫТО!
ПРИЁМ РАБОТ ОТКРЫТ! |
| Наш логотип |
|
| QR-код сайта |
|
| Организатор |
|
|
