| ... |
|
|
Выбор типа двигателя для исследования беспилотных моделей перспективных летательных аппаратов
ВВЕДЕНИЕ
«Современные ученые мыслят глубоко,
вместо того чтобы мыслить ясно.
Чтобы мыслить ясно, нужно обладать
Здравым рассудком, а мыслить глубоко
можно и будучи совершенно сумасшедшим»
Никола Тесла
Физика — наука об общих законах природы, о материи, её структуре и движении. Законы физики лежат в основе всего естествознания. Ее законы помогают объяснить нам, по какой причине происходит то, или иное явление, а их знание позволяет делать новые открытия и создавать новые машины и механизмы.
Актуальность исследования. При создании новых и перспективных летательных аппаратов важным является проведение исследования их моделей в условиях, близких к реальным условиям полёта. С этой целью проводятся дорогостоящие испытания моделей таких аппаратов в сложных и энергоемких аэродинамических трубах. Актуальной проблемой в настоящее время является снижение энергозатрат и стоимости таких испытаний, а также сокращение времени на их подготовку. В индивидуальном проекте предлагается для проведения аэродинамических испытаний использовать летающие беспилотные модели летательных аппаратов, снабженные соответствующей контрольно-измерительной и передающей информацию аппаратурой [5].
Для создания таких моделей важной задачей является выбор типа двигателя для проведения адекватных испытаний.
Цель проекта: Рассмотреть двигатели разных типов, используемые в беспилотных летательных аппаратах, оценить их преимущества и недостатки и выбрать тип двигателя, в наибольшей степени подходящий для проведения исследования беспилотных моделей перспективных летательных аппаратов в заданных условиях.
Объект исследования: двигатели беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
Задачи исследования:
1. Исследовать область применения разных типов двигателей БПЛА;
2. Изучить основные физические процессы, происходящие в двигателях и сделать сравнение газотурбинных, электрических и поршневых двигателей БПЛА;
3. Выбрать тип двигателя для проведения аэродинамических испытаний моделей летательных аппаратов, снабженных соответствующей контрольно-измерительной и передающей информацию аппаратурой.
4. Дать рекомендации по использованию выбранного типа двигателя в качестве силовой установки для проведения исследований моделей перспективных летательных аппаратов в полёте.
Научная новизна исследования заключается в том, что на основе комплексной оценки структурно-функционального состояния и области применения беспилотных летательных аппаратов, анализа преимуществ и недостатков различных типов двигателей (газотурбинных, электрических и поршневых), изучения основных физических процессов, происходящих в них, предложен к использованию в качестве силовой установки для исследования моделей перспективных летательных аппаратов газотурбинный двигатель, что позволяет существенно сократить стоимость и энергозатраты таких исследований по сравнению с испытаниями моделей в аэродинамических трубах.
Доказано, что газотурбинный двигатель, используемый в этом качестве, в наибольшей степени соответствуют основным требованиям к двигателям: обеспечение необходимой скорости полёта модели при высоких показателях надежности и экономичности.
Предложена схема применения и оценены основные параметры газотурбинного двигателя для исследования аэродинамических характеристик моделей перспективных летательных аппаратов и предполагается его высокая востребованность.
Практическая значимость представленной работы заключается в том, что позволяет на этапе эскизного проектирования перспективного летательного аппарата проводить аэродинамические исследования, моделировать и оценивать варианты расположения двигателей на летательном аппарате и выявить характер взаимного влияния двигателя и летательного аппарата без использования трудоемких испытаний в аэродинамических трубах.
ГЛАВА I. ИССЛЕДОВАНИЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
В последние десятилетия БПЛА стали популярными. Они широко применяются в наиболее развитых странах мира. Область применения беспилотников постоянно расширяется [3, 5, 6].
БПЛА – это летательный аппарат без экипажа на борту. Летательные аппараты могут иметь разную степень автономности, некоторыми можно управлять дистанционно, а некоторые - автоматические. Конструкция, назначение и различные параметры летательных аппаратов тоже могут различаться [1, 2, 4, 5].
Мы покажем области гражданского применения БПЛА:
1) Спектрозональная съёмка. Использование данного метода позволяет быстро выполнить фотосъемку и охватить большую ее площадь, причем с разрешением 3-5 см. Очень полезно использование спектрозональной съемки в сельском хозяйстве для оценки почв, например, или всходов.
2) Аэрофотосъемка- это метод фотографирования поверхности Земли с летящего самолета. Преимуществом использования БПЛА для этой цели, по сравнению с использованием метода с борта самолета является то, что с БПЛА можно получить картину с огибанием рельефа местности и получить объемное изображение, что невозможно сделать с самолета.
3) БПЛА используются в лесном и охотном хозяйстве для учета количества животных и определения места их жизнедеятельности.
4) Беспилотники позволяют контролировать состояние труб в нефтяной и газовой промышленности.
5) Съемка местности с воздуха и космоса с помощью беспилотников позволяет контролировать экологическую ситуацию на Земле, следить за состоянием газовых и нефтяных трасс и своевременно выявлять аварии, разливы нефти и разрывы трубопроводов [3].
7) Мониторинг и опознание движущихся объектов в охраняемых зонах в дневное и ночное время. Например, незаконную вырубку леса, пожары и т.д.
8) Мониторинг работ в строительстве дорог и других объектов. Можно видеть объем выполненных работ и готовность к сдаче объекта; проводить анализ аварий и повреждений, сопоставляя разные по давности видеоролики.
9) Охрана, например, в целях обеспечения безопасности объектов космодрома Байконур.
10) Беспилотные пограничники широко используются в разных странах и охраняют покой граждан.
11) Полицейский спецназ – можно запускать с рук. Микродроны поднимаются на высоту до 75 м, электромоторчик их практически не слышен с земли и способен дольше часа продержать аппарат в воздухе. Наступает эпоха развития ветви сверхминиатюрных аппаратов, весом всего в 10 граммов [4, 5].
12) В американском онлайн-магазине Amazon и в почтовой службе Швейцарии запущена служба для доставки грузов клиентам с помощью беспилотников.
В Европе и Азии появились закусочные, которые в своей работе пользуются дронами-официантами. Посетители делают заказ с помощью планшетного компьютера, закрепленного на столе, а еда и напитки прилетают с кухни на квадрокоптере.
13) Квадрокоптер для поиска пропавших детей — как и собаки, может отслеживать запах ребёнка. Дроны с термодатчиками используются для поиска людей, заваленных лавиной.
14) Дрон, раздающий интернет- компании Google и Facebook.
15) В Дубае запустили производство дрона – такси, правда только для одного пассажира.
16) Беспилотники можно использовать в качестве альтернативы спасателю на пляже. В Австралии, например, летательный аппарат предупреждает купающихся людей о приближении акул, даже способен бросить утопающему спасательный круг.
Вероятно, в скором будущем, беспилотные устройства во многих областях применения вытеснят пилотируемую. В общем, стремление к беспилотной авиации закономерно и ее широкий спектр использования можно обосновать потребностью в гражданской и оборонной промышленности, в сфере обеспечения безопасности, в сфере здравоохранения, развлечений и во многих других сферах [5, 6, 7].
ГЛАВА II. АНАЛИЗ ТИПОВ ДВИГАТЕЛЕЙ ПРИМЕНЯЕМЫХ В БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ГАЗОТУРБИННЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ В КАЧЕСТВЕ СИЛОВЫХ УСТАНОВОК МОДЕЛЕЙ ПЕРСПЕКТИВНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Двигатели для БПЛА могут быть газотурбинные, электрические, поршневые. Размеры двигателей могут быть разные, от огромных до мельчайших.
2.1. Газотурбинный двигатель
В настоящее время это наиболее распространенный двигатель в авиации.
Газотурбинный двигатель состоит из: входного устройства, компрессора, камеры сгорания, турбины, реактивного сопла, а также элементов и систем, обеспечивающих его функционирование.
Для чего нужен каждый из его модулей? Назначение и принцип работы.
Входное устройство — это расширяющийся канал, в котором происходит подвод воздуха к компрессору и его предварительное сжатие. В нём кинетическая энергия входящего воздуха частично преобразуется в давление.
Компрессор — это устройство, в котором происходит повышение давление воздуха. Компрессор можно характеризовать такой величиной, как степень повышения давления. В современных двигателях она превышает 40 единиц. Кроме того, в нем увеличивается температура (сейчас на выходе из компрессора она достигает 1000К).
Камера сгорания— устройство, в котором к сжатому воздуху (после компрессора) подводится тепло из-за горения топлива. Температура в камере сгорания очень высокая, может достигать 2000 градусов Цельсия. Вам может показаться, что давление газа в камере тоже сильно увеличивается, но это не так. Теоретически принято считать, что подвод тепла осуществляется при постоянном давлении. В реальности оно немного падает из-за потерь (проблема несовершенства конструкции).
Турбина — устройство, превращающее часть энергии газа после камеры сгорания в энергию привода компрессора. Так как турбины используются не только в авиации, можно дать более общее определение: это устройство, преобразующее внутреннюю энергию рабочего тела (в нашем случае рабочее тело — это газ) в механическую работу на валу. Как вы могли понять, турбина и компрессор находятся на одном валу и жестко связаны между собой. Если в компрессоре происходит повышение давления газа, то в турбине, наоборот, понижение, то есть газ расширяется. В турбореактивных и турбовентиляторных двигателях лишь часть тепловой и кинетической энергии высокотемпературного газового потока преобразуется в механическую энергию для привода компрессора, в отличие от турбовинтовых и турбовальных двигателей, в которых большая часть энергии газа преобразуется в турбине в механическую работу для привода воздушного винта или другого потребителя, например электрогенератора или компрессора в газоперекачивающем агрегате.
Сопло — суживающийся канал, в котором происходит преобразование потенциальной энергии газа в кинетическую (оставшийся запас энергии газа после турбины). Как и в турбине, в сопле происходит расширение газа. Образуется струя, которая, вытекая из сопла, движет самолёт.
Минусы газотурбинных двигателей: Главный недостаток газотурбинной установки с камерой сгорания — необходимость применения жаропрочных и жаростойких материалов для обеспечения высокого значения КПД. Непрерывность процесса в газовой турбине заставляет лопатки турбины работать с температурой, равной температуре газа, а прочность лопаток не позволяет иметь такую высокую температуру газа, которая обеспечивала бы высокий КПД. Без дополнительных устройств газотурбинный двигатель имеет КПД на валу турбины, обычно не выше 20%. Еще два недостатка: большой расход топлива и выхлоп отработанного топлива, неблагоприятно влияющий на экологию.
Главным достоинством газотурбинных двигателей является то, что их строение позволяет их применять в моделях исследуемых летательных аппаратов, обеспечивая им большую скорость полёта, что невозможно получить, применяя двигатели других рассматриваемых типов. Испытания летательных аппаратов в настоящее время проводятся в аэродинамической трубе, где создаются условия подобные реальным и с помощью специальной аппаратуры анализируется информация о поведении конструкции в условиях, приближенных к реальному полёту. Но сама установка, материал и обслуживание аэродинамической трубы слишком дорого, поэтому надо искать другие варианты позволяющие провести испытания летательных аппаратов. Альтернативой испытаний летательных аппаратов в аэродинамических трубах могут стать лётные испытания моделей этих летательных аппаратов с использованием газотурбинных двигателей. Модель с газотурбинным двигателем можно испытывать в реальных условиях полёта [5]. Современная регистрирующая и передающая информацию аппаратура позволяет получать необходимые сведения о летательном аппарате во время его полёта.
Это лучшее применение газотурбинных двигателей в гражданских целях!
2.2. Электродвигатель
Электрический двигатель, сокращенно электродвигатель – электрическая машина, с помощью которой электрическая энергия преобразуется в механическую, для приведения в движение различных механизмов. Электродвигатель является основным элементом электропривода.
Промышленный электродвигательработает и на постоянном, и на переменном токе. Его статор – это электромагнит, создающий магнитное поле. Обмотки двигателя поочередно подключаются через щетки к источнику питания. Одна за другой они поворачивают ротор на небольшой угол, и ротор непрерывно вращается.
За счет вращения вала приводится во вращение винт, толкающий или тянущий летающее средство.
Электродвигатели подразделяются на два типа: коллекторные и бесколлекторные.
Коллекторная машина – вращающийся электродвигатель, у которого хотя бы одна из обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, соединена с коллектором. В коллекторном двигателе щеточно-коллекторный узел выполняет функцию датчика положения ротора и переключателя тока в обмотках.
У бесколлекторных электродвигателей могут быть контактные кольца с щетками.
Бесщеточная машина – электродвигатель, в которой все электрические связи обмоток, участвующих в основном процессе преобразования энергии, осуществляются без скользящих электрических контактов.
Главным достоинством электрических двигателей в БПЛА является то, что их можно применять в аппаратах, обеспечивающих надзор за газо-нефтяными сооружениями, за лесами, участвующих именно в пожаротушении.
Недостатки электродвигателей:
• Высокая стоимость;
• Ограниченная мощность источников питания;
• Большая масса двигателя - для маленьких беспилотников они годятся, а для больших летательных аппаратов – слишком тяжелые.
• Ограниченная скорость полёта, обусловленная резким снижением эффективной работы воздушного винта при высокой скорости полёта.
2.3. Поршневые моторы
Оказались востребованными в БПЛА среднего класса со взлетным весом до тонны. Для аэрофотосъемки и мониторинга высокие скорости не нужны, а требуется малый удельный расход топлива, и поршневые двигатели как раз обладают этим качеством. При мощностях до 500 л.с. и при полетном цикле продолжительностью более 5 часов на сегодняшний день они успешно конкурируют с газотурбинными двигателями. Поршневые двигатели немного проигрывают газотурбинным двигателям по массе, но за счет меньшего расхода топлива суммарная масса двигателя и горючего на борту при достаточно длительном полете получается меньше. Еще одним большим преимуществом является то, что час эксплуатации поршневого двигателя обходится дешевле, чем эксплуатационный час газотурбинного.
В перспективе существует возможность снабдить поршневой двигатель электромотором, который будет давать дополнительную мощность на взлете и работать как генератор в полете. Благодаря этому не придется делать переразмеренный поршневой двигатель, который на 100% используется только на взлете.
Поршневой двигатель -достаточно консервативная конструкция, и его схема кардинально не менялась с 1930–50-х годов. Единственное, что можно отметить: обновляются системы обеспечивающие работу двигателя, появляются, например, впрысковые системы с электронным управлением с полной ответственностью типа FADEC, которые значительно снижают расход топлива, внедряются новые материалы, новые масла, новые топлива. Ученые и конструкторы стараются улучшить характеристики двигателя и добиться улучшения его характеристик: снизить удельный расход топлива на 20-25%, удельную массу — на 25–30%, повысить ресурс и стоимость эксплуатации в 3–4 раза.
Недостатком поршневого мотора, как и электрического, является ограниченная скорость полёта и недостаточная безопасность при отказе двигателя, поэтому есть необходимость дублирования двигателя и всей системы зажигания, у которых даже электропитание должно осуществляться от разных источников.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ:
1. Для БПЛА используются разные типы двигателей, которые применяются в зависимости от требований, предъявляемых к летательному аппарату: где-то требуется высокая скорость, где-то высокие экологические параметры, где-то продолжительное время работы.
Для мониторинга опасных явлений и утечки газа и нефти в нефтепроводах, при пожарах и др. стихийных бедствиях в большей степени для БПЛА подойдут электрические двигатели, поскольку применение двигателей, использующих разные виды топлива опасно, беспилотник может воспламениться. Также доставку продуктов, небольших грузов, медикаментов целесообразно осуществлять используя БПЛА на электрических моторах.
Беспилотники с поршневыми двигателями находят свое применение в технических видах спорта (моделирование), а также в аппаратах способных совершать длительный полёт.
2. На основе комплексной оценки структурно-функционального состояния и области применения беспилотных летательных аппаратов, анализа преимуществ и недостатков различных типов двигателей (газотурбинных, электрических и поршневых), изучения основных физических процессов, происходящих в них, предложен к применению в качестве силовой установки высокоскоростных моделей перспективных летательных аппаратов газотурбинный двигатель, позволяющий проводить исследования без использования аэродинамической трубы.
Показано, что газотурбинный двигатель, используемый в этом качестве, является единственным двигателем, позволяющим проводить аэродинамические испытания моделей в условиях, близких к условиям реального полёта перспективного летательного аппарата
3. Предложена схема применения и оценены основные параметры газотурбинного двигателя для исследования аэродинамических характеристик моделей перспективных летательных аппаратов и предполагается его высокая востребованность.
ПРАКТИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ И ПЕРСПЕКТИВЫ
Для качественной и бесперебойной работы БПЛА необходимо создание систем автоматического управления и контроля за состоянием летательного аппарата и его двигателя. Главная проблема конструирования упирается в создание двигателя. Для того, что бы удовлетворить все требования предъявляемые к двигателю, надо знать современное состояние реализованных проектов, оценив их преимущества и недостатки, использемые современные технологии и материалы, что позволит в дальнейшем разработать конструкции газотурбинных двигателей для применения при испытании летающих моделей перспективных летательных аппаратов различного назначения.
В ходе исследования я пришёл к выводу, что на этапе эскизного проектирования высокоскоростного перспективного летательного аппарата возможно проведение аэродинамических исследований на его летающих моделях, использующих газотурбинные малоразмерные двигатели, можно моделировать и оценивать варианты расположения двигателей на летательном аппарате и выявлять характер взаимного влияния двигателя и летательного аппарата без использования трудоемких испытаний в аэродинамических трубах.
Продолжением данной работы будет разработка конструкции двигателя для летательного аппарата, а он может быть дозвуковым или сверхзвуковым, в результате которой предполагается синтез новой схемы газотурбинного двигателя.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Беспилотные летательные аппараты / Справочное пособие. Воронеж. Издательство Полиграфический центр «Научная книга», 2015. 616 с. С. 43-56.
2. Василин Н.Я. Беспилотные летательные аппараты // Н.Я. Василин. Минск. «Попурри», 2017. 272 с. C. 5-7. С. 98-105. ISBN: 9854389839.
3. Бодрова А.С., Безденежных С.И. Перспективы развития и применения комплексов с беспилотными летательными аппаратами: конф. г. Коломна, 2016. 274 с. С. 106-113.
4. Бойко А. Области применения беспилотников. [Электронный ресурс]. Режим доступа: http://robotrends.ru/robopedia/oblasti-primeneniya-bespilotniko/ (дата обращения: 25.10.2017).
5. Зрелов В.А., Изотов Д.П., Котельников В.Р. Двигатели вертолетов России// Под общ. ред. В.В. Горошникова.-Рыбинск: Медиарост, 2020.-332с.: илл. ISBN 978-5-9060701-37-8.
6. Семенец В. О., Трухин М. П. Способы противодействия беспилотным летательным аппаратам // Научная статья в томе 10, № 3 от 2018 г. журнала «Наукоемкие технологии в космических исследованиях Земли». ISSN 2409-5419 (2412—1363). doi: 10.24411/2409-5419-2018-10070. С. 4-12.
7. Иванов Д. Я. Методы интеллекта для управления беспилотными
летательными аппаратами// Научная статья в № (томе) 3 от 2011 г. журнала «Известия Южного федерального университета. Технические науки». ISSN 1999-9429 (2311-3103). УДК 519.687.1. С. 221-229
|
| Категория: Свободные статьи | Добавил: aleksey5382 (22.03.2021)
| Автор: Седашкин Алексей E
|
| Просмотров: 1434
| Рейтинг: 0.0/0 |
|
|
Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи. [ Регистрация | Вход ] |
| ... |
|
| ВНИМАНИЕ! | ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ
В 21-й ОЛИМПИАДЕ ЗАКРЫТ!
ТЕСТИРОВАНИЕ ЗАВЕРШЕНО!
ПРИЁМ РАБОТ ЗАКРЫТ! |
| Наш логотип |
|
| QR-код сайта |
|
| Организатор |
|
|
