08.2008

Обоснование основных требований к характеристикам движения беспилотных летательных аппаратов двойного назначения

д. т. н. С. П. Гулевич, д. т. н., проф. Б. В.Александровский, к. т. н. Ю. Г. Веселов, журнал «Проблемы безопасности полетов»

Содержание:

Сформулированы и обоснованы основные требования к характеристикам движения беспилотных летательных аппаратов двойного назначения с учетом надежного решения назначенных задач в основных областях их применения.

Беспилотные летательные аппарата (БЛА) в составе беспилотных авиационных комплексов на сегодняшний день являются наиболее перспективными, динамично развивающимися, уникальными системами двойного назначения.

Для обоснования основных требований к характеристикам движения БЛА двойного назначения определим основные сферы (области) их применения:

- оперативное обследование больших площадей и протяженных участков земной, водной, морской и ледовой поверхности:

1) мониторинг газовых и нефтяных магистралей, контроль за состоянием нефте- и газопроводов, обнаружение утечек, несанкционированных врезок и т. п.;

2) мониторинг транспортного движения, контроль за состоянием железнодорожных путей, шоссейных и грунтовых дорог, транспортных развязок, мостов и других дорожных инженерных сооружений;

3) обследование территорий с целью оперативного предупреждения о пожарах (лесных и городских), охрана лесов и контроль шельфовой зоны;

4) контроль за состоянием линий электропередач;

5) поисково-спасательные операции (поиск заблудившихся в лесу, пустыне, на ледниках, в горах, на море и при наводнениях и т. п.);

6) мониторинг в области сельского хозяйства, охрана сельскохозяйственных угодий;

7) наблюдение за заповедниками и поддержка при задержании браконьеров;

- мониторинг крупных промышленных предприятий, железнодорожных станций, портов и т. п.

- осмотр сложных технических сооружений (мостов, плотин, высотных телевизионных башен, небоскребов и др.);

- постоянное длительное наблюдение за стационарными (охраняемый объект, контроль за выполнением сложной инженерной операции и т. п.) и движущимися объектами (железнодорожный, автомобильный, речной и морской транспорт) с определениями их скорости и направления движения;

- аэрофотосъемка местности;

- наблюдение за общественным порядком;

- участие в геологических исследованиях.

На основании анализа возможных областей применения БЛА в различных сферах деятельности можно сформулировать перечень ожидаемых условий эксплуатации (ОУЭ) БЛА.

БЛА должен применяться:

- в простых и сложных метеоусловиях;

- в различных географических и климатических районах Земного Шара;

- над земной, водной и морской поверхностью;

- в условиях холмистой и горной местности с высотой скатов переменной крутизны до 4,5 км и углами скатов до 30°;

- днем, ночью и в сумерках;

- при температуре окружающей среды от -40 до + 50°С;

- при влажности воздуха до 98%;

- при скорости ветра у земли до 15 м/с любого направления.

На основании приведенного ряда областей применения и возможных задач БЛА в гражданских сферах деятельности сформулируем перечень областей применения БЛА, при решении назначенных задач в которых, характеристики движения БЛА будут адекватны характеристикам при их применении во всех возможных сферах деятельности (табл. 1).

Анализируя материалы, представленные в табл. 1, можно конкретизировать (выбирая наиболее сложные с точки зрения формирования основных требований к характеристикам движения) возможные задачи БЛА:

- наблюдение или поиск объекта разведки на участке земной (в том числе и горной местности), водной, морской и ледовой поверхности на большой площади или протяженности, его обнаружение, распознавание и высокоточное определение координат. Важнейшим показателем при наблюдении является отсутствие перерыва наблюдения, а при выполнении поиска – отсутствие не обследованных («выпавших») участков поверхности;

- наблюдение за стационарными объектами в период длительного промежутка времени;

- наблюдение за движущимися объектами с периодическим (если потребуется) определением их координат.

Важнейшим показателем при решении задач, указанных во 2 и 3 дефисах, является отсутствие перерыва наблюдения за объектами.

Увеличить gulevich082008-1.gif (51кб)

Предварительные исследования показали, что для решения перечисленных задач в указанных областях деятельности применим средневысотный БЛА, умеренной размерности (размах крыла – до 5,5 м; длина летательного аппарата – до 5 м; высота до 1,5 м), сравнительно небольшой взлетной массой (180 - 200 кг.), оснащенный силовой установкой с поршневым двигателем (мощностью ~ 40 л.с.), близкий по обликовым характеристикам к военным тактическим разведывательным БЛА. Такой летательный аппарат сможет эффективно и экономически целесообразно выполнять перечисленные выше задачи, включая наиболее сложные (наблюдение за стационарными объектами в период длительного промежутка времени и т.д.).

Поэтому обоснование требований к характеристикам движения БЛА проведем для гипотетического БЛА, имеющего выше перечисленные габаритно-массовые и тяговые характеристики.

Кроме того, при обосновании требований к характеристикам движения БЛА будем рассматривать ведение разведки при вертикальном положении оптической оси аппаратуры разведки, как обеспечивающее наилучшее качество изображения.

Обоснование требований к летно-техническим характеристикам беспилотных летательных аппаратов

Под летно-техническими характеристиками (ЛТХ) понимается совокупность летных данных летательного аппарата, определяющих его технические возможности по выполнению задач по предназначению во всей области ожидаемых условий эксплуатации.

Из всего перечня ЛТХ БЛА остановимся на характеристиках, обуславливающих требования к их характеристикам движения с учетом целевого предназначения.

К ним относятся в первую очередь:

- диапазон скоростей;

- диапазон высот;

- практическая дальность полета;

- практическая продолжительность полета.

Проведем обоснование требований к ЛТХ БЛА исходя, прежде всего, из условий надежного выполнения предназначенных задач (табл. 1).

Диапазон скоростей. В соответствии с перечнем назначенных задач, диапазон скоростей БЛА должен быть от минимальной возможной (для сопровождения движущихся объектов различных типов) до максимальной возможной (для сокращения времени наблюдения при обследовании ограниченных участков большой площади и продолжительности), например, от 40 до 250 км/ч.

Однако добиться требуемого диапазона практически невозможно, так как на данный диапазон накладываются ограничения, связанные с выбором аэродинамической схемы, ее габаритно-массовых характеристик и условий безопасности применения.

Если нет тактических ограничений по диапазону скоростей полета, то его пределы ориентировочно выбираются из следующих соображений:

- верхний предел – неприемлемые большие перегрузки в разворотах с заданным радиусом;

- нижний предел – чрезмерно большие линейные размеры БЛА из-за увеличения размаха и площади крыла.

При выборе рационального диапазона скоростей БЛА с учетом перечисленных выше ограничений, важнейшее значение имеет определение минимальной и максимальной скоростей полета БЛА по условиям безопасности применения.

Минимально допустимая скорость полета БЛА, по условиям безопасности применения, определяется предельно допустимым углом атаки, который может назначаться по различным физическим причинам: по возможности сваливания, по началу неустойчивости по перегрузке, по ухудшению поперечной управляемости на больших углах атаки, по устойчивости работы силовой установки. Кроме того, при маневрировании используется еще один вид ограничения минимальной скорости (так называемая эволютивная скорость), от есть наименьшая скорость в процессе выполнения маневра, при которой управляемость БЛА еще обеспечивает его безопасное завершение.

Из всего перечня перечисленных причин на начальном этапе исследований можно ориентировочно определить только минимальную скорость сваливания в режиме горизонтального полета:

и минимальную скорость при маневре:

Для БЛА рассматриваемой массы и ожидаемых аэродинамических и габаритных характеристиках (например, Cy max = 2, S = 2,5м2) на высоте 500 м.

Увеличить gulevich082008-4.gif (2кб)

Исходя из данных предварительных соображений, можно сделать вывод, что минимальная скорость полета должна быть в диапазоне 130 – 135 км/ч.

Максимальная допустимая скорость полета БЛА по условиям безопасности применения определяется ограничениями, в основном, двух видов: по максимальному допустимому скоростному напору и по максимальному допустимому числу М полета.

Ограничения по максимальному допустимому скоростному напору связаны с местной прочностью БЛА (обшивка и каркас летательного аппарата), а также с недостаточной жесткостью конструкции БЛА, вследствие чего ухудшается эффективность органов управления, либо возникают нарастающие изгибно-крутильные колебания, приводящие, как правило, к разрушению летательного аппарата.

Ограничение скорости по числу М полета связано с обеспечением устойчивости и управляемости БЛА, а также надежной работы силовой установки [1].

На основании анализа характеристик разработанных БЛА нормальной аэродинамической схемы, оснащенных поршневыми двигательными установками, с массово-габаритными характеристиками: размах крыла – до 5,5 м; длина летательного аппарата – до 5 м; высота до 1,7 м, взлетная масса – 200 кг, можно заключить, что максимальная скорость полета БЛА должна быть в диапазоне 200 – 220 км/ч.

Таким образом, диапазон скоростей БЛА при выполнении задач по предназначению во всей области ОУЭ должен быть 130 – 220 км/ч, а крейсерская скорость – 140 км/ч.

Диапазон высот. При выборе диапазона высот полета БЛА целесообразно определить диапазон:

- высот полета в режиме управления высотой по информации от радиовысотомера;

- диапазон высот полета в режиме управления высотой по информации от барометрического корректора высоты.

Диапазон высот полета в режиме управления высотой по информации от радиовысотомера определяется:

- минимально допустимой безопасной высотой полета, выбираемой из условия обеспечения необходимого запаса высоты полета при облете естественных и искусственных препятствий, то есть 50 – 60 м;

- верхним пределом диапазона измерения высоты радиовысотомером малых высот, то есть 1500 м (высотомеры А-052, А-053 и др.);

- верхним пределом диапазона ведения разведки аппаратурой разведки, так как режим управления высотой по информации от радиовысотомера является основным режимом при решении задач БЛА по предназначению (за счет лучшей стабилизации высоты полета).

Диапазон ведения разведки современных средств разведки для решения задач, когда требуется линейное разрешение на местность порядка 20 – 50 см, составляет 500 – 1500 м. Поэтому диапазон высот полета БЛА в режиме управления высотой по информации от радиовысотомера (диапазон высот над уровнем земли) составляет 60 – 1500 м.

Диапазон высот полета в режиме управления высотой по информации от барометрического корректора высоты определяется:

- минимально допустимой безопасной высотой полета, выбираемой из условия обеспечения необходимого запаса высоты при облете естественных и искусственных препятствий с учетом погрешности измерения высоты полета барометрическим высотомером, то есть ~100 м;

- максимальной высотой полета над уровнем моря, выбираемой из условия обеспечения необходимого запаса высоты полета при облете горных возвышенностей высотой 4,5 км, то есть 5000 м.

Таким образом, диапазон высот полета БЛА над уровнем земли составляет 60 – 1500 м, максимальная высота над уровнем моря – 5000 м.

Практическая дальность полета. Практическую дальность полета БЛА ориентировочно можно определить, исходя из следующих соображений:

- при заданной полетной массе БЛА, равной 200 кг, максимально возможный запас топлива будет не менее 50 – 60 кг;

- ожидаемый километровый расход топлива – не более 0,06 кг/км.

С учетом расхода топлива на земле перед взлетом, величины гарантийного технического запаса топлива, не вырабатываемого запаса можно ожидать величину практической дальности полета ~ 900 км.

Практическая продолжительность полета. Практическая продолжительность полета при крейсерской скорости 140 км/ч, часовом расходе топлива 9 кг/ч будет составлять ~ 6,6 ч.

Результаты выбора ЛТХ БЛА представлены в табл. 2.

Увеличить gulevich082008-5.gif (12кб)

Обоснование требований к величинам перегрузок БЛА при выполнении задач по предназначению

Алгоритм расчета при развороте. При установившемся развороте в горизонтальной плоскости центробежная сила должна быть уравновешена горизонтальной проекцией результирующей силы, действующей по направлению к центру разворота, а масса БЛА – ее вертикальной проекцией. Результирующая сила включает в себя, в общем случае, аэродинамические силы и силу тяги двигателя, проекция которой на оси подъемной силы и боковую ось в предварительных расчетах не учитываются из-за их малости и неопределенности.

Перегрузки по осям «OYa» и «OZa» скоростной системы координат определяются из условия равновесия сил, действующих на летательный аппарат: подъемной силы Ya, боковой силы Za, массы летательного аппарата mg и центробежной силы

(рис. 1) [2]:

Увеличить gulevich082008-7.gif (3кб)

Увеличить gulevich082008-8.gif (6кб)

Рис. 1. Распределение сил при выполнении разворота

Решая уравнения (1) и (2) относительно

, получим:

Формулы (3) и (4) справедливы для правого разворота:

При левом развороте следует принимать:

В частности, для «плоского» левого разворота

В формулах (1) – (4): V – скорость полета, м/c; R – радиус разворота, м; γ - угол крена, град.; m – масса летательного аппарата,

.

Перегрузки nya и nza при развороте БЛА с креном и боковой перегрузкой легко определяются при заданных значениях V, R и γ.

Следует заметить, что возможны два варианта разворота с креном и боковой перегрузкой:

- разворот с «внешним» скольжением,

- разворот с «внутренним» скольжением.

Разворот с «внешним» скольжением, при котором nza направлена к центру разворота, а боковая сила создается за счет скольжения на внешнее, по отношению к центру разворота, крыло. В этом варианте (который целесообразен при сравнительно небольших углах крена) боковая сила «помогает» развороту, позволяя уменьшить потребный угол крена по сравнению с координированным разворотом.

Разворот с «внутренним» скольжением, при котором nza направлена от центра разворота. Целесообразен при больших углах крена. В этом случае боковая сила «помогает» удерживать массу летательного аппарата. В предельном случае, при γ = 90°, nza = – 1, nya=V²/Rg – боковая сила полностью удерживает массу летательного аппарата, а подъемная сила используется для преодоления центробежной силы, что позволяет получить минимальный радиус разворота при данной скорости.

За счет минимизации разворота путем увеличения крена принципиально возможно добиться непрерывности наблюдения местности по контрольному маршруту, но нельзя добиться непрерывности времени наблюдения.

Кроме того, следует заметить, что функционирование радиовысотомера ограничено углом крена (~ до 30°). В связи с этим стабилизация высоты полета в развороте обеспечивается барометрическим высотомером, что совершенно недопустимо при выполнении полетов в условиях горного рельефа местности в режиме полета БЛА с огибанием рельефа.

Поэтому из двух вариантов разворота с креном и боковой перегрузкой целесообразен вариант с «внешним» скольжением с углами крена до 30° при выполнении всех задач по предназначению за исключением областей применения, когда требуется решить задачи, связанные с постоянным и длительным наблюдением за стационарными объектами.

Использование разворота с креном без боковой перегрузки, то есть «координированного» разворота (nza=0, tgγ=V²/Rg, nya=1/cosγ ) нецелесообразно из-за ограничений работы радиовысотомера при больших углах крена.

При решении задач, связанных с постоянным и длительным наблюдением за стационарными объектами траектория БЛА должна представлять собой:

- многократный вираж без крена («плоский»): γ = 90°, nza = – 1, nya=V²/Rg ,который позволяет производить аэрофотосъемку или видеонаблюдение непрерывно во время виража. Следует заметить, что реализация виража без крена для некоторых аэродинамических схем может быть затруднительна из-за больших перегрузок nza при требуемых радиусах виража;

- многократный вираж с небольшим креном (~ до 20о) и боковой перегрузкой. При этом проекция местоположения БЛА должна оставаться в пределах поперечной полосы захвата местности (рис. 5б). Ведение разведки плановой аппаратурой в развороте с креном выполняется только при условии, что качество получаемого изображения удовлетворяет задаваемым требованиям.

Использование разворота с креном без боковой перегрузки, то есть «координированного» разворота при выполнении виражей нецелесообразно из-за невозможности (или ненадежности) выполнения аэрофотосъемки или видеонаблюдения в вираже, а также из-за ограничений работы радиовысотомера при больших углах крена.

Обоснование требований к величинам радиусов разворота и угловых скоростей разворота

Радиус разворота БЛА определяется из условия равновесия сил, действующих на летательный аппарат по осям OYg и OZg нормальной системы координат (рис. 1) [2].

Решая уравнения (5) и (6) относительно R, получим:

Увеличить gulevich082008-16.gif (2кб)

Для координированного разворота (nza = 0) выражение (7) примет вид:

а для «плоского» разворота (γ = 0):

Угловая скорость разворота летательного аппарата относительно вертикальной оси «OYg», вне зависимости от угла крена определяется выражением:

а время разворота:

где jразв. – угол поворота вектора скорости в горизонтальной плоскости.

Заметим, что при решении уравнений (5) и (6) ось «OZg» направлена по радиусу разворота в сторону правого крыла летательного аппарата. Поэтому при выполнении левого разворота величина

Расчет возможных перегрузок БЛА в разворотах, радиусов и угловых скоростей

Определение характеристик движения БЛА (R, nya, nza, ωразв.) выполним для наиболее «сложных», с точки зрения реализации требуемых характеристик БЛА, областей применения:

- оперативное обследование протяженных участков земной, водной, морской, и ледовой поверхности с возможным (если требуется) поиском, обнаружением, распознаванием и высокоточным определениям координат объекта (например, трещина в газовой или нефтяной магистрали);

- постоянное и длительное наблюдение за стационарными объектами.

Оперативное обследование протяженных участков земной, водной, морской, и ледовой поверхности. Основным критерием при определении характеристик движения является отсутствие необследованных участков поверхности. Исходными данными при этом являются такие технические характеристики аппаратуры разведки, как высоты ведения разведки и полоса захвата, в пределах которой обеспечивается высокое (не более 50 см.) линейное разрешение на местности (табл. 3).

Увеличить gulevich082008-22.gif (11кб)

Анализируя данные, представленные в табл. 3, видно, что наименьшую полосу захвата имеет телевизионная станция (0,3 – 1Н). Поэтому определение характеристик движения выполним для БЛА, оснащенных телевизионной станцией разведки. Кроме того, выберем наиболее «сложный» протяженный участок – участок с изгибом 90° (рис. 2*). Траектория полета БЛА будет состоять из прямолинейных участков 1-2, 3-4, 5-6, разворота с креном и плоского доворота, причем разворот БЛА начинается в точке 2, то есть точки изгиба участка разведки. Следует заметить, что на участке 2-3 аппаратура разведки неэффективна из-за большого крена.

Для определения характеристик движения БЛА зададимся величиной минимальной высоты ведения разведки – 500 м. Полоса захвата ΔZзахв. телевизионной станции на высоте 500 м будет равна 500 м (при полосе захвата равной 1Н), полузахвата – 0,5ΔZзахв. – 250 м.

Для выполнения условия отсутствия необследованных участков маршрута полета должно выполнятся условие - 0,5ΔZзахв ≥ Rγ. Из этого условия выбираем Rγ = 240 м.

__________________________________________________
________________

*Рисунки выполнены для БЛА, оснащенного аэрофотоаппаратурой

Увеличить gulevich082008-23.gif (22кб)

Рис. 2. Траектория полета БЛА при облете протяженного участка

(полет с большими углами крена)

Определим по формулам (3), (4) и (8) величины nya, nza, ωразв. при крейсерской скорости БЛА V = 140 км/ч (38,9 м/с), Rγ = 240 м. и γ = 25°:

nya = 1,18; nza = 0,16; ωразв. = 9,2°/с.

Таким образом, при оперативном обследовании протяженных участков земной, водной, морской, и ледовой поверхности характеристики движения БЛА должны быть: V = 140 км/ч (38,9 м/с), Rγ = 240 м., γ = 25°, nya = 1,18; nza = 0,16; ωразв. = 9,2 °/с.

При определении характеристик движения БЛА была выбрана аппаратура разведки с наименьшей полосой захвата, а расчет характеристик производился для минимальной высоты ведения разведки. Поэтому при выполнении полетов БЛА, оснащенных другой аппаратурой разведки (АФА, ИК), или на больших эшелонах только увеличит надежность выполнение задач по предназначению.

При оперативном обследовании участков земной, водной, морской, и ледовой поверхности большой площади для выполнения условия отсутствия необследованных участков маршрута полета, как и в предыдущем случае, должно выполнятся условие - 0,5ΔZзахв ≥ Rγ (рис. 3).

Увеличить gulevich082008-24.gif (10кб)

Рис. 3. Траектория полета БЛА при обследовании больших площадей

Поэтому характеристики движения БЛА при оперативном обследовании участков земной, водной, морской, и ледовой поверхности большой площади будут такие же, как и при оперативном обследовании протяженных участков земной, водной, морской, и ледовой поверхности:

V = 140 км/ч (38,9 м/с), Rγ = 240 м, γ = 25°, nya = 1,18; nza = 0,16; ωразв. = 9,2 °/с.

Из анализа полученных данных видно, что имеется запас как по перегрузке nya, так и по nza, который можно использовать для увеличения угла крена, и в конечном итоге, радиуса разворота.

Данные характеристики движения присущи БЛА и для других областей применения (табл. 1) за исключением задач, связанных с постоянным и длительным наблюдением за стационарными объектами.

Постоянное и длительное наблюдение за стационарными объектами. При выполнении задач в данной области применения траектория полета БЛА будет представлять собой:

- многократный вираж без крена («плоский»):

γ = 0, nya = – 1, nza=V²/Rg (9)

Для выполнении условия отсутствия необследованных участков маршрута полета должно выполняться условие - 0,5ΔZзахв ≥ Rγ (рис. 4).

Увеличить gulevich082008-25.gif (6кб)

Рис. 4. Траектория полета БЛА при постоянном и длительном наблюдении за стационарными объектами

Определим по формулам (8) и (9) величины nza, ωразв. при крейсерской скорости БЛА V = 140 км/ч (38,9 м/с), Rγ = 240 м и γ = 0°:

nza = 0,64; ωразв. = 9,2 °/с.

Возможность реализации данной перегрузки определяется на следующих этапах исследований для конкретной аэродинамической схемы БЛА, его габаритно-массовых и многих других характеристик.

Для уменьшения перегрузки nza необходимо увеличить высоту полета над стационарным объектом до ~ 800 м, при этом радиус виража составит ~ 420 м., а nza = 0,38;

- многократный вираж с небольшим креном (до 20°) и боковой перегрузкой.

Для выполнения условия отсутствия необследованных участков маршрута полета должно выполняться условие - 0,5ΔZзахв ≥ Rγ (рис. 5).

Увеличить gulevich082008-26.gif (12кб)

Рис. 5. Траектория полета БЛА при облете протяженного участка (полет с небольшими углами крена)

Определим по формулам (3), (4) и (8) величины nya, nza, ωразв. при крейсерской скорости БЛА V = 140 км/ч (38,9 м/с), Rγ = 240 м. и γ = 10°:

nya = 1,09; nza = 0,46; ωразв. = 9,2 °/с.

Работа выполнена при финансовой поддержке РФФИ, грант № 08-08-00613

Литература

1. Галашев Е. С., Лысенко Н. М., Микоян С. А., Некрасов В. И., Нечаев В. И. и др. Под редакцией Лысенко Н. М. Аэродинамика и динамика маневренных самолетов. М.: Военное издательство, 1984 – 544 с.

2. Котик М. Г., Павлов А. В., Пашковский И. М., Щитаев Н. Г. Летные испытания самолетов.- М.: Машиностроение, 1968 - 423с.