Введение в бпла лекция 1 Разработали Монгуш Д. С., Павлов А. Н
Скачать 2.78 Mb.
|
Введение в БПЛАЛекция 1Разработали: Монгуш Д.С., Павлов А.Н.Принятые сокращенияБПЛА – беспилотный летательный аппаратВПП – взлетно-посадочная полосаДВС – двигатель внутреннего сгоранияЛА – летательный аппаратРЭБ – радиоэлектронная борьбаТРД – турбореактивный двигательСодержание
ОпределениеБеспилотный летательный аппарат (БПЛА)*Это ЛА, не имеющий экипажа на борту.DJI Phantom 4 — гражданский БПЛА компании DJI (Китай) * Еще называют дрон (от англ. drone — трутень) Достоинства и недостаткиДостоинства
Parrot AR.Drone 2.0, 2010 г. Скорость . . . . . до 18 км/ч Высота . . . . . до 120 м Время полета . . . . до 12 мин. Дальность . . . . до 120 м Вес max. . . . . . 0,42 кг Стоимость . . . . 30 млн. $ Недостатки
или перехвата управленияMQ-1 Predator (США), 1994 г. Скорость . . . . . до 217 км/ч Высота . . . . . до 8 км Время полета . . . . до 40 ч. Дальность . . . . до 740 км Вес max. . . . . . 1020 кг Грузоподъемность . . 1700 кг Стоимость . . . . ≈4 млн. $ КлассификацияПо назначению:По назначению:
MQ-9 Reaper (США), 2001 г. Скорость . . . . . до 400 км/ч Высота . . . . . 15 км Время полета . . . . до 28 ч. Дальность . . . . до 6 тыс. км Вес max. . . . . . 4760 кг Грузоподъемность . . 1700 кг Стоимость . . . . 30 млн. $ По массе:По массе:
Eagle Eye (США), 1997 г. Скорость . . . . . до 322 км/ч Высота . . . . . 6 км Время полета . . . . до 5 ч. Дальность . . . . до 260 км Вес max. . . . . . 1360 кг Грузоподъемность . . 450 кг По типу управления:По типу управления:
Northrop Grumman X-47B (США), 2011 г. Скорость . . . . . до 990 км/ч Высота . . . . . до 12,2 км Время полета . . . . до 80 ч. Дальность . . . . до 3900 км Вес max. . . . . . 20 215 кг Грузоподъемность . . 2000 кг По принципу полета:По принципу полета:
С жестким крылом:С жестким крылом:Подъемная сила создается напором воздуха, набегающего на неподвижное крыло.Отличаются большой длительностью и высотой полета, высокой скоростью.Proteus (Scaled Composites, США). Есть пилотируемый и беспилотный варианты. Тандемное расположение крыльев. Длина 17,1 м, размах крыльев 28 м, высота до 16 км, нагрузка 3,2 т, взлетная масса 5,6 т, максимальная скорость 520 км/ч, длительность полета до 18 ч. Силовая установка – два ТРД тягой по 10,2 кН. С жестким крылом:С жестким крылом:Существует много БПЛА самолетного типа. Практически все компоновки самолета, которые встречаются в пилотируемой авиации, есть и в беспилотной.RQ-4 Global Hawk (Northrop Grumman, США). В носовой части фюзеляжа размещено радиолокационное, оптическое и связное оборудование. Изготовлен из углеволокна и алюминиевых сплавов Длина 13,5 м, размах крыльев 35 м, высота до 18 км, нагрузка 900 кг, взлетная масса 15 т, максимальная скорость 640 км/ч, длительность полета до 30 ч. Силовая установка – ТРД тягой 34,5 кН. С жестким крылом:С жестким крылом:В качестве движителей используются тянущие или толкающие винты, а также импеллеры или реактивные двигатели.Viking 300 (L-3 Unmanned Systems, США). Полностью из композитных материалов. Оснащен двухтактным ДВС мощностью 25 л.с. с толкающим винтом. Взлет и посадка могут выполняться с неподготовленных поверхностей. Длительность полета до 10 ч., скорость до 100 км/ч. Максимальная взлетная масса 144 кг, масса полезной нагрузки 13,5 кг. Радиус действия составляет до 75 км. С жестким крылом:С жестким крылом:Для взлета необходима ВПП, для некоторых типов – стартовые катапульты. Есть также легкие БПЛА, запускаемые «с руки». При посадке может применяться ВПП, парашют или тормозные тросы.С жестким крылом:С жестким крылом:Взлет и посадка – это процессы трудоемкие и затратные, поэтому применяют самолеты вертикального взлета и посадки (СВВП).Бывают с вертикальным (тэйлситтеры) и с горизонтальным положением фюзеляжа.Тэйлситтер SkyTote (AeroVironment, США, 2006) BattleHog 100х (American Dynamics, США, 2006) С жестким крылом:С жестким крылом:Также существуют БПЛА с жестким зонтообразным крылом, использующие эффект Коанды.**Анри Коанда – румынский учёный, обнаруживший этот эффект в 1932 г. Над крылом установлен вентилятор или реактивный двигатель, создающий поток воздуха, выходящий через узкую щель и настилающий криволинейную поверхность. С жестким крылом:С жестким крылом:В Великобритании фирмой AESIR испытан БПЛА Embler. Корпус – из углепластика. Привод вентилятора – электромотор. Время полета до 10 мин. Управление рысканьем – с помощью заслонок в выходной щели вентиляторного канала, управление креном и тангажом – с помощью четырех закрылков у кромки зонтообразной поверхности.С жестким крылом:С жестким крылом:Также компания AESIR объявила о построении крупного БПЛА Hoder. Он будет иметь 2 вентиляторных движителя, приводимых от ДВС. Угол расположения лопаток вентиляторов регулируемый для управления полетом. Собственная масса 1500 кг, масса полезной нагрузки 500 кг. Продолжительность полета до 8 ч.С гибким крылом:С гибким крылом:Это дешевые и экономичные ЛА, в которых используется не жесткое, а гибкое (мягкое) крыло из ткани, эластичного или композитного полимерного материала.Среди них можно выделить:
С гибким крылом:С гибким крылом:Моторизованные парапланы имеют управляемое прямоугольное или эллипсовидное парашют-крыло, снабжённое мототележкой с воздушным винтом для автономного разбега и самостоятельного полёта.Достоинство – экономичность. Снабжены ДВС, способны долгое время медленно барражировать над объектом, производя, например, видеосъемку. Для взлета требуется площадка длиной всего 2-3 м.Недостаток – трудность управления, т.к. нет жесткой связи с крылом, а также зависимость от погодных условий (ветра). Беспилотные мотопарапланы фирмы Atair Aerospace С гибким крылом:С гибким крылом:Моторизованный дельтаплан – его крыло имеет три трубы, соединённые в передней точке и образующие «веер» с углом 90..140º. Между трубами натянута прочная ткань. Крыло крепится на тележку, на которой смонтированы двигатель с винтом. Управляется с помощью дополнительных аэродинамических элементов, небольшой деформацией крыла или с помощью перемещаемого центра тяжести.Скорость до 130 км/ч, высота полёта до 6 км. Проще и стабильнее в управлении, чем парапланы. БПЛА вертолетного типа:БПЛА вертолетного типа:Одновинтовая схема наиболее распространена.Достоинства: простота конструкции и системы управления.Недостатки: большие габариты; потеря мощности на рулевом винте (до 10%); уязвимость рулевого винта при полете у земли.Вместо рулевого винта может быть фенестрон или система NOTAR.RQ-8A Fire Scout (Northrop Grumman, США, 2005) БПЛА вертолетного типа:БПЛА вертолетного типа:Двухвинтовая соосная схема:Достоинство: малые габариты.Недостатки: сложная трансмиссия и управление; недостаточная устойчивость на авторотации.КО АХ Х-240 (Swiss UAV, Швейцария, 2010) БПЛА вертолетного типа:БПЛА вертолетного типа:Двухвинтовая поперечная схема:Достоинства: симметрия схемы; экономичность; высокая грузоподъемность.Недостатки: сложность конструкции; необходима синхронизация винтов; дополнительная масса и лобовое сопротивление фермы, поддерживающей крыло.БПЛА вертолетного типа:БПЛА вертолетного типа:Двухвинтовая продольная схема:Достоинство: большой объем грузовой кабины.Недостатки: сложная трансмиссия; необходима синхронизация вращения винтов; большие индуктивные потери при горизонтальном полете; сложная посадка при авторотации.DP-6 Whisper (Dragonfly Pictures, США, 2007) БПЛА вертолетного типа:БПЛА вертолетного типа:Реактивный вертолет:Достоинства: простая трансмиссия; малый вес.Недостатки: сложная конструкция несущего винта и двигателей; большой расход топлива; шум при работе.ORCA (Swiss Unmanned Systems, Швейцария, 2011) БПЛА вертолетного типа:БПЛА вертолетного типа:Вертолет с крылом:Для увеличения скорости полета разгружают несущий винт постановкой крыла.Винтокрылы:Винтокрылы:Для увеличения скорости используют крылья и дополнительные тянущие двигатели. Подъемная сила при вертикальном полете создается несущим винтом, а при горизонтальном – крылом с дополнительными тянущим (толкающим) винтом.Sikorksy S-97 Raider (США, 2014). Пилотируемый и беспилотный винтокрыл. Максимальная скорость 490 км/ч. Автожиры:Автожиры:Вместо крыла используется свободно вращающийся винт. Есть также маршевый тянущий (толкающий) винт, который сообщает автожиру горизонтальную скорость.Беспилотный автожир «Химик» (Россия, 2012) Конвертопланы:Конвертопланы:ЛА с поворотными винтами, которые на взлёте и при посадке работают как подъёмные, а в горизонтальном полёте – как тянущие.Smart с поворотными винтами типа Tiltrotor (Южная Корея, 2011) AD-150 с поворотными импеллерами (American Dynamics, США, 2008) Tiltwing на вертикальном взлете (GH Craft, Япония, 2008) Spirit - БПЛА типа Freewing (Flight Technologies, США) Мультикоптеры:Мультикоптеры:Имеют больше двух несущих винтов.Трикоптер обычно движется двумя винтами вперед, а третий является хвостовым. Первые два винта имеют противоположные направления вращения и взаимно компенсируют реактивные моменты, у хвостового винта пары нет, поэтому для компенсации реактивного момента ось вращения этого винта немного наклоняют в сторону, противоположную направлению закручивания.Трикоптер и сервопривод отклонения его хвостового ротора Мультикоптеры:Мультикоптеры:Однако есть другие схемы, в которых корпуса всех двигателей жестко зафиксированы на своих местах. Причем все двигатели имеют симметричные им относительно горизонтальной плоскости двигатели с толкающими винтами, направленными вниз. Управление курсовым углом осуществляется изменением частоты вращения винтов.У6-коптер Мультикоптеры:Мультикоптеры:Квадрокоптер ‒ самая распространенная среди мультикоптеров схема. Четыре жестко зафиксированных ротора дают возможность организовать довольно простое управление.Квадрокоптер с видеокамерой Мультикоптеры:Мультикоптеры:В схеме «+»один из роторов является передним, противоположный ему – задним, и два ротора являются боковыми. В схеме «х» передними являются одновременно два ротора, два других являются задними, а смещения в боковом направлении также реализуются одновременно парой соответствующих роторов. Мультикоптеры:Мультикоптеры:Управление частотами вращения винтов для схемы «+» проще, чем для схемы «х», однако последняя используется все же чаще из-за преимуществ: фюзеляж может иметь вытянутую форму, бортовая видеокамера имеет более свободный обзор. Мультикоптеры:Мультикоптеры:Принцип движения квадрокоптера схемы «х»:Одна пара винтов вращается по часовой стрелке, другая – против. Если частоты вращения пар одинаковы, то аппарат неподвижен относительно вертикальной оси. Если увеличить частоту вращения одной пары, а другой – уменьшить на ту же величину (чтобы сохранить общий вертикальный вектор тяги неизменным), то будет поворот влево или вправо вокруг вертикальной оси. При одновременном одинаковом изменении частот вращения всех винтов будет подъем или снижение квадрокоптера. Для движения в сторону двигатель, соответствующий направлению желаемого смещения, уменьшает частоту вращения, противополжный ему – увеличивает, у двух других – частота не изменяется. Мультикоптеры:Мультикоптеры:Оборудование квадрокоптера:Команды, принятые приемником, поступают в полетный контроллер в виде широтно-импульсного сигнала. Здесь они с учетом текущей навигационной информации (получаемой от встроенных гироскопов и акселерометров), а также с учетом сигналов с модуля GPS (опционально) преобразуются в широтно-импульсные сигналы управления двигателями, которые подаются на контроллеры частоты вращения двигателей (ESC – Engine Speed Control). Мультикоптеры:Мультикоптеры:Оборудование квадрокоптера:Назначение ESC – преобразование управляющих широтно-импульсных сигналов в синусоидальные трехфазные напряжения для обмоток бесколлекторных электродвигателей. Типичный источник питания – это литий-полимерные аккумуляторы. Потребляемые токи – от единиц до сотен ампер. Мультикоптеры:Мультикоптеры:Основное назначение мультикоптеров – это фото- и видеосъемка, поэтому их обычно оснащают управляемыми подвесами для камер.Компоновка оборудования может быть самой различной. Модуль GPS обычно выносят отдельно как можно дальше от сильноточных цепей. Для защиты пропеллеров предусматривают специальные ограждения.Для увеличения подъемной силы и повышения живучести часто объединяют на одной балке тянущий и толкающий винты.Квадрокоптер с защитой пропеллеров (вверху – GPS-модуль) Квадрокоптер схемы «х» с совмещенными тянущими и толкающими винтами Мультикоптеры:Мультикоптеры:Гексакоптеры и октокоптеры имеют соответственно по 6 и 8 роторов, обладают большей грузоподъемностью по сравнению с квадрокоптерами. Способны устойчиво лететь при выходе из строя одного ротора. Отличаются гораздо меньшим уровнем вибраций, что особенно важно для видеосъемки.Гексакоптер Октокоптер С машущим крылом:С машущим крылом:Копируют движения, создаваемые в полете птицами и насекомыми. В этом классе БПЛА пока нет серийно выпускаемых аппаратов, но во всем мире проводятся интенсивные исследования в этой области. Появилось большое количество разных интересных концептов малых БПЛА с машущим крылом. Главные преимущества, которые имеют птицы и летающие насекомые перед существующими ЛА – это энергоэффективность и маневренность. Если разработчики «машущих» БПЛА смогут по этим показателям приблизиться к живой природе, то этот класс аппаратов начнет находить свое применение.ЛА, основанные на имитации движений птиц, называют орнитоптеры (англ. ornithopter), а ЛА, в которых копируются движения летающих насекомых – энтомоптеры (англ. entomopter).С машущим крылом:С машущим крылом:Орнитоптеры:Механическому привод крыльев должен обеспечивать необходимый набор движений и при этом быть простыми и легкими. Кроме махов вверх/вниз, система управления должна реализовывать режим парения, для того, чтобы ЛА мог максимально эффективно использовать набегающие и восходящие потоки воздуха.Орнитоптер SmartBird (Festo, Германия, 2011) способен не только летать, но и совершать самостоятельные взлет и приземление. Крылья движутся вверх/вниз, а также поворачиваются вокруг собственной оси. Имеет длину 1 м, размах крыльев 2 м, массу 450 г. Питание – от литий-полимерных аккумуляторов (7,4 В). Потребляемая мощность при маховых движениях всего 23 Вт, в режиме парения еще меньше – 18 Вт. С машущим крылом:С машущим крылом:Энтомоптеры:Подразделяются на имитаторы 4-хкрылых и 2-хкрылых насекомых.4-хкрылые (стрекозы, бабочки) совершают более сложные движения, чем двукрылые, и маневренность у них гораздо выше.Энтомоптер Вionicopter (Festo Германия, 2013). Длина 44 см, размах крыльев 63 см. Частота взмахов крыла 15..20 Гц. Масса 175 г. Питание – от Li-Po аккумулятора 7,4 В. Крылья выполнены из углеродного волокна и полиэфирной плёнки. Управляется от смартфона. Имеет встроенный ARM-микроконтроллер для стабилизации полёта. Оснащен одним основным электродвигателем и восемью сервоприводами. Имеется набор сенсоров для предотвращения столкновений. С машущим крылом:С машущим крылом:Энтомоптеры:Каждое крыло BionicOpter, кроме маховых движений, может совершать вращательные движения вокруг своей оси и угловые перемещения в горизонтальной плоскости. Кроме того, хвостовая часть может изгибаться, меняя положение центра тяжести.Аппарат очень маневренный, может мгновенно зависать на месте и перемещаться в любую сторону, не изменяя угла тангажа.С машущим крылом:С машущим крылом:Энтомоптеры:Разработки энтомоптеров идут в направлении уменьшения размеров. Здесь все достижения еще впереди. Появление новых сверхлегких материалов, источников питания, наноэлектроники и интеллектуального управления в ближайшие годы позволят создать микроминиатюрные энтомоптеры, приближающиеся к живым существам и по выполняемым функциям, и по размеру.Микро-БПЛА Mobee (Harvard Microrobotics Lab, США, 2011). Изготовлен по интегральной многослойной технологии. В основе – тонкая углепластиковая пластина, в которой лазером сделаны необходимые вырезы, затем нанесено еще множество металлических и неметаллических слоев, формирующих необходимые электронные и микроэлектромеханические устройства, включая сенсоры, радиотехнические устройства и актуаторы крыльев. Аэростатические:Аэростатические:Подъемная сила равна архимедовой силе, действующей на баллон, заполненный легким газом (гелием).Этот класс представлен беспилотными дирижаблями.Дирижабль – это ЛА легче воздуха, комбинация аэростата с движителем (винтом с электродвигателем или ДВС) и системы управления ориентацией.По конструкции дирижабли бывают:
Аэростатические:Аэростатические:В мягких дирижаблях неизменяемость внешней формы достигается избыточным давлением газа, постоянно поддерживаемым баллонетами – мягкими ёмкостями, расположенными внутри оболочки, в которые нагнетается воздух. Баллонеты также служат для регулирования подъемной силы и управления углом тангажа.Аэростатические:Аэростатические:Мягкий дирижабль Skyship 600 (Airship Industries, Британия, 1984). Изготовлен из кевлара и композитных материалов. Используется в рекламных целях. Он может быть как пилотируемым, так и беспилотным. Имеются бортовые видеокамеры, которые позволяют производить круглосуточный мониторинг территорий.Длина 66 м, высота 22 м; объем оболочки 7600 м3; крейсерская скорость 64 км / ч; потолок 2100 м; дальность полета 644 км; двигатели 2хPorsche930 мощность по 255 л.с. Управляется с помощью баллонетов, поворотных элементов хвостового оперения, а также двумя отклоняемыми импеллерами. Аэростатические:Аэростатические:Полужёсткие дирижабли имеют в нижней части оболочки жесткую ферму.Дирижабль ДП-27 «Анюта». Дисковидная форма обеспечивает устойчивость к боковому ветру, простоту управления и высокую маневренность. Диаметр 17 м объём оболочки 522 м3, грузоподъёмность 200 кг, высота полет до 800 м.С помощью 4 двигателей по 25 л.с. развивает скорость до 80 км/ч, бензобак объемом 40 л, дальность полета до 300 км.Аэростатические:Аэростатические:В жёстких дирижаблях неизменяемость внешней формы обеспечивается жестким каркасом, обтянутым тканью, а газ находится внутри жёсткого каркаса в баллонах из газонепроницаемой материи.Беспилотные жесткие дирижабли пока практически не применяются.Гибридные:Гибридные:Dynalifter DL-100 – гибрид дирижабля и самолета (Ohio Airships, США). Для взлета/посадки нужна ВПП. По сравнению с дирижаблями устойчив к ветровым нагрузкам. По сравнению с самолетом способен летать на очень низких скоростях при малых энергетических затратах.Гибридные:Гибридные:Проект БАРС - гибрид дирижабля, самолета, вертолета и судна на воздушной подушке (СибНИИА и ОАО «Тюменьэкотранс», Россия) .Были исключены такие недостатки дирижабля, как парусность, сложная система обслуживания; самолета – необходимость в аэродроме; вертолета – небольшая дальность и дороговизна перевозок. Обеспечено безаэродромное базирование и эксплуатация с любой ровной поверхности (воды, болота, снега, грунта). Сохранение элементов самолета (крыло) и дирижабля (подъемный газ) обеспечило большую грузоподъемность (до 500 т), скорость (до 300 км/ч) дальность (до 4500 км) и высокую экономичность перевозок.Гибридные:Гибридные:Гибрид дирижабля и дельтаплана (Nimbus, Италия, 2013).Достоинства: легкость, экономичность, способность летать на низких скоростях, бесшумность, простота транспортировки, низкая стоимость.Недостаток: невозможность полета при сильном ветре.Гибридные:Гибридные:Р-791 – гибрид самолета и дирижабля (Lockheed Martin, США, 2010). Разрабатывается в пилотируемом и в беспилотном вариантах. Для взлёта необходима ВПП. Для надёжной посадки используются 4 воздушные подушки-присоски. Обладает большой грузоподъёмностью – до 1000 т (проект «Морж» Walrus).Области примененияНаучные:Научные:Используются для получения новых знаний, причем не имеет значения то, из какой области эти знания и где они потом будут применены. Это могут быть испытания новой техники или наблюдения за природными явлениями.Прикладные:Прикладные:Военные:
Прикладные:Прикладные:Гражданские – разделены на 5 групп:
Прикладные:Прикладные:
Прикладные:Прикладные:
Прикладные:Прикладные:
Фильмы к просмотру:Фильмы к просмотру:
Интернет-ресурсы:Интернет-ресурсы:
Спасибо за внимание!!!Спасибо за внимание!!! |