Влияние унификации на выбор БПЛА в эксплуатации

Введение. В настоящее время все большую распространенность набирают беспилотные летательные аппараты. Спектр их применения значителен: от простого развлечения до выполнения целевых задач разного направления. Основным экономическим эффектом является их дешевизна в использовании. В сравнении с авиацией беспилотники потребляют меньше энергоресурсов. Эксплуатировать их может один человек. В гражданской сфере в настоящее время их используют в основном для аэрофотосъемки и наблюдения с воздуха.

В мире БПЛА используются уже на протяжении 90 лет, но до сих пор вопросам унификации уделяется недостаточно внимания, что привело к несообразно большому числу образцов БПЛА.

Летные характеристики зависят от множества критериев: максимальная взлетная масса, продолжительность и протяженность полета, сопротивляемость ветру, дальность передачи радиосигнала, потолок высоты. Исходя из этих критериев, производится выбор под конкретную целевую задачу.

Российская универсальная классификация БПЛА имеет только два основных классификационных параметра: взлетная масса и радиус действия. Для выполнения большинства задач данная классификация является неполной.

Гражданские БПЛА для аэрофотосъемки и наблюдения, согласно Российской универсальной классификации, попадают в класс микро и мини. В этом классе максимальная взлетная масса составляет до 5 кг.

Международная классификация UVSI 2004 года является более подробной и имеет параметры: взлетная масса, дальность полета (радиосигнала), высота полета и продолжительность полета. Отличительной особенностью является деление по взлетной массе: до 0,15 кг в классе нано, до 5 кг а классе микро, от 20 до 150 кг в классе мини. При этом наблюдаются большие пробелы по взлетной массе, где в ряде диапазонов взлетных масс вообще не предлагается ни одного образца.

Унификация по типам. Первичная классификация БПЛА в интересах выбора для эксплуатации может быть проведена по компоновочным схемам с целью оценки их основных положительных и отрицательных характеристик при проведении целевых операций. Независимо от максимальной взлетной массы, то есть основного показателя категории, во всех существующих классификациях БПЛА традиционно делятся на типы основных компоновочных схем:

- самолетный тип;

- вертолетный тип;

- мультироторный тип;

- конвертоплановый тип;

- аэростатический тип.

Заметим, что для выполнения определенных конкретных задач достоинства одной конструкции могут не играть существенной роли, а недостатки - не учитываться.

Самолетный тип компоновочной схемы имеет три основных вида аэродинамической схемы:

- нормальная (классическая);

- летающее крыло;

- бесхвостка.

Влияние аэродинамической схемы на летные характеристики БПЛА до 20 кг в сравнении с большой авиацией не так значимо. Далее влияние растет пропорционально максимальной взлетной массе. При увеличении взлетной массы требуется большая устойчивость, управляемость и сопротивляемость ветру. У беспилотников данных классов аэродинамическая схема влияет исключительно на маневренность и управляемость. Сопротивление ветру у всех схем практически одинаково и составляет не более 15 м/с.

Основными достоинствами самолетного типа являются продолжительность и протяженность полета. По сравнению с мультироторным типом продолжительность полета в среднем больше в три раза. Таких же показателей достигает протяженность. Данные результаты достигнуты за счет большей энергоэффективности силовой установки: в отличие от других типов силовая установка одна, и ей не требуется создавать подъемную силу, которая создается на крыле. Данный тип широко применяется для обследования больших территорий.

Основными недостатками данного типа БПЛА являются невозможность обследовать вертикальные конструкции, зависать в воздухе для фокусировки на определенной точке, сложность в управлении, необходимость навыка и дополнительного оборудования для взлета и посадки. Существует большой риск утраты аппарата при неправильном пилотировании, так как данный тип не запрограммирован на автоматическую посадку при окончании ресурса батареи, а также из-за неправильно осуществленного запуска и посадки. Запуск производится либо с рук, либо с помощью специальной пусковой установки (т.н. рогатки), что определяет еще один недостаток: необходимость переноса и хранения рогатки. Применение данного типа пусковой установки увеличивает стоимость и продукта в целом, и его эксплуатации. Посадка производится либо на руки, то есть оператор должен поймать аппарат, при этом не повредив ни его, ни себя, либо на парашюте. Посадка на парашюте также небезопасна, так как порывом ветра аппарат может перевернуться или его может унести на деревья или в воду. Данные основания могут считаться ограничением эксплуатации БПЛА самолетного типа в определенных условиях под определенные целевые задачи.

Вертолетный тип компоновочной схемы имеет две основных конструктивных схемы:

- одновинтовая схема с рулевым винтом;

- соосная схема.

Одновинтовая схема с рулевым винтом представляет собой большой горизонтальный несущий винт над корпусом и небольшой рулевой винт, вынесенный на балке за пределы корпуса. Данная схема представлена на рынке в единичных экземплярах из-за нецелесообразности ее использования: силовая установка не обеспечивает нужной грузоподъемности, а энергоресурс быстро иссякает.

Соосная схема состоит из двух вращающихся в противоположную сторону, находящихся друг над другом, несущих винтов над корпусом. Такая схема также представлена единичными экземплярами по той же причине, что и одновинтовая.

Парадокс данного типа в том, что обе схемы применяются либо в классе нано, то есть их взлетная масса не достигает 250 грамм, либо в классе средних и тяжелых, где взлетная масса составляет минимум 300 кг. Этот парадокс имеет место вследствие того, что в легком классе, представленным в большинстве своем детскими игрушками, не требуется дополнительная полезная нагрузка, а вся конструкция рассчитывается под несение собственного веса. Также не требуется большой радиус действия радиопередатчика и большая продолжительность полета. Как следствие, батарея и радиопередатчик весят считанные граммы. Чтобы нести даже небольшую полезную нагрузку требуется более мощная силовая установка, которая имеет большие габариты и большую массу. Следовательно, весь БПЛА будет иметь большую взлетную массу. Но даже в этом случае использование вертолетного типа нецелесообразно вследствие относительно больших габаритов, большого расхода ГСМ, неустойчивости в полете, непродолжительности полета. Данный тип БПЛА в основном используется в целях проведения НИОКТР, где имеет устойчивый спрос.

Мультироторный тип (коптер) компоновочной схемы представляет собой конструкцию с разным количеством вынесенных балок за пределы корпуса, на которых располагаются несущие винты. Признаком классификации является число винтов:

- трикоптер (3 винта);

- квадрокоптер (4 винта);

- гексакоптер (6 винтов);

- октокоптер (8 винтов).

Существует два варианта расположения винтов на балках:

- классическое расположение;

- соосное расположение.

В классическом расположении винт находится на конце балки сверху. В соосном расположении два винта находятся на конце балки сверху и снизу и вращаются в противоположные стороны.

При соосном расположении винтов показатель тяговооруженности выше.

Винтов, в принципе, может быть и больше. Однако в этом нет необходимости, так как основные схемы обеспечивают эффективное решение почти всех поставленных задач.

Основными достоинствами данного типа являются грузоподъемность, высотный потолок, сопротивляемость ветру и, самое главное, возможность зависать в воздухе и фокусироваться на одной точке. Данная компоновочная схема является оптимальным вариантом для обследований вертикальных конструкций и сооружений, а также для наблюдения за небольшой территорией.

Главными недостатками данного типа является непродолжительность полета. Это связано с высоким потреблением силовыми установками энергетического ресурса. Именно поэтому на коптеры устанавливаются относительно слабые радиопередатчики, дальность передачи которых в приведенных классах не превышает 10 км при идеальных метеоусловиях и невыраженном рельефе. Ограниченный запас энергоресурса не является большой проблемой, так как потребная протяженность полета у данного типа невелика.

Коптер без затруднений сажается рядом с оператором, после чего производится замена модуля батареи или заправка бензином.

Некоторые БПЛА мультироторного типа являются проводными, т.е. получают питание с земли при помощи кабеля. В данном варианте время полета ограничено только летным ресурсом агрегатов коптера. Данный тип компоновочной схемы является самым устойчивым в полете и может работать при ветре до 40 м/с.

Конвертоплановый тип компоновочной схемы является синергией самолетного и мультироторного типов. Конвертоплановый тип можно разделить по способу установки винтов:

- балочная схема;

- крыльевая схема.

Балочная схема представляет собой одну из аэродинамических схем самолетного типа, на крыле которой располагаются балки с винтами, как в мультироторном типе.

Крыльевая схема имеет два параллельных крыла, на которые устанавливаются винты в классическом расположении или в соосном расположении. Фактически балки являются крыльями.

Данный тип компоновочной схемы является универсальным для множества задач. В нем имеются практически все положительные характеристики самолетного и мультироторного типов, а именно: продолжительность полета, протяженность полета и радиус полета.

Конвертопланы уступают коптерам в высоте полета и сопротивляемости ветру.

Достоинством конвертопланов является возможность зависнуть в воздухе и сфокусироваться на определенной точке на дальнем расстоянии. Взлет и посадка производится вертикально, без риска утери БПЛА. Могут выполняться мониторинговые задачи как в горизонтальной и в вертикальной плоскости.

Недостатком является дороговизна производства и эксплуатации, связанных с установкой агрегатов двух компоновочных схем. В процессе эксплуатации данный недостаток нивелируется выполнимостью широкого круга поставленных задач для обоих типов компоновочной схемы.

Аэростатический тип компоновочной схемы представляет собой баллон с летучим газом и прикрепленной к нему гондолой. Представлен двумя видами:

- невозвратные (неуправляемые);

- возвратные (управляемые).

Невозвратные БПЛА аэростатического типа имеют взлетную массу в несколько килограмм. Это, как правило, метеозонды, которые запускаются с определенным набором датчиков и предают информацию до исчерпания баллоном летного ресурса, после чего просто падают на землю. В аэрофотосъемке не используются.

Возвратные аппараты имеют гондолу с силовой установкой и механизацией. Их используют в качестве грузовиков-орошателей в сельском хозяйстве. Скорость данных аппаратов невелика, а грузоподъемность зависит от размера баллона. Эксплуатация достаточно дорогая, поэтому многими специалистами считается их использование нецелесообразным. Нецелесообразной также считается эксплуатация в целях аэрофотосъемки.

Унификация БПЛА на примере аэрофотосъемки. Существующие классификации являются неполными для технико-экономического выбора при проведении аэрофотосъемки. Здесь предлагается использовать актуальные признаки унификации, разработанные в ходе анализа рынка общедоступных БПЛА для аэрофотосъемки.

Проведенный анализ рынка выявил, что взлетная масса подавляющего большинства аэрофотосъемочных БПЛА не превышает 10 кг. Предлагается деление данного показателя на три класса:

- класс нано: до 0,15 кг;

- класс микро: 0,15 кг – 5 кг;

- класс мини: 5 кг – 10 кг.

Класс нано выделен в самостоятельный, т.к. здесь не требуется регистрации беспилотного воздушного судна и получения разрешения на полет. Такие беспилотники могут эксплуатироваться любым пользователем в экстренных ситуациях без нарушения законов.

Классы микро и мини формируется по максимальной взлетной массе, от которой зависят прочие летные характеристики, среди которых выделим следующие важные для эксплуатации характеристики:

- продолжительность полета (мин);

- протяженность полета (км);

- сопротивление ветру (м/с);

- высота полета (м);

- скорость полета (км/ч);

- радиус полета/радиус передачи радиосигнала (км).

При увеличении максимальной взлетной массы увеличивается продолжительности полета, протяженности полета, радиуса полета. Данная зависимость связана с возможностью установки более тяжелых агрегатов. Сопротивление ветру и высота полета зависит в большей степени от компоновочной схемы.

По общедоступным каталогам [ 3-5 ] для дальнейшего анализа было отобрано 38 моделей БПЛА с максимальной взлетной массой до 10 кг: 14 самолетного типа, 19 мультироторного типа, 5 конвертопланового типа.

На круговой диаграмме (рис.1) видно, что наблюдается острая нехватка беспилотников в категории до 0,15 кг.

При этом все модели представлены иностранными производителями. Гистограмма (рис.2) показывает соотношение БПЛА иностранного и отечественного производств. Отечественным производителям целесообразно уделить внимание разработке БПЛА данной категории.

Рис. 1 Соотношение БПЛА по максимальной взлетной массе.

Рис. 2 Соотношение БПЛА разных типов иностранного и отечественного производства.

Подавляющее большинство БПЛА самолетного типа являются аппаратами отечественного производства. БПЛА иностранного производства занимают здесь нишу аппаратов с максимальной взлетной массой до 2 кг. При создании БПЛА с данными характеристиками данная ниша будет полностью занята аппаратами отечественного производства.

БПЛА мультироторного типа на 73% состоят из иностранных моделей. Отечественные разработчики должны серьезно подойти к освоению данной рыночной ниши при предстоящем импортозамещении.

В классе конвертопланов на рынке доминируют аппараты российского производства. Однако по соотношению количества моделей данного типа и других типов можно утверждать, что данная рыночная ниша в настоящий момент слабо освоена всеми производителями.

Результаты представленного анализа могут быть использованы при разработке новых проектов и программ развития БПЛА и технико-экономическом обосновании выбора аппарата эксплуатирующими организациями для проведения целевых операций.