Владимир Фетисов - Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние
Рис. 1.2. БПЛА RQ-4 Global Hawk (США, 2007)
На рис. 1.3 показан перспективный боевой палубный БПЛА Х-47В, разрабатываемый компанией Northrop Grumman (США). Он имеет форму широко выгнутой буквы "V" без хвостовой части. Крылья могут складываться, что немаловажно для ограниченной площади палубы авианосца. Для управления полетом БПЛА оснащен 6-ю рабочими плоскостями. Турбореактивный двигатель канадской фирмы Pratt amp; Whitney обеспечивает высокую скорость полета беспилотного аппарата и расположен в задней части аппарата. Беспилотник состоит из четырех частей, собранных из композитных материалов и соединяющихся примерно в середине корпуса. Самолет имеет длину 11,6 м, размах крыльев 18,9 м (в сложенном состоянии 9,4 м), собственную массу 6,3 т, максимальную взлетную массу 20,2 т. Крейсерская скорость составляет 900 км/ч. Радиус действия 3900 км. Потолок 12,2 км. Предположительно аппарат будет приспособлен для выполнения дозаправки в воздухе. При этом БПЛА будет готов при необходимости беспрерывно выполнять поставленную боевую задачу в течение 80 часов, что на порядок больше длительности полёта боевых самолетов с пилотами [13].
Рис. 1.3. БПЛА X-47B компании Northrop Grumman (США, 2013)
Х-47В UCAS-D Air Vehicle System in Focus
Altitude: ›40,000 ft
Speed: High Subsonic
Weapons Payload Provisions: 4,500 lbs
Max Unrefueled Range: ›2,100 NM
Max Unrefueled Endurance: ›6 hours
Sensor Provisions: EO/IR/SAR/ESN
Air Refueling Provisions: USN/USAF
CV Demo TOGW: 44,567 lbs
CV Launch OPWOD: -3.6 kts
CV Recovery WOD: 9.3 kts
Spot Factor (F/A-18C): 0.87
На рис. 1.4 показан ударный БПЛА MQ-9 Reaper, разработанный американской компанией General Atomics и стоящий на вооружении ВВС США и других стран с 2007 г. Как и многие другие БПЛА, аппарат имеет V-образное оперение, состоящее из двух наклонных поверхностей, выполняющих функции и горизонтального, и вертикального оперения. Синхронное отклонение управляющих поверхностей играет роль руля высоты и управляет тангажом, а асинхронное руля направления и управляет рысканьем. Для беспилотников V-образное оперение представляется более экономичным решением, чем классическое. MQ-9 Reaper оснащен турбовинтовым двигателем, позволяющим развивать скорость более 400 км/ч. Практический потолок составляет 13 км. Максимальная продолжительность полёта равна 24 ч.
Рис. 1.4. БПЛА MQ-9 Reaper во время боевого вылета в Афганистане, 2008 год.
БПЛА тактического назначения Viking 300 разработки американской компании L-3 Unmanned Systems представлен на рис. 1.5. Он построен полностью из композитных материалов. Оснащен двухтактным двухцилиндровым двигателем внутреннего сгорания мощностью 25 л.с. с толкающим винтом. Причем винт расположен между основным крылом и хвостовым оперением, а не позади него, как в предыдущем примере. Модульная конструкция позволяет легко собирать и разбирать аппарат. Длительность полета составляет 8-10 ч при крейсерской скорости 100 км/ч. Максимальная взлетная масса 144 кг, а масса полезной нагрузки 13,5 кг. Радиус действия составляет 50-75 км. Особенностью аппарата является возможность осуществлять полностью автономные взлет и посадку, которые могут выполняться не только на бетонной полосе, но и на плохо подготовленных поверхностях.
Рис. 1.5. Тактический БПЛА Viking 300 – разработка фирмы L-3 Unmanned Systems (США, 2009)
Еще один пример (рис. 1.6) – это любительская разработка летающей радиоуправляемой модели с дисковым крылом. Аппарат отличается хорошей маневренностью и способность сохранять стабильность полета на малых скоростях.
Рис. 1.6. Радиоуправляемая модель с дисковым крылом
В качестве движителей аппаратов самолетного типа обычно используются тянущие или толкающие винты, а также импеллеры (лопаточные машины, заключенные в цилиндрический кожух – англ.: impeller, ducted fan, shrouded propeller) или реактивные двигатели.
Для аппаратов самолетного типа обычно необходима взлетно-посадочная полоса (ВПП) (рис. 1.7 а). Для некоторых типов при взлете используют стартовые катапульты (рис. 1.7 б). Есть также самолетные БПЛА легкого класса, запускаемые "с руки" (рис. 1.7 в). При посадке может применяться ВПП, парашют (рис. 1.8) или специальные уловители (тросы, сетки, растяжки) (рис. 1.9).
а
б
в
Рис. 1.7. Различные типы старта БПЛА самолетного типа: а – запуск с ВПП; б – запуск с катапульты; в – запуск "с руки"
Рис. 1.8. Посадка БПЛА с помощью парашюта
Рис. 1.9. Посадка БПЛА с помощью тормозного троса (иллюстрация к патенту США № 7335067)
Взлеты и посадки традиционных БПЛА самолетного типа – процесс достаточно трудоемкий и затратный, требующий наличия специальных вспомогательных средств (ВПП, устройств запуска и посадки), поэтому разработчики новой техники все чаще обращаются к нетрадиционным схемам самолетных БПЛА, позволяющим создать безаэродромные БАС. Речь идет прежде всего о самолетах вертикального взлета и посадки (СВВП). На сегодняшний день существует много разновидностей аппаратов ВВП [14, 15]. Многие из них являются гибридами самолетов и вертолетов, поэтому рассмотрены в следующих подразделах (см. далее – "Винтокрылы", "Конвертопланы"). Те же СВВП, которым в большей степени присущи свойства самолета, чем вертолета, обычно имеют в качестве движителя реактивный двигатель, импеллер или небольшие по размеру пропеллеры. Их условно можно разделить по положению фюзеляжа при взлете и посадке [16] на аппараты с вертикальным положением фюзеляжа (тэйлситтеры, от англ. – tailsitter) и аппараты с горизонтальным положением фюзеляжа.
Рис. 1.10. Тэйлситтер SkyTote – разработка компании AeroVironment (США, 2006). Основное назначение – быстрая доставка небольших грузов.
Тэйлситтер ы в стартовом положении обычно опираются хвостовой частью на грунт. Если в качестве движителя используются тянущие винты, то они располагаются в носовой части (как в примере, показанном на рис. 1.10). Посадка, как и взлет, у таких аппаратов обычно производится вертикально. Самое сложное для СВВП – это переход с вертикальной фазы полета на горизонтальную и обратно. У показанного на рис. 1.10 БПЛА SkyTote, например, для управления полетом в этих фазах используется даже специальный нейросетевой контроллер [17].
В последнее время в тэйлситтерах все чаще в качестве движителей используют импеллеры, особенно если движитель является толкающим и находится в хвостовой части аппарата, – это энергетически выгоднее обычного пропеллера [18]. Примером может служить разработка группы исследователей южнокорейского института KAIST (Korea Advanced Institute of Science and Technology) (рис. 1.11). У представленного беспилотного тэйлситтера предусмотрена возможность взлета и посадки как вертикально, так и горизонтально (т.е. по-самолетному – на ВПП) [19].
Рис. 1.11. Тэйлситтер разработки KAIST (Южная Корея, 2012): а – взлет из вертикального положения; б – взлет с ВПП
Особой разновидностью тэйлситтеров можно считать т.н. колъцепланы (или колеоптеры) – летательные аппараты с крылом, имеющим при виде спереди правильную кольцевую форму. Внутренняя полость кольцевого крыла обдувается воздушной струёй, отбрасываемой двумя соосными винтами противоположного вращения, расположенными на входе в крыло. Хвостовое оперение в конце короткого фюзеляжа и управляющие элероны, установленные на двух профилированных пилонах, крепящих кольцевое крыло к фюзеляжу, находятся в зоне интенсивного обдува струёй от винтов, что повышает их эффективность. В 1959 во Франции фирмой SNECMA был построен экспериментальный пилотируемый кольцеплан с турбореактивным двигателем и проведены его испытания в вертикально подвешенном состоянии (рис. 1.12). При попытке перейти к горизонтальному полету произошло крушение и после этого проект был закрыт [20].
а
б
Рис. 1.12. Кольцеплаи С-450 фирмы SNECMA (Франция, 1959): а – проект аппарата; б – С-450 в режиме вертикального висения
Однако в наши дни кольцепланы получили новое развитие, но уже в виде беспилотных аппаратов. На рис. 1.13 показаны примеры многофункциональных БПЛА, выполненных по схеме кольцеплана. Кольцевое замкнутое крыло имеет свои преимущества (нет срыва потока по краям, допускаются очень большие углы атаки, большая маневренность, большая прочность и меньшая масса крыла, хорошее соотношение массы полезной нагрузки к общей массе аппарата).
