Микросамолеты и не только ...
МИКРОСАМОЛЕТ В КАРМАНЕ
Как известно, одним из важных
направлений развития авиации является создание и использовании в военных
целях беспилотных летательных аппаратов (БЛА). Еще недавно БЛА были большой
редкостью в войсках. В основном они использовались как летающие мишени
для тренировки летчиков-истребителей и расчетов зенитных комплексов.
В настоящее время без БЛА не
обходится ни один вооруженный конфликт с участием армий развитых стран.
Широкое внедрение подобных ЛА отвечает концепциям повышения автоматизации
управления подразделениями и частями и сокращения потерь личного состава.
Разведывательный комплекс, основанный на БЛА, служит для обеспечения командира на
поле боя воздушной разведывательной информацией о текущей обстановке в его зоне
ответственности.
Использование такого комплекса позволяет обходиться без заявок на разведку
в вышестоящий штаб (связанный с "большой" авиацией) и избавляет от
ожидания результатов разведки. Во многих случаях командиру необходимо просто быстренько
заглянуть за холм или просмотреть дорогу и ее обочины перед выездом колонны.
Интересно знать и реальное положение переднего края противника. Такие
задачи в настоящее время обычно решаются разведгруппами. Разведывательные
рейды часто сопряжены с людскими потерями и возможностью пленения разведчиков.
В свою очередь, БЛА - это всего лишь кусок пластмассы, полупроводников
и металла, и если он не вернется, то не жалко послать второй.
К сожалению, существующие БЛА и ДПЛА (дистанционно
пилотируемые летательные аппараты) - это сложная, объемная техника, требующая
подготовленных специалистов. Такую технику сложно разместить на переднем
крае, не говоря о том, чтобы взять её с собой в разведку. Таким образом,
перед разработчиками новых перспективных БЛА встала задача создания мобильных,
простых в эксплуатации и дешевых средств ведения воздушной разведки.
Ряд научно - исследовательских
учреждений и конструкторских бюро в США и других странах подошли к решению
этой задачи через уменьшение размеров БЛА и упрощение управления ими,
наделяя их большей автономностью.
Создаваемые в ходе этих работ
летательные аппараты выделились в отдельный класс ЛА - микролетательные
аппараты (МЛА). МЛА - это полуавтономный летательный аппарат, размером
менее 15 см в любом измерении, весом около 100 грамм. МЛА должен выполнять
различные военные задания, обладая при этом приемлемой ценой (менее 1000
долларов). На аппарате должна быть установлена видеокамера с отображением
в режиме реального времени, навигационная и связная аппаратура. МЛА должен
летать от 20 минут до 2-х часов с радиусом действия свыше 10 километров
и скоростью больше 45 км/ч.
Создаваемые МЛА будут висеть
у бойца на поясе подобно гранате. При необходимости проведения разведки
аппарат с помощью несложной пусковой установки запускается и сразу на
запястье оператора на дисплее пульта управления можно увидеть в режиме
реального времени результаты разведки.
Помимо разведывательных полетов
над открытой местностью, МЛА проектируется и для ряда других задач, таких,
как обследование внутренних областей зданий. Эти задачи могут выполнить
только они. Некоторые из задач МЛА представлены в таблице 1.
|
Задачи,которые могут быть выполнены МЛА или с использованием имеющихся средств (БЛА,
ДПЛА): | Новые задачи, выполняемые МЛА: |
|
Разведка (фото и видео в режиме реального времени); Ретрансляция связи в городских условиях; Биологическая, химическая и ядерная разведка; Поисково-спасательные работы. | Разведка внутренних областей зданий; Размещение датчиков на горизонтальных и вертикальных поверхностях, на транспортных средствах; Использование МЛА в управляемых боеприпасах (передача информации о результатах их применения и корректировка); Использование МЛА при поисково-спасательных работах (использование в НАЗе пилота). |
Высокий интерес, проявляемый к разработке этого нового класса ЛА, обусловлен двумя факторами. Во-первых, это изменение тактики ведения современного боя, особенно в городских условиях. Во-вторых - появление технологической возможности изготовления таких аппаратов.
Анализ вооруженных конфликтов, произошедших в последние годы и предсказываемых на XXI столетие, указывает на возрастание роли маленьких групп солдат, воюющих в нетрадиционных средах (например, городские кварталы). В этих условиях МЛА предполагается использовать, как разведывательное средство на уровне взводов или ниже. Наличие таких средств у каждого солдата позволит всем участникам боя выполнять разведывательные действия, приводя к беспрецедентному ситуационному пониманию, большей боевой эффективности.
Технологическая выполнимость МЛА является следствием успехов в нескольких микротехнологиях, включая быстрое развитие миниатюрных электромеханических систем, известных как MEMS. Эти системы объединяют электронные микрокомпоненты с сопоставимыми по размерам механическими элементами различной сложности, что позволяет порой достичь уникальных функциональных возможностей (например, объединить в единую конструкцию датчик, процессор и механический привод). В настоящее время такие устройства производятся промышленным способом. Дальнейшие исследования в этом направлении направлены на удешевление промышленного производства систем MEMS.
Другим направлением развития микроэлектронных систем является разработка крошечных видеокамер, миниатюрных инфракрасных датчиков и датчиков биологического и химического анализа для обнаружения опасных материалов. Размер этих устройств не превышает габаритов обычных микросхем и является определяющим в выборе размеров МЛА.
Но на пути разработки МЛА должны быть ещё решены огромные технические проблемы- оригинальные технические решения должны быть найдены для аэродинамической компоновки, систем управления, навигации и связи. Остается открытым вопрос разработки двигателя и выбора источника энергии для МЛА. Некоторые из проблем, возникающих при проектировании микролетательных аппаратов, отражены в таблице 2.
Некоторые из проблем, возникающие при создании МЛА
| Устойчивость |
Силовая установка |
Аэродинамика |
|
- Малая степень продольной устойчивости. Недостаточная величина управляющего момента по тангажу из-за малого плеча руля высоты. Возможность возникновения в некоторых конструкциях самопроизвольных колебаний по крену. |
- Низкая эффективность из-за малых размеров. - Проблемы промышленного производства. |
- Конструкция самолета размером меньше 15 см. - Малое удлинение крыла не позволяет достичь высокого аэродинамического качества. - Малые числа Рейнольдса Re, обусловленные небольшими размерами и малыми скоростями полета. |
Таблица 2.
Все развиваемые сейчас микроаппараты можно разделить на три класса (таблица 3). Основная задача первенцев среди МЛА - доказательство возможности их существования, решение технологических проблем и задач размещения полезной нагрузки, изучение проблем аэродинамики и создание новых силовых установок.
Разрабатываемые схемы МЛА, их достоинства и недостатки
| С неподвижным крылом |
По вертолетной схеме |
С машущими (колеблющимися) крыльями |
|
MicroSTAR, Black Widow, MITE | Kolibri |
Орнитоптеры – ЛА, воспроизводящие принципы полета птиц (MicroBat) Энтомоптеры - электромеханические многофункциональные летающие/ползающие аппараты, использующие принципы движения насекомых (Entomopter) |
|
- Большие коэффициенты подъемной силы - Низкая маневренность, невозможность зависания |
- Высокая маневренность, возможность зависания - Большой расход энергии |
- Высокая маневренность, возможность зависания - Не отработана аэродинамика ЛА и конструкция движителей |
Таблица 3.
На сегодняшний день уже создан и проходит летные испытания целый ряд микросамолетов первой волны. Наиболее отработанны среди них микросамолеты с неподвижным крылом, с движителем - пропеллером, работающим от электродвигателя. В настоящее время проходят летные испытания следующих представителей этого отряда микросамолетов: Микростар фирмы Локхид-Мартин (MicroSTAR, Lockheed Martin), Блэк видоу фирмы АэроВайронмент (Black Widow, AeroVironment, inc) и некоторые другие.
МЛА MicroSTAR является совместным проектом, на который Пентагон выделил 42 млн. долл.
MicroSTAR будет использоваться для
сбора информации, поиска целей и в качестве устройства поддержки мобильной
радиосвязи. Для него разрабатываются различные миниатюрные датчики, системы
передачи изображений в темноте в реальном масштабе времени и т.д. Вес
MicroSTAR составляет 85 г., размах
-15 см, дальность полета достигает 5 км, длительность полета - 20 мин,
скорость - 50 км/ч. MicroStar будет
снабжен цифровой камерой весом менее грамма, принимать изображение с которой
можно на обычные мониторы с расстояния до 5 км. MicroStar
разрабатывается в двух вариантах: с дистанционным управлением и с предварительно
программируемым маршрутом и профилем полета.Black Widow, разработанный фирмой AeroVironment совместно с Калифорнийским технологическим институтом, стал одним из самых успешных проектов МЛА за 1999 год и одним из первых проектов, совершивших полет. Хотя Black Widow и не достиг критериев определенных для МЛА, развитие этого проекта признано успешным. МЛА совершил несколько 16... 22 минутных полетов со скоростью 45... 70 км/ч. Black Widow представляет собой дискообразной формы ЛА диаметром около 15 см и весом порядка 50 грамм, с двумя управляющими поверхностями. Электрический мотор, работающий от литиевой батарейки, вращает винт диаметром 10 см. КПД винта составляет 82%. Аппарат оснащен цветной видеокамерой весом 2 грамма, передающей на землю изображение в режиме реального времени на дальность до 1 км, и системой радиоуправления весом 3 грамма, занимающей на поверхности ЛА 2,5 см2. Разрабатывается система управления, использующая миниатюрные гироскопы, датчики скорости и угла атаки и систему GPS. Для запуска МЛА используется пневматическая пусковая установка, которая может входить в экипировку солдата на поле боя.
На фотографии показаны внутренности прототипа Black Widow, объединенные электрическими цепями, и антенны, расположенные в хвосте. Подсистемы включают приводы для элевонов (три микро мотора весом 1/3 грамма каждый и диаметром 3 мм), полезную нагрузку - камеру, трехосевые магнитометры, пьезоэлектрический гироскоп, GPS приемник, датчики давления, бортовой компьютер, солнечные батареи и литиевую и никель-кадмиевую батареи.
В Военно-морской исследовательской лаборатории США проводятся работы над микросамолетом MITE (Micro Tactical Expendable). Его размах составляет 15 см, вес 65 гр. На законцовках крыла, в которых расположены батареи и/или топливные ячейки, установлены бесщеточные электродвигатели постоянного тока. Двигатели, вращая пропеллеры диаметром 12см, позволяют развить скорость самолета 10 м/сек. В комбинированном вертикальном и горизонтальном оперении расположены элевоны, управляемые сервоприводами.
Аппарат Kolibri, выполненный по вертолетной схеме, разрабатывает фирма Lutronix.
Аппарат оснащен системой GPS, автопилотом и способен с 20 граммовой заправкой
выполнять 30-минутный полет с возможностью зависания.На подходе следующее поколение "летающих микросхем". В качестве движителя в них будут преимущественно использоваться машущие крылья, приводимые в движение широким спектром двигателей: от традиционных микро электродвигателей, но питаемых от электрогенераторов с газовой турбиной размером несколько миллиметров, до миниатюрных прямоточных реактивных двигателей. Машущие крылья - это не только дань преклонения перед природой, но и взвешенный и трезвый расчет. Машущие крылья открывают невиданные возможности для ЛА. Вот некоторые из них:
- Возможность уменьшить лобовое сопротивление до нуля*;
- Ометаемая площадь может быть больше геометрического размера крыльев (увеличение КПД)*;
- Возможность использования энергии окружающей среды*;
- Обладание способностями как вертолета, так и самолета.
* Сорокодум Е.Д. Перспективы создания новой авиационной техники на основе использования колебательной аэродинамики // Самолет, № 3, - 2001, с. 39-41. http://vortex.viptop.ru/win/y0.html
Уже сейчас можно увидеть прообраз этих самолетиков (или механических мух?). В качестве примера МЛА с машущими крыльями можно назвать аппараты MicroBat, Entomopter, Mentor и некоторые другие.
Целью проекта MicroBat является создание МЛА с машущим крылом - орнитоптера весом
меньше 15 грамм
(включая видеокамеру и систему управления), а также исследование неизученных
областей аэродинамики такого ЛА. На ЛА установлены крылья, изготовленные
по MEMS технологии
с использованием титановых сплавов. Крылья приводятся в движение электрическим
мотором через трансмиссию. В качестве источника энергии на аппарате установлена
электрическая батарея. ЛА оборудован посадочным устройством. Были продемонстрированы
первые удачные полеты продолжительностью до трёх минут с частотой взмахов
крыльев 20 Гц. Продолжительность полетов во многом ограничена емкостью
источника питания. 
В работах по созданию механических насекомых, получивших название энтомоптеры (Entomopter), используется новое направление науки и техники - сокращающиеся химические мускулы (Reciprocating Chemical Muscle, RCM). RCM производят механические колебательные движения крыльев, используя химический источник энергии. Помимо механических движений, RCM выделяют некоторое количество электрической энергии для питания бортовых систем и управления полетом.
Следующими этапами развития МЛА, над которыми уже работают в лабораториях разных стран, являются дальнейшее уменьшение геометрических размеров, развитие новых движителей, источников энергии и других подсистем этих необычных, но чрезвычайно перспективных летательных аппаратов.
"Вестник Воздушного Флота" ноябрь - декабрь 2001г.
Автор проекта: Георгий Чирков. E-Mail: dixit@mail.ru
Copyright © 1999 . All rights reserved.