Владимир Фетисов - Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние
Рис. 1.56. Орнитоптер SmartBird компании Festo (Германия, 2011): а – создатели аппарата; б – вид сзади; в – демо-макет механических передач; г – различные фазы полета
Энтомоптеры.БПЛА, имитирующие движения летающих насекомых, условно можно подразделить на имитаторы четырехкрылых и имитаторы двукрылых насекомых. Четырехкрылые (стрекозы, бабочки) совершают более сложные движения, чем двукрылые, и возможностей управления полетом у них гораздо больше. На рис. 1.57 показан пример четырехкрылого энтомоптера, разработанного компанией Festo.
Рис. 1.57. Эитомоитер Вionicopter компании Festo (Германия, 2013)
Длина корпуса аппарата составляет 44 см, размах крыльев 63 см. Крылья выполнены из углеродного волокна и полиэфирной плёнки. Показатель частоты взмахов крылом относительно невысокий – 15-20 Гц. Масса аппарата составляет всего 175 г.
Управление полётом робота осуществляется со смартфона. BionicOpter имеет встроенный ARM-микроконтроллер, обеспечивающий стабилизацию полёта. Аппарат оснащен одним основным электродвигателем и восемью сервоприводами. На борту имеется набор сенсоров для предотвращения столкновений с препятствиями. Схема питается от двухсекционного литийполимерного аккумулятора 7,4 В.
Конструкция BionicOpter обеспечивает этому аппарату множество возможностей маневрирования. Каждое крыло, 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. Благодаря таким возможностям управления, аппарат может, например, мгновенно зависать на месте и перемещаться в горизонтальной плоскости в любую сторону, не изменяя при этом угла тангажа.
Разработки БПЛА, имитирующие двукрылых насекомых, развиваются, в основном, в направлении микроминиатюризации аппаратов. Здесь все достижения, видимо, еще впереди. Развитие технологий новых сверхлегких материалов, источников питания, наноэлектроники и интеллектуального управления в ближайшие годы позволят создать микроминиатюрные насекомоподобные БПЛА, приближающиеся к живым существам и по выполняемым функциям, и по размеру. Появятся (уже появляются) новые концепции управления коллективами микророботов, перед которыми можно будет ставить цели, ранее не достижимые, т.к. эти формации воздушных микророботов будут обладать большими возможностями в силу таких их качеств, как коллективная живучесть, способность многовариантного решения задач, незаметность перемещений, способность к массированным и непрерывным миссиям и т.д.
Пример разработки миниатюрного двукрылого энтомоптера показан на рис. 1.58. Это микро-БПЛА Mobee (Monolithic Bee), разработанный Лабораторией микроробототехники Гарвардского университета (США). Его особенность в том, что он изготовлен по интегральной многослойной технологии. В основе – тонкая углепластиковая пластина, в которой лазером сделаны все необходимые вырезы, затем нанесено еще множество металлических и неметаллических слоев, формирующих необходимые электронные и микроэлектромеханические устройства, включая сенсоры, радиотехнические устройства и актуаторы крыльев [44].
Рис. 1.58. Энтомоптер Mobee – разработка Harvard Microrobotics Lab (США, 2011)
1.2.2.5. БПЛА аэростатического типа
БПЛА аэростатического типа (blimps) – это особый класс БПЛА, в котором подъемная сила создается преимущественно за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием). Этот класс представлен, в основном, беспилотными дирижаблями.
Дирижабль (от фр. dirigeable – управляемый) – Л А легче воздуха, представляющий собой комбинацию аэростата с движителем (обычно это винт (пропеллер, импеллер) с электрическим двигателем или ДВС) и системы управления ориентацией.
По конструкции дирижабли подразделяются на три основных типа: мягкий, полужёсткий и жёсткий [45].
В дирижаблях мягкого и полужёсткого типа оболочка для несущего газа мягкая, которая приобретает требуемую форму только после закачки в неё несущего газа под определённым давлением. В дирижаблях мягкого типа неизменяемость внешней формы достигается избыточным давлением несущего газа, постоянно поддерживаемым баллонетами – мягкими ёмкостями, расположенными внутри оболочки, в которые нагнетается воздух (рис. 1.59). Баллонеты, кроме того, служат для регулирования подъемной силы и управления углом тангажа (дифференцированная откачка/закачка воздуха в баллонеты приводит к изменению центра тяжести аппарата).
Дирижабли полужёсткого типа отличаются наличием в нижней части оболочки жесткой (в большинстве случаев на всю длину оболочки) фермы. В жёстких дирижаблях неизменяемость внешней формы обеспечивается жестким каркасом, обтянутым тканью, а газ находится внутри жёсткого каркаса в баллонах из газонепроницаемой материи. Жесткие дирижабли в беспилотном исполнении пока практически не применяются.
Рис. 1.59. Система баллонетов
Хорошим примером современного мягкого дирижабля является Skyship 600, разработанный в 1984 г. британской компанией Airship Industries (рис. 1.60). Skyship 600 изготовлен из кевлара и композитных материалов. Большинство построенных дирижаблей Skyship 600 были использованы в рекламных целях [46]. Он может использоваться как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах. В состав оснащения входят бортовые видеокамеры, которые позволяют производить круглосуточный мониторинг территорий. На летних Олимпийских играх 2004 года дирижабль Skyship 600 применялся для видеонаблюдения.
Дирижабль Skyship 600 имеет, как и большинство дирижаблей, традиционную сигарообразную форму. Его основные параметры: длина: 66 м, высота: 22 м; объем оболочки: 7600 м 3 ; крейсерская скорость: 64 км / ч; потолок: 2100 м; дальность полета 644 км; двигатели: 2 х Porsche 930 мощностью по 255 л.с. Положением воздушного корабля можно управлять с помощью баллонетов, поворотных элементов хвостового оперения, а также с помощью двух отклоняемых импеллеров.
Малые мягкие беспилотные дирижабли выпускает множество фирм во всем мире. Они предназначены для управляемых полетов как внутри помещений (таких как выставочные залы, стадионы и т.д.), так и на открытом воздухе.
а
б
в
Рис. 1.60. Дирижабль Skyship 600, разработанный в 1984 г. британской компанией Airship Industries: а – у причальной мачты; б – в полете; в – отклоняемые импеллеры
На рис. 1.61 показан дешевый беспилотный дирижабль фирмы Minizepp (Швейцария). Емкости аккумулятора хватает этому аппарату на 10 часов полета. Его длина составляет 5 м. Дальность полета 300 км, предельная высота 3000 м, максимальная скорость 65 км/ч.
Наиболее типичные применения современных беспилотных дирижаблей – это реклама и видеонаблюдение. Однако в последние годы их все чаще заказывают телекоммуникационные компании для использования в качестве ретрансляторов сигналов. Существуют также проекты постройки дирижаблей очень большой грузоподъемности – 200-500 тонн [47].
Рис. 1.61. Дирижабль фирмы Minizepp (Швейцария, 2012)
Привлекают внимание новые концепты дирижаблей, имеющие, как правило, нетрадиционные форму оболочки и способ движения. Так, в России успешно испытаны дирижабли, имеющие не сигарообразную, а дисковидную форму. Беспилотные дирижабли линзообразной формы планирует выпускать ОАО "Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики" при поддержке "Рособоронэкспорта" и "Ростехнологий". Они будут иметь от 22 до 200 м в диаметре и смогут переносить до нескольких сотен тонн груза. Пока созданы лишь демонстрационные масштабные модели таких дирижаблей. Пример – успешно испытанная модель ДП-27 "Анюта" (рис. 1.62). Дисковидная форма этого аппарата обеспечивает устойчивость к боковому ветру, простоту управления и высокую маневренность этого многоцелевого беспилотного дирижабля. Диаметр корпуса судна – 17 м с объёмом оболочки – 522 куб. м, грузоподъёмность – 200 кг, максимальная высота подъёма достигает 800 м. С помощью 4 двигателей по 25 л.с. аппарат развивает скорость до 80 км/ч, бензобак объемом 40 л позволяет демонстратору осуществлять полёт на дистанцию 300 км. Данный образец предназначен для проверки конструкционных решений и систем управления, которые впоследствии будут применены на полномасштабном опытном дирижабле [48].
Рис. 1.62. Экспериментальный дирижабль "Анюта" Долгопрудненского конструкторского бюро автоматики (Россия, 2011)
