Владимир Фетисов - Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние

а

б

Рис. 1.39. Автожиры: а – Cierva С19 (Великобритания, 1929); б – современный легкий автожир

Автожиры отличаются от винтокрылов, которые имеют подключаемый привод несущего винта от двигателя, позволяющий им использовать как режим авторотации, так и режим вертолётного полёта. На больших скоростях их роторная система действует сходным с автожиром образом (в режиме авторотации), обеспечивая только подъёмную силу, но не тягу. Можно сказать, что винтокрылы занимают промежуточное положение, сочетая в себе качества автожиров и вертолётов [35].

Большинство автожиров не могут взлетать вертикально, но им требуется гораздо более короткий разбег для взлёта (10-50 м, с системой предраскрутки ротора), чем самолётам. Почти все автожиры способны к посадке без пробега или с пробегом всего несколько метров. По маневренности они находятся между самолётами и вертолётами, несколько уступая вертолётам и абсолютно превосходя самолёты. Автожиры превосходят самолёты и вертолёты по безопасности полёта. Самолёту опасна потеря скорости, поскольку он сваливается при этом в штопор. Автожир при потере скорости начинает снижаться. При отказе мотора автожир не падает, вместо этого он снижается (планирует), используя эффект авторотации (несущий винт вертолёта при отказе двигателя также переводится в режим авторотации, но на это теряется несколько секунд и падают обороты ротора, важные при вынужденной посадке). При посадке автожиру не требуется посадочная полоса.

Скорость автожира сравнима со скоростью лёгкого вертолёта и несколько уступает лёгкому самолёту. По расходу топлива они уступают самолётам, техническая себестоимость лётного часа автожира в несколько раз меньше, чем у вертолёта, благодаря отсутствию сложной трансмиссии. Типичные автожиры летают со скоростью до 180 км/ч), а расход топлива составляет 15 л на 100 км при скорости 120 км/ч. Другими преимуществами автожиров являются гораздо меньшая, чем в вертолётах, вибрация, а также способность летать при значительном (до 20 м/с) ветре.

В настоящее время автожиры производятся и в беспилотном исполнении фирмами разных стран. Назначение их самое разнообразное. Так, российская компания "Рустехресурс" (г. Воронеж) разработала беспилотный автожир "Химик" для сельскохозяйственных работ – опыления посадок химикатами (рис. 1.40) [39].

Рис. 1.40. Беспилотный автожир "Химик" (Россия, 2012)

Конвертоплан (англ.: convertiplane, heliplane) – летательный аппарат с поворотными винтами, которые на взлёте и при посадке работают как подъёмные, а в горизонтальном полёте – как тянущие (при этом в полете подъёмная сила обеспечивается крылом самолётного типа). Таким образом, этот аппарат ведет себя как вертолет при взлете и посадке, но как самолет в горизонтальном полете. Большие винты конвертоплана помогают ему при вертикальном взлете, однако в горизонтальном полете они становятся менее эффективными по сравнению с винтами меньшего диаметра традиционного самолета [40].

В некоторых конструкциях используют не открытые винты, а импеллеры. Импеллер обладает очень высокой скоростью отбрасываемого воздушного потока, что позволяет обойтись очень маленькими крыльями, обеспечивая высокую компактность конвертоплана.

Среди конвертопланов можно выделить три принципиально различающихся подкласса: аппараты с поворотными винтами (Tiltrotor), с поворотным крылом (Tiltwing) и со свободным крылом (Freewing).

В конвертопланах с поворотными роторами обычно поворотными являются не сами винты, а гондолы с винтами и двигателями. Крылья (обычно небольшой площади) при этом остаются неподвижными. На рис. 1.41 приведен пример беспилотного конвертоплана типа Tiltrotor.

Рис. 1.41. Беспилотный конвертоплан Smart с поворотными винтами – Tiltrotor (Южная Корея, 2011)

Пример конвертоплана с поворотными роторами, в конструкции которого применены импеллеры, – американский аппарат Х-22А разработки компании Bell (рис. 1.42).

Рис. 1.42. Конвертоплан Bell Х22А с поворотными импеллерами (США, 1967)

Этот аппарат, разработанный еще в 1967 г., мог совершать как вертикальные взлеты/посадки, так и обычные (укороченные). Традиционный фюзеляж имел расположенные в задней части короткие крылья, на передней кромке каждого из которых размещались импеллеры. Управляющие поверхности элеронов находились в турбулентном потоке воздуха от трехлопастного винта диаметром 2,13 м. Силовая установка – четыре турбовальных газотурбинных двигателя, расположенных попарно на заднем крыле и работающих на общую трансмиссию.

Конвертопланы с поворотными импеллерами в пилотируемой авиации сейчас применяются редко (видимо, по экономическим причинам). В беспилотной же авиации у этой схемы, видимо, есть определенные перспективы. Пример – разрабатываемый в США с 2008 г. компанией American Dynamics проект беспилотного конвертоплана с поворотными импеллерами AD-150 (рис. 1.43) [41].

В конвертопланах с поворотным крылом поворачивается всё крыло вместе с установленными на нем двигателями и винтами. Достоинством такой схемы является то, что при вертикальном взлёте крылья не закрывают воздушный поток от винтов (увеличивая тем самым эффективность работы винтов). На рис. 1.44 приведены примеры конвертопланов типа Tiltwing.

Рис. 1.43. Беспилотный конвертоплан AD-150 компании American Dynamics с поворотными импеллерами (США, 2008)

а

б

Рис. 1.44. Конвертопланы с поворотным крылом – Tiltwing: а – экспериментальный конвертоплан Vertol VZ-2 (США, 1957); б – современный беспилотный четырехмоторный Tiltwing на вертикальном взлете – БПЛА компании GH Craft (Япония, 2008)

Беспилотные конвертопланы с четырьмя поворотными роторами, подобные тому, что показан на рис 1.42, а также конвертопланы с поворотным крылом, построенные по схеме, показанной на рис 1.44 б, часто рассматривают как особые подклассы мультикоптеров (точнее – квадрокоптеров) – соответственно QTR UAV (Quad Tilt Rotor UAV) и QTW UAV (Quad Tilt Wing UAV).

В конвертопланах со свободным крылом (Freewing) в зависимости от фазы полета отклоняются винты, создавая вертикальную или горизонтальную тягу, а крылья свободно вращаются вокруг оси, перпендикулярной фюзеляжу.

Под напором воздуха, создаваемого винтами, крылья принимают вертикальное, горизонтальное или какое-либо промежуточное положение. Аппараты такой конструкции отличаются стабильностью полета [42]. На рис. 1.45 показан пример беспилотника типа Freewing.

а

б

Рис. 1.45. Конвертоплан со свободным крылом – Freewing (БПЛА Spirit фирмы Flight Technologies, США): а – взлет/посадка, б – горизонтальный полет

Многовинтовые вертолеты (мулътикоптеры). К этой группе относятся вертолеты, имеющие больше двух несущих винтов. Реактивные моменты уравновешиваются за счет вращения несущих винтов попарно в разные стороны или наклона вектора тяги каждого винта в нужном направлении (рис. 1.46). Беспилотные мультикоптеры, как правило, относятся к классам мини- и микро-БПЛА [65].

Существует некоторая неопределенность относительно того, являются ли мультикоптерами аппараты с двумя симметричными несущими винтами – бикоптеры. В некоторых источниках их считают подклассом мультикоптеров. По мнению авторов этой книги, лучше относить такие аппараты к уже рассмотренным вертолетам с поперечной схемой расположения винтов. Безусловно к мультикоптерам относятся аппараты, имеющие три несущих винта и более. Соответственно трехроторные мультикоптеры называют трикоптерами, четырехроторные – квадрокоптерами, шестироторные – гексакоптерами, восьмироторные – октокоптерами.

QuadCopters:

TriCopter

+Copter

XCopter

Y4Copter

HexaCopter

H6Copter

Y6Copter

OctoCopter

Butte rflyCopter

TwinQuadCopter

Трикоптер – самая простая схема построения мультикоптеров. Обычно трикоптер движется двумя винтами вперед, а третий является хвостовым. Первые два винта имеют противоположные направления вращения и взаимно компенсируют реактивные закручивающие моменты, у хвостового же винта пары нет, поэтому для компенсации его реактивного момента ось вращения этого винта немного наклоняют в сторону, противоположную направлению закручивания. Это делают с помощью специального сервопривода и тяги (рис. 1.47), которые используются для стабилизации или управления положением аппарата по курсу.