Анализ состава системы управления и расчет режима разбега и взлета дистанционно-пилотируемых летательных аппаратов

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

3

СОДЕРЖАНИЕ:

Список сокращений

Введение

1. СПЕЦЧАСТЬ

1.1 Обзор существующих комплексов с БЛА

1.1.2 Обзор существующих подходов к взлету беспилотного летательного аппарата

1.2 Составление дифференциальных уравнений движения БЛА на режиме разбега и взлета

1.2.2 Исходные данные

1.3 Расчет основных параметров взлета

1.3.1 Расчет длины разбега и скорости отрыва

1.3.2 Расчет коэффициентов дифференциальных уравнений БЛА

1.3.3 Расчет моментных характеристик

1.3.4 Расчет силовой установки

1.3.5 Расчет сил реакции опор на шасси

1.4 Разработка функциональной схемы системы автоматического управления продольным движением БЛА на режиме взлета

1.5 Разработка бортовых алгоритмов автоматического управления продольным движением беспилотного летательного аппарата на режиме взлета

1.6 Разработка структурной схемы САУ продольным движением БЛА на режиме взлета

1.7 Выбор параметров и настроек передаточных чисел закона управления

1.7.1 Устойчивость системы

1.7.2 Качество процессов управления

1.8 Имитационное моделирование процесса разбега и взлета

2. ЭКОНОМИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Определение целесообразности разработки программного продукта

2.2 Определение трудоемкости и затрат на создание алгоритма и ПП

2.3 Календарное планирование работ

2.4 Расчет заработной платы основного персонала

2.5 Определение затрат на создание алгоритмов и ПП

2.5.1 Материалы

2.5.2 Специальное оборудование

2.5.3 Заработная плата основных исполнителей

2.5.4 Отчисления на единый социальный налог основных исполнителей

2.5.5 Страховые социальные расходы на производственный травматизм исполнителей

2.5.6 Прочие расходы

2.5.7 Сводная таблица затрат

2.6 Расчет экономической эффективности

2.7 Выводы

3. ОХРАНА ТРУДА И ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

3.1. Анализ условий труда на рабочем месте при выполнении дипломной работы

3.2.Мероприятия по снижению влияния вредного фактора

3.2.1 Расчет кондиционирования воздуха производственного помещения

3.3 Выводы

Заключение

Список литературы



CПИСОК СОКРАЩЕНИЙ:

БЛА - беспилотный летательный аппарат;

БАК - беспилотный авиационный комплекс;

ТВД - театр военных действий;

ЛА - летательный аппарат;

ВАТ - вычислитель автомата тяги

ИМАТ - исполнительный механизм автомата тяги

ВСУУД - вычислитель системы управления угловым движением

ВСТУ - вычислитель системы траекторного управления

БСКП - блок связи с командным пунктом

Пр-Пер - приемник передатчик

БК - блок команд

ПУ - пункт управления;

ТВД - театр военных действий;

ТРДД - двухконтурный турбореактивный двигатель;

САУ - система автоматического управления.



ВВЕДЕНИЕ

Характерной чертой современного этапа развития авиационной техники является тенденция увеличения, как объёма, так и сфер применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) самолетного и вертолетного типов как элементов беспилотных авиационных комплексов (БАК). Причины этого кроются, с одной стороны в новых возможностях современного этапа научно-технической революции в области микроэлектроники, средств автоматизации систем связи и управления, что привело к появлению приемлемых по стоимости, энергопотреблению, весовым и габаритным характеристикам образцов вычислительной, телекоммуникационной, радио- и оптоэлектронной техники. С другой стороны, потенциальным потребителям становятся все более очевидными преимущества и новые возможности, которые сулит применение БАК. Перечислим некоторые из них. По оценке руководителей ВВС США, стоимость боевого БЛА А-45 втрое ниже суммы, в которую оценивается один самолет F-35A. Существенно ниже и эксплуатационные расходы, так как в мирное время нет необходимости поднимать в воздух БЛА для тренировки операторов. К тому же затраты на подготовку оператора много меньше затрат на подготовку летчика. Одним из важнейших преимуществ БАК является отсутствие человеческих потерь во время ведения боевых действий.

Отсутствие экипажа на борту, кроме этого, дает следующие преимущества БЛА:

Обусловливает отсутствие в нем систем, связанных с жизнеобеспечением экипажа, что упрощает и удешевляет аппарат;

Исчезают обусловленные физиологическими возможностями человека ограничения на максимальные значения перегрузок, угловых скоростей и их градиентов, что расширяет возможности аппарата;

Значительно снижается влияние психофизиологических факторов на результат использования БАК.

Как правило, БЛА имеют меньшие, чем пилотируемые ЛА аналогичного назначения, размеры, что обеспечивает им пониженную заметность в радиолокационном и видимом диапазонах длин волн и, как следствие, более высокую выживаемость в условиях действия ПВО.

Впечатляющими выглядят успехи и перспективы применения БЛА в гражданских сферах. Не случайно, поэтому разработками БЛА в настоящее время активно занимаются многие ведущие авиастроительные фирмы практически всех стран мира, предлагая все более широкий спектр БЛА различного применения. [7]

В настоящее время беспилотные летательные аппараты (БЛА) находят широкое применение в различных отраслях народного хозяйства и решают ряд важных задач аэрофотосъемки, химической и радиационной разведки и др., что в свою очередь требует максимальной автоматизации процесса управления БЛА и обеспечения требуемой точности выдерживания траектории полета. При этом особенно интересным и многообещающим является направление создания БЛА среднего класса аэродромного базирования, способного обеспечить полностью автоматический взлет и набор безопасной высоты. Наиболее распространенный способ старта такого класса аппаратов с использованием реактивных ускорителей, во-первых, накладывает определенные требования на прочность конструкции ЛА, во-вторых, ухудшает скрытность комплекса с БЛА, а в-третьих, исключает гражданское применение БЛА.

Цели работы:

- обзор и анализ существующих БЛА и способов взлета;

- выбор оптимального способа взлета для БЛА среднего класса аэродромного базирования;

- анализ состава системы управления и расчет режима разбега и взлета;

- построение нестационарной модели БЛА;

- синтез коэффициентов закона управления, удовлетворяющих заданным динамическим и точностным характеристикам системы управления;

- построение имитационной модели;

- анализ результатов моделирования.



1. СПЕЦЧАСТЬ

1.1 Обзор современных БЛА

Дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (БЛА) и их комплексы на сегодняшний день продолжают оставаться наиболее перспективными, динамично развивающимися, уникальными системами целевого и гражданского назначения. Их перспективная твердо-устоявшаяся ниша в международных общественных кругах обусловлена тем, что при выполнении широкого круга задач они сочетают в себе положительные качества, как самолётов, так и ракет. Уже несколько поколений БЛА выполняют задачи воздушной разведки. В перспективе наряду с разведывательными функциями, на БЛА планируется возлагать и выполнение целевых задач.

Приведенная в годовом отчете UVS International 2008 статистика показывает, что неуклонный рост количества БЛА в мире сопровождается ростом числа разработчиков. При этом количество стран, вовлеченных в этот процесс, с 2004 по 2008 годы практически не меняется (Рис.1). В том же отчете приводится распределение количества разработанных систем БЛА по странам. В перечне упомянуто 59 стран. На вооружении армий 41 государства находится около 80 типов аппаратов, предназначенных в основном для решения разведывательных задач. Характерной особенностью существующих парков БЛА является преобладание аппаратов малой и средней дальности: на их долю приходится 98% всего состава. Лидируют с огромным отрывом США (341), Россия с показателем 53 занимает четвертое место, уступая Израилю (72) и Франции (65). Помимо названных показатель выше 30 имеют Италия и Германия. То есть в мире всего 6 стран обладают полной технологией производства комплексов БЛА, и Россия -- в их числе.

Данный показатель России вероятнее всего включает разработки, проведенные в СССР, начиная с 70-х годов прошлого века. Но именно этот факт и позволяет нам оставаться в числе технологических лидеров направления.

Не смотря на то, что на современном этапе развития беспилотной авиации значительное внимание уделяется созданию и совершенствованию целевых БЛА, по всей видимости, и в перспективе большой интерес будут представлять разведывательные БЛА.

Рис. 1.1 Рост производства систем БЛА

Уже сегодня разрабатываются модели целевых БЛА, которые смогут:

· выдержать перегрузки, опасные для пилота человека;

· проникать в те зоны опасности, где химическая, биологическая или ядерная составляющая угрожала бы безопасности пилотируемых средств.

В настоящее время наиболее востребованной и самой распространенной категорией БЛА являются аппараты самолетного типа средней весовой категории, относящиеся к БЛА тактического класса. В соответствии с классификацией ассоциации беспилотных систем UVS International, - это так называемые БЛА малого радиуса действия (SR, Short Range) с радиусом действия 30-70 км и массой 50-250 кг, а также БЛА среднего радиуса действия (MR, Medium Range) - 70-200 км, 150-500 кг.

Зарубежные модели

Американские БЛА

В настоящее время в вооруженных силах США насчитывается более 4200 БЛА свыше 20 типов. Интенсивность их использования в последнее время значительно выросла, в результате чего суммарный налет стратегических и тактических аппаратов в 2009 году (без учета разведывательных мини-БЛА) превысил 180 тыс. ч. а общий налет БЛА на январь 2010 года составил более 900 тыс. ч. Способность длительно и скрытно вести воздушную разведку позволяет беспилотным системам решать подобные задачи на качественно более высоком по сравнению с пилотируемыми летательными аппаратами уровне при значительно меньшем расходе сил и средств. Полученная с помощью разведоборудования БЛА информация об объектах атаки используется в ходе предполетной подготовки экипажей боевых самолетов или вертолетов, а также непосредственно в ходе выполнения ими задач, что позволяет повысить эффективность выхода на цель, ее идентификации и поражения в сложной обстановке, в частности, при действиях в условиях населенных пунктов.

В последнее десятилетие руководство ВВС интенсивно применяет стратегические разведывательные аппараты. Например, в ходе активной фазы военных действий в Ираке в течение марта 2003 года один аппарат RQ-4A «Global Hawk» совершил 16 вылетов с общим налетом около 360 ч.

Полет данного БЛА осуществляется по заранее подготовленной и введенной в бортовую систему управления программе. Основу его бортового оборудования составляют радиолокационная станция бокового обзора с синтезированием апертуры антенны, оптоэлектронная станция и аппаратура радиотехнической разведки, построенные по модульному принципу и комплектуемые в зависимости от выполняемой задачи. Разведывательная информация транслируется на наземный пункт управления с помощью бортовой аппаратуры спутниковой связи и по каналам передачи данных на дальность прямой видимости. Постом радиоэлектронной разведки пункта управления осуществляются просмотр, обработка и хранение разведданных, а также их кодирование и передача со скоростью до 50 Мбит/с.

До 2011 года намечено ввести в состав разведывательного авиакрыла военно-воздушных сил США все запланированные 54 серийные машины RQ-4A «Global Hawk».

RQ-4 "Global Hawk"

Назначение: наблюдение, разведка, целеуказание, обеспечение связи и передачи данных, РЭБ, РТР.

Особенности: моноплан со среднерасположенным крылом и «V» - образным хвостовым оперением. Конструкция крыла выполнена из карбона. Фюзеляж, в целях снижения стоимости конструкции выполнен из алюминиевых сплавов. Для взлета-посадки используется трехопорное убирающееся шасси. Система взлета/посадки - автоматическая. Способ управления полетом - полет по программе с контролем параметров полета и возможностью оперативной корректировки программы в полете и передачи управления другой станции, координаты местоположения БЛА корректируются по данным GPS. Возможности комплекса - обследование 100000 км² в день при полосе просмотра 10 км, получение 1990 изображений участков местности площадью 2 2 км. Силовая установка - турбовентиляторный двигатель с тягой 3428 кгс. Способ взлета (разбег 1,5км.)/посадки - по-самолетному.

В качестве одного из важных элементов повышения эффективности применения сил и средств общего назначения на ТВД командование вооруженных сил США рассматривает многоцелевые БЛА, поскольку считает, что их применение для решения задач, обычно выполняемых тактической и армейской авиацией, будет более результативным.

Оснащение БЛА комплексами бортового вооружения позволяет широко применять их не только в интересах организации непрерывного патрулирования заданных районов, но и для поражения, в том числе избирательного, критичных по времени или вновь выявленных целей, а также оказания непосредственной авиационной поддержки подразделениям и частям наземных сил. Такой способ применения авиации наиболее распространен при боевых действиях низкой интенсивности в условиях достигнутого господства в воздухе и отсутствии реального противодействия со стороны противника.

Применение разработанных американской компанией General Atomics БЛА «Предатор» в интересах спецслужб США началось в 1995 году - еще на стадии демонстрации перспективной технологической концепции. Эти машины с максимальной продолжительностью полета до 48 ч, имеющие в составе бортового оборудования РЛС с синтезированием апертуры антенны, телевизионную и инфракрасную камеры, а также лазерный дальномер-целеуказатель, продемонстрировали высокую эффективность решения задач воздушной разведки на различных ТВД. Кроме того, благодаря оснащению управляемым авиационным вооружением аппараты активно использовались для уничтожения наземных целей.

MQ-1 "Predator".

Назначение: наблюдение, оптоэлектронная, радиолокационная, видовая разведка, целеуказание, РТР, ретрансляция.



Особенности: моноплан классической схемы со среднерасположенным крылом и -образным хвостовым оперением. Разведоборудование размещается в наплыве носовой части. В конструкции широко используются композиционные материалы. Шасси убирающееся, винт двухлопастный толкающий. Система взлета/посадки - командная (с наземного пункта с использованием ТВ камеры БЛА). Способ управления полетом - полет по программе с контролем параметров полета и возможностью оперативной корректировки программы в полете и передачи управления на другой ПУ. Автовозвращение на базу при потере связи с БЛА. Силовая установка - поршневой бензиновый Rotax 914 UL мощностью 101 л.с. Способ взлета (разбег 1км) / посадки - по-самолетному.

Вместе с тем наличие вооружения на внешних подвесках БЛА «Предатор» приводит к ухудшению его летно-технических характеристик, в частности, к сокращению максимальной продолжительности полета. По этой причине из состава бортового оборудования многоцелевого варианта машины обычно исключается РЛС.

Считается, что таких недостатков лишен поступающий с марта 2007 года на вооружение военно-воздушных сил США и специально разработанный для выполнения ударных задач новый многоцелевой БЛА MQ-9 «Рипер». Машина, оснащенная турбовинтовым двигателем 331-10Т фирмы «Ханиуэл» мощностью 560 кВт, отличается от аппарата «Предатор» увеличенными практическим потолком, скоростью и массой полезной нагрузки. В состав вооружения БЛА, подвешиваемого на шести подкрыльевых узлах, могут входить управляемые авиационные бомбы калибра до 250 кг, ракеты класса «воздух-земля» и «воздух-воздух», а также самонаводящиеся авиационные боеприпасы.

Основу бортового оборудования составляет радиолокационная станция APY-8 «Линкс» с синтезированием апертуры антенны (максимальное разрешение около 0,1 м на дальности до 40 км и 2 м на дальности 75 км), а также оптоэлектронная станция MTS-B фирмы «Рейтеон», в состав которой входят телевизионная и тепловизионная камеры, лазерный дальномер-целеуказатель. Программное обеспечение наземной станции управления позволяет в автоматическом режиме выявлять объекты искусственного происхождения, что облегчает задачу оператора разведоборудования БЛА по поиску наземных целей.

Максимальная масса полезной нагрузки позволяет дополнительно оснащать данный аппарат комплексом РТР, который предназначен для обнаружения радиолокационных станций, а также средствами перехвата каналов радиосвязи и систем управления противника.

MQ-9 "Reaper"

Длина, м - 11

Размах крыла, - м 20

Высота, м - 3.8

Пустой вес, кг - 2223

Максимальны взлетный вес, кг - 4760

Максимальная скорость, км/ч - 482

Крейсерская скорость, км/ч - 276-313

Практический потолок, м - 15000

БЛА MQ-9 Reaper (изначально названный Predator B), разработанный компанией General Atomics впервые взмыл в небо 2 февраля 2001 года. Он был создан на основе MQ-1 Predator для использования в военно-воздушных и военно-морских силах США, Британских Королевских военно-воздушных силах. В отличие от своего предшественника, этот БЛА способен развивать скорость более 400 км/ч и нести в 15 раз больше полезного груза за счет нового турбовинтового двигателя. Reaper предназначен для долгосрочных полетов, выполнения разведывательно-наблюдательных, а также боевых задач.

· Predator B-001- первая модернизация БЛА MQ-1 Predator. На него установлен турбовинтовой двигатель (712 кВт). Визуальное отличие от MQ-1 представляют крылья, они увеличены с 14,8 м до 20 м. B-001 может нести 340 кг полезной нагрузки на высоте 15,2 км, со скоростью 390 км/ч. Время полета до 30 часов.

· Predator B-002 - следующая модернизация БЛА. Грузоподъемность 215 кг, верхний потолок высоты 18,3 км, время полета 12 часов.

· Predator B-003 или «Альтаир» - снова увеличен размах крыльев, до 25,6 м. Следовательно, увеличенная грузоподъемность БЛА до 1360 килограммов, а максимальная высота полета 15,8 км. Время полета увеличено до 36 часов.

За безоружными версиями закрепили название “Альтаир”, в то время как боевые БЛА называют MQ-9 Reaper.

По состоянию на текущий 2010 год в боевом составе эскадрилий авиакрыла имеется 118 аппаратов «Predator» и 27 машин «Reaper». Около половины парка этой техники постоянно задействовано в применении текущих целевых и тактических задач, а суммарный налет аппаратов составляет около 4 тыс. ч в месяц. При этом непосредственно в составе экспедиционных авиационных формирований на ТВД развернуты только летательные аппараты с группой обеспечения взлета, посадки и управления воздушным движением в зоне аэродрома базирования, решающей свои задачи с помощью наземной станции управления (НСУ). Контроль выполнения остальных этапов полетного задания, в том числе санкционирование применения оружия, осуществляется по волоконно-оптическим и спутниковым каналам связи глобальной информационной сети министерства обороны с территории США.

Рис. 1.2 Схема организации управления многоцелевыми БЛА MQ-1 «Predator» и MQ-9 «Reaper» ВВС США на ТВД

К 2011 году на вооружении военно-воздушных сил США предполагается иметь 15 авиаэскадрилий стратегических многоцелевых БЛА общей численностью 170 машин «Предатор» и до 70 «Reaper».

Для военно-морских сил США создается беспилотный аппарат на основе Reaper, названный “Mariner”. Этот аппарат будет иметь складные крылья, увеличенный запас топлива, который позволит БЛА находиться в полете 49 часов.

X-47A "Pegasus"

Назначение: воздушная платформа для системы раннего предупреждения (AEW), огневое подавление системы ПВО противника, нанесение ударов по целям, прикрытым сильной ПВО, посредством нанесения высокоточных ударов, воздушное прикрытие авианосного соединения, разведка объектов удара авиации военно-морских сил, РЭБ и РТР.

Особенности: моноплан типа «бесхвостка» со среднерасположенным ромбовидным крылом с 2-мя элевонами и 4 отклоняемыми аэродинамическими поверхностями. Силовая схема планера БЛА - силовой короб с неработающей обшивкой. Вертикальное оперение отсутствует. Воздухозаборник расположен в наплыве верхней части фюзеляжа. Шасси трехопорное убирающееся с электрическим приводом. Изготавливается с использованием композиционных материалов. В конструкции реализованы элементы технологии «стелс». Вооружение размещается в 2-х внутренних отсеках. Возможна установка внешних пилонов. Система управления взлетом/посадкой - автоматическая. Способ управления полетом - автономный полет по программе с контролем параметров полета и возможностью оперативной корректировки программы в полете, значения координат местоположения БЛА корректируются по данным GPS. Предполагается, что БЛА сможет самостоятельно выбирать маршрут и профиль полета по данным бортовых средств РТР. При повреждении БЛА он самостоятельно возвращается на заданный аэродром. Силовая установка - ТРДД с плоским соплом и управляемым вектором тяги. Способ взлета - с палубы катапультой; способ посадки - по-самолетному с тормозным гаком.

С 2003 года на вооружение сухопутных войск США поступает тактическая беспилотная разведывательная система на базе БЛА RQ-7A «Shadow 200». По оценкам американских военных специалистов использование этих БЛА для патрулирования маршрутов движения транспортных колонн значительно сократило потери личного состава и техники благодаря своевременному выявлению и предотвращению фактов минирования и организации засад. Например, одно подразделение БЛА, оснащенное тремя системами «Shadow 200» (по четыре летательных аппарата в каждой), способно осуществлять круглосуточное разведывательное обеспечение с суммарной продолжительностью вылетов до 60 ч в сутки.

RQ-7A "Shadow 200"

Данный БЛА относится к среднему классу тактических беспилотников и предназначен для наблюдения, разведки и целеуказания.

Особенности: моноплан с высокорасположенным крылом и хвостовым оперением на двойной балке. В конструкции широко используются композиционные материалы. Система взлета/посадки - автоматическая. Способ управления полетом - полет по программе с контролем параметров полета и возможностью оперативной корректировки программы в полете.

Координаты местоположения корректируются по информации приемника GPS. Силовая установка - поршневой двигатель UEL AR741 208cc 38 л.с. Способ взлета: по самолетному (10 м), катапульта, RATO; способ посадки: по самолетному с тормозным крюком, сеть.

RQ-7A "Shadow 200"

RQ-8А "Fire Scout"

Назначение: наблюдение, разведка, целеуказание, обеспечение связи и передачи данных, РЭБ, РХБР, РТР, ПСС

Особенности: конструктивно представляет собой модифицированный вариант вертолета Model 330 SP Фирмы «Schweizer» с уменьшенным за счет отсутствия экипажа фезюляжем, новой топливной системой и бортовым оборудованием. Несущий винт - трехлопастный. Система взлета/посадки - автоматическая, система посадки CARS c точностью 15 см. Способ управления полетом - полет по программе. Силовая установка - ТВД мощностью 420 л.с. Способ взлета/посадки - вертикальный.

Фирма «Ханиуэлл» в рамках финансируемой программы «Перспективная боевая техника» разработала беспилотную систему на базе мини-БЛА вертикального взлета и посадки RQ-16 «Мав». Она рассматривается в качестве средства разведывательного обеспечения действий подразделений в звене взвод/рота. Аппарат, выполненный по схеме «винт в кольце», а также компактная наземная станция управления размешаются в специальных контейнерах и могут переноситься одним военнослужащим. В состав бортового оборудования БЛА, размещаемого в двух цилиндрических обтекателях, входит система управления аппаратом, приемник космической радионавигационной системы NAVSTAR, телевизионная и инфракрасная камеры, а также аппаратура передачи развединформации на дальность до 10 км. Система прошла успешные испытания на территории США, в ходе которых, в частности, отрабатывалась возможность передачи видеоизображения с БЛА на борт ударного вертолета АН-64 «Апач». Благодаря высокому уровню автоматизации машина проста в управлении, а время обучения оператора ее эксплуатации составляет около 16 ч.

Рис. 1.3 Концепция совместного применения боевых вертолетов и БЛА

В целях обеспечения возможности доведения разведданных от беспилотных машин непосредственно ударным средствам и командирам наземных подразделений разрабатываются удаленные терминалы приема видеоинформации «Ровер». Они позволяют получать в реальном масштабе времени видеоизображение цели от оптоэлектронных средств разведки БЛА и вести двусторонний обмен данными с отображением на дисплеях, назначенных для поражения объектов.

В целом анализ опыта применения вооруженными силами США беспилотных систем различных классов подтверждает высокую эффективность этого вида вооружения в условиях современных военных действий любой интенсивности. Дальнейшее совершенствование этих систем осуществляется путем улучшения тактико-технических характеристик их наземных и воздушных компонентов, а также благодаря совершенствованию способов применения БЛА как самостоятельно, так и во взаимодействии с пилотируемыми летательными аппаратами. По мнению военных экспертов, несмотря на достаточно серьезные проблемы, связанные с применением БЛА (например, ограничения систем связи по передаче сигналов управления и развединформации, сложность интеграции в единую систему управления воздушным движением и др.), количество БЛА в войсках, а также круг решаемых ими задач будут неуклонно возрастать.

Израильские БЛА

"Hermes 1500" (Израиль)

Назначение: разведка, наблюдение и обнаружение, ретрансляция.

Особенности: моноплан с высоко расположенным прямым крылом и V-образным хвостовым оперением. Двигатели размещены в 2-х крыльевых пилонах. Шасси трехстоечное убирающееся. Конструкция БЛА выполнена из

Композиционных материалов. Способы управления взлетом/посадкой - ручной (оператором) или автоматический. Способ управления полетом - автономный полет по программе с контролем параметров полета и возможностью оперативной корректировки программы в полете. Возможен ретрансляционный тип управления БЛА. Силовая установка - 2 поршневых двигателя по 100 л.с. в крыльевых пилонах с трехлопастными винтами. Способ взлета/посадки - по самолетному (350 м).

I-View MK150

Масса взлетная, кг до - 160

Масса полезной нагрузки, кг - до 20

Длина, м - 3,1

Размах крыльев, м - 5,7

Высота полета, м - 5200

Радиус действия, км - 100

Скорость полета, км/ч

Продолжительность полета, ч - 7

Данный БЛА относится к среднему классу тактических беспилотников и предназначение для разведки наземных целей, целеуказания, обнаружения мест падения других БЛА и самолётов. Взлет и посадка БЛА выполняются в автоматическом режиме. Взлет - как с помощью катапульты, так и «по-самолетному» с ВПП, посадка - на управляемом параплане. Причем при использовании параплана точность посадки составляет менее 50х50 м, без ограничений по боковому ветру.

Подготовка посадочного места - минимальная. В качестве полезной нагрузки применяется комбинированная (ТВ и ИК) система наблюдения POP300. Возможно изменение типа полезной нагрузки по требованию заказчика.

Данный БЛА в составе 3 единиц, организующий комплекс, в 2009 году был приобретён Министерством обороны России за $53 млн. Кроме I-View MK150 компания предлагает в этом семействе комплексов еще I-View MK250 средней дальности, предназначенный для работы в тактических эшелонах на уровне батальона (дивизии) и I-VIEW MK50 ближнего радиуса действия для работы на уровне бригады или специальных подразделений. Система MK250 состоит из наземной системы управления, нескольких БЛА, стабилизированной многоспектральной оптической системы, цифровой линии передачи данных.

Отечественные модели

Масса взлетная, кг - 85

Масса полезной нагрузки, кг - 12,5 -32

Длина, м - 2,6

Размах крыльев, м - 4,6

Высота полета, м - 4000

Радиус действия, км - 450

Скорость полета, км/ч - 80-150

Продолжительность полета, - ч 8

На 2010 год лидирующую позицию в данном сегменте рынка занимает компания «Транзас». Фирма предлагает комплексы с беспилотными аппаратами семейства «Дозор». Среди них, в частности, БЛА «Дозор-85» («Дозор-4»). В состав целевой нагрузки этого БЛА входят видеокамера переднего обзора, оптико-электронная система, автоматический цифровой фотоаппарат, возможна установка лазерного дальномера и груза на внешней подвеске.

Масса взлетная, кг - 95

Масса полезной нагрузки, кг - 15-32

Длина, м - 3,0

Размах крыльев, м - 5,4

Высота полета, м - 4500

Радиус действия, км - 600

Скорость полета, км/ч - 120-150

Продолжительность полета, ч - 10

Более тяжелый аппарат «Дозор-100» («Дозор-5») также предназначен для действий в составе многоцелевого комплекса мониторинга и является развитием аппарата «Дозор-85» в направлении повышения дальности и продолжительности полета. Все БЛА семейства имеют нормальную аэродинамическую схему и размещение ДВС в кормовой части планера. Комплексы с этими БЛА предназначены для мониторинга объектов инфраструктуры и специального назначения, патрулирования трубопроводов, железнодорожных путей, линий электропередачи, сухопутных и морских границ, поиска, обнаружения, идентификации и слежения за объектами в районе или полосе маршрута. Навигация и управление осуществляется при помощи инерциальной системы, интегрированной с приемником спутниковой навигации ГЛОНАСС/GPS и баровысотомером. Целевая нагрузка БЛА может включать видеокамеру переднего обзора, оптико-электронную систему, автоматический цифровой фотоаппарат, а также лазерный дальномер и радар с синтезированной апертурой. Кроме того, возможна доставка груза на внешней подвеске. Оба БЛА имеют хорошие перспективы для оснащения тактического звена ВС как отдельно, так и в составе существующих и разрабатываемых комплексов. Комплекс с БЛА «Дозор-85» выпускается с 2007 года. Он применялся в ходе специальных учений погранвойск ФСБ РФ. Первый полет прототипа «Дозор-100» состоялся в июле 2009 года. Осенью 2009 года комплекс с этим БЛА был использован в ходе учений «Запад-2009» для обнаружения и идентификации целей на море. В настоящее время БЛА «Дозор-100» проходит модернизацию и предполагается его включение в состав других перспективных комплексов.

Масса взлетная, кг - 200

Масса полезной нагрузки, кг - 50

Длина, м - 4,53

Размах крыльев, м - 5,34

Высота полета, м - 500-5000

Радиус действия, км до - 200

Скорость полета, км/ч - 140-210

Продолжительность полета, ч - 12

Впервые на выставке МАКС-2009 был представлен новый БЛА «Иркут-200», разработанный в ОАО «Иркут». Это авиационный комплекс дистанционного зондирования, предназначенный для получения и передачи в реальном масштабе времени ТВ-, тепловизионного, радиолокационного и фотографического изображения местности, определения координат объектов, а также для доставки грузов. Комплекс состоит из двух БЛА, наземной станции управления и средств технического обслуживания. Полезная нагрузка БЛА включает ТВ и ИК камеры, цифровой фотоаппарат и РЛС. БЛА выполнен по нормальной аэродинамической схеме с Т-образным хвостовым оперением. В качестве силовой установки используется ДВС мощностью 60 л.с. Взлет и посадка БЛА осуществляются «по-самолетному». Управление на маршруте - автономное. Комплекс находится в стадии разработки.

Масса взлетная, кг - 138

Масса полезной нагрузки, кг - 15

Длина, м - 2,87

Размах крыльев, м - 3,25

Высота полета, м - 100-2500

Радиус действия, км - 60

Скорость полета, км/ч - 120-180

Продолжительность полета, - ч 2

Также невозможно обойти стороной БЛА «Пчела», разработанный в московском НИИ «Кулон» совместно с ОКБ им. А.С. Яковлева, предназначен для воздушной разведки, наблюдения за полем боя в интересах тактических подразделений различных родов войск в реальном масштабе времени, в том числе проведения разведки (поиск, обнаружение, облет, распознавание и определение координат) объектов удара, доразведки целей, выдачи целеуказания в реальном масштабе времени, а также контроля за результатами огневого удара. Старт БЛА производится с наземной пусковой установке, посадка - при помощи парашютно-амортизационной системы. Полет - автоматический по программе или с дистанционным управлением. В качестве полезной нагрузки используется гиростабилизированная ТВ-камера и широкополосный передатчик с антенной. Вместо ТВ-камеры может устанавливаться ИК-камера. В 2007 году завершены госиспытания модернизированного БЛА «Пчела» с ТВ и инфракрасной аппаратурой.

1.1.2 Обзор существующих подходов к взлету беспилотного летательного аппарата

Существует несколько основных способов взлета БЛА:

1) с использованием катапульты;

2) вертикальный взлет;

3) взлет «по-самолетному».

В настоящее время подавляющее большинство БЛА запускается при помощи катапульт. При этом различные фирмы в разных странах используют различные типы катапульт, вот наиболее встречаемые:

- с использованием пороховых ускорителей;

- пневматические;

- резиновым приводом;

- электромеханические.

Каждая из этих типов катапульт имеет свои преимущества и недостатки. Так, например, пороховая катапульта при всех ее положительных качествах, таких как простота, надежность, энерговооруженность, имеет и существенные недостатки, такие как отсутствие скрытности работы, повышенная опасность для обслуживающего персонала. Пороховая катапульта практически не заменима при запуске тяжелых БЛА с реактивным двигателем, но применение ее для запуска мини БЛА не целесообразно.

Катапульта с резиновым приводом в принципе пригодна для запуска мини БЛА, но тоже обладает некоторыми недостатками, такими как, невозможность работы на низких температурах, а также низкая энерговооруженность, что не позволяет сделать ее компактной.

Пневматическая катапульта свободна от недостатков присутствующих в катапульте с резиновым приводом, но вследствие присутствия оборудования высокого давления (около 120 атмосфер), требуется обслуживание высококвалифицированным персоналом, а также периодическая аттестация в соответствующих надзирательных органах.

Электромеханические катапульты могут использовать различные

типы привода:

- с приводом - вращающимся маховиком;

- с приводом - линейным электродвигателем;

- с приводом - электродинамического типа.

Электромеханические катапульты наиболее подходят для запуска БЛА с поршневым двигателем, поскольку те требуют невысокую скорость схода. Если задаться максимальной перегрузкой при разгоне ЛА равной10 g, то можно создать компактную катапульту с длиной направляющей не более 3-х метров. При такой длине направляющей не требуется ее складывать, что сокращает время развертывания (пуск может осуществляться сразу после остановки ТПУ). Она легко может быть размещена на шасси Урал-4320 в том числе и внутри кунга, что устраняет демаскирующие факторы ТПУ.

Предварительный анализ различных схем построения катапультного устройства, проведенный с учетом рекомендаций ГУП "ОКБ" Гранат", имеющего опыт в создании мощных энергоагрегатов с высокими техническими показателями и специальных систем энергопитания на их основе, позволил выделить два варианта структурных схем катапультных устройств для изделия "Оса", наиболее полно удовлетворяющих предъявляемым требованиям.

Первый - катапультные устройства на базе специального линейного двигателя, второй - на основе лебедки с управляемым приводом, обеспечивающими практически постоянную величину максимально допустимого ускорения БЛА.

Среди перечисленных катапульт наиболее перспективными можно считать две последних.

Катапульта с приводом вращающимся маховиком, по сравнению с ними, конструктивно более сложная и менее надежная. Поскольку для питания электромеханических катапульт используется напряжение питания не превышающее 30 В, то не предъявляются повышенные требования к квалификации обслуживающего персонала.

Второй способ взлета - это вертикальный взлет.

Среди существующих и вновь разрабатываемых БЛА особую, пока не многочисленную, группу составляют аппараты, обладающие способностью вертикального взлета и посадки (ВВП). Такая способность БЛА не только существенно упрощает проблему их базирования, но и расширяет возможности ЛА как по областям , так и по тактике их применения.

Летательные аппараты вертикального взлета и посадки (ЛА ВВП) включают в себя довольно широкий класс ЛА, использующих аэродинамический принцип полета. Их характерной чертой является способность взлетать и садиться с площадок, соизмеримых с размерами ЛА.

Но при проектировании САУ таких ЛА возникают большие трудности в обеспечении стабилизации их вокруг центра масс (особенно на режиме взлета и висения). К тому же, использую вертикальный взлет идет большой расход топлива, что укорачивает радиус применения БЛА.

В данной дипломной работе рассматривается самолет среднего класса с размахом крыла 8 м, рассчитанный на эксплуатационные перегрузки от 3 до 6 единиц. Вертикальный взлет к такому самолету не применим. Чтобы запустить такой самолет с катапульты приходится строить направляющую большой длины, чтобы исключить большие перегрузки на БЛА, и это накладывает определенные сложности на конструирование таких приспособлений, именно поэтому в нашем случае целесообразно использовать способ взлета «по-самолетному».

Рассмотрим по подробней взлет «по-самолетному», который мы и используем в данной работе.

Для старта указанного БЛА пригодна любая ровная грунтовая площадка с прочностью грунта не менее 5 кг/см², взлетная полоса аэродрома или прямолинейный участок шоссе. Необходимая длина взлетной полосы в стандартных атмосферных условиях при взлетной массе носителя 400 кг составляет 250-300 метров. Боковая составляющая ветра (под 90° к направлению разбега) - 10 м/сек.

Взлет может осуществляться в автоматическом режиме или под управлением наземного оператора. Возможен взлет носителя при взлетной массе до 600 кг с соответствующим увеличением взлетной дистанции.

Для сокращения дистанции взлета возможно использование способов взлета, известных в практике спортивного планеризма, в том числе:

- разгон носителя с помощью резинового амортизатора;

- разгон носителя буксировкой за автомобилем, включая разгон автомобилем с зацеплением буксировочного троса через полиспаст;

- разгон носителя буксировочной лебедкой.

Для осуществления этих способов старта самолет оборудуется буксировочным планерным замком в носовой части фюзеляжа. При этом разбег перед отрывом может быть сокращен до 15ч20 метров, а допустимая скорость бокового ветра может быть существенно увеличена. С точки зрения методики управления эти способы старта ничем не отличаются от обычного самолетного взлета, в использовании наземного оператора нет необходимости.

Для БЛА при установке планерного буксировочного замка возможен также чисто планерный способ старта с использованием легкомоторного самолета-буксировщика, который также оборудуется буксировочным замком и зеркалом заднего обзора. Взлет осуществляется без запуска двигателей носителя на буксировочном тросе длиной от 20 до 50 метров с любого, в том числе грунтового, аэродрома. На буксире самолетом БЛА может набрать высоту до 6000 метров и может быть доставлен к месту использования, которое может находиться на удалении до 1000 км от места старта. При этом полет БЛА на буксире с точки зрения работы автопилота ничем не отличается от обычного полета БЛА в автономном режиме. Запуск двигателей осуществляется в воздухе перед отцепкой БЛА. Использование электростартеров не требуется, т.к. запуск осуществляется на авторотации воздушных винтов.

После отцепки БЛА самолет может барражировать в безопасной зоне и использоваться в качестве ретранслятора. На борту самолета может быть также размещен пульт управления БЛА, который может обеспечить даже самолетную посадку БЛА с подбором площадки с воздуха, что также используется в практике спортивного планеризма.



1.2 Составление дифференциальных уравнений движения БЛА на режиме разбега и взлета

Для теоретического анализа любой сложной системы, в том числе и БЛА, необходимо построить ее математическую модель, что в конечном итоге сводится к составлению дифференциальных уравнений, описывающих зависимость характеристик процесса от его параметров. При изучении системы исследованием ее математической модели неизбежно приходится принимать те или иные допущения, так как стремление к точному учету всех свойств реальной системы может привести к такому усложнению, при котором анализ окажется невозможным. С другой стороны, чрезмерное упрощение математической модели является недопустимым, так как результаты исследований в этом случае могут не отображать наиболее характерных свойств системы.

При выборе математической модели движения самолета для синтеза структуры автопилота будем в дальнейшем всегда полагать, что его конструкция является недеформируемой. Это позволяет рассматривать самолет при выводе уравнений его движения как твердое тело.

В практических расчетах под математической моделью движения самолета понимают совокупность его характеристик, анализ которых позволяет определить реакцию самолета на допустимые входные воздействия при заданных начальных условиях.

В данной дипломной работе рассматривается только продольное движение, при этом считается, в боковом канале осуществлена стабилизация заданной линии пути, совпадающей с осью ВПП.

Ниже представлена полная система уравнений движения ЛА:



(14)

В дипломной работе рассматривается только продольный канал, в связи с этим система уравнений (14) примет следующий вид:

(1)

где:

- угол наклона траектории (град),

- угол атаки (град),

- угловая скорость вращения корпуса самолета (град/с),

- угол тангажа (град),

- высота полета (м),

- скорость полета (м/с),

- нормальная перегрузка.

Далее проведем подробный анализ каждого уравнения, входящего в систему (1) на режиме взлета:



1) , (1.1)

где .

Преобразуем формулу, подставив значение Q в уравнение (1.1), в результате после некоторых преобразований получаем следующее дифференциальное уравнение продольных сил:

, (1.1a)

2) , (1.2)

где ,

Cx - коэффициент аэродинамической продольной силы;

Cy - коэффициент аэродинамической нормальной силы;

с - величина плотности воздуха при высоте 0 м над уровнем моря;

S - площадь крыла;

f - коэффициент трения;

g- ускорение силы тяжести. (g=9.81 м/сек²);

P(V) - тяга на винте является функцией скорости полета.

3) ; (1.3)

; (1.3a)

Запишем формулы для нахождения коэффициентов , ,:

, (1.3б)

, (1.3в)

, (1.3г)

Запишем расчетные формулы для моментов от сил реакции опор шасси:

Рис 2.1 Моменты реакции опоры на шасси

Расположение стоек шасси осуществляется таким образом, чтобы обеспечить равенство нулю суммарного момента от сил реакции опор. Аналитически это условие может быть выражено следующей системой уравнений:

Из систем уравнений (1.3 д) следует, что условию равенства нулю суммарного момента от сил реакции опор соответствуют следующие величины сил реакции опор шасси:

1.2.2 Исходные данные

Исходными данными для расчёта взлетного режима являются полётный вес, поляра БЛА, его моментная характеристика, балансировочная характеристика, располагаемые характеристики силовой установки.

На рисунке 2.2 представлена поляра БЛА, соответствующая его взлетной конфигурации.

Рис. 2.2 Поляра. Аэродинамическая конфигурация - взлетная

Таблица 2.1

Поляра БЛА

Конфигурация
Взлетная		-2	0	2	4	6	8	10	12	14	16	18	20
		0.31	0.52	0.71	0.89	1.07	1.24	1.41	1.55	1.73	1.86	1.86	1.78
		.077	.082	.091	.105	.121	.142	.176	.197	.24	.28	.329	.39

Так как по условию, стояночный угол тангажа при обжатом шасси составляет 4 град, следовательно, и начальный угол атаки также равен 4 град. Этой величине угла атаки соответствуют следующие значения аэродинамических коэффициентов Cx и Cy:

б<б_доп (б_доп=8^o)

Сx=0.105 (б=4°)

Cy=0.89 (б=4°)



Ниже представлена моментная характеристика БЛА

Рис. 2.3 Моментная характеристика БЛА

Значения производных коэффициента продольного момента по угловой скорости тангажа, углу атаки б, и по углу отклонения руля высоты :

сек,

1/град,

1/град.

Величина средней аэродинамической хорды: м.

Величина момента инерции БЛА относительно оси OZ: Iz= 50 кг*м².

Величина плотности воздуха при высоте 0 м над уровнем моря: с=1.225 кг/м³.

Основные технические характеристики БЛА представлены в таблице 2.2. и на рисунках 2.4, 2.5.

Таблица 2.2

Характеристики БЛА

Характеристики БЛА	Значения
Размах крыла, м	8,0
Площадь крыла, м2	6,0
Длина, м	4,67
Высота на стоянке, м	1,6
Взлетная масса, кг	400-500
Масса полезной нагрузки, кг	180-250
Масса целевой нагрузки, кг	80-100
Масса топлива, кг	100-150
Высота применения, м	до 7000
Крейсерская скорость, км/ч	220
Минимальная рабочая скорость, км/ч	95
Взлетная дистанция при (самолетном способе старта), м	300-500
Продолжительность полета, ч	8-12
Силовая установка:
количество двигателей	2
Мощность у земли, л.с.	2х50

Рис 2.4 Схема самолета A) Вид сбоку, Б) Вид спереди

Рис 2.5 Схема самолета A) Вид сверху

Основные особенности БЛА: шасси - трехопорное с носовой опорой, убирающееся. Носовая стойка при уборке разворачивается на 135є и укладывается в правый носовой отсек средней части фюзеляжа. Основное шасси разворачивается назад на 30є и прижимается к центроплану снизу, при этом колеса основного шасси располагаются за задней кромкой крыла.

Уборка шасси осуществляется одним электромеханизмом типа МП-100,кинематически все стойки связаны между собой.

Стойки шасси рессорного типа, трубчатого сечения изготовлены из углепластика. Колеса снабжены пневматиком размером 320 х125.

Шасси имеет повышенную работоемкость, что обеспечивает самолетную посадку без выравнивания или парашютную посадку без повреждения элементов конструкции.

Рис. 2.6 Схема шасси

Стойки шасси располагаются относительно центра масс следующим образом (см. рис. 2.1):

L = 2.56 м - расстояние от передней до задней стойки шасси;

h1 =1.965 м - расстояние от передней стойки до оси центра масс БЛА;

h2 =0.595 м - расстояние от задней стойки до оси центра масс БЛА.

Характеристики силовой установки БЛА

Силовая установка состоит из двух поршневых двигателей, расположенных над крылом в корневой его части.

Двигатели используются с четырехлопастными воздушными винтами фиксированного шага, с диаметром лопасти 1,2 м.

Ниже представлены характеристики силовой установки в виде зависимости мощности на валу двигателя от величины воздушной скорости БЛА на различных режимах его полета.

Рис. 2.7 Располагаемая мощность силовой установки в зависимости от высоты и скорости полёта

Описание пилотажно-навигационного комплекса БЛА

Пилотажно-навигационный комплекс предназначен для управления движением носителя, обеспечения полета по заданному маршруту, выполнения запрограммированных маневров, а также управления режимами работы двигателей и посадочной системы. Управление движением центра масс по траектории осуществляется автономно, в соответствии с введенной программой полета на основе вычисленных навигационных параметров. Коррекция полетного задания происходит по командам системы радиоуправления.