XX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание беспилотного летательного аппарата
Автор работы награжден дипломом победителя I степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
История беспилотных систем началась с конца XIX века, когда Николой Теслой был представлен, управляемый с пульта, корабль. Данный аппарат мог плыть с разной скоростью, маневрировать и зажигать и гасить электрические лампы на борту.
Современный беспилотные аппараты выполняют различные функции, исходя их требований отрасли, где они задействованы: аварийно-спасательные работы, доставка различных грузов, разведка в мирных и военных целях, и множество других.
Поэтому, Президент РФ Владимир Владимирович Путин на заседании наблюдательного совета Агентства стратегических инициатив заявил о том, что правительство формирует национальный проект по беспилотным системам. А также поручил сформировать спрос на «беспилотники» в регионах и сформировать систему обучения кадров для развития беспилотной авиации.
Актуальность работы: потребность в беспилотных системах растет с каждым днем. Разработка отечественных аппаратов толкает научно-технических прогресс страны вперед, что является очень важным аспектом в приобретении технической независимости.
Данный проект реализует возможность на практике узнать из чего состоит беспилотный аппарат, а также разобраться в его управлении.
Новизна идеи создании модели беспилотного летательного аппарата.
Цель проекта: создание модели самолета Су-2, как беспилотного летательного аппарата.
Задачи:
-
познакомиться с основными тенденциями развития отрасли беспилотных систем;
-
изучить основы типы беспилотных аппаратов;
-
разработать модель самолета Су-2;
-
внедрить в модель Су-2 возможность дистанционного управления.
Объект изучения: беспилотные летательные аппараты.
Предмет изучения: модель самолета Су-2, с дистанционным управлением.
Методы: теоретические: сравнение, обобщение, аналогия, анализ;
эмпирические: моделирование, эксперимент
-
Теоретическая часть
-
Беспилотный летательный аппарат (БПЛА)
Беспилотным летательным аппаратом может называться любое летающее устройство, не имеющее пилота на борту. Поэтому, радио-модели самолетов и вертолетов также являются беспилотниками и управляются по радиоканалу. Помимо радиоканала, управление БПЛА может осуществляться иными средствами связи или же с помощью пилотного задания, заложенного в бортовой компьютер летательного аппарата или наземный контролирующий комплекс.
В силу своих конструктивных особенностей, квадрокоптеры и мультикоптеры, как правило, уступают БПЛА вертолетного и самолетного типа по таким техническим характеристикам как:
-
максимальная масса полезной нагрузки;
-
максимальная скорость и дальность полета;
-
максимальный практический потолок полета;
-
максимально возможное время полета.
Каждый беспилотный летательный аппарат создается для конкретного применения и решения конкретных задач. То, что может сделать малый беспилотник, не сможет сделать большой. И наоборот. Беспилотные летательные аппараты могут применяться в таких областях, как:
-
аэрофотосъемка площадных и линейных объектов;
-
мониторинг лесных пожаров;
-
мониторинг состояния гидроэлектростанций;
-
контроль состояния газо- и нефтепроводов;
-
контроль этапов строительства различных объектов;
-
обеспечение охраны и безопасности территории;
-
контроль сельскохозяйственных процессов;
-
выполнение военных задач (разведка, поражение целей противника);
-
доставка грузов в труднодоступные районы;
-
выполнение спасательных операций и многое другое.
Для выполнения вышеперечисленных задач, в большинстве случаев, требуется высокоточное определение координат БПЛА, а также траектории его полета. Высокоточное позиционирование беспилотных летательных аппаратов осуществляется посредством Глобальных Навигационных Спутниковых Систем (ГНСС). Для приема сигналов со спутников на борту беспилотника устанавливаются ГНСС антенны и OEM-платы (ГНСС приемники).
В случае если есть необходимость высокоточного определения таких параметров, как курс, крен и тангаж, беспилотный летательный аппарат оснащается бесплатформенной инерциальной навигационной системой.
-
Типы БПЛА
По принципу полета все БПЛА можно разделить на 5 групп (первые 4 группы относятся к аппаратам аэродинамического типа):
-
с жестким крылом (БПЛА самолетного типа): (приложение 1 рисунок 1)
Осуществляет взлет в следствии напора воздуха, набегающего на неподвижное крыло. Такие аппараты отличаются от других типов БПЛА: длительностью полета, максимальной высотой и скоростью.
-
с гибким крылом: (приложение 1 рисунок 2)
Взлет происходит, как и у БПЛА с жестким крылом. Но данный аппарат изготавливается из ткани, эластичного полимера или упругого композита, которые обладают обратной деформацией. Зависим от погодных условий.
-
с вращающимся крылом (БПЛА вертолетного типа): (приложение 1 рисунок 3)
Подъёмная сила создается за счет вращения лопастей винта. Крылья отсутствуют или выполняют вспомогательную роль. Преимущества: зависание в точке и высокая маневренность.
-
с машущим крылом: (приложение 1 рисунок 4)
Данный класс копирует движение птиц и насекомых. Не распространены серийно, но ведутся исследования, так как имитация движения птиц и насекомых имеют преимущества перед другими БПЛА: энергоэффективность и манёвренность.
-
Аэростатически: (приложение 1 рисунок 5)
Осуществляют подъем преимущественно за счет архимедовой силы, действующий на баллон с легким газом. Представитель данного класса – беспилотный дирижабль.
-
БПЛА в России
Российская Федерация – одна из ведущих держав мира в авиастроении. Авиационная промышленность – один из принципов промышленного развития. БПЛА входят в состав авиационных комплексов Вооруженных Сил Российской Федерации и силовых ведомств. Беспилотные аппараты применяют и в гражданском секторе коммерческие предприятия и частные лица. В последнее время в научной среде все больше внимания уделяется вопросам, посвященным отечественным БпЛА: истории их создания, конструктивным особенностям, областям применения и перспективам развития.
Изготовление БПЛА относится к самым высокотехнологичным производствам авиационной отрасли, составляет основу технологической самостоятельности национального авиастроения..
Истории создания и развития отечественных комплексов беспилотных летательных аппаратов (КБПЛА) подразделяется на пять периодов: (Приложение 2 рисунок 1)
-
первый — с 1927 по 1939;
-
второй — с 1940 по 1959;
-
третий — с 1960 по 1979;
-
четвертый — с 1980 по 1999;
-
пятый — с 2000 г. по настоящее время.
Образцы советских КБПЛА военного и гражданского назначения, созданных в эти периоды распределены по взлетной массе в приложении 2 рисунок 2.
Динамика производства отечественных КБПЛА показана в приложении 2 рисунок 3.
-
Практическая часть
Изготовление беспилотного аппарата началось в выбора модели самолета периода Великой Отечественной войны. Был выбран самолет-бомбардировщик Су-2 (ББ-1 – ближний бомбардировщик первый). От других советских самолётов данного класса отличался передовой технологией изготовления и хорошим обзором из кабины. Последняя черта позволила успешно использовать эту машину в качестве артиллерийского корректировщика во второй половине Великой Отечественной войны. Для увеличения скорости полёта, по первоначальному замыслу Павла Сухого, бомбы помещались на внутренней подвеске внутри фюзеляжа.
-
Подбор материалов и комплектующих
Перед изготовлением модели самолета Су-2 (Приложение 3 рисунок 16) был подобраны материал и оборудование для его изготовления: (Приложение 3 рисунок 9)
-
потолочная плитка;
-
авиамодельный мотор;
-
пульт управления с приемником;
-
регулятор скорости для мотора;
-
два сервопривода;
-
аккумуляторы от старых телефонов;
-
клей «Мастер»;
-
медный провод – 10 см.;
-
листовой пластик – 10 см.;
-
скотч;
-
шпажки;
-
паяльник;
-
резак для потолочной плитки.
-
Изготовление модели
Основные этапы изготовления модели самолета Су-2:
-
построение чертежа;
-
сборка фюзеляжа;
-
сборка корпуса;
-
установка оборудования.
Перед сборкой модели необходимо построить чертеж, по которому будет легче выполнить рез деталей модели (Приложение 3 рисунок 10). С помощью самодельного станка для резки пенопласта, производим рез деталей фюзеляжа, крыльев, элеронов и хвостового оперения.
Далее производим сборку фюзеляжа, склеивая детали клеем «Мастер» (Приложение 3 рисунок 11). Для жесткости конструкции внутри фюзеляжа устанавливаем поперечины – ребра жесткости. Затем производим установку хвостового оперения и крылья (Приложение 3 рисунок 12).
Электродвигатель устанавливается на мотораму. Выполнена в виде поперечины из ДВП, куда крепиться мотор с помощью коротких саморезов. Моторама необходима для крепления двигателя в фюзеляж.
Рули самолета расположены на крыльях и на хвосте. (Приложение 3 рисунок 13). Рули крена расположены на задней кромке крыльев. Руль высоты находится в хвосте и выполняет функции набора и сброса высоты. Рули крена отвечают за поворот самолета вдоль продольной оси, работают в противоположные стороны: для крена влево правый элерон поворачивается вниз, а левый элерон вверх.
За работу рулей самолета отвечают сервоприводы (Приложение 3 рисунок 14). Один сервопривод отвечает за элероны, а второй за руль высоты. С помощью тяг осуществляется движение рулей. Тяги выполнены из шпажек, которые крепятся к «коромыслу» сервопривода.
По окончании сборки фюзеляжа и рулей, в центр устанавливается модуль управления самолетом, радиомодуль и аккумуляторные батареи. Модуль управления отвечает за функционирование систем руления, контролирует обороты электродвигателя. Радиомодуль позволяет выполнить соединение с пультом управления посредством радиосвязи (Приложение 3 рисунок 15).
После того как все основные элементы собраны и уложены, производим подключение сервоприводов, аккумуляторов, радиомодуля и мотора к блоку управления. Затем производим оклеивание скотчем модели для большей жесткости.
Заключение
Беспилотные летательные аппараты – это будущее авиастроения нашей страны. Сейчас начинают создаваться центры обучения, открываются производства и растет оборот летательных средств. Данные аппараты выполнены в разных исполнениях под разные цели: стратегическое значение, спасательные работы, опыление или удобрение полей и многие другие.
В скором будущем появиться беспилотные летательные аппараты для перевозки пассажиров, так как развиваются навигационные системы, где уже искусственный интеллект будет строить безопасные маршруты.
На примере модели Су-2, были показаны минимальные функции беспилотных летательных аппаратов – это совсем не сложно. Сборка модели возможна даже из подручных материалов. Но даже на такую легкую модель возможно поставить маленькую видеоаппаратуру, с помощью которой возможно разведать небольшую область для изучения обстановки или поиска кого-либо или чего-либо.
Список литературы
-
Кузнецов, Александр Павлович Конструкции мобильных антенн и антенн летательных аппаратов. Проектирование и расчет. Учебник. Часть II. Гриф УМО вузов России / Кузнецов Александр Павлович. - М.: Машиностроение, 2015. - 485 c.
-
Итоги 2022 года для рынка беспилотной авиации. — Текст : электронный // Aeronext Авиация будущего : [сайт]. — URL: https://aeronext.aero/press_room/analytics/292234
-
Российская беспилотная авиация. — Текст : электронный // "Арсенал Отечества" Информационно-аналитический журнал : [сайт]. — URL: https://arsenal-otechestva.ru/article/1619-rossijskaya-bespilotnaya-aviatsiya
-
Приложение 1
Рисунок 2. БПЛА с гибким крылом
Рисунок 1. БПЛА с жестким крылом
Рисунок 4. БПЛА с машущим крылом
Рисунок 3. БПЛА с вращающимся крылом
Рисунок 5. БПЛА аэростатические
Приложение 2
Рисунок 6. Периоды создания БПЛА
Рисунок 7. Распределение БПЛА по взлетной массе
Рисунок 8. Распределение БПЛА по годам
Приложение 3
Рисунок 9. Материалы и оборудование для сборки.
Р исунок 10. Создание чертежа.
Рисунок 11. Сборка фюзеляжа.
Рисунок 12. Сборка и установка крыльев.
Рисунок 13. Установка хвостового оперения
Рисунок 14. Установка сервоприводов элеронов
Рисунок 16. Готовая модель Су-2
Рисунок 15. Установка блока радиоуправления