XXVII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Разработка нового механизма запуска БПЛА самолётного типа

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Мазаев М.В. 1Гунько Н.А. 1

---

1ГАУ КО ОО ШИЛИ

Гайдученок А.М. 1

---

1ЦРСКД БФУ им. И. Канта

Работа в формате PDF

900.3 KB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Современная авиация быстро переходит на беспилотники. Сегодня их используют не только военные, но и гражданские службы — например, для наблюдения за трубопроводами или срочной доставки небольших грузов. Но этот переход создал новые технические проблемы. Одна из самых сложных — как запустить беспилотник самолётного типа с ограниченной площадки, например, с палубы корабля, из леса или с холмистой местности. Стационарные катапульты для этого не подходят, а ручной запуск не всегда надёжен.

Актуальность вопроса заключается в том, что беспилотники самолётного типа отлично подходят для работы в труднодоступных местах: в тайге, тундре, горной местности. Но именно там с их запуском возникают проблемы. Исследователям приходится искать открытую поляну, а военным — выходить на уязвимое, открытое пространство. Создание устройства, которое позволило бы запускать подобные дроны практически с любой точки, могло бы решить эту проблему.

Результаты нашей работы можно будет использовать в конструкторских бюро, которые создают мобильные комплексы для БПЛА. Практическая значимость проекта:

• Запускать дроны с неподготовленных площадок, машин или кораблей.

• Сократить время подготовки к вылету, что повысит оперативность.

• Снизить риск аварии при взлёте в сложных погодных условиях.

Актуальность и практическая значимость вопроса определили тему проектной работы: «Разработка нового механизма запуска БПЛА самолётного типа».

Объект исследования: процесс взлёта беспилотного летательного аппарата самолётного типа. Предметом исследования являются конструкция и параметры пусковой установки с регулируемым углом старта.

Цель проектной работы: создать модель пусковой установки, которая позволяет менять угол запуска. Это даст возможность стартовать со сложного рельефа, например, со склона или среди деревьев. Для достижения этой цели в работе ставятся следующие задачи:

1. Изучить типы БПЛА, их преимущества и недостатки, и как устроены существующие системы запуска дронов.

2. Рассчитать нагрузки, которые будут действовать на дрон и установку в момент выстрела.

3. Разработать кинематическую схему механизма с адаптивным механизмом разгона.

4. Сравнить эффективность схем по сравнению с существующими моделями

5. Создать 3D-модель частей устройства.

6. Изготовить тестовый образец для испытаний.

В начале проекта сформулировали гипотезу так: определённая частота вращения маховика перед стартом позволяет подобрать оптимальный режим разгона для любого положения направляющих в рабочем диапазоне углов наклона. Для проверки гипотезы в ходе работы будем использовать несколько методов:

• Теоретический анализ существующих моделей.

• Математическое моделирование старта в симуляторе «PhET Colorado (University of Colorado Boulder)».

• Инженерное проектирование (создание CAD-моделей всех узлов).

• Сравнение наших расчётных данных с характеристиками уже существующих систем.

• Тестовые запуски предметов на полученной модели.

1. Теоретические основы по типам БПЛА и системам их запуска

1. 1. Типы БПЛА, преимущества и недостатки различных схем

«Первыми беспилотными летательными аппаратами являются аэростаты (рисунок 1.1).

Рисунок 1.1 Аэростаты

Подразумевалось, что они будут использоваться для бомбардировки, однако, это не принесло значительных результатов на поле боя. Первый беспилотник представлял собой доработанный самолёт и мог управляться с морского судна на расстоянии до 5 км. Основное развитие беспилотная авиация получила с появлением микроконтроллеров и микропроцессоров. Микроэлектроника заменила громоздкие автопилоты, появилась возможность создавать малоразмерные летательные аппараты. Если в 20 веке беспилотники были, в основном, военными, в начале 21 века появились дроны гражданского применения. Возможности беспилотников всё ещё изучаются, а аппараты – совершенствуются.

Для начала разберемся, что же такое БПЛА? Беспилотный летательный аппарат – это летательный аппарат, который совершает полёт в автоматическом режиме без экипажа на борту.» (1, стр.4-5)

БПЛА могут обладать разной степенью автономности — от управляемых дистанционно до полностью автоматических, а также различаются по конструкции, назначению и другим параметрам». [1]

В рамках проекта мы рассмотрели два основных и принципиально разных типа аэродинамических схем: самолётный (с неподвижным крылом) и вертолётный (мультикоптер).[2]

Рисунок 1.2 Типы БПЛА: А- самолётные, Б-вертолётные

БПЛА самолётного типа (с неподвижным крылом): у него полёт происходит благодаря подъёмной силе, возникающей на крыле при поступательном движении аппарата. Это классическая, наиболее энергоэффективная аэродинамическая схема. [2]

Преимущества:

• Высокая энергоэффективность и большие дальность/продолжительность полета - это ключевое преимущество. После набора крейсерской скорости энергия расходуется почти только на преодоление сопротивления воздуха. Позволяет выполнять миссии длительностью от нескольких до десятков часов, покрывая расстояния в сотни километров.[6]

• Высокая крейсерская скорость: коптер может двигаться со скоростью 70-150 км/ч и выше делает их идеальным инструментом для оперативного мониторинга обширных территорий, обследования протяжённых линейных объектов (автодороги, ЛЭП, трубопроводы) и аэрофотосъёмки.[6]

• Конструкция обеспечивает плавный, устойчивый полет даже в условиях турбулентности, что является критически важным для получения качественных данных дистанционного зондирования (фото, видео, сканирование).

• Большая относительная грузоподъёмность. Планерная конструкция да т возможность устанавливать более тяжёлые и совершенные типы полезной нагрузки, такие как многоканальные спектральные камеры, лазерные сканеры (лидары) или радиолокационные системы.

Недостатки:

• Основной недостаток, мешающий широкому использованию - для взлёта необходима либо взлетно-посадочная полоса, либо специальные средства запуска (катапульта, лебёдка). [7]

• Невозможность зависания и вертикального взлёта и посадки (ВВП). Аппарат не способен неподвижно «зависнуть» в воздухе для детального наблюдения за статичным объектом, что ограничивает его применение для точечной инспекции.

• Ограниченная манёвренность на малых скоростях. Для сохранения управляемости требуется поддерживать скорость выше минимальной, что делает полеты среди деревьев или зданий сложными и опасными.

• Практически при любых поломках внешних деталей продолжение полета невозможно

БПЛА вертолётного типа (Мультикоптеры): здесь подъёмная сила, управление и стабилизация обеспечиваются изменением частоты вращения нескольких (минимум двух) несущих винтов. Это обеспечивает уникальные возможности по маневрированию. [1]

Преимущества:

• Вертикальный взлёт и посадка (ВВП) и режим зависания – главное преимущество такой конструкции. Могут взлетать и садиться на любую ровную площадку размером с их габариты, а также неподвижно висеть в заданной точке пространства. Это незаменимо для детальной инспекции сооружений, картографирования методом фотограмметрии, наблюдения. [1]

• Высокая манёвренность и работа в стеснённых условиях. Способны к точному перемещению по всем осям, полёту на экстремально малых скоростях, облёту объектов по сложной траектории, работе внутри помещений и в городской застройке.

• Простая механическая конструкция и компактность.

• Простота управления на базовом уровне. Автоматизированные системы стабилизации и навигации позволяют относительно легко освоить основные навыки пилотирования.

Недостатки:

• Низкая энергоэффективность и малая продолжительность/дальность полёта – главный недостаток. Значительная часть энергии тратится на постоянное удержание аппарата в воздухе. Типичная продолжительность полёта на электротяге составляет 20-45 минут, что сильно ограничивает радиус действия.

• Низкая крейсерская скорость и чувствительность к ветру. Эффективная скорость редко превышает 50-60 км/ч. В режиме зависания и на малых скоростях аппараты сильно подвержены воздействию ветра, что снижает качество съёмки.

• Слабая грузоподъёмность относительно самолётной схемы. Увеличение массы полезной нагрузки линейно сокращает время полёта, а для значительного его увеличения требуются радикальные изменения в силовой установке и размерах.

• Относительно высокая сложность программного обеспечения. Компенсация неустойчивости в полете и обеспечение точного управления требует сложного и надёжного полётного контроллера.

На основе рассмотренных преимуществ, недостатков и областей применения различных аэродинамических схем был сделан вывод, что БПЛА самолётного типа можно применять во многих областях эффективнее коптеров. Однако, главный недостаток самолётных БПЛА - необходимость в разгоночной полосе/лебёдке/катапульте мешает этому. Поэтому мы стали искать решение, которое позволило бы устранить этот недостаток.

1. 2. Способы запуска самолётных БПЛА, роль и место катапульт

Способ запуска определяет эксплуатационные качества БПЛА самолётного типа, лишённых функции вертикального взлёта-посадки, напрямую влияя на мобильность, автономность и оперативность комплекса. В настоящее время подавляющее большинство БПЛА запускается при помощи катапульт. При этом различные фирмы в разных странах используют различные типы катапульт, вот наиболее встречаемые:

1. Пневматические катапульты: отличаются высокой надёжностью и стабильностью скорости запуска. К основным недостаткам относятся ограниченное количество циклов запуска без перезарядки и большие габариты системы.

2. Гидравлические катапульты: обеспечивают высокую мощность запуска. Однако они требуют подключения к источнику питания, сложны в техническом обслуживании и демонстрируют нестабильность параметров при запуске лёгких БПЛА.

3. Эластические катапульты (на основе резиновых жгутов): характеризуются простотой конструкции, низкой стоимостью и портативностью. Существенным ограничением является невозможность их применения для аппаратов массой более 15 кг.

4. Ручной запуск: не требует дополнительного оборудования, но зависит от навыков оператора и физических возможностей, что делает его непригодным для БПЛА тяжелее 10 кг.

5. Запуск с помощью стартовых ускорителей: к корпусу БПЛА крепятся одноразовые твердотопливные или газогенераторные ускорители, которые за несколько секунд работы сообщают аппарату необходимый импульс. Может использоваться самостоятельно или в паре с короткой катапультой.

Кроме запуска с катапульт существует классический способ, аналогичный пилотируемой авиации: БПЛА совершает разгон по подготовленной взлетно-посадочной полосе (ВПП) или ровному твёрдому покрытию (асфальт, бетон) за счёт тяги собственного двигателя. Область применения: Средние и тяжёлые БПЛА, для которых конструкция шасси и запас мощности позволяют осуществить самостоятельный разбег. Часто требует значительной длины ВПП (сотни метров). Следствие: Жёсткая привязка к аэродромной инфраструктуре или необходимость в поиске и подготовке подходящих длинных площадок, что резко снижает гибкость применения в полевых условиях.

Таким образом можно сделать вывод, что катапульты безусловно являются самым распространённым способом запуска БПЛА самолётного типа, играя решающую роль в преодолении основного эксплуатационного ограничения схемы.

1.3 Нерешённые проблемы.

Анализ, проведённый в предыдущих разделах, чётко определил технологическую дилемму: самолётные БПЛА обладают неоспоримыми преимуществами в дальности, продолжительности полёта и грузоподъёмности, однако, их широкое внедрение в нишах, занятых мультикоптерами (инспекция, мониторинг, доставка в сложной местности), сдерживается критической зависимостью от способа запуска. Существующие пусковые установки являются узким местом, ограничивающим оперативную гибкость и мобильность всего комплекса. Разработка универсальной адаптивной катапульты, способной подстраивать усилие и угол запуска под различные характеристики БПЛА и условия старта, представляет собой актуальное инженерное решение для преодоления данных ограничений.

2. Разработка и проектирование системы запуска БПЛА

2.1 Анализ энергетической эффективности стартовой системы в зависимости от угла запуска

В процессе проектирования было установлено, что увеличение угла возвышения направляющих положительно коррелирует с ростом тактической гибкости системы и расширением диапазона её рабочих сценариев. Однако мы считали, что это самое увеличение угла приводит к повышению энергозатрат, необходимых для сообщения беспилотному летательному аппарату (БПЛА) заданной кинетической энергии на участке разгона (направляющих).

На первоначальном этапе аналитического моделирования оценка потребной мощности проводилась в предположении об отсутствии аэродинамического сопротивления, то есть в условиях идеализированной механической системы. Использование базовых формул кинематики (Приложение 1) и формулы E=(mv²)/2позволило получить предварительные значения энергозатрат. Однако полученные результаты оказались, как мы считали, заниженными и что это указывает на ограниченную применимость данной модели для точных расчётов.

В связи с этим был осуществлен переход к имитационному моделированию с использованием программной среды PhET Colorado (разработка University of Colorado Boulder). Выбор данного симулятора (Приложение 2) обусловлен его функциональными возможностями: среда позволяет параметрически задавать коэффициент аэродинамического сопротивления, что критически важно для корректировки идеализированных расчетов. Учитывая, что на этапе старта (вблизи поверхности) скоростной напор не достигает критических значений, коэффициент лобового сопротивления был принят равным 0.1, что соответствует усредненным показателям для хороших самолетных БПЛА.

Однако такой метод опроверг первоначальные опасения о значительном влиянии атмосферного сопротивления: сравнительный анализ идеализированной модели и "реальных" экспериментов показал, что фактические потери энергии, обусловленные диссипативными силами, не превышают 1% от теоретического минимума. Таким образом необходимая для разгона БПЛА массой 15 кг до скорости 25 м/с E = (mv²)/2 ≈ 4500 дж.

Для расчёта энергии, запасаемой маховиком, применялась формула E=(1/2)Iw². Максимальная частота вращения маховика проектируемой установки составляет 6000 об/мин, что соответствует угловой скорости w ≈ 628 рад/с. Конструктивно маховик выполнен в виде тонкостенного обода, основная масса которого сосредоточена на внешнем радиусе. Для такой конфигурации момент инерции рассчитывается по формуле I ≈ mr². При массе маховика около 4 кг и радиусе примерно 0.23 м момент инерции составляет I ≈ 0.2 кг·м². Таким образом, запасённая энергия достигает E ≈ 25 кДж (с учётом предполагаемого КПД около 65 %). Передача этой энергии БПЛА осуществляется в интервале времени t=0.5-1с, что обеспечивает среднюю мощность P ≈ 19 кВт (при усреднении для t = 0.75 с).

Для разгона БПЛА массой 15 кг (характерное значение для аппаратов данного класса) до скорости 25 м/с за 0.5 с требуется мощность ≈ 10 кВт. Таким образом, энергетические характеристики разрабатываемого механизма с запасом перекрывают необходимые требования к запуску, что послужило основанием для выдвижения нижеследующей гипотезы.

2.2 Регулировка режима пуска для увеличения общего ресурса системы

Основной проблемой при создании универсальной пусковой установки является противоречие между необходимостью сообщить БПЛА заданную кинетическую энергию и ограниченной длиной направляющей. Как было показано в п. 2.1, расчётная мощность нашей системы (порядка 19 кВт) значительно превышает минимально необходимую для разгона аппарата массой 15 кг (10 кВт). Данный запас энергии создаёт предпосылку для поиска более гибкого алгоритма работы механизма.

Мы предположили, что регулировка режима пуска должна осуществляться не механическим изменением конструкции (например заменой пружин), а управлением скоростью вращения ротора электродвигателей на этапе накопления энергии. Физически это означает, что изменяя начальную угловую скорость вала, мы запасаем в маховике ровно столько энергии, сколько необходимо для конкретного угла старта и конкретной массы аппарата.

Таким образом, гипотеза заключается в следующем: определённая частота вращения маховика перед стартом позволяет подобрать оптимальный режим разгона для любого положения направляющих в рабочем диапазоне углов. Это не только обеспечит гарантированный взлёт аппарата с заданной траекторией, но и позволит избежать излишних ударных нагрузок на ременную передачу и весь механизм в целом в момент страгивания платформы с места, что должно положительно сказаться на общем ресурсе устройства.

2.3 Эксперименты, расчеты, результат

В результате предварительных теоретических изысканий нами была предложена первая версия модели катапульты. Принцип её функционирования (Рисунок 2.1) заключался в следующем: электродвигатели (A) раскручивали маховик (B) для накопления кинетической энергии. После выхода на рабочий режим, исполнительные механизмы (пружины или соленоиды) (E) вводили в зацепление муфту сцепления (D), жёстко соединённую с валом (C) и тяговой головкой (F). Вращение головки обеспечивало намотку кевларового троса, который, в свою очередь, приводил в движение реечный механизм (G) и гибкий рычаг (H), осуществляющие разгон беспилотного летательного аппарата (БПЛА).

Рисунок 2.1 Схема первой версии механизма катапульты

Дальнейший анализ выявил возможность оптимизации первоначальной схемы. Это привело к созданию второй версии устройства (Рисунок 2.2), которая, несмотря на несколько большие габариты, представлялась более технологичной и надёжной. В данной конфигурации вращение от электромоторов (A) через передаточный механизм сообщается маховику (B). Затем, по команде, приводы (E) замыкают муфту сцепления (D), расположенную на валу (C). Далее крутящий момент через шкив (G) передаётся на зубчатый ремень (линейная ременная передача) (F). Закреплённая на ремне каретка выполняет функцию разгонного элемента для БПЛА.

Рисунок 2.2 Схема второй версии механизма катапульты

По завершении проектирования обеих концепций был проведён сравнительный анализ их предполагаемой себестоимости. Вычисление затрат на основные комплектующие представлена в таблице 1.

Таблица 1.

Себестоимость основных комплектующих модели.

Таким образом, сравнительный анализ демонстрирует не только технологическую простоту второй схемы, но и её незначительную экономическую эффективность. При практически равной итоговой стоимости (разница составляет 600 руб. в пользу второй версии) вторая схема позволяет отказаться от использования быстроизнашивающегося троса в пользу более долговечной ременной передачи. Учитывая, что среднерыночная стоимость серийных образцов катапульт для БПЛА взлётной массой до 15 кг составляет порядка 100 000 рублей, разработка собственной установки по представленным схемам является экономически целесообразной.

Заключение

В наши дни беспилотные авиационные системы активно внедряются в самые разные сферы: от логистики и сельского хозяйства до мониторинга нефтепроводов и ликвидации чрезвычайных ситуаций. Однако широкое применение БПЛА самолётного типа в этих областях сдерживается их главным недостатком — необходимостью в специальных разгонных устройствах. В ходе данной проектной работы мы подтвердили, что создание адаптивного механизма запуска способно решить эту проблему.

В процессе исследования были выполнены все поставленные задачи. Мы изучили существующие типы БПЛА и способы их запуска, выявили ключевые недостатки серийных катапульт. Нами разработаны две кинематические схемы пускового устройства, проведён их сравнительный анализ, а также выполнены расчёты энергетической эффективности. Результаты моделирования подтвердили, что запасённой маховиком энергии (до 25 кДж) достаточно для разгона аппарата массой до 15 кг даже при изменении угла старта.

Практическая значимость работы заключается в создании двух версий схем катапульты. Сравнительный анализ себестоимости показал, что вторая схема (с ременной передачей) является не только более технологичной и надёжной за счёт отказа от быстроизнашивающегося троса, но и экономически целесообразной. При ориентировочной стоимости комплектующих 16 000 рублей наша разработка почти в шесть раз дешевле рыночных аналогов.

Дальнейшая работа над устройством будет вестись в нескольких направлениях:

• Доработка кинематической схемы. Планируется оптимизировать габариты установки за счёт более компактного расположения маховика и ременной передачи, а также предусмотреть механизм быстрой смены угла наклона направляющих.

• Переход к цельнометаллической сборке. На следующем этапе предполагается изготовить действующий образец из стали и алюминиевых сплавов. Это позволит провести натурные испытания и проверить расчётные данные о нагрузках на конструкцию в реальных условиях.

• Автоматизация процесса запуска. Внедрение программируемого контроллера и гироскопа для реализации нашей гипотезы

• Разработка системы быстрой сборки/разборки. Для повышения мобильности комплекса необходимо создать конструкцию, которую можно оперативно транспортировать и разворачивать в полевых условиях силами двух операторов.

Реализация этих планов позволит выйти на создание готового инженерного решения, востребованного в конструкторских бюро, МЧС, геологоразведке и других сферах, где требуется запуск беспилотников с неподготовленных площадок.

Список литературы

1. Беспилотные летательные аппараты вертикального взлета: сборка, настройка и программирование: учебное пособие / М.А.Ковалёв, Д.Н.Овакимян. - Самара: Издательство Самарского университета, 2023. – 96 с

2. Гололобов В.Н., Ульянов В.И. Беспилотники. С QR-кодами для перехода к необходимым ресурсам. Просто о сложном. - Спб.:Издательство Наука и Техника, 2025.-304с., илл.

3. Калинин Г.Б. Классификация типов беспилотных воздушных судов в нормативно-правовом регулировании Российской Федерации // Вестник науки №11 (80) том 4. С. 1235 - 1241. 2024 г.

4. Иванова, О.М. Физические принципы бесптлотных летательных аппаратов/О.М.Иванова, В.А.Логинов, Д.Ю.Цуркан.//Мололдой учёный. - 2022. - №35. - с.9-12.

5. Меркулов, Я.А. Проблемы и перспективы развития беспилотников в России/ Я.А.Меркулов, Т.В.Бочаров, О.С.Мельникова.//Молодой учёный. - 2024. - №4. - с.74-77.

6. Классификация БПЛА по летным характеристикам. Pioneer March update 2024 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://docs.geoscan.ru/pioneer/database/const-module/classification/classification.html#

7. Типы БПЛА. [Электронный ресурс]. - Режим доступа: https://time-che.ru/news/tipy-bpla/

Приложение1. Формулы кинематики

Приложение2. Выбранный симулятор