Э.А. Петросян, Л.Н. Никифорова, д-р техн. наук, ОАО "Камов"
БЕСПИЛОТНЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ - ОТ МИНИ- ДО МИКРОАППАРАТОВ
|
Рассмотрены современное состояние дел с беспилотными вертолетами, концепция их применения, а также проблемы создания микровертолетов и систем управления. |
Концепция применения беспилотных вертолетов
Основные проблемы создания микровертолета
Проблемы создания систем управления авиационных
роботов
Введение
В России и странах СНГ перекосы в развитии промышленности, недостаточное внимание к экологии и безопасности привели к концентрации на огромных территориях страны сложных экологических проблем. Большое количество экологически опасных производств и объектов требует постоянного контроля для принятия своевременных мер безопасности. Особого внимания требуют нефтегазовые промышленные установки, нефтегазопроводы, районы типа Чернобыльской АЭС. Постоянного наблюдения требуют также лесные массивы Сибири и такие уникальные природные образования, как озеро Байкал.
Применение в этих целях пилотируемых аппаратов не всегда безопасно для экипажей, особенно в зонах крупных катастроф типа Чернобыльской, сопровождающихся радиоактивным химическим и биологическим заражением.
Для решения таких задач требуется оперативное, относительно недорогое средство, способное обеспечить регулярный эффективный экологический контроль. Весьма перспективным средством является беспилотный вертолет, способный вести длительное патрулирование в воздухе, обследовать обширные территории, передавая информацию на наземный пункт, а при необходимости доставлять в заданный район средства подавления и локализации отдельных очагов опасности. При использовании беспилотного вертолета в условиях катастроф его большим преимуществом является безопасность людей, ведущих наблюдение в зонах бедствия. Беспилотные вертолеты могут принести большую пользу и для решения задач органов внутренних дел и пограничной службы.
Практически все беспилотные вертолеты в различных странах спроектированы по концепции соосного вертолета в силу его преимуществ на висении и на режиме полета с малыми скоростями. ОАО "Камов" является единственным в мире производителем соосных пилотируемых вертолетов (первыми российскими беспилотными вертолетами стали вертолеты фирмы "Камов" - Ка-37 и Ка-137).
В настоящее время во всем мире существует большая потребность в микровертолетах. Их размеры необычно малы – в размере птиц и даже насекомых. Это кажется нереальным, но современные достижения науки и технологии дают основание для решения всех проблем создания маленького беспилотного вертолета.
Современное состояние беспилотных вертолетов. В развитых странах Запада начиная с 60-х годов ведутся интенсивные научно-исследовательские и оптико-конструкторские работы по созданию беспилотных вертолетов. В результате к началу 80-х годов в этих странах приступили к созданию серийных образцов беспилотных вертолетных комплексов, предназначенных для решения задач военно-разведывательного характера. Широко обсуждаются также возможности применения беспилотных вертолетов для гражданских целей. Анализ показывает, что в последние годы интерес к использованию беспилотных вертолетов значительно вырос. Это объясняется достижениями вертолетостроения в области конструкции, аэродинамики, технологи и систем управления. Немаловажное значение имеют также существенные преимущества беспилотных вертолетов по сравнению с беспилотными летательными аппаратами других схем:
· возможность без аэродромного применения, отсутствие сложного стартово-посадочного оборудования;
· уменьшение продолжительности подготовки к повторному вылету;
· возможность висения и полета на малых и около нулевых скоростях;
· уникальная возможность маневрирования.
Сравнительные характеристики беспилотных вертолетов
|
№ |
Типы вертолетов |
Ка-37 |
Ка-137 |
RPH-2 |
CL-327 |
CYPHER |
SPRITE |
VIGILANT |
| 1. |
Страна, фирма |
Россия "Камов" |
Россия "Камов" |
Япония, Франция "Фьюджен" |
Канада "Канадер" |
США "Сикорский" |
Великобритания "Авиейшен лимитед" |
Франция "ONERA" |
| 2. |
Назначение |
Экспери-ментальный |
Много-целевой |
|
Разведка |
Разведка |
Разведка |
Разведка |
|
3. |
Взлетная масса, кг |
250 |
250...280 |
305 |
340 |
113 |
40 |
32 |
|
4. |
Силовая установка: тип двигателя количество взлетная
мощность, кВт |
П-0,37224,6 |
HIRTH2706
R 05147,8 |
Поршневой вод. охл. |
- |
- 1 47,8 |
MLN 2/88 24,4 |
Поршневой 5,88 |
|
5. |
Диаметр винта, м |
4,8 |
5,3 |
4,8 |
4 |
2,95 |
1,6 |
1,87 |
|
6. |
Полезная нагрузка, кг: нормальная максимальная |
50 - |
50 80 |
60 85 |
24 - |
- 22,7 - |
6 - |
7,5 - - |
|
7. |
Скорость полета, км/ч: максимальная крейсерская |
135 110 |
175 145 |
120 - |
157 - |
- 140 |
130 - |
100 - |
|
8. |
Потолок висения, м |
3150 |
3726...2910 |
- |
5500 |
- |
2440 |
3000 |
|
9. |
Практический потолок, м |
3500 |
5750...5020 |
- |
- |
- |
- |
|
|
10. |
Скороподъемность, м/с |
12 |
9,8...11,3 |
- |
7,6 |
- |
6,1 |
- |
|
11. |
Максимальная продолжительность полета, ч на удалении, км, с нормальной полезной нагрузкой |
0,5 (20) |
4 (50) |
1 |
5 |
3 |
2 (30) |
1 |
|
12. |
Дальность полета, км (с нормальной полезной нагрузкой) |
88 |
530 |
0,15 |
|
|
|
20 |
Класс беспилотных летательных аппаратов (рис. 1) в последнее десятилетие существенно пополнился за счет беспилотных вертолетов CL-227 (Канада, фирма "Канадер"), Cypher (США, фирма "Сикорский"), Sprite (Великобритания, фирма "Авиейшен лимитед") и др. Большинство беспилотных вертолетов (см. таблицу) имеют небольшую массу (от 40 до 300 кг), относительно небольшие скорости полета (до 150-200 км/ч), потолок висения – 2-3 км, дальность полета – до 500 км и продолжительность полета – до 4 ч. Эти вертолеты, как правило, эксплуатируются вдали от пункта старта и должны выполнять автономный полет.
|
|
| Рис. 1 |
Интересно отметить, что практически все беспилотные вертолеты выполнены по соосной схеме, уникальный опыт создания которой имеет во всем мире только фирма "Камов". Соосные вертолеты обладают рядом свойств (высокий КПД винтов, отсутствие потерь мощности на компенсацию реактивного момента, аэродинамическая симметрия, независимость органов управления, высокие пилотажные и маневренные характеристики, компактность и малые габариты и др.), которые делают эту схему незаменимой для беспилотных вертолетов, что и подтверждает мировой опыт. В этом отношении фирма "Камов" имеет неоспоримое преимущество.
В нашей стране в области создания беспилотных вертолетов имеется серьезное отставание по сравнению с западными странами. В последние годы ведутся интенсивные работы по ликвидации этого отставания. В 1992-1994 годах были проведены работы по созданию экспериментального беспилотного вертолета Ка-37 с полетной массой 250 кг и с двухлопастными соосными винтами. Первый полет беспилотного вертолета Ка-37 был выполнен в 1995году, и летные испытания показали работоспособность, как самого вертолета, так и его бортовых систем, но недостатки силовой установки не дали возможности дальнейшей эксплуатации вертолета Ка-37. Однако сам вертолет Ка-37 послужил прототипом для более энерговооруженного беспилотного вертолета Ка-137.
Концепция применения беспилотных вертолетов
Из широкого круга задач, решаемых беспилотным вертолетом, в качестве основных можно выделить следующие [5]:
· экологическая экспертиза на суше и над водной поверхностью;
· систематическое наблюдение (патрулирование) районов аварий и чрезвычайных ситуаций;
· биологический и химический контроль в биологически опасной для человека зоне;
· радиационный контроль окружающей среды;
· контроль и предупреждение аварий трубопроводов на газовых, химических и нефтяных магистралях;
· охрана лесов и торфяников, предупреждение лесных пожаров, в том числе и пожаров на территории хозяйственных и промышленных объектов;
· автономная рыборазведка и рыбоохрана на водоемах и прибрежных шельфах;
· доставка и сброс экстренных грузов: сильнодействующих обеззараживающих растворов и порошков, пенообразующих составов, локализующих разливы; медикаментов, продуктов и почты в процессе оказания помощи в процессе ликвидации аварий и катастроф;
· контроль автомобильных и железнодорожных магистралей;
· оперативная аэрофотосъемка;
· региональная и местная ретрансляция телевизионных сигналов, в том числе и экстренного репортажа;
· выдача необходимой информации, в том числе и телевизионной, соответствующим службам органов внутренних дел;
· охрана важных объектов;
· обеспечение круглосуточного пограничного контроля на труднодоступных участках над сушей и над морем;
· борьба с бандформированиями и наркобизнесом.
Интересно и использование беспилотного вертолета для управления наземными роботами, выполняющими задачи в зонах разрушений и катастроф, где зачастую невозможно управление ими по радиолинии в силу наличия препятствий и необходимости для оператора находиться на большом удалении от очага опасности.
Решение конкретных задач обеспечивается заказом необходимого комплекса специального целевого оборудования модульного использования.
Основные проблемы создания микровертолета
В настоящее время развитие науки и техники позволило вплотную подойти к созданию микроБЛА (беспилотных летательных аппаратов), размеры которых не превышают размеров птиц или даже насекомых. Так, в обзоре работ в США по микроБЛА [1] говорится: "Идея создания микроБЛА как средства разведки войсковых подразделений принадлежит специалистам лаборатории им. Линкольна Массачусетского технологического института. Считается, что такое средство, размером с птицу, особенно эффективное при ведении боевых действий в городских условиях, помимо наблюдения обстановки могло бы применяться для целеуказания, обнаружения элементов химического и биологического оружия, ретрансляции сигналов радиосвязи, минирования труднодоступных объектов."
"В последние годы здесь (в области беспилотной авиации) обозначились три новых перспективных направления: микроБЛА, "разыскивающее оружие" и "необитаемая разведывательно-ударная авиация". Теоретические разработки в этих областях, которыми руководит управление DARPA, охватывают весь спектр боевых действий... и после реализации способны кардинально повлиять на характер будущих войн, максимально снижая в них влияние человеческого фактора [1]. ... с 1998 финансового года FARPA планирует открыть по ним (по мини-БЛА) расходную статью в военном бюджете с финансированием трехлетних работ (20 млн долларов)."
Из того же обзора [1]: "К микроБЛА предъявляются следующие общие требования: длина 6-20 см, взлетная масса 10-100 г, масса полезной нагрузки 1-19 г, время полета 20-60 мин, крейсерская скорость 30-65 км/ч, дальность полета1-10 км. Рассматривается возможность режима висения".
Следует отметить, что при создании микровертолета возникают как чисто исследовательские теоретические проблемы, так и технологические.
В процессе решения проблем создания микровертолета возникает ряд конкретных задач, от успешного решения которых зависит сама возможность создания такого вертолета. Весь комплекс задач в первом приближении можно разделить на отдельные составляющие, из которых основными являются следующие:
1. Силовая установка. Необходимы миниатюрные двигатели, удовлетворяющие потребность микровертолетов, потребная мощность которых зависит от массы вертолета и его габаритов. Обороты несущего винта весьма высоки, поэтому или двигатель будет иметь высокие обороты, или надо будет ставить специальный редуктор.
2. Система управления необычно (для существующих вертолетов) миниатюрных размеров. Это потребует новых конструкций, материалов и специальных теоретических разработок в области управления (возможно, из области теории оптимального управления, нейросетей или других областей теории управления). Особое внимание необходимо уделить системе управления при посадке в целях обеспечения точности вертикальной посадки (без линейных и угловых скоростей).
3. Специфические датчики, миниатюрность размеров которых потребует новых нестандартных подходов к их созданию:
· датчики углового положения вертолета (тангаж, крен, курс);
· датчики угловых скоростей по трем осям;
· датчики воздушной скорости полета, углов атаки и скольжения (обязательно измерение воздушных скоростей, начиная от режима висения, где воздушная скорость равна нулю);
· датчики положения относительно заданной точки (продольное, боковое, высота);
· датчики обратной связи системы управления;
· датчики системы полезной нагрузки (световые, электрические, химические и т.п.).
4. Миниатюрный бортовой компьютер и связанный с ним линией передачи данных компьютер наземный.
5. Материалы и технология их обработки для миниатюрных деталей, в том числе и вращающихся, с достаточно большими нагрузками. Так, лопасти несущего винта имеют размеры: длина – от 10 см, хорда – от 0,3 см, толщина – от 0,05 см.
6. Средства сообщения с наземным пунктом, откуда осуществляется управление полетом.
7. Проведение исследовательских и экспериментальных работ, направленных на изучение специфики миниатюрных размеров винта и связанных с этим теоретических проблем, системы управления и др.
Решение этих вопросов невозможно без применения современных достижений науки в создании микросистемной техники, ее элементной базы, высокоэнергоемких микродвигателей, микроэлектронных сенсорных систем и т.п. Перспективы в создании таких элементов отражены, в частности в [2, 3].
Проблемы создания систем управления авиационных роботов
Системы управления беспилотными вертолетами, а особенно микровертолетами, ставит ряд задач, которые для беспилотного вертолета типа Ка-137 имеют частично решение, но в случае микровертолета могут потребовать особого подхода, а именно:
· определение оптимальных траекторий перелета из заданной начальной точки пространства в заданную конечную, в том числе и наиболее сложный вариант траектории – полет на малой высоте – так называемый маловысотный полет (МВП);
· автоматизация выполнения отдельных штатных режимов (разворот в горизонтальной плоскости, заход на посадку и посадка, набор высоты, снижение, маневры в вертикальной плоскости и т.п.), а также полета в целом;
· автоматическое выполнение посадки в случае отказов, в частности, отказа двигателя и др.;
· распознавание объектов в целях выполнения задания;
· ориентация по картине подстилающей поверхности в целях стабилизации висения над точкой и точной посадки;
· предупреждение выхода за ограничения при выполнении сложных маневров.
В настоящее время создание перспективных систем управления вертолетами настоятельно диктует необходимость отхода от прежних принципов построения систем автоматического управления, основанных на традиционных принципах выработки управляющего сигнала, пропорционального, как правило, первым членам разложения в ряд Тейлора изменения параметров движения, с использованием традиционных же датчиков. Такие методы за рубежом получили название PID-управление, т.е. управление по сигналам, пропорциональным отклонению параметра от заданного(P-position), интегралу от этого отклонения (I-integral) и производной (D-derivative). При современных требованиях, предъявляемых к вертолетам, необходимо сделать следующий шаг в развитии систем автоматического управления – переход от традиционных методов управления к новым, в частности, к использованию методов теории оптимального управления [4] и применению нейроуправления [5].
Основные задачи, которые должны решать такие системы автоматического управления, основанные на методах теории оптимального управления и нейрокомпьютерах, включают в себя:
· формирование сигналов управления на основе оптимального управления на данном или близком к нему режиме, заложенному в память компьютера;
· самообучение на базе запомненного опыта управления;
· использование информации нетрадиционных (для прежних САУ) датчиков типа оптических систем и т.п.;
· применение нетрадиционных принципов формирования сигналов управления;
· выбор самой системой автоматического управления оптимального в данных условиях способа управления и формирования сигналов управления.
Список литературы
1. Афинов В. Стратегические разведывательные БЛА и направления развития беспилотной авиации в США // Зарубежное военное обозрение,1997. № 7. С. 35-41.
2. Климов Д.М., Васильев А.А., Лучинин В.В., Мальцев П.П. Перспективы развития микросистемной техники в XXI веке // Микросистемная техника, 1999. № 1. С. 3–6.
3. Корляков А.В., Лучинин В.В. Перспективная системная база микросистемной техники // Микросистемная техника, 1999. № 1.С. 12-15.
4. Кротов В.Ф., Гурман В.И. Методы и задачи оптимального управления. М.: Наука, 1973.
5. Уоссермен Ф. Нейрокомпьютерная техника: Пер. с англ. / Под ред. А.И. Галушкина. М.: Мир, 1992.