04 марта 2016г.
В статье приведена история первых беспилотных и пилотируемых летательных аппаратов на примере работ по созданию первого беспилотного летательного аппарата, созданного М.В. Ломоносовым и первого пилотируемого самолѐта, созданного А.Ф. Можайским, благодаря опытам на беспилотных моделях, дается обоснование целесообразности применения транспортного беспилотного и пилотируемого летательного аппарата. Обосновывается необходимость использования БПЛА в промышленности в качестве транспортного средства, без которого трудно представить в будущем оперативную доставку широкого спектра грузов в удалѐнные поселения и промышленные объекты. Рассматриваются технические предложения по использованию автоматической навигационной аппаратуры и особенностей еѐ построения с целью доставки грузов в удаленные районы РФ. В основе предложения – использование достижений современной электронной промышленности, цифровой вычислительной техники, разработки высокоточных, надѐжных, недорогих малогабаритных датчиков и систем измерения параметров движения летательных аппаратов, а также наличие Глобальной Спутниковой Навигационной системы. Приведена структурная блок-схема цифрового навигационно-пилотажного комплекса беспилотного транспортного летательного аппарата. Материалы статьи могут быть интересны разработчикам летательных аппаратов, предприятиям лесного хозяйства и организациям, занятым транспортировкой грузов.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, навигация, транспорт, доставка грузов.
UNMANNED AIRCRAFTS. THE DECISION OF NAVIGATION QUESTIONS.
Skudneva O.V.
Bauman Moscow State Technical University, scientific and educational complex of fundamental Sciences, chair of Computational mathematics and mathematical physic
The article describes the history of the first manned and unmanned aircraft as an example of work to create the first UAV created MV Lomonosov and the first manned aircraft created AF Mozhaisky through experiments on unmanned models , given the rationale for the use of unmanned vehicle and manned aircraft . The necessity to use the UAV industry as a vehicle , without which it is difficult to imagine in the future rapid delivery of a wide range of goods to remote settlements and industrial facilities. Focuses on technical proposals for the use of automatic navigation equipment and features of its construction in order to deliver cargo to remote areas of the Russian Federation . In the basis of the proposal
- the use of the achievements of modern electronics industry , digital computing, the development of high-precision , reliable, inexpensive compact sensors and measuring parameters of the aircraft , and the availability of global satellite navigation system. The structural scheme of the pilot navigational equipment.
Article Submissions may be of interest to developers of aircraft, forestry enterprises and organizations engaged in the transportation of goods .
Keywords: Drone, navigation, transport, delivery of goods.
Свидетельства о постройках летательных аппаратов (ЛА) сохранились в древних сказаниях, легендах и старинных рукописях, при этом они лишены конкретных технических решений и возможностей их практической реализации и скорее отображают мечту человека к полету.
Первая в мире документированная практическая разработка ЛА тяжелее воздуха была выполнена великим русским ученым М.В. Ломоносовым. Это была модель вертолѐта и фактически явилась первым беспилотным летательным аппаратом (БПЛА). В 1754 г он построил модель работающего по принципу вертолѐта с соосными винтами, чтобы поднять над землѐй метеорологические регистрирующие приборы. ЛА легче воздуха тогда ещѐ не имели практического применения.
В дальнейшем, при разработках ЛА для полета человека на борту БПЛА использовались в качестве моделей. Впервые самолет в натуральную величину, способный поднять человека, был создан русским изобретателем А.Ф.Можайским, который нашел верный путь в решении этой задачи. Созданный им самолѐт состоял из шести основных конструктивных групп, из которых состоит современный самолѐт и большинство современных конструкций вертолѐтов и БПЛА: корпус, крыло, оперение, шасси, управление и силовая установка. В настоящее время в различных странах активно проводятся работы по созданию и использованию беспилотных летательных аппаратов, в основном, для военных целей. Такие БПЛА ведут фото и радиоразведку, а также могут выполнять боевую задачу с применением оружия для уничтожения или повреждения небольших целей.
Современные БПЛА могут найти и находят применение для контроля состояния лесных массивов, обнаружения очагов пожаров и затоплений благодаря использованию установленных на БПЛА фото и видеокамер. Очень эффективно БПЛА могут позволить вести метеонаблюдения на различных высотах и значительных территориях, вести контроль ледовой обстановки в море, могут помочь экологам контролировать экологическую обстановку и решать много других задач.
Следует ожидать, что процесс развития техники в 21-ом веке приведѐт к созданию БПЛА более широкого назначения, в том числе к внедрению их в интересах промышленности и решения хозяйственных задач.
Во многих областях промышленности имеет место острая потребность в доставке грузов (продуктов питания, технических средств, медицинского оборудования, газет, журналов и пр.) в удаленные места работы газо- и нефтедобывающих предприятий, работников лесного хозяйства, в удаленные поселения рыбаков, скотоводов, геологов, метеорологов и др., в связи с отсутствием круглогодичных транспортных средств, при этом применение речных и морских судов, самолѐтов, вертолѐтов значительно усложняет доставку грузов и увеличивает стоимость их доставки. Отсутствие шоссейных дорог ограничивает использование автотранспорта. В связи с этим необходимо рассмотреть целесообразность создания и использования для таких целей Транспортных БПЛА.
Создание Транспортных БПЛА, по – нашему мнению, должно помочь решать народно-хозяйственные вопросы, способствовать повышению эффективности работы удаленных промышленных предприятий, повысить уровень жизни работников и местных жителей, увеличить объем поставок, снизить затраты на доставку грузов, повысить оперативность и надежность средств доставки.
Созданию Транспортных БПЛА способствует современное развитие электронной промышленности, цифровой вычислительной техники, разработка высокоточных, надѐжных, недорогих малогабаритных датчиков и систем измерения параметров движения летательных аппаратов, а также наличие глобальной спутниковой навигационной системы (СНС). При создании транспортного БПЛА в связи с отсутствием на борту пилотов и пассажиров коренным образом меняется подход к разработке конструкции БПЛА. Исчезают жесткие требования по теплоизоляции, герметизации, поддержанию комфортной температуры и влажности аппарата. Подлежат пересмотру нормативы по допустимым для конструкции летательного аппарата перегрузкам, вибрациям и т.д.
С применением новых высокопрочных материалов из армированных нитей возможно уменьшить массу планера БПЛА в 2-2,5 раза. Такие материалы практически не намокают, поэтому снижается риск обледенения и повреждения корпуса аппарата.
В целом, указанные нововведения позволят значительно упростить конструкцию и увеличить грузоподъѐмность БПЛА.
Необходимость в создании Транспортного БПЛА вызвана сложностью, в поддержании исправности (летной годности) самолетов и вертолетов, трудностью техобслуживания из-за отсутствия ЗИПа, дороговизны топлива и ГСМ, изношенности бортового оборудования, низкого уровня остаточного ресурса двигателей и завершением в ближайшее время выработки ресурса и срока службы у действующего парка самолѐтов и вертолѐтов.
Особое место занимает недостаток квалифицированных пилотов и технических кадров для техобслуживания.
В связи с этим, необходимо находить другие способы решения вопросов, стоящих перед авиацией, для выполнения транспортных перевозок – менее затратные и более эффективные.
Все это вызывает особый интерес к оценке возможности применения Транспортных БПЛА различной грузоподъемности, дальности полетов, технической оснащенности для их использования в грузоперевозках.
В сложившихся условиях, по – нашему мнению, следует рассмотреть следующие предложения по решению вопросов транспортировки грузов в удаленные от базовых аэропортов места доставки:
· С использованием Транспортных беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).
· С использованием Транспортных летательных аппаратов – самолѐтов и вертолѐтов с одним пилотом.
Техническая реализация и накопленный опыт полетов БПЛА военного назначения, опыт полетов беспилотных ЛА на основе использования боевых самолѐтов и вертолѐтов, имеющих ограничения к полетам строевых летчиков из-за выработки срока службы и ресурса ЛА, подтверждает возможность создания Транспортных БПЛА различной массы, грузоподъѐмности и дальности полѐта.
Кроме того, при выполнении данных работ с использованием высоконадѐжного и точного автомата - навигатора на действующих транспортных ЛА, позволит заменить, по – нашему мнению, второго пилота на борту пилотируемого ЛА.
На Рисунке 1 приведена структурная блок-схема двухканального (1к, 2к) цифрового навигационно- пилотажного комплекса беспилотного транспортного летательного аппарата.
Основными требованиями по составу навигационно-пилотажных систем для Транспортных БПЛА и действующих транспортных средств с одним пилотом являются:
· Высокая надѐжность и точность аппаратуры, обеспечивающие требования по безопасности;
· Автономность работы в полѐте при отсутствии (пропадании) коррекции от радиосредств и СНС;
· Возможность взаимодействия с бортовой цифровой вычислительной машиной (ЦВМ) и современными, цифровыми и штатными аналоговыми приборами;
· Минимальная масса и приемлемая стоимость систем.
При создании и эксплуатации летательных аппаратов - самолѐтов, вертолѐтов, важная роль отводится решению навигационных задач - определению начального стояночного и текущего курса, определение скорости и высоты полѐта, определению местоположения, программированию маршрута, решению задачи выхода с высокой точностью в промежуточные точки маршрута, для выполнения посадки, взлѐта, задач сброса груза, фото и радиоразведки пр.
Эти задачи на борту в штатном составе решает штурман или исполняющий его функции 2-ой пилот в составе экипажа воздушного судна.
В качестве вычислителя используется бортовая ЦВМ или вычислительные средства штурмана.
В настоящее время с целью повышения точности навигации применяют спутниковые навигационные системы (СНС) - Глонасс, GPS, определяющие с высокой точностью навигационные параметры, за исключением курса ЛА.
К сожалению, СНС имеет низкую помехоустойчивость и зоны их устойчивой работы не могут охватить все районы работы ЛА на отечественной территории. Чтобы исключить зависимость БПЛА от работы СНС целесообразно иметь на конечных пунктах маршрута (КПМ) пульт управления ЛА аналогичный пульту на начальном пункте маршрута (НПМ).
При создании Транспортного БПЛА наиболее целесообразным для использования в составе навигационно- пилотажных систем, соответствующих указанным выше требованиям, в качестве автономного датчика курса следует применить вновь разработанные современные малогабаритные высокоточные курсовые системы (КС).
Точная курсовая система должна обеспечить выполнение требований по точности прилета в конечный пункт маршрута, обеспечить автоматическую посадку ЛА, в том числе обеспечить автономный полет и посадку ЛА при пропадании сигналов и при неустойчивой работе СНС.
В варианте навигационно-пилотажной аппаратуры БПЛА с автоштурманом и с автопилотом (Рисунок 1) навигационные задачи решает автоштурман. Пилота и штурмана на БПЛА нет. Управление БПЛА осуществляется автоматически с использованием параметров, полученных от СНС, КС и рассчитанных бортовыми ЦВМ на основании данных штатных датчиков и от вновь установленных систем СНС, КС.
Вопросы взлета и посадки на бетонную ВПП, при необходимом наземном
обеспечении в базовых аэропортах, как и полѐт по маршруту успешно реализованы на беспилотных самолетах, оборудованных навигационно-пилотажным комплексом
с ЦВМ. Сложность заключается в переносе этих решений на транспортные БПЛА.
Для БПЛА взлѐт и посадка с необорудованных площадок,
полѐт при отсутствии наземных средств обеспечения полѐтов, полѐт в условиях неустойчивой работы СНС и других средств радиокоррекции, задача трудновыполнимая, но, по-нашему глубокому
убеждению, решаемая задача.
Сложность внедрения такого навигационного оборудования заключается в разработке и отладке программно-математического обеспечения (ПМО) - математических формульных зависимостей, алгоритмов и программы бортовой
ЦВМ. Это решаемая
инженерная задача, которая
требует учѐта всех условий и особенностей полѐта Транспортного БПЛА.
«Дорогу осилит идущий»
- гласит пословица.
На основании
материалов статьи, подтверждающих необходимость использования БПЛА в промышленности в качестве транспортного средства,
без которого трудно представить в будущем оперативную доставку широкого
«ассортимента» грузов точно по адресу в удаленные места, можно сделать
следующие выводы:
В целях оперативной доставки грузов в удаленные
районы РФ, учитывая современный уровень развития техники, значительные трудности
технического и финансового обеспечения, существующих в настоящее
время транспортных работ,
считать возможным и целесообразным рекомендовать создание Транспортного БПЛА.
Считать возможным в качестве
транспортного средства доставки
грузов и использовать отработавших ресурс пассажирских перевозок ЛА, с установкой дополнительно к штатной аппаратуре - точной курсовой системы, СНС, ПК и бортовой
ЦВМ с ПМО, что может позволить
заменить работу 2-го пилота и штурмана.
Список литературы
1.
А.А. Лоскутников, Н.В.
Сенюшкин, В.В. Парамонов
Системы автоматического управления БПЛА. «Молодой учѐный», № 9 2011г
2.
Мелешко В.В., Корнейчук
В.В., Скуднева О.В. Самоориентирующийся указатель
курса. Вісник НТУУ «КПІ», Приладобудування,
– 2008.
3.
Патент РФ №2465555 Навигационный комплекс G01C 23/00 2006.01(2011г.)
4.
ИНС-Лоцман, предложение для использования в эксплуатации, 36с.,
2013г.
5.
Н.В. Якубович Многоликий Ми-4. «Крылья Родины»,
М., №3, 1995
