Проект Фаргус 3: БПЛА Tail-Sitter

Электрическая (бесколлекторный электродвигатель + аккумулятор). Наиболее распространённый вариант для мини- и микроБПЛА (взлётная масса до 25 кг). Достоинства: мгновенная реакция на изменение тяги, отсутствие проблем с ориентацией в гравитационном поле (работает в любом положении), простота управления оборотами, низкий уровень вибраций, отсутствие выхлопа. Недостатки: ограниченная энерговоёмкость аккумуляторов, что сокращает время полёта; рост массы при увеличении дальности.

Двигатель внутреннего сгорания (ДВС) — бензиновый или калильный микродвигатель. Применяется на tail-sitter средней размерности (взлётная масса 25–150 кг), где требуется большая дальность и время патрулирования. Достоинства: высокая удельная энергия топлива, значительно большее время полёта при сопоставимой массе. Недостатки: снижение тяги при изменении ориентации аппарата из-за влияния силы тяжести на топливную и масляную системы; необходимость карбюраторной коррекции; повышенная вибрация, влияющая на инерциальную навигационную систему.

Гибридная схема (ДВС-генератор + электромоторы). Перспективное направление для тяжёлых tail-sitter (свыше 50 кг). ДВС работает в оптимальном режиме, вращая генератор, а тяга создаётся электромоторами с пропеллерами. Достоинства: независимость ДВС от ориентации аппарата, декаплинг режимов генерации и потребления энергии, возможность кратковременной перегрузки электромоторов при вертикальном взлёте. Недостатки: сложность, двойные массовые затраты (двигатель + генератор + электромоторы), снижение общего КПД из-за двойного преобразования энергии.

При выборе двигателя конструктор должен учитывать ключевую особенность tail-sitter: аппарат проводит часть полёта в вертикальном положении, что накладывает требования к работе топливной, масляной и смазочной систем ДВС, к теплоотводу, а также к допустимым продолжительным углам наклона двигателя, заявленным производителем.

12.2. Тяговооружённость и её расчёт

Тяговооружённость — безразмерный параметр, равный отношению располагаемой тяги силовой установки к весу летательного аппарата. Для tail-sitter этот параметр имеет особый смысл: при вертикальном взлёте тяга должна не просто уравновешивать вес, а превышать его с запасом на манёвр, компенсацию ветра и управление.

Минимально допустимое значение тяговооружённости для tail-sitter составляет 1,2–1,3 — то есть тяга на режиме висения должна превосходить вес аппарата минимум на 20–30%. При значениях ниже 1,2 вертикальный взлёт и посадка становятся опасными: порыв ветра, управляющий момент или неточность центровки могут привести к потере управляемости. На практике для военных tail-sitter закладывают тяговооружённость 1,4–1,8, что обеспечивает достаточный запас для боевого маневрирования и экстренного набора высоты.

Расчёт потребной мощности двигателя производится через коэффициент тяги пропеллера и его обороты. Потребная мощность на режиме висения определяется как произведение веса аппарата на коэффициент тяговооружённости, делённое на произведение коэффициента полезного действия винтомоторной группы и ускорения свободного падения. Коэффициент полезного действия винтомоторной группы для электродвигателей с углеродными пропеллерами составляет 0,65–0,80, для ДВС — 0,50–0,65 (из-за механических потерь и менее эффективного винта).

При расчёте мощности для крейсерского режима необходимо учитывать аэродинамическое качество аппарата в самолётной конфигурации: потребная тяга горизонтального полёта равна весу, делённому на аэродинамическое качество. Для типичного tail-sitter аэродинамическое качество составляет 8–14, что значительно меньше, чем у классического самолёта аналогичной размерности (20–30), из-за относительно большой площади омываемой поверхности и крупных пропеллеров, создующих сопротивление в фюзеляжной плоскости.

12.3. Типы пропеллеров для смешанного режима

Пропеллер tail-sitter работает в двух существенно различных условиях. В режиме висения набегающий поток направлен вдоль оси винта (осевой поток, малая скорость), а в самолётном режиме поток направлен преимущественно перпендикулярно оси винта (боковой поток, высокая скорость). Это приводит к асимметрии обтекания лопастей в переходном режиме и требует специального подбора геометрии.

Постоянный шаг (fixed-pitch). Простейший и наиболее распространённый вариант для мини-БПЛА. Винт с фиксированным шагом представляет собой компромисс: шаг выбирается таким, чтобы обеспечить приемлемую тягу в висении и не превышать максимальные обороты двигателя в самолётном режиме. Для tail-sitter шаг обычно устанавливают меньше оптимального для крейсерского полёта — в пользу висения. Недостаток: падение КПД в самолётном режиме до 40–55% от пиковой эффективности винта.

Переменный шаг (variable-pitch). Система с изменяемым шагом винта позволяет оптимизировать угол атаки лопасти под каждый режим полёта: малый шаг для висения, большой шаг для крейсерского режима. Применяется на средних и тяжёлых tail-sitter. Достоинства: высокий КПД во всём диапазоне режимов (75–88%), защита от раскрутки на пикировании. Недостатки: механическая сложность, увеличение массы ступицы на 15–25%, повышенные требования к надёжности привода лопастей при боевой эксплуатации.

Соосные винты (contra-rotating). Два соосных пропеллера, вращающихся в противоположные стороны, компенсируют реактивный момент и увеличивают эффективную площадь ометания без увеличения диаметра. Особенно ценны для tail-sitter: реактивный момент в режиме висения создаёт тенденцию к рысканию, которую система управления должна постоянно парировать — соосная схема снимает эту задачу. Недостатки: сложность передачи, межвинтовое расстояние должно быть достаточным для исключения аэродинамического взаимодействия лопастей, рост массы на 30–40% по сравнению с одинарным винтом.

Количество и форма лопастей. Для tail-sitter типичны двух- и трёхлопастные винты. Двухлопастные обеспечивают максимальный КПД на крейсерском режиме (минимальные профильные потери), трёхлопастные — более равномерную тягу в висении и меньший уровень пульсаций. Узкие лопасти с большим удлинением предпочтительны для крейсерского режима, более широкие — для висения. Компромиссная геометрия для tail-sitter: среднее удлинение лопасти 6–9, сужение 0,5–0,7, крутка от корня к законцовке 15–25 градусов.