Проект Фаргус 3: БПЛА Tail-Sitter

Ответ. На основе анализа реальных программ (DARPA TERN, V-BAT в Украине, китайский Yunying-25) выделяются четыре ключевых сценария:

Морская палубная разведка. Tail-sitter стартует с вертолётной площадки эсминца или фрегата, барражирует 6–12 часов, передаёт целеуказание на противокорабельные ракеты. DARPA TERN задуман именно так: дальность 600 морских миль, полезная нагрузка 272 кг.

Передовая тактическая разведка (ISR). Взлёт с пятачка 6×6 м, автономный полёт в условиях подавления GPS и связи. V-BAT доказал работоспособность в условиях РЭБ в Украине, используя визуальную одометрию.

Ретрансляция связи и целеуказание. Tail-sitter висит на высоте 5–6 км как «псевдоспутник», обеспечивая связью наземные подразделения за горизонтом.

Ударно-разведывательные миссии. Аппараты класса Anduril Omen (Group 3, tail-sitter) несут до 18 кг полезной нагрузки, включая боеприпасы и SAR-радар, с дальностью в 3–4 раза больше типовых Group 3.

Вопрос 5. Почему tail-sitter особенно эффективен в условиях РЭБ-подавления?

Ответ. Современный военный tail-sitter, такой как V-BAT, оснащён автономной системой управления Hivemind, которая позволяет аппарату работать без GPS и без связи. Аппарат использует визуальную одометрию — серию бортовых камер для навигации по визуальным ориентирам местности. Если GPS заглушен, а радиоканал подавлен, tail-sitter продолжает выполнять задачу автономно.

Квадрокоптеры в тех же условиях, как правило, теряют управление или дрейфуют — они сильнее зависят от постоянной связи с оператором и GPS-стабилизации. Конвертопланы сопоставимы по автономности, но уступают в простоте развёртывания.

Combat-proven факт: V-BAT применялся в Украине для сбора и передачи целеуказания для артиллерийских ударов в условиях активного РЭБ-подавления со стороны российских средств радиоэлектронной борьбы.

Вопрос 6. В чём слабые места tail-sitter по сравнению с квадрокоптером?

Ответ. Честность превыше рекламы. У tail-sitter есть три принципиальных уязвимости:

Чувствительность к боковому ветру в режиме висения. В вертикальном положении крыло и фюзеляж стоят перпендикулярно потоку и работают как парус. Порывы бокового ветра могут дестабилизировать аппарат. У квадрокоптера этой проблемы нет — его профиль в вертикальном режиме минимальный.

Сложность перехода «висение → полёт». Момент наклона корпуса на 90° — самый критический участок полёта. Возможны потеря высоты, срыв потока на крыле, нестабильность. Требуется сложная система управления и высокая точность оценки угла атаки.

Посадка на движущуюся палубу. При вертикальной посадке на качающуюся палубу корабля tail-sitter уязвим больше, чем конвертоплан, который может «подлетать» к палубе горизонтально. Для tail-sitter требуется избыточная тяга и точная система компенсации движения палубы.

Тем не менее, современные системы управления (например, Hivemind у V-BAT) компенсируют эти ограничения программно. V-BAT выполняет автономную посадку при скорости корабля до 10 узлов и ветре до 25 узлов.

Вопрос 7. Как tail-sitter выигрывает в логистике и развёртывании?

Ответ. Логистический след tail-sitter минимален. Сравним три класса по требованиям к развёртыванию:

Параметр

Tail-sitter (V-BAT)

Квадрокоптер (Group 3)

Конвертоплан

Площадь для взлёта/посадки

6×6 м

3×3 м

8×8 м

Расчёт на запуск

2 человека

1–2 человека

3–5 человек

Сборка в поле

Не требуется

Не требуется

Частичная сборка

Транспортный контейнер

1 аппарат / транспорт

1 аппарат / транспорт

Габаритный, часто 2 человека для переноски

Замена полезной нагрузки

«Защёлкнул-отщёлкнул» в поле

Быстрая

Требует инструментов

V-BAT разворачивается с одного грузовика, двумя операторами, без катапульты и без АЗС. Anduril Omen обеспечивает смену полезной нагрузки «snap-on / snap-off» прямо в поле. Для передовых подразделений это означает: меньше людей, меньше машин, меньше заметность.

Вопрос 8. Как tail-sitter соотносится с конвертопланом по удельной эффективности (полезная нагрузка / взлётная масса)?

Ответ. Tail-sitter выигрывает за счёт двух факторов: отсутствие массы поворотных механизмов и использование одного двигателя для обоих режимов.

V-BAT имеет взлётную массу ~75 кг и несёт до 18 кг полезной нагрузки (после модернизации Block 5.3) — 24% от взлётной массы. Это рекорд для класса Group 3. Сканы Shield AI называют его «лучшим в классе отношением взлётной массы к полезной нагрузке».

У конвертоплана значительная часть взлётной массы уходит на поворотные узлы, усиленные шарниры и дополнительные приводы. Типичный tilt-rotor класса Group 3 теряет 15–25% массы на «механику перехода», которая у tail-sitter просто отсутствует.

DARPA TERN, задуманный как тяжёлый tail-sitter для флота, должен был нести 272 кг полезной нагрузки на дальность 1670 км — параметры, сопоставимые с MQ-1 Predator, при размерах, позволяющих базирование на эсминце.

Вопрос 9. Каковы реальные боевые примеры применения tail-sitter?

Ответ. На 2026 год есть несколько подтверждённых случаев:

V-BAT (MQ-35A) в Украине. Аппараты эксплуатировались в условиях российского РЭБ-подавления, выполняя задачи ISR и целеуказания для артиллерии. V-BAT стал первым tail-sitter, получившим статус «combat-proven».

DARPA TERN (США). Программа Northrop Grumman / DARPA / ONR, прошедшая критические проектные ревью. Цель — палубный tail-sitter с дальностью 600+ морских миль и нагрузкой 272 кг для эсминцев класса DDG.

Anduril Omen (США). Представлен в 2025 году. Tail-sitter с гибридно-электрической силовой установкой, Group 3, с заявленной полезной нагрузкой в 3–5 раз выше среднего по классу и дальностью в 3–4 раза больше типового Group 3. Законтрактован до 50 единиц.

Yunying-25 (Китай). tail-sitter от Chengdu Aircraft Corporation, внешне аналогичный V-BAT, с управлением на базе ИИ-системы Wenyao, поддерживающей рой. Демонстрировался на учениях по ликвидации ЧС в Сычуане.

Вопрос 10. Как будет развиваться класс tail-sitter в ближайшие 5–10 лет?

Ответ. Наблюдается чёткий тренд: усиление автономности, рост полезной нагрузки, интеграция в рой. Ключевые направления:

ИИ-управление и роевые алгоритмы. V-BAT уже демонстрирует swarm-возможности — до 4 аппаратов координируются через Hivemind. Китайский Yunying-25 использует систему Wenyao для автономного роевого управления. Цель — десятки аппаратов в одном рою.

Гибридно-электрические силовые установки. Anduril Omen — первый tail-sitter с гибридным приводом, что позволяет увеличить дальность и снизить тепловую сигнатуру.

Рост класса. От Group 3 к Group 4–5. TERN должен был стать предвестником «тяжёлого tail-sitter» с возможностями, сопоставимыми с Predator/Reaper, при развёртывании с малых кораблей.

Стелс-технологии. Летающее крыло без выступающих поверхностей — естественный формат для снижения ЭПР. Tail-sitter в конфигурации flying-wing (как TERN) перспективен для малозаметных ударно-разведывательных миссий.

Модульность и «snap-on» полезная нагрузка. Быстрая смена EO/IR, SAR-радара, РЭБ-модулей, боеприпасов прямо в полевых условиях — стандарт, заданный Omen и V-BAT.

Вывод по главе. Tail-sitter не универсален — он проигрывает квадрокоптеру в простоте управления при висении и уступает конвертоплану в комфорте посадки на движущуюся палубу. Но по главной военной триаде — дальность, автономность, логистический след — он превосходит оба класса. Именно поэтому военные ведомства мира от США до Китая всё чаще делают ставку на эту схему. Для военных сценариев XXI века, где решают секунды, метры и килограммы, tail-sitter — это не компромисс, а оптимум.

Контрольные вопросы для самопроверки

Какой физический принцип позволяет tail-sitter быть в разы энергоэффективнее квадрокоптера в горизонтальном полёте?

Почему отсутствие поворотных механизмов у tail-sitter является не просто конструктивным плюсом, а фактором боевой живучести?

Как V-BAT обеспечивает навигацию в условиях подавления GPS?

Какие ограничения tail-sitter компенсируются программными средствами управления?

Чем объясняется рекордное соотношение полезной нагрузки к взлётной массе у V-BAT?

ЧАСТЬ II. АЭРОДИНАМИКА И ПРИНЦИПЫ ПОЛЁТА

Глава 6. Физика вертикального взлёта: режим висения и несущие свойства крыла в вертикальном положении

6.1. Общая характеристика режима висения аппарата типа «tail-sitter»

Беспилотный летательный аппарат схемы «tail-sitter» представляет собой летательный аппарат, который совершает вертикальный взлёт и посадку, опираясь на хвостовую часть фюзеляжа, а в крейсерском режиме переходит в горизонтальный полёт, используя аэродинамическую подъёмную силу крыла. Принципиальное отличие данной схемы от других вертикально взлетающих аппаратов состоит в том, что полный поворот фюзеляжа на девяносто градусов относительно горизонта eliminates необходимость в отдельной подъёмной системе — роль несущего винта в режиме висения выполняет воздушный винт (или соосная пара винтов), который в крейсерском полёте становится тянущим или толкающим.

В режиме висения аппарат находится в вертикальном положении: продольная ось фюзеляжа направлена вверх, крыло установлено практически вертикально. Вся масса аппарата уравновешивается только силой тяги винта (или винтов). Аэродинамическая подъёмная сила крыла при этом равна нулю, поскольку набегающий поток отсутствует, а скорость горизонтального перемещения — нулевая.

Это определяет главное требование к аппарату схемы «tail-sitter»: суммарная тяга силовой установки в режиме висения должна превышать вес аппарата. Данное условие выражается соотношением, в котором тяга, делённая на вес, должна быть больше единицы. На практике для военных БПЛА этого типа требуемый запас тяги к весу составляет от 1,2 до 1,8 в зависимости от полезной нагрузки, высоты площадки взлёта и температуры окружающего воздуха.

6.2. Силы и моменты, действующие на аппарат в режиме висения

В установившемся режиме висения (при отсутствии ветра) на аппарат действуют две основные силы:

— Сила тяжести, приложенная в центре масс аппарата и направленная вертикально вниз;

— Сила тяги винта (или суммарная тяга винтов), направленная вдоль продольной оси аппарата вертикально вверх.

Условие установившегося висения записывается как равенство тяги произведению массы на ускорение свободного падения. Если тяга превышает это значение, аппарат набирает высоту; если тяга меньше — аппарат снижается.

При наличии горизонтального ветра картина существенно усложняется. Вертикально стоящее крыло обдувается боковым потоком, что приводит к появлению боковой аэродинамической силы. Эта сила приложена в боковом центре давления крыла, который, как правило, не совпадает с центром масс аппарата. Возникает опрокидывающий момент, стремящийся наклонить аппарат в направлении ветра. Величина этого момента зависит от площади крыла, скорости ветра, угла атаки вертикально расположенного крыла относительно бокового потока и положения центра давления.

Для компенсации ветрового воздействия система автоматического управления использует дифференциальную тягу (при многовинтовой схеме), отклонение рулей или управляющие моменты от несущего винта через циклический шаг (в случае соосной схемы). Особое значение имеет предельная скорость ветра, при которой аппарат ещё способен удерживать заданное положение висения — этот параметр является одной из ключевых тактико-технических характеристик военного БПЛА схемы «tail-sitter».

6.3. Несущие свойства крыла в вертикальном положении

Хотя в чистом режиме висения крыло не создаёт подъёмной силы, его наличие оказывает существенное влияние на работу силовой установки. Крыло, расположенное в плоскости вращения винта (или непосредственно за ним), попадает в зону отбрасываемого винтом потока. Этот поток, называемый струёй винта, имеет скорость, превышающую скорость свободного потока, и обуславливает дополнительное аэродинамическое сопротивление крыла в режиме висения.

Эффект обдува крыла струёй винта приводит к нескольким последствиям. Во-первых, возникает так называемый «эффект обтекания крыла в струе» — вертикально расположенное крыло работает как плохообтекаемая пластина в ускоренном потоке, создавая силу сопротивления, направленную против тяги. Это эквивалентно снижению эффективной тяги винта. Величина потерь зависит от отношения площади крыла, попадающей в струю, к ометаемой площади винта, а также от коэффициента сопротивления крыла при нулевом угле атаки в условиях обдува.

Во-вторых, форма крыла в плане влияет на распределение скоростей в струе винта. Если законцовки крыла выходят за пределы ометаемого диска винта, часть площади крыла обдувается невозмущённым потоком, а часть — ускоренным. Это создаёт неравномерность нагрузки и может приводить к вибрациям конструкции.

В-третьих, при наличии горизонтальной составляющей скорости (ветер или начало перехода к горизонтальному полёту) вертикально расположенное крыло начинает работать как аэродинамическая поверхность. При угле скольжения, равном девяноста градусам, крыло имеет максимальный коэффициент боковой силы, примерно равный коэффициенту сопротивления плоской пластины. По мере наклона аппарата к горизонту угол скольжения уменьшается, крыло выходит из режима обдува с боковой стороны и переходит в режим создания подъёмной силы за счёт набегающего потока.

6.4. Коэффициент полезного действия винта в режиме висения

Эффективность работы винта в режиме висения характеризуется тяговым коэффициентом полезного действия, который определяется как отношение полезной мощности к затраченной. Полезная мощность в режиме висения равна произведению тяги на скорость отбрасываемого потока в плоскости винта. Затраченная мощность — это мощность, подводимая к винту от двигателя.

Согласно классической теории идеального движителя (теория импульса), идеальная тяга винта в режиме висения пропорциональна корню четвёртой степени из произведения мощности на плотность воздуха и площади ометаемого диска. Реальный винт имеет меньшую тягу из-за концевых потерь, потерь на вращение потока и неравномерности распределения нагрузки по лопасти. Отношение реальной тяги к идеальной называется относительным коэффициентом полезного действия винта и для современных несущих винтов БПЛА составляет от 0,70 до 0,85.

Уменьшение диаметра винта при сохранении мощности приводит к росту нагрузочной скорости потока в струе и, как следствие, к снижению эффективности. Это создаёт известное противоречие в проектировании «tail-sitter»: большой винт эффективен в режиме висения, но ограничивает скорость крейсерского полёта из-за большого аэродинамического сопротивления и малой рабочей частоты вращения; малый винт обеспечивает высокую скорость крейсерского полёта, но требует завышенной мощности для висения.

6.5. Влияние высоты и температуры на режим висения

Плотность воздуха напрямую влияет на тягу винта в режиме висения. При неизменной мощности двигателя и геометрии винта тяга пропорциональна корню квадратному из плотности воздуха в степени три вторых (согласно теории идеального движителя, тяга пропорциональна плотности в степени три четвёртых). Это означает, что при повышении высоты площадки взлёта или температуры окружающего воздуха тяга винта снижается.

На практике это означает, что аппарат, способный к висению при стандартных условиях на уровне моря, может не иметь достаточного запаса тяги при взлёте с высокогорной площадки в жаркую погоду. Для военных БПЛА типа «tail-sitter» в техническом задании всегда указывается предельная высота площадки и диапазон температур, при которых гарантируется висение и вертикальный взлёт с заданной полезной нагрузкой.

Стандартная атмосфера принимается за базовое условие: давление 760 миллиметров ртутного столба, температура плюс 15 градусов Цельсия, плотность 1,225 килограмма на кубический метр. Отклонения от этих условий учитываются через относительную плотность воздуха — отношение фактической плотности к стандартной.

6.6. Запас тяги и его влияние на тактическое применение

Запас тяги — разница между располагаемой тягой винта в режиме висения и весом аппарата — определяет не только возможность вертикального взлёта, но и динамику набора высоты, маневренность в режиме висения и способность компенсировать порывы ветра.

Малый запас тяги (от 1,0 до 1,15 отношения тяги к весу) ограничивает вертикальную скорость набора, увеличивает время зависания на малой высоте и снижает способность аппарата противостоять ветровым порывам. Большой запас тяги (свыше 1,5) обеспечивает высокую динамику, но достигается за счёт увеличения мощности двигателя, что приводит к росту массы силовой установки и расхода топлива, сокращая дальность и время патрулирования в крейсерском режиме.

Компромиссное значение отношения тяги к весу для разведывательных «tail-sitter» БПЛА составляет 1,3–1,5, а для ударных аппаратов, требующих быстрого вертикального старта из укрытия, — 1,5–1,8.

6.7. Особенности балансировки в режиме висения

Центр масс аппарата должен располагаться строго вдоль оси тяги винта. Смещение центра масс от оси тяги приводит к появлению постоянного опрокидывающего момента, который система управления вынуждена компенсировать, отклоняя управляющие поверхности или перераспределяя тягу между винтами. Это снижает эффективный запас тяги и увеличивает энергопотребление в режиме висения.

Для аппаратов с двумя или более винтами, расположенными по размаху крыла, смещение центра масс вдоль продольной оси компенсируется перераспределением тяги между левым и правым винтами. Однако такое перераспределение ограничено максимальной тягой отдельного винта и не может быть сколь угодно большим.

Предельно допустимое смещение центра масс от нейтрального положения — одна из характеристик, определяющих устойчивость аппарата в режиме висения и допустимый диапазон изменения центровки при сбросе нагрузки, расходе топлива или применении вооружения.

6.8. Переходный режим: от висения к горизонтальному полёту

Переход от вертикального положения к горизонтальному является наиболее сложным и ответственным этапом полёта аппарата «tail-sitter». В процессе наклона аппарата одновременно изменяются: угол атаки крыла, направление и величина вектора тяги, характер обдува крыла, эффективность рулей.

При угле наклона аппарата к горизонту от 90 до примерно 45 градусов крыло находится в режиме, близком к сваливанию: угол атаки велик, набегающий поток формируется преимущественно за счёт горизонтальной составляющей скорости, которая в начале перехода мала. В этом диапазоне основную роль играет тяга винта, а подъёмная сила крыла невелика и нестабильна.

При угле наклона от 45 до 0 градусов крыло входит в нормальный режим обтекания, подъёмная сила растёт, а требуемая тяга винта уменьшается. В точке, где суммарная подъёмная сила и вертикальная составляющая тяги становятся равными весу, аппарат может продолжить полёт в установившемся горизонтальном режиме.

Минимальная скорость, при которой крыло аппарата начинает создавать достаточную подъёмную силу для горизонтального полёта, называется скоростью перехода. Эта скорость зависит от площади крыла, коэффициента подъёмной силы на заданном угле атаки и веса аппарата. Чем больше удлинение крыла и его площадь, тем ниже скорость перехода и тем короче дистанция, на которой аппарат переходит от висения к горизонтальному полёту.

6.9. Ground effect при вертикальном взлёте и посадке

При нахождении аппарата на малой высоте над поверхностью (менее одного диаметра винта) возникает эффект земли, влияющий на работу винта и аэродинамику аппарата. Эффект земли для несущего винта проявляется в снижении индуктивных потерь: отбрасываемый поток встречает поверхность и создаёт повышенное давление под винтом, что увеличивает тягу при неизменной мощности.

Для аппаратов «tail-sitter» эффект земли имеет двойственный характер. С одной стороны, прирост тяги при висении вблизи поверхности облегчает взлёт. С другой стороны, при посадке эффект земли приводит к резкому изменению тяги, что может вызвать «раскачку» аппарата и затруднить мягкую посадку. Система автоматического управления должна учитывать этот эффект и корректировать управляющие воздействия на малых высотах.

Кроме того, вертикально расположенное крыло вблизи поверхности оказывает влияние на характер растекания потока от винта по поверхности. При наличии бокового ветра вблизи поверхности возникает вихревое обтекание, формирующее неравномерное давление по размаху крыла и дополнительные опрокидывающие моменты.

Вопросы и ответы

Вопрос 1. В чём принципиальное отличие схемы «tail-sitter» от других вертикально взлетающих БПЛА с точки зрения силовой установки?

Ответ. В схеме «tail-sitter» одна и та же силовая установка (винт и двигатель) создаёт тягу как в режиме висения, так и в крейсерском полёте. Поворот всего аппарата на девяносто градусов eliminates необходимость в отдельной подъёмной системе. В отличие от аппаратов с поворотными винтами (tiltrotor) или комбинированных схем, у «tail-sitter» нет отдельных винтов для висения и марша — их функции совмещены.

Вопрос 2. Почему в режиме чистого висения крыло аппарата «tail-sitter» не создаёт подъёмной силы?

Ответ. В режиме висения скорость горизонтального перемещения аппарата равна нулю. Подъёмная сила крыла пропорциональна квадрату скорости набегающего потока. При нулевой скорости набегающий поток отсутствует, и подъёмная сила равна нулю. Вся масса аппарата уравновешивается только тягой винта.

Вопрос 3. Какое минимальное значение отношения тяги к весу необходимо для вертикального взлёта аппарата «tail-sitter»?

Ответ. Минимальное значение — больше единицы, то есть тяга должна превышать вес. Однако для практического применения с учётом ветра, высоты, температуры и маневрирования в висении необходим запас: для разведывательных аппаратов — от 1,3 до 1,5, для ударных — от 1,5 до 1,8.

Вопрос 4. Как влияет горизонтальный ветер на аппарат в режиме висения?

Ответ. Ветер создаёт боковой набегающий поток на вертикально расположенное крыло. Это вызывает боковую аэродинамическую силу и опрокидывающий момент, поскольку центр давления крыла, как правило, не совпадает с центром масс. Система автоматического управления компенсирует этот момент дифференциальной тягой, отклонением рулей или циклическим шагом.

Вопрос 5. Что такое «эффект обдува крыла в струе винта» и как он влияет на режим висения?

Ответ. Это эффект, при котором вертикально расположенное крыло, находящееся в зоне отбрасываемого винтом потока, испытывает сопротивление, направленное против тяги. Это эквивалентно снижению эффективной тяги. Величина потерь зависит от отношения площади крыла в струе к ометаемой площади винта и коэффициента сопротивления крыла при данных условиях обдува.

Вопрос 6. Как изменяется тяга винта при повышении высоты площадки взлёта?

Ответ. С повышением высоты плотность воздуха уменьшается. При неизменной мощности и геометрии винта тяга снижается, поскольку она зависит от плотности воздуха. Согласно теории идеального движителя, тяга пропорциональна плотности в степени три четвёртых. Это означает, что при уменьшении плотности, например, на 20 процентов, тяга снижается примерно на 15 процентов.

Вопрос 7. В каком диапазоне углов наклона аппарата к горизонту переходный режим наиболее сложен и почему?

Ответ. Наиболее сложен диапазон от 90 до примерно 45 градусов. В этом диапазоне крыло работает на больших углах атаки при малой горизонтальной скорости, что близко к режиму сваливания. Подъёмная сила крыла невелика и нестабильна, основную нагрузку несёт тяга винта. Управление аппаратом в этом диапазоне требует высокой точности от системы автоматического управления.