Проект Фаргус 3: БПЛА Tail-Sitter

Собственная частота колебаний tail-sitter по тангажу в режиме висения определяется моментом инерции аппарата и восстанавливающим моментом, создаваемым тягой винтов. Типичные значения собственной частоты для лёгких tail-sitter (масса до десяти килограммов) составляют от одного до трёх герц. Турбулентность с характерной частотой пульсаций в этом диапазоне — которая наблюдается при полёте вблизи земли в условиях термической неустойчивости — представляет наибольшую угрозу.

Качество перехода оценивается через интегральный критерий — сумму квадратов отклонений углового положения аппарата от заданного в течение перехода. Чем выше уровень турбулентности, тем больше этот критерий и тем выше вероятность выхода за допустимые границы по углу атаки или перегрузке.

10.7. Расчёт допустимых метеоусловий для различных этапов полёта

Каждый этап полёта tail-sitter характеризуется собственными ограничениями по погодным условиям. Для практического применения в военных задачах формируется таблица эксплуатационных ограничений, в которой для каждого этапа указываются предельные значения скорости ветра, интенсивности порывов, температуры, видимости и вероятности обледенения.

Взлёт и набор высоты. В режиме вертикального взлёта аппарат наиболее чувствителен к боковому ветру, так как управление по каналу рыскания на нулевой поступательной скорости ограничено. Предельная скорость бокового ветра для типичного лёгкого tail-sitter составляет пять-семь метров в секунду. Встречный ветер до двенадцати-пятнадцати метров в секунду допустим, так как он помогает набору скорости для перехода в горизонтальный полёт. Попутный ветер ограничивается значениями три-пять метров в секунду из-за риска потери управления по тангажу при начальном наклоне.

Переходный режим. Наиболее критичный этап. Порывистость ветра с амплитудой более трёх метров в секунду может привести к срыву потока с крыла в переходном режиме. Полная скорость ветра не должна превышать восьми-десяти метров в секунду. Температура воздуха должна находиться в диапазоне от минус двадцати до плюс сорока пяти градусов Цельсия, при этом в диапазоне от нуля до минус десяти градусов требуется контроль обледенения.

Крейсерский полёт. В горизонтальном полёте tail-sitter ведёт себя как обычный самолёт, и ограничения в основном определяются аэродинамическим качеством и располагаемой тягой. Встречный ветер увеличивает время достижения цели и расход энергии. Боковой ветер вызывает снос, который компенсируется разворотом аппарата в ветер (упреждение сноса). Допустимая скорость ветра в крейсерском полёте определяется предельным значением угла упреждения, при котором аппаратура наблюдения или полезная нагрузка сохраняют требуемый обзор.

Посадка. Вертикальная посадка на хвостовое оперение — второй по критичности этап после перехода. В момент касания земли аппарат стоит вертикально на посадочных опорах, и любой порыв ветра может привести к опрокидыванию. Предельная скорость ветра при посадке обычно ограничивается значениями шесть-восемь метров в секунду, а амплитуда порывов — не более двух-трёх метров в секунду.

10.8. Компенсация ветровых возмущений в системе управления

Современные системы управления tail-sitter строятся на базе ПИД-регуляторов (пропорционально-интегрально-дифференциальных), дополненных прогнозирующими моделями и алгоритмами адаптации. Ветровые возмущения компенсируются на трёх уровнях.

Первый уровень — быстрый контур угловой стабилизации. Реагирует на возмущения с частотой от одного до ста герц. Задача — удержание заданной угловой ориентации аппарата. Использует данные гироскопов и акселерометров, управляющий сигнал формируется с частотой от двухсот до одной тысячи герц. Коэффициенты регулятора подбираются с учётом собственных частот аппарата и обеспечивают демпфирование колебаний по всем трём каналам управления.

Второй уровень — контур траекторного управления. Реагирует на отклонения от заданной траектории полёта с частотой от ноль целых один до десять герц. Задача — удержание аппарата на заданной линии пути и высоте. Ветровой снос компенсируется разворотом аппарата или изменением крена (в горизонтальном полёте). В режиме висения снос компенсируется наклоном аппарата с созданием горизонтальной составляющей тяги.

Третий уровень — уровень планирования и прогнозирования. На этом уровне учитываются прогноз погоды, данные о рельефе местности, которые могут создавать локальные ветровые возмущения, и тактическая обстановка. Маршрут полёта может корректироваться с учётом ожидаемых ветровых условий: например, переход в горизонтальный режим планируется на участке, где вероятность турбулентности минимальна (над однородной поверхностью, вдали от obstacles).

Адаптивные алгоритмы управления, основанные на методах робастного или нейросетевого управления, позволяют системе автоматически перестраивать коэффициенты регулятора в зависимости от текущих условий. Например, при входе в зону повышенной турбулентности система может увеличить коэффициент дифференциальной составляющей регулятора, усиливая демпфирование, и снизить пропорциональный коэффициент для предотвращения перерегулирования.

10.9. Практические рекомендации по эксплуатации

Для военного применения tail-sitter погодные ограничения определяются не только безопасностью полёта, но и эффективностью выполнения боевой задачи. Зависимость между метеоусловиями и результатом применения БПЛА формализуется через критерий эффективности, учитывающий вероятность достижения цели, точность наведения, качество данных разведки и вероятность возвращения аппарата.

На основе анализа эксплуатационных данных и результатов моделирования сформулированы следующие практические рекомендации.

Предполётная подготовка. Метеорологическая разведка должна включать данные о приземном ветре на высотах от нуля до пятисот метров, прогноз турбулентности в слое перехода (от пятидесяти до трёхсот метров), температуру и влажность воздуха, наличие и высоту облачности, вероятность обледенения. Время от получения метеоданных до взлёта не должно превышать тридцати минут для тактических задач, так как приземный ветер в условиях сложного рельефа может существенно измениться за короткий промежуток времени.

Выбор места взлёта и посадки. Площадка должна быть удалена от препятствий (здания, деревья, рельеф) на расстояние не менее пяти-десяти высот препятствия. Препятствия создают зоны турбулентности и срыва, которые могут сохраняться на расстоянии до десяти-пятнадцати высот препятствия по направлению ветра. При невозможности выбора идеальной площадки предпочтение отдаётся участкам с наветренной стороны препятствий, где поток более равномерный.

Выбор времени перехода. Переход в горизонтальный полёт и обратно должен выполняться на высоте, где влияние приземной турбулентности минимально. Для большинства лёгких tail-sitter эта высота составляет от ста до трёхсот метров в зависимости от характера подстилающей поверхности. Над водной поверхностью или равниной с однородным покровом слой турбулентности тоньше, и переход может выполняться на меньших высотах.

Действия в нештатных ситуациях. При попадании в зону сильной турбулентности в переходном режиме аппарат должен быть переведён либо в режим висения (если запас тяги достаточен), либо в горизонтальный полёт (если скорость достаточна для создания управляющих сил на крыле). Задержка в переходном режиме при сильной турбулентности — наиболее опасная ситуация, так как аппарат работает при критических углах атаки и минимальном аэродинамическом качестве.

10.10. Вопросы для самопроверки

Вопрос 1. Почему режим перехода от висения к горизонтальному полёту является наиболее критическим этапом для tail-sitter с точки зрения ветровых возмущений?

Ответ. В переходном режиме угол тангажа аппарата изменяется от девяноста до нуля градусов. На этом участке крыло работает при углах атаки, близких к критическим, а тяга винтов перестаёт быть направленной строго вертикально. Аэродинамическое качество достигает минимума при угле тангажа около сорока пяти градусов. Любое ветровое возмущение в этот момент может вывести крыло за пределы безотрывного обтекания и вызвать срыв потока, а система управления работает с минимальным запасом эффективности.

Вопрос 2. Как встречный ветер влияет на режим висения tail-sitter и какие ограничения он накладывает?

Ответ. Встречный ветер создаёт аэродинамическую силу на крыле, направленную горизонтально против ветра, так как в режиме висения крыло расположено перпендикулярно потоку. Аппарат вынужден наклоняться навстречу ветру, создавая горизонтальную составляющую тяги для компенсации. При скорости ветра свыше восьми-десяти метров в секунду наклон может стать настолько большим, что вертикальная составляющая тяги окажется недостаточной для удержания высоты.

Вопрос 3. Чем опасен резкий порыв ветра по сравнению с установившимся ветром той же скорости?

Ответ. Установившийся ветер компенсируется статическим наклоном аппарата и перераспределением тяги — это задача квазистационарного управления. Резкий порыв, с временем нарастания менее ноль целых пять десятых секунды, требует динамической реакции, которая ограничена инерционностью исполнительных механизмов. Суммарное время реакции системы управления составляет от двадцати пяти до ста двадцати миллисекунд, и порыв с сопоставимым временем нарастания вызывает запаздывание управляющего сигнала и потенциальную потерю контроля.

Вопрос 4. Как температура воздуха влияет на располагаемую тягу винта tail-sitter и почему это критично для режима висения?

Ответ. Тяга винта пропорциональна плотности воздуха, которая снижается с ростом температуры. При повышении температуры от пятнадцати до тридцати пяти градусов Цельсия плотность падает примерно на семь-восемь процентов, и располагаемая тяга снижается пропорционально. В режиме висения типичный запас тяги составляет от двадцати до сорока процентов, и потеря семи-восьми процентов может оказаться критичной, особенно при наличии ветровой нагрузки.

Вопрос 5. Каковы условия возникновения обледенения и почему оно представляет особую опасность для tail-sitter?

Ответ. Обледенение возникает при температуре от нуля до минус двадцати градусов Цельсия в присутствии переохлаждённых капель воды; наиболее опасный диапазон — от нуля до минус десяти градусов. Для tail-sitter опасность обледенения двойная: лёд на крыле изменяет профиль, снижает подъёмную силу и смещает точку срыва в сторону меньших углов атаки, что в переходном режиме может вызвать преждевременный срыв; лёд на лопастях нарушает их геометрию, снижает тягу и создаёт дисбаланс с вибрациями.

Вопрос 6. Что такое резонансное явление при полёте tail-sitter в турбулентной атмосфере и как его избежать?

Ответ. Резонанс возникает, когда частота турбулентных пульсаций совпадает с собственной частотой колебаний аппарата по тангажу, крену или рысканию. При совпадении частот амплитуда колебаний многократно возрастает и может привести к потере устойчивости. Собственные частоты лёгких tail-sitter по тангажу в режиме висения — от одного до трёх герц. Для избежания резонанса система управления должна обеспечивать демпфирование в этом диапазоне частот, а маршрут должен прокладываться вдали от зон с интенсивной турбулентностью соответствующего частотного диапазона.

Вопрос 7. Почему боковой ветер при вертикальной посадке считается более опасным, чем при горизонтальном полёте?

Ответ. В горизонтальном полёте боковой ветер компенсируется упреждением сноса — разворотом аппарата в сторону ветра, при этом создаётся боковая аэродинамическая сила на крыле и фюзеляже. В режиме висения и посадки крыло расположено вертикально и не создаёт эффективной боковой управляющей силы, а рули направления неработоспособны при нулевой поступательной скорости. В момент касания аппарат стоит на посадочных опорах вертикально, и боковой порыв может опрокинуть его. Предельная скорость бокового ветра при посадке ограничена шестью-восьмью метрами в секунду.

Вопрос 8. Какие три уровня компенсации ветровых возмущений реализованы в современной системе управления tail-sitter?

Ответ. Первый уровень — быстрый контур угловой стабилизации, реагирует с частотой от одного до ста герц, задача — удержание заданной угловой ориентации, использует данные гироскопов и акселерометров. Второй уровень — контур траекторного управления, реагирует с частотой от ноль целых один до десять герц, задача — удержание на заданной линии пути и высоте, компенсация сноса. Третий уровень — планирование и прогнозирование, учитывает прогноз погоды, рельеф и тактическую обстановку, корректирует маршрут для минимизации влияния возмущений.

Вопрос 9. Как влияют осадки (дождь, мокрый снег) на эксплуатационные характеристики tail-sitter?

Ответ. Осадки влияют через три механизма. Во-первых, вода, впитывающаяся в обшивку или скапливающаяся в полостях, увеличивает массу — для лёгкого БПЛА массой пять-десять килограммов даже двести граммов воды означает увеличение массы на два-четыре процента и пропорциональное снижение запаса тяги. Во-вторых, водяная плёнка на крыле изменяет шероховатость поверхности, провоцируя ранний ламинарно-турбулентный переход и ухудшая аэродинамику. В-третьих, мокрый снег при температурах около нуля градусов может налипать на лопастях винта, создавая дисбаланс.

Вопрос 10. На каком расстоянии от препятствий следует выбирать площадку для взлёта и посадки tail-sitter и почему?

Ответ. Площадка должна быть удалена от препятствий на расстояние не менее пяти-десяти высот препятствия. Препятствия (здания, деревья, рельеф) создают зоны турбулентности и срыва, которые могут сохраняться на расстоянии до десяти-пятнадцати высот препятствия по направлению ветра. При невозможности выбора идеальной площадки предпочтение отдаётся участкам с наветренной стороны препятствий, где поток более равномерный и предсказуемый.

10.11. Практические задачи

Задача 1. Расчёт располагаемой тяги при изменении температуры.

Условие: tail-sitter с массой восемь килограммов совершает вертикальный взлёт при стандартных атмосферных условиях (температура пятнадцать градусов Цельсия, давление 1013 гектопаскалей). Запас тяги при этих условиях составляет тридцать процентов от веса аппарата. Определить, сохранится ли способность к висению, если температура повысится до тридцати пяти градусов Цельсия при том же давлении. Плотность воздуха при пятнадцати градусах принять равной 1,225 килограмма на кубический метр.

Решение:

Вес аппарата равен произведению массы на ускорение свободного падения: восемь килограммов умножить на 9,81 метра в секунду в квадрате, получаем 78,48 ньютона.

Располагаемая тяга при стандартных условиях равна весу, умноженному на коэффициент запаса: 78,48 ньютона умножить на 1,30, получаем 102,02 ньютона. Это тяга, которую винты могут развить при плотности 1,225 килограмма на кубический метр.

Плотность воздуха при тридцати пяти градусах вычисляется по формуле: плотность равна произведению давления на молярную массу воздуха, делённому на произведение универсальной газовой постоянной и температуры в кельвинах. Температура тридцать пять градусов Цельсия равна 308,15 кельвина. Подставляя значения: 101300 паскалей умножить на 0,029 килограмма на моль, делённое на произведение 8,314 джоулей на моль-кельвин и 308,15 кельвина, получаем 1,145 килограмма на кубический метр.

Поскольку тяга пропорциональна плотности, располагаемая тяга при тридцати пяти градусах равна: 102,02 ньютона умножить на отношение 1,145 к 1,225, получаем 95,36 ньютона.

Минимальная тяга для висения равна весу — 78,48 ньютона. Сравниваем: 95,36 ньютона больше 78,48 ньютона, запас составляет 95,36 минус 78,48, делённое на 78,48, умножить на сто процентов, получаем двадцать один процент.

Ответ: Способность к висению сохранится. Запас тяги снизится с тридцати процентов до двадцати одного процента, что достаточно для висения, но оставляет минимальный резерв для компенсации ветровых возмущений.

Задача 2. Определение угла наклона аппарата в режиме висения при встречном ветре.

Условие: tail-sitter массой шесть килограммов висит в условиях встречного ветра скоростью семь метров в секунду. Площадь проекции крыла на вертикальную плоскость составляет 0,8 квадратного метра, коэффициент лобового сопротивления крыла при угле атаки девяносто градусов равен 1,1. Плотность воздуха — 1,225 килограмма на кубический метр. Ускорение свободного падения — 9,81 метра в секунду в квадрате. Определить угол наклона аппарата от вертикали, необходимый для компенсации ветровой нагрузки.

Решение:

Вес аппарата: шесть килограммов умножить на 9,81 метра в секунду в квадрате, получаем 58,86 ньютона.

Аэродинамическая сила давления ветра на крыло вычисляется по формуле: сила равна половине произведения плотности воздуха, площади, коэффициента сопротивления и квадрата скорости. Подставляем: 0,5 умножить на 1,225, умножить на 0,8, умножить на 1,1, умножить на 7 в квадрате (49), получаем 0,5 × 1,225 × 0,8 × 1,1 × 49 = 26,47 ньютона.

Для компенсации этой силы аппарат должен наклониться навстречу ветру так, чтобы горизонтальная составляющая тяги была равна аэродинамической силе. Горизонтальная составляющая тяги равна полной тяге, умноженной на синус угла наклона. Полная тяга при висении в спокойном воздухе равна весу — 58,86 ньютона. При наклоне вертикальная составляющая должна оставаться равной весу, а горизонтальная — компенсировать ветер.

Полная тяга с учётом наклона равна весу, делённому на косинус угла наклона. Горизонтальная составляющая равна полной тяге, умноженной на синус угла, что равно весу, умноженному на тангенс угла наклона.

Приравниваем: вес умножить на тангенс угла равен аэродинамической силе. Тангенс угла равен 26,47, делённое на 58,86, получаем 0,4499. Угол наклона равен арктангенсу от 0,4499, что составляет примерно 24,2 градуса.

Проверка: полная тяга при этом угле равна 58,86, делённое на косинус 24,2 градуса (0,9122), получаем 64,52 ньютона. Требуемый запас тяги: (64,52 минус 58,86), делённое на 58,86, умножить на сто, получаем 9,6 процента.

Ответ: Аппарат должен наклониться от вертикали на 24,2 градуса. Для этого требуется запас тяги не менее 9,6 процента сверх веса. При типичном запасе в тридцать процентов задача выполнима, но при уменьшении запаса (например, из-за высокой температуры или большой массы полезной нагрузки) висение при данном ветре может стать невозможным.

Задача 3. Оценка влияния порыва ветра на угол атаки крыла в переходном режиме.

Условие: tail-sitter находится в переходном режиме при угле тангажа сорок пять градусов. Скорость набегающего потока, обусловленная собственным движением аппарата, равна двенадцати метрам в секунду. На крыло внезапно воздействует встречный порыв ветра амплитудой четыре метра в секунду. Критический угол атаки крыла составляет шестнадцать градусов. Определить, произойдёт ли срыв потока с крыла, если до порыва угол атаки составлял двенадцать градусов. Хорда крыла равна 0,25 метра.

Решение:

До порыва угол атаки крыла определяется углом между хордой крыла и направлением набегающего потока. При угле тангажа сорок пять градусов и нулевом ветре угол атаки равен углу тангажа минус угол наклона траектории. Принимаем, что вектор скорости собственного движения направлен горизонтально, тогда угол атаки равен сорок пять градусов минус угол между скоростью и горизонтом. Однако в данной задаче угол атаки задан напрямую — двенадцать градусов, что соответствует конкретному моменту перехода.

При воздействии встречного порыва скорость набегающего потока увеличивается. Новая скорость потока равна сумме скорости собственного движения и скорости порыва: 12 + 4 = 16 метров в секунду.

Изменение угла атаки при порыве зависит от отношения вертикальной составляющей порыва к полной скорости потока. Если порыв направлен строго горизонтально (встречный), то он не меняет угол атаки, а только увеличивает скорость потока. Однако в реальности порыв всегда имеет вертикальную составляющую. Примем, что вертикальная составляющая порыва составляет тридцать процентов от полной амплитуды: 0,3 × 4 = 1,2 метра в секунду (направлена вверх, что увеличивает угол атаки).

Новое значение угла атаки вычисляется как арктангенс отношения вертикальной составляющей возмущения к полной горизонтальной скорости: арктангенс от 1,2, делённое на 16, плюс исходный угол атаки. Арктангенс от 0,075 равен 4,3 градуса. Новый угол атаки: 12 + 4,3 = 16,3 градуса.

Сравниваем с критическим углом атаки: 16,3 градуса больше 16 градусов.

Ответ: Срыв потока с крыла произойдёт. Новый угол атаки составит 16,3 градуса, что превышает критическое значение шестнадцать градусов. Система управления должна реагировать на порыв путём уменьшения угла тангажа (перевод в более горизонтальный режим) или увеличением скорости перехода для уменьшения относительного влияния порыва. Данная ситуация иллюстрирует, почему амплитуда порывов более трёх-четырёх метров в секунду в переходном режиме считается недопустимой для эксплуатации tail-sitter.

ЧАСТЬ III. КОНСТРУКЦИЯ И СИСТЕМЫ

Глава 11. Компоновочные схемы: центроплан, законцовки крыла, хвостовое оперение — варианты и компромиссы

11.1. Общие принципы компоновки Tail-Sitter

Беспилотный летательный аппарат схемы «tail-sitter» (дословно — «сидящий на хвосте») представляет собой летательный аппарат вертикального взлёта и посадки, который в крейсерском режиме переводится из вертикального положения в горизонтальный полёт дифферентом вокруг поперечной оси на угол около девяноста градусов. Эта двойственность режимов порождает уникальное требование к компоновке: планер должен одновременно удовлетворять критериям эффективности горизонтального полёта и устойчивости при вертикальных режимах, что классическая авиация обычно разделяет между разными конструкциями.

Центральное противоречие, определяющее всю архитектуру tail-sitter, можно сформулировать следующим образом. Чем больше площадь несущей поверхности, тем эффективнее крейсерский режим, но тем больше нагрузка на приводы перекладки и тем выше риск потери управления на переходных режимах. И наоборот, компактный планер облегчает вертикальные режимы, но ухудшает аэродинамическое качество в горизонтальном полёте. Все компромиссы, рассматриваемые в данной главе, представляют собой вариации этого базиса.

11.2. Центроплан: несущий сердечник

Центроплан — корневая часть крыла, в которой сосредоточены силовой набор, топливные баки (или аккумуляторные отсеки), авионика и узлы крепления силовой установки. В tail-sitter именно центроплан принимает на себя основную нагрузку при посадке, поскольку аппарат опирается на хвостовую часть, конструктивно объединённую с центропланом или закреплённую на нём.

Силовая схема центроплана. Наиболее распространены три варианта:

Однолонжеронная схема с задней стенкой. Лонжерон расположен на 25–35% хорды, задняя стенка — на 60–75%. Применяется на лёгких аппаратах массой до 15 кг. Преимущество — минимальная масса, недостаток — ограниченная жёсткость на кручение, что критично при асимметричной тяге двигателей на законцовках.

Двухлонжеронная схема (кессон). Передний лонжерон — 15–20% хорды, задний — 60–70%. Пространство между ними образует герметичный кессон, используемый как топливный бак или отсек полезной нагрузки. Применяется на аппаратах массой 15–80 кг. Обеспечивает высокую жёсткость на кручение, что особенно важно для tail-sitter с разнесёнными двигателями, поскольку реактивный момент от дифференциальной тяги передаётся через центроплан.

Многолонжеронная (интегральная) схема. Используется на тяжёлых аппаратах свыше 80 кг и на планерах из композиционных материалов, изготовленных целиком методом инфузии или автоклавного формования. В этом случае граница между «центропланом» и «отсеками» размывается — весь планер представляет собой монолитную интегральную конструкцию.

Площадь центроплана и её влияние. Отношение площади центроплана к полной площади крыла — важный компоновочный параметр. У типового tail-sitter это отношение составляет от 0,35 до 0,55. При значениях ниже 0,35 законцовки крыла перегружены по размаху, что ведёт к росту изгибающего момента в корневом сечении. При значениях выше 0,55 сужается размах концевых частей, снижается эффективность концевых поверхностей управления, что критично для режима висения.