Проект Фаргус 3: БПЛА Tail-Sitter

Посадочные опоры. Поскольку tail-sitter садится вертикально на хвостовую часть, центроплан должен нести посадочные элементы. Варианты исполнения:

Тело вращения (хвостовое опорное кольцо) — лёгкое кольцо из композита или алюминия, закреплённое на законцовках хвостового оперения или на задней кромке центроплана. Применяется на большинстве серийных аппаратов. Достоинство — простота; недостаток — чувствительность к боковому ветру, так как площадь контакта с грунтом минимальна.

Выдвижные опоры (амортизированные стойки) — применяются на тяжёлых аппаратах и при базировании на неподготовленные площадки. Обеспечивают демпфирование ударной нагрузки при скорости снижения до 3–4 м/с.

Складная рама — применяется редко, в основном на экспериментальных образцах. Совмещает функции посадочного шасси и защитной клетки для воздушных винтов.

11.3. Законцовки крыла: поверхность двойного назначения

В схеме tail-sitter законцовки крыла выполняют функцию, не имеющую прямого аналога в классической авиации: в крейсерском режиме они являются частью несущей поверхности, а в режиме висения и на переходных режимах — горизонтальными поверхностями управления, обеспечивающими тангаж и крен аппарата, находящегося в вертикальном положении.

Форма законцовок. Различают три основных типа:

Прямоугольная (постоянной хорды). Проста в изготовлении, обеспечивает максимальную площадь рулевой поверхности при заданном размахе. Применяется на учебных и лёгких тактических аппаратах. Недостаток — высокое индуктивное сопротивление в крейсерском режиме из-за резкого изменения хорды в месте стыка с центропланом.

Трапециевидная. Хорда плавно уменьшается к концу крыла. Снижает индуктивное сопротивление, улучшает распределение подъёмной силы по размаху. Наиболее распространена на серийных tail-sitter. Рекомендуемое сужение — от 0,4 до 0,6. При сужении менее 0,4 эффективность концевой поверхности управления на режиме висения падает ниже приемлемого порога.

Эллиптическая. Теоретически оптимальна по индуктивному сопротивлению, но технологически сложна и применяется преимущественно на экспериментальных и научно-исследовательских аппаратах. В производстве обычно аппроксимируется двух-трёхсегментной трапецией.

Профиль законцовки. Выбор профиля законцовки определяется не только крейсерскими характеристиками, но и поведением в режиме висения, когда поток через несущий винт (или воздушный винт) обтекает законцовку под углом, близким к девяноста градусам к хорде. Симметричные профили (типа NACA 0012, NACA 0015) предпочтительны, так как уменьшают асимметрию аэродинамических сил при перекладке. Несимметричные профили (типа Clark Y, эпюры с положительным закручиванием) дают лучшее качество в крейсерском режиме, но создают паразитный момент тангажа в режиме висения, который необходимо компенсировать системой управления.

Концевые законцовки (winglets). Применение вертикальных или наклонных законцовок на tail-sitter ограничено. В крейсерском режиме они снижают индуктивное сопротивление, но в режиме висения выступающие элементы создают паразитное сопротивление набегающему потоку от винта и могут внести возмущения в структуру струи, ухудшая эффективность несущей системы. На большинстве серийных аппаратов применяются миниатюрные законцовки высотой не более 5–8% от хорды корневого сечения, либо они отсутствуют вовсе.

Удлинение и его оптимизация. Удлинение крыла tail-sitter обычно лежит в диапазоне от 4 до 8, что заметно ниже, чем у аппаратов горизонтального взлёта того же класса. Это связано с необходимостью размещения двигателей на законцовках: при большом удлинении плечо тяги растёт, но изгибающий момент в корневом сечении центроплана увеличивается непропорционально, что ведёт к утяжелению силового набора.

11.4. Хвостовое оперение: проблема «двойной жизни»

Хвостовое оперение tail-sitter работает в двух совершенно различных аэродинамических условиях. В крейсерском полёте оно функционирует как классическое оперение — обеспечивает путевую и продольную устойчивость. В режиме висения и при посадке оно становится «нижней частью» аппарата, обращённой к земле, и часто несёт посадочные элементы.

Вертикальное оперение. Выполняет функцию путевой устойчивости в крейсерском режиме. У tail-sitter применяется в нескольких вариантах:

Одиночный киль. Расположен в плоскости симметрии, на задней кромке центроплана (в крейсерском режиме — на «хвосте»). Наиболее простая и распространённая схема. Недостаток — затенение киля фюзеляжем на больших углах атаки при перекладке, что может привести к кратковременной потере путевой управляемости.

Двухкилевая схема. Два киля установлены симметрично на концах горизонтального оперения или на законцовках центроплана. Обеспечивает резервирование путевой управляемости и частично устраняет затенение. Применяется на тяжёлых и дальних аппаратах. Дополнительное преимущество — два киля служат элементами посадочной опоры (через кольцо или раму).

V-образное оперение. Заменяет раздельные киль и стабилизатор двумя наклонными поверхностями. Снижает массу и количество деталей, но усложняет систему управления (требуется смеситель сигналов рулей). На переходных режимах V-образное оперение создаёт нежелательные перекрёстные связи между каналами тангажа и курса, что требует компенсации в законе управления.

Горизонтальное оперение. В крейсерском режиме обеспечивает продольную устойчивость и управляемость. В режиме висения в большинстве схем не функционирует (находится в следе за винтами) либо используется как дополнительная поверхность управления тангажем при малой эффективности.

Стабилизирующие поверхности в режиме висения. Некоторые tail-sitter оснащаются дополнительными аэродинамическими поверхностями, работающими только в режиме висения (на потоке от винтов). Это могут быть:

Дифференциальные рули на законцовках — четыре руля (по два на каждой законцовке), работающие как элевоны в крейсерском режиме и как поверхности управления креном и тангажем в режиме висения.

Рулевые поверхности на стойках двигателя — небольшие рули, установленные в струе винта, обеспечивающие управление по всем осям в режиме висения. Эффективны, но требуют точной синхронизации с частотой вращения винта.

11.5. Ключевые компромиссы: сводная картина

Основные компромиссы, принимаемые при выборе компоновки, можно свести в ряд пар противоборствующих факторов.

Масса против жёсткости. Увеличение сечения лонжерона центроплана повышает жёсткость на кручение (важно для управления на режиме висения при разнесённых двигателях), но увеличивает массу, что напрямую сокращает дальность и время патрулирования.

Размах против момента перекладки. Увеличение размаха крыла улучшает аэродинамическое качество и снижает индуктивное сопротивление, но повышает момент инерции относительно поперечной оси, что замедляет перекладку из вертикального в горизонтальный режим и обратно. Для военного аппарата медленная перекладка означает увеличенную зону уязвимости на переходном режиме.

Симметрия профиля против качества. Симметричный профиль облегчает управление в режимах висения и перекладки, но снижает максимальное аэродинамическое качество в крейсерском полёте. Несимметричный профиль — наоборот. Решение часто состоит в применении симметричного профиля с управляемым закрылком, отклоняемым только в крейсерском режиме.

Количество поверхностей против надёжности. Большее число независимых рулевых поверхностей повышает отказоустойчивость (при выходе из строя одной поверхности остальные частично компенсируют), но усложняет систему управления, увеличивает массу и количество сервоприводов, каждый из которых — потенциальный источник отказа.

11.6. Практические примеры компоновок

Лёгкий разведывательный tail-sitter (масса 8–12 кг). Однолонжеронный центроплан, трапециевидные законцовки (сужение 0,5), симметричный профиль NACA 0012, одиночный киль, посадочное опорное кольцо на законцовках киля. Два двигателя на законцовках крыла, дифференциальное управление тягой по курсу, рули высоты на законцовках по тангажу и крену. Типичный представитель — аппараты класса «тактическая разведка ближнего радиуса».

Средний ударно-разведывательный tail-sitter (масса 25–40 кг). Двухлонжеронный кессонный центроплан, трапециеведные законцовки (сужение 0,45), профиль NACA 4412 с управляемым закрылком, двухкилевое оперение с посадочной рамой, четыре рулевых поверхности на законцовках (по две на сторону), рули направления на килях. Два двигателя на законцовках с независимыми регуляторами оборотов.

Тяжёлый многоцелевой tail-sitter (масса свыше 80 кг). Интегральная композитная конструкция, удлинение 6–7, двухкилевое V-образное оперение с углом V 100–110 градусов, амортизированные выдвижные посадочные опоры, четыре или шесть рулевых поверхностей, смеситель сигналов управления с резервированием. Полезная нагрузка — в кессоне центроплана.

Вопросы для самопроверки

Вопрос 1. Почему в схеме tail-sitter центроплан несёт посадочные элементы, а не отдельное шасси, как в классической авиации?

Ответ. Tail-sitter осуществляет вертикальный взлёт и посадку, опираясь на хвостовую часть планера. Классическое шасси с колёсными опорами не требуется, так как нет пробежки по полосе. Конструкция должна воспринимать ударную вертикальную нагрузку при посадке, и логичнее интегрировать посадочные элементы (опорное кольцо, амортизированные стойки) в силовой набор центроплана, к которому крепится хвостовое оперение. Это снижает массу по сравнению с отдельным шасси и упрощает конструкцию.

Вопрос 2. В чём заключается двойное назначение законцовок крыла в схеме tail-sitter?

Ответ. В крейсерском горизонтальном полёте законцовки являются частью несущей поверхности крыла и создают подъёмную силу наряду с центропланом. В режиме вертикального висения и на переходных режимах, когда аппарат находится в вертикальном положении, законцовки обращены к земле и работают как горизонтальные аэродинамические поверхности управления, обеспечивая тангаж и крен за счёт отклонения рулей, обдуваемых потоком от несущих винтов.

Вопрос 3. Почему удлинение крыла tail-sitter обычно ниже, чем у аппаратов горизонтального взлёта сопоставимого класса?

Ответ. Увеличение удлинения (размаха) повышает момент инерции аппарата относительно поперечной оси, что замедляет перекладку из вертикального в горизонтальный режим. Для военного tail-sitter медленная перекладка означает большее время нахождения в переходном режиме, когда аппарат наиболее уязвим и плохо управляем. Кроме того, при разнесении двигателей на законцовках больший размах увеличивает изгибающий момент в корневом сечении центроплана, что требует усиления силового набора и ведёт к росту массы.

Вопрос 4. Какой профиль предпочтителен для законцовок tail-sitter и почему? Назовите основное преимущество и основной недостаток симметричного профиля.

Ответ. Предпочтителен симметричный профиль (например, NACA 0012, NACA 0015). Преимущество — симметричное обтекание при перекладке (поток меняет угол атаки от нуля до девяноста градусов), что уменьшает паразитные моменты тангажа в режиме висения. Недостаток — более низкое максимальное аэродинамическое качество в крейсерском режиме по сравнению с несимметричными (камберными) профилями, что снижает дальность и время барражирования.

Вопрос 5. Каковы преимущества и недостатки V-образного оперения по сравнению с раздельным килем и стабилизатором для tail-sitter?

Ответ. Преимущества: снижение массы (меньше деталей и поверхностей), снижение лобового сопротивления, компактность. Недостатки: необходимость смесителя сигналов управления (каждый руль V-образного оперения участвует одновременно в управлении тангажем и курсом), нежелательные перекрёстные связи между каналами на переходных режимах, что требует компенсации в законе управления и усложняет настройку автопилота.

Вопрос 6. Что такое сужение крыла и какой диапазон сужения рекомендуется для трапециевидных законцовок tail-sitter? Что происходит при слишком малом сужении?

Ответ. Сужение крыла — отношение концевой хорды к корневой. Рекомендуемый диапазон для tail-sitter — от 0,4 до 0,6. При сужении менее 0,4 концевая хорда становится слишком малой, площадь рулевой поверхности на законцовке падает, и её эффективность в режиме висения (где законцовки работают как поверхности управления) снижается ниже приемлемого порога, что может привести к потере управляемости по тангажу или крену на режиме висения.

Вопрос 7. Объясните, почему применение вертикальных законцовок (winglets) на tail-sitter ограничено, в отличие от классических самолётов.

Ответ. В крейсерском режиме вертикальные законцовки снижают индуктивное сопротивление, как и на обычном самолёте. Однако в режиме висения законцовки оказываются в потоке от несущих винтов, выступают под углом, близким к девяноста градусов к набегающему потоку, создают паразитное сопротивление и вносят возмущения в структуру струи, ухудшая эффективность несущей системы. Поэтому winglets на tail-sitter либо отсутствуют, либо имеют минимальную высоту — не более 5–8% от хорды корневого сечения.

Вопрос 8. Какие три силовые схемы центроплана применяются на tail-sitter и в чём основное отличие одно lonжеронной схемы от кессонной?

Ответ. Три схемы: однолонжеронная с задней стенкой, двухлонжеронная (кессонная) и многолонжеронная (интегральная). Основное отличие: однолонжеронная схема имеет один силовой элемент (лонжерон) на 25–35% хорды и заднюю стенку на 60–75%, обеспечивая минимальную массу, но ограниченную жёсткость на кручение. Кессонная схема имеет два лонжерона (передний на 15–20%, задний на 60–70% хорды), пространство между ними образует герметичный кессон, обеспечивая высокую жёсткость на кручение, что критично для tail-sitter с разнесёнными двигателями, где реактивный момент от дифференциальной тяги передаётся через центроплан.

Вопрос 9. Чем обусловлено применение двухкилевой схемы вместо одиночного киля на тяжёлых tail-sitter?

Ответ. Одиночный киль затеняется фюзеляжем (центропланом) на больших углах атаки при перекладке, что может привести к кратковременной потере путевой управляемости в наиболее ответственный момент. Двухкилевая схема частично устраняет затенение (кили вынесены из плоскости симметрии), обеспечивает резервирование путевой управляемости и одновременно служит элементами посадочной опоры — через соединительное кольцо или раму, что особенно важно для тяжёлых аппаратов, требующих надёжного опирания при посадке.

Вопрос 10. Сформулируйте центральное компромиссное противоречие, определяющее архитектуру tail-sitter, и укажите, как оно влияет на выбор площади крыла.

Ответ. Центральное противоречие: большая площадь несущей поверхности повышает эффективность крейсерского режима, но увеличивает нагрузку на приводы перекладки и риск потери управления на переходных режимах; компактный планер облегчает вертикальные режимы, но ухудшает аэродинамическое качество в горизонтальном полёте. Это противоречие определяет выбор отношения площади центроплана к полной площади крыла — обычно от 0,35 до 0,55. При выходе за эти границы либо перегружаются законцовки (при значении менее 0,35), либо снижается эффективность концевых поверхностей управления на режиме висения (при значении более 0,55).

Расчётные задачи

Задача 1. Расчёт изгибающего момента в корневом сечении центроплана

Условие. Tail-sitter имеет два двигателя, размещённых на законцовках крыла. Масса каждого двигателя с винтом — 2,5 кг. Размах крыла — 3,2 м, центроплан занимает центральную часть, ширина центроплана (по оси размаха) — 1,0 м. Аппарат совершает манёвр с перегрузкой, равной 4. Принять ускорение свободного падения равным 9,81 м/с². Силой тяжести самого крыла пренебречь.

Определить изгибающий момент в корневом сечении центроплана от массы двигателей.

Решение.

Плечо каждого двигателя относительно корневого сечения центроплана равно половине размаха минус половина ширины центроплана, делённая на два, что составляет: три целых две десятых метра минус один метр, всё делённое на два — равно одной целой одной десятой метра.

Сила, действующая на каждый двигатель при перегрузке четыре, равна произведению массы двигателя на перегрузку и на ускорение свободного падения: два целых пять десятых килограмма, умножить на четыре, умножить на девять целых восемьдесят одну сотую метра в секунду в квадрате — равно девяносто восьми целым одной десятой ньютона.

Изгибающий момент от одного двигателя равен произведению силы на плечо: девяносто восемь целых одна десятая ньютона, умножить на одну целую одну десятую метра — равно ста семидесяти девяти целым девяти десятым ньютона на метр. С учётом двух двигателей — умножаем на два.

Ответ. Изгибающий момент в корневом сечении центроплана составляет approximately триста пятьдесят девять целых семь десятых ньютона на метр (округлённо 360 Н·м).

Задача 2. Определение отношения площади центроплана к полной площади крыла

Условие. Площадь центроплана tail-sitter составляет 0,42 м². Размах крыла — 2,8 м. Законцовки трапециевидные, корневая хорда законцовки — 0,35 м, концевая хорда — 0,18 м. Ширина центроплана по оси размаха — 0,9 м.

Определить отношение площади центроплана к полной площади крыла и сделать вывод о его соответствии рекомендуемому диапазону (от 0,35 до 0,55).

Решение.

Площадь одной законцовки равна полусумме корневой и концевой хорд, умноженной на размах одной законцовки. Размах одной законцовки равен половине общего размаха минус половина ширины центроплана: два целых восемь десятых метра, делённое на два — один целых четыре десятых метра, минус ноль целых сорок пять десятых (половина ширины центроплана) — равно ноль целых девяносто пять десятых метра.

Площадь одной законцовки: ноль целых тридцать пять сотых плюс ноль целых восемнадцать сотых, делённое на два — ноль целых двести шестьдесят пять тысячных, умноженное на ноль целых девяносто пять десятых — равно ноль целых двести пятьдесят одна тысяча семнадцать стотысячных м² (округлённо 0,251 м²).

Площадь двух законцовок: ноль целых двести пятьдесят одна тысячная, умножить на два — ноль целых пятьсот две тысячных м².

Полная площадь крыла: площадь центроплана плюс площадь двух законцовок — ноль целых сорок две сотых плюс ноль целых пятьсот две тысячных — равно ноль целых девятьсот двадцать две тысячных м².

Отношение площади центроплана к полной площади: ноль целых сорок две сотых, делённое на ноль целых девятьсот двадцать две тысячных — равно ноль целых четыреста пятьдесят шесть тысячных (округлённо 0,456).

Ответ. Отношение равно 0,456. Значение находится в середине рекомендуемого диапазона (от 0,35 до 0,55), компоновка по данному параметру оптимальна.

Задача 3. Расчёт момента инерции крыла относительно поперечной оси при перекладке

Условие. Tail-sitter массой 18 кг имеет крыло с двумя двигателями на законцовках. Масса каждого двигателя с винтом — 3 кг, масса центроплана с оборудованием — 9 кг, масса двух законцовок (без двигателей) — 3 кг (по 1,5 кг каждая). Размах крыла — 3,0 м, центроплан занимает центральную часть шириной 0,9 м по оси размаха. Центр масс центроплана расположен на оси симметрии (на нулевом расстоянии от оси вращения). Центр масс каждой законцовки находится на расстоянии, равном половине размаха крыла минус половина ширины центроплана минус половина размаха одной законцовки от оси симметрии. Размах одной законцовки — 1,05 м. Двигатели расположены на законцовках крыла (на концах).

Определить момент инерции аппарата относительно поперечной оси, проходящей через центр масс центроплана, для оценки времени перекладки.

Решение.

Определим расстояния от оси вращения (оси симметрии, проходящей через центр масс центроплана) до характерных точек.

Расстояние от оси до двигателя на законцовке равно половине размаха крыла: три метра, делённые на два — один целых пять десятых метра.

Расстояние от оси до центра масс одной законцовки. Размах одной законцовки — один целых пять сотых метра. Центр масс законцовки находится на середине её размаха, считая от края центроплана. Расстояние от оси симметрии до края центроплана — половина ширины центроплана: ноль целых сорок пять десятых метра. Расстояние от края центроплана до центра масс законцовки — половина размаха законцовки: ноль целых пятьсот двадцать пять тысячных метра. Итого: ноль целых сорок пять сотых плюс ноль целых пятьсот двадцать пять тысячных — равно ноль целых девятьсот семьдесят пять тысячных метра.

Момент инерции одного двигателя: масса двигателя, умноженная на квадрат расстояния — три килограмма, умножить на один целых пять десятых метра в квадрате (две целых двадцать пять десятых) — равно шесть целых семьдесят пять десятых кг·м². Для двух двигателей — тринадцать целых пять десятых кг·м².

Момент инерции одной законцовки: масса законцовки, умноженная на квадрат расстояния до её центра масс — один целых пять десятых килограмма, умножить на ноль целых девятьсот семьдесят пять тысячных метра в квадрате (ноль целых девятьсот пятьдесят одна тысячная) — равно одна целая четыре тысячи двадцать семь десятитысячных (округлённо 1,43) кг·м². Для двух законцовок — два целых восемьдесят шесть сотых кг·м².

Момент инерции центроплана: масса центроплана, умноженная на квадрат расстояния, но расстояние равно нулю (центр масс на оси вращения), следовательно, момент инерции центроплана равен нулю.

Полный момент инерции: сумма моментов инерции двигателей, законцовок и центроплана — тринадцать целых пять десятых плюс два целых восемьдесят шесть сотых плюс ноль — равно шестнадцать целых тридцать шесть сотых кг·м².

Ответ. Момент инерции аппарата относительно поперечной оси составляет approximately 16,36 кг·м². Для перекладки за заданное время потребуется управляющий момент, определяемый по формуле: угловое ускорение равно управляющий момент, делённый на момент инерции. При требуемой перекладке за три секунды и угле перекладки девяносто градусов (пи пополам радиан) среднее угловое ускорение составит примерно ноль целых пятьдесят восемь сотых радиана в секунду в квадрате, что потребует управляющего момента около девяти целых двух десятых ньютона на метр.

ЧАСТЬ III. КОНСТРУКЦИЯ И СИСТЕМЫ

Глава 12. Силовая установка: выбор двигателя, тяговооружённость, типы пропеллеров для смешанного режима

Введение

Силовая установка — сердце любого летательного аппарата, но для БПЛА схемы tail-sitter она приобретает особое, критическое значение. В отличие от классического самолёта, где двигатель работает в одном режиме большую часть полёта, tail-sitter требует от силовой установки одинаково эффективной работы в двух принципиально различных режимах: вертикального висения (когда ось тяги направлена вверх) и горизонтального полёта (когда ось тяги направлена вдоль траектории движения). Один и тот же двигатель, один и тот же пропеллер должны справляться с задачами, которые в традиционной авиации решают разные агрегаты — несущий винт вертолёта и тянущий/толкающий пропеллер самолёта.

Это означает, что каждое решение при выборе силовой установки — тип двигателя, его мощность, геометрия пропеллера, число лопастей, шаг — является компромиссом. Искусство конструктора tail-sitter состоит в том, чтобы найти точку этого компромисса, где потери в каждом из режимов минимальны, а суммарная эффективность максимальна.

В данной главе рассматриваются критерии выбора двигателя для tail-sitter, методы расчёта тяговооружённости, особенности подбора пропеллеров для смешанного режима полёта, а также практические задачи, с которыми сталкивается инженер при проектировании силовой установки.

12.1. Выбор типа двигателя

Для БПЛА схемы tail-sitter применяются три основных типа силовых установок: