Технические науки / 9. Авиация и космонавтика

К. т. н. Середа В. А.

Национальный аэрокосмический университет им. Н. Е. Жуковского «Харьковский авиационный институт», Украина

ОБ ИНТЕНСИВНЫХ МЕТОДАХ УЛУЧШЕНИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК НАЗЕМНЫХ КАТАПУЛЬТ

Полезная функция наземного пускового устройства (НПУ) состоит в предании необходимой начальной скорости беспилотному летательному аппарату (БЛА) определенной массы на заданном участке разгона при ограничении стартовой перегрузки . Для выполнения полезной функции привод НПУ должен совершить определенную работу по разгону БЛА вдоль направляющей. Исходя из определения работы , ее полностью определяет закон распределения тягового усилия НПУ .

Под улучшением динамических характеристик однозначно понимается увеличение совершенной работы, что в конечном итоге приводит к увеличению скорости ввода в полет БЛА . Экстенсивные методы достаточно затратны, подразумевают качественное изменение закона распределения тягового усилия и в данном исследовании не рассматриваются. Интенсивные сводятся к двум направлениям: увеличению тяги или наращиванию длины направляющей.

Увеличение длины участка разгона в конечном итоге приводит к необходимости создания (двух- или трех-) многосекционных направляющих (например, ADLR-021 – «Adcom», MC2555LR – Robonic, К12И3 – «Взлет») длиной свыше 20…23 м. Такие конструкции имеют ряд существенных эксплуатационных недостатков, которые нивелируют достигнутый положительный эффект. Габаритные многосекционные направляющие обладают низкой мобильность и требуют значительного времени приведения в работоспособное состояние.

Увеличение тягового усилия привода НПУ за счет повышения рабочего давления влечет за собой пропорциональный рост стартовой перегрузки. В конечном итоге стоимость наземной составляющей авиационного комплекса снижается, однако стоимость собственно БЛА возрастает в разы. В условиях массового применения БЛА, тем более в гражданском секторе, использование твердотельного бортового радиоэлектронного оборудования неприемлемо.

Наиболее действенным методом интенсивного улучшения динамических характеристик НПУ является увеличение объема рабочего тела, поступающего в цилиндр. В силу ограничения по предельно допустимой стартовой перегрузке БЛА это возможно путем влияния на емкость баллона. Далее приведена оценка границ рационального наращивания объема емкости баллона по отношению к объему расширительной машины – [1].

Несмотря на исследование наименее затратных способов улучшения динамики старта, в состав специализированного проектного инструментария включены опережающие численные исследования. Необходимая полнота картины рабочего процесса во внутреннем объеме пневматического привода с учетом взаимодействия звеньев трансмиссии получена на основании комплексной газодинамической и механической модели НПУ [2].

Исследования показали, что идеальный закон распределения стартовой перегрузки (постоянный) достижим при увеличении емкости баллона в 128 раз. Очевидно, что полученная емкость баллона технически нереализуема, однако, эквивалентную массу воздуха можно поместить в баллон меньшего объема с более высокой компрессией. Т. е. чтобы получить идентичный закон тягового усилия для баллона объемом , воздух необходимо сжать до 256 атм.

Компрессоры и аккумуляторы высокого давления (до 330 атм) широко и успешно применяются в оружии и аквалангах. Но транслирование указанных апробированных технологий в область наземных катапульт ограничено высокой инерционностью работы регуляторов давления (редукторов), несоизмеримой с характерной скоростью ввода в полет БЛА (около 0,1…0,2 с).

Баллон с объемом позволяет получить идентичную скорость БЛА на участке разгона меньшем на 32 % по сравнению с НПУ, где объемы резервуаров одинаковы (см. рис. 1). Однако рациональным представляется увеличение емкости баллона в 4 раза, что дает возможность сократить длину направляющей на 11 % и увеличивает габариты катапульты в разумных пределах.

а	б
Рис. 1. Динамические характеристики НПУ: а) стартовая перегрузка; б) скорость разгона БЛА

Настройка модели производилась с помощью действующего образца пневматической катапульты Р12П производства ООО НПФ «Ротор» для ввода в полет БЛА РМ130У. В состав НПУ входит 4 баллона одинакового объема с возможностью поочередного подключения каждого из них, и тем самым, наращивания суммарной емкости. Результаты исследования подтверждены серией (свыше 30 пусков) натурных испытаний.

Проведен функциональный анализ известных типов НПУ с различными видами приводов: механическими и расширительными машинами. Качественная оценка НПУ представлена информационным вектором тактико-технических характеристик в параметрическом и критериальном пространствах (рис. 2 а, б) функций:

, ,

где – скорость ввода в полет БЛА; – стартовая масса аппарата;
– длина разгонного участка (направляющей); – продольная стартовая перегрузка; – число Маха в фазе старта; – критерий компактности – отношение длин БЛА и направляющей.

а	б
Рис. 2. Качественная оценка различных НПУ в пространстве функций: а) параметрическом ; б) критериальном
Тип привода катапульты: ◙ – механический; ◙ – пневматический; ◙ – пневмогидравлический; ◙ – пиротехнический

Сделан вывод о том, что большинство разработчиков идут по пути интенсивного улучшение динамических характеристик. Во всех группах НПУ повышение компактности достигается путем увеличения стартовой перегрузки, что однозначно свидетельствует о работе НПУ с переменным тяговым усилием. Редким исключением является катапульта SuperWedge с вариатором копирного типа фирмы «The Insitu Group Inc.» [3] для запуска БЛА ScanEagle, реализующая постоянный закон тягового усилия.

Литература:

1. Бойчук И. П. К вопросу о рациональной емкости баллона пневматического наземного пускового устройства [Текст] / И. П. Бойчук, В. А. Середа // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В. Г. Шухова. – 2015. – Вып. № 3. – С 80-84.

2. Амброжевич А. В. Комплексно-сопряженная модель пневматического наземного пускового устройства легкого беспилотного летательного аппарата [Текст] / И. С. Авилов, М. В. Амброжевич, В. А. Середа // Авиационно-космическая техника и технология. – 2010. – № 5 (72). – С. 19-23.

3. Brain T. McGeer. Methods and apparatuses for launching unmanned aircraft, including releasably gripping aircraft during launch and breaking subsequent grip motion [Text] / Brain T. McGeer, Andreas H. von Flotow, Cory Roeseler // United States Patent. Patent Number: US 7,165,745 B2. Date of Patent: Jan. 23, 2007.