НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

УДК 629.7.067

Россия, МГТУ им. Н.Э. Баумана

Россия, ОАО «Камов»

Россия, ВУНЦ ВВС «Военно-воздушная академия им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина»

Россия, Радиотехнический институт им. академика А.Л. Минца

vesel_foto@mail.ru

Вопросы безопасности применения беспилотных летательных аппаратов (БЛА) во всем фазовом пространстве ожидаемых условий эксплуатации (ОУЭ) представляют серьезную научно-техническую проблему. Один из аспектов данной проблемы – обеспечение безаварийного применения БЛА, исключающего неконтролируемое падение БЛА на землю и связанное с этим непреднамеренное нанесение ущерба жизни, здоровью людей и их имуществу на земле.

Решение данной проблемы рассмотрим на примере летной эксплуатации трансзвуковых БЛА на режимах полета близким к предельно допустимым по условиям безопасности полета.

Важнейшими особенностями летной эксплуатации БЛА на данных режимах полета являются [1, 2]:

- полная автономность полета БЛА от момента старта до посадки. Данное обстоятельство предопределяет невозможность какого-либо вмешательства в траекторное управление беспилотным летательным аппаратом в процессе полета, то есть невозможность коррекции введенной на земле в навигационно-пилотажный комплекс (НПК) БЛА заданной программы полета;

- преобладание неустановившихся режимов полета;

- значительное расширение диапазона эксплуатационных углов атаки и знакопеременных перегрузок;

- выполнение полетов на максимальную практическую дальность полета на предельно малой возможной высоте.

Для определения возможных путей решения проблемы обеспечения безаварийного применения БЛА необходимо, прежде всего, провести системный анализ факторов, влияющих на безопасность полета БЛА, сформировать перечень аварийноопасных режимов полета БЛА.

          Основными причинами авиационного происшествия БЛА (аварии, катастрофы) являются:

1 Отказ маршевого двигателя или его систем, вследствие чего произойдет неконтролируемое падение БЛА на землю.

2 Отказ (сбой) бортовой системы управления (вычислитель, доплеровский измеритель скорости и угла сноса, радиовысотомер малых высот) БЛА, следствием чего будет невыполнение полетного задания (отклонение от заданного путевого угла, нарушение пространственно-временного прохождения промежуточных пунктов маршрута, отклонение от заданной высоты полета и т.п.) и посадка БЛА в нерасчетном районе, что может привести к частичному (или полному) разрушению БЛА.

3 Превышение основных ограничений для БЛА, связанных, в основном, с летной эксплуатацией БЛА в условиях сильной турбулентности атмосферы, а также в режиме полета с огибанием горного сложно-пересеченного рельефа местности, несоблюдение которых недопустимо по условиям безопасности полета при исправной работе систем и оборудования.

3.1Ограничения по углу атаки или коэффициенту подъёмной силы.

Ограничения по углу атаки α или коэффициенту подъёмной силы С_y осуществляется в целях предотвращения выхода БЛА на большие углы атаки, на которых:

- нарушается плавность обтекания, и наступает срыв потока с несущих поверхностей, что сопровождается потерей устойчивости и управляемости БЛА («сваливание в штопор»);

- происходит потеря газодинамической устойчивости компрессора маршевого двигателя БЛА («помпаж»).

3.2 Ограничения по минимальному скоростному напору. Ограничение по минимальному скоростному напору осуществляется в целях спасения БЛА (ввод в действие парашютно-реактивной системы посадки) при величине динамического скоростного напора q^* меньшей нижнего эксплуатационного предела. Дальнейшее уменьшение q^* привело бы к невозможности полёта БЛА без превышения ограничения по 𝛼_доп.

3.3 Ограничения по максимальной скорости (числу М полёта, динамическому скоростному напору). При выборе ограничений по максимальной скорости (числу М полёта, динамическому скоростному напору) учитываются в основном следующие факторы: прочность или жёсткость конструкции; вибрации; устойчивость и управляемость летательного аппарата (в основном потеря эффективности элевонов, возрастание потребной мощности рулевых машин); характеристики системы управления (передаточные числа автопилота и т.д.).

Следствием превышения основных ограничений, связанных с эксплуатацией БЛА может быть авиационное происшествие, заключающееся в разрушении БЛА в воздухе или неконтролируемым его падении на землю.

4 Некорректный учет комплекса случайных факторов, влияющих на практическую дальность полета [3], при проведении инженерно-штурманского расчета дальности и продолжительности полета (РДП).

К случайным факторам, вызывающим возможное отклонение (увеличение) фактических характеристик расхода топлива БЛА от принятых при РДП, относятся [4, 6]:

- отклонение аэродинамических характеристик БЛА в процессе изготовления и эксплуатации планера БЛА от характеристик, принятых, по результатам испытаний в аэродинамических трубах и уточненных на этапе летных испытаний;

- отличие значений балансировочного отклонения элевонов от значений, полученных при летных испытаниях;

- отклонение фактической величины тяги маршевого двигателя в процессе его изготовления и эксплуатации от величины, принятой по результатам стендовых испытаний маршевого двигателя;

- отличие расходных характеристик маршевого двигателя от характеристик, полученных при летных испытаниях БЛА;

- отличие фактического распределения температуры воздуха от принятого при расчетах дальности и продолжительности полета;

- отличие фактического распределения атмосферного давления по высоте от принятого при расчетах дальности и продолжительности полета;

- отличие фактических значений скорости и направления ветра по маршруту полета от прогнозируемого;

- навигационные погрешности;

- погрешность стабилизации заданного высотно-скоростного режима полета;

- характер («волнистость») микрорельефа восходящего ската рельефа горной местности. При огибании микрорельефа возрастает среднее значение силы лобового сопротивления БЛА из-за колебаний нормальной перегрузки за счет увеличения индуктивного сопротивления, величина которого пропорциональна квадрату нормальной перегрузки. Увеличение силы лобового сопротивления БЛА вызывает пропорциональное увеличение потребной тяги и, следовательно, часового расхода топлива. Поскольку система управления БЛА стабилизирует его скорость (ибо при постоянных значениях давления и температуры на высоте полета, то есть в данных конкретных условиях, стабилизация скоростного напора и числа М полета означают стабилизацию воздушной скорости), увеличение часового расхода топлива будет соответствовать пропорциональному увеличению километровых расходов топлива;

- отличие величины располагаемого запаса топлива от принятого при расчетах дальности и продолжительности полета (технологический разброс емкости топливных баков при их изготовлении, разброс по времени работы маршевого двигателя на земле).

Случайные факторы, влияющие на дальность полета, учитываются, при проведении инженерно-штурманского расчета дальности и продолжительности полета, величиной гарантийного технического запаса топлива.

Гарантийный технический запас топлива - масса топлива, учитывающая возможное отклонение (увеличение) фактических характеристик расхода топлива БЛА от принятых при РДП, обусловленное  комплексом случайных факторов.

Следствием некорректного учета величины гарантийного технического запаса топлива при проведении РДП может быть авиационное происшествие, заключающееся в неконтролируемом падении БЛА на землю по израсходованию всего объема располагаемого запаса топлива.

5 Некорректный учет факторов, влияющих на безопасность маневров в вертикальной плоскости при огибании БЛА рельефа местности или искусственных сооружений.

Важнейшим эксплуатационным фактором, определяющим безопасность полета БЛА в режиме полета с огибанием рельефа, является минимально-допустимая безопасная высота полета, рассчитываемая при проведении инженерно-штурманского расчета [5].

Минимально-допустимая безопасная высота полета БЛА, рассчитываемая из условия нестолкновения БЛА с землей, зависит от показателей эксплуатационной маневренности летательного аппарата, определяющих характер изменения кривизны траектории полета БЛА в плоскости симметрии летательного аппарата, в частности от предельно возможных и допустимых величин перегрузок, быстроты создания перегрузок, а также от диапазона допустимых скоростей полета:

,

где –располагаемое значение нормальной составляющей перегрузки, определяется предельным значением подъемной силы, которую можно создать при данных мгновенных значениях высоты и скорости полета;

 – максимальная эксплуатационная перегрузка (предельно допустимая по прочности летательного аппарата), определяется максимально допустимой величиной подъемной силы, которая является постоянной для данного типа летательного аппарата;

 – время создания нормальной перегрузки;

 – диапазон скоростей полета.

Время создания нормальной перегрузки (время выхода на нормальную перегрузку) вместе с располагаемыми для данного типа БЛА значениями n_У характеризует возможности выполнения резких маневров, требующих быстрого изменения кривизны траектории полета в плоскости симметрии БЛА, что особенно важно при облете горного сложно-пересеченного рельефа местности.

Время создания нормальной перегрузки и характер зависимости  зависит от: момента инерции летательного аппарата относительно его поперечной оси; демпфирующего момента; моментов статической устойчивости, эффективности «руля высоты», инерционности звеньев канала управления продольным движением БЛА.

Следует отметить, что одним из факторов, влияющих на безопасность маневров в вертикальной плоскости при огибании БЛА рельефа местности, является турбулентность атмосферы в горных районах, для которых характерна неустойчивая метеорологическая обстановка, особенно в осенние и зимние месяцы. Вблизи скатов гор наблюдаются сильные восходящие и нисходящие потоки воздуха со скоростью 10-20 м/с. Они вызывают сильную болтанку летательного аппарата, которая сказывается на точности выдерживания заданного режима полета [7]. Турбулентность атмосферы в горных районах вызывается деформацией воздушного потока при обтекании возвышенностей.

Восходящие воздушные потоки образуются с наветренной стороны гор и вызывают непроизводные взмывание летательного аппарата. С подветренной стороны гор образуются нисходящие воздушные потоки, иногда очень большой мощности, которые вызывают опасные броски летательного аппарата вниз [7].

При облете БЛА горного рельефа в условиях сильной турбулентности наиболее значимыми факторами, вызываемыми болтанкой летательного аппарата, являются:

-    потеря устойчивости БЛА  из-за превышения допустимых углов атаки, особенно при малых скоростях полета и больших высотах;

-    разрушение конструкции БЛА из-за превышения допустимой нормальной и поперечной перегрузки, особенно при больших скоростях полета и малых высотах;

-    опасные отклонения БЛА вниз от заданной высоты полета.

Следует также учитывать возможное уменьшение геометрической высоты полета над рельефом местности, обусловленное большими положительными температурами, при которых, из-за недостаточной тяги маршевого двигателя набор высоты может сопровождаться уменьшением скорости и, как следствие, увеличением угла атаки. Для предотвращения выхода угла атаки за допустимое значение, система управления БЛА уменьшает значения заданного угла тангажа, что приведет к уменьшению угла наклона траектории и скороподъемности летательного аппарата. Для предотвращения столкновения БЛА с землей необходимо увеличить значения минимально-допустимой высоты полета.

Факторы, влияющие на безопасность маневров в вертикальной плоскости при огибании БЛА рельефа местности, учитываются путем рационального выбора минимальной безопасной высоты полета при РДП БЛА.

Следствием некорректного учета факторов, влияющих на рациональное определение минимально-допустимой безопасной высоты полета БЛА, может быть авиационное происшествие, заключающееся в столкновении БЛА с рельефом или искусственными сооружениями.

На основании анализа основных факторов, влияющих на безопасность полета БЛА, можно сформировать перечень наиболее аварийноопасных режимов их полета:

- полет БЛА на максимальную практическую дальность на минимально-возможной высоте полета;

- полет БЛА в режиме огибания рельефана минимально-возможной безопасной высоте при управлении высотой полета по информации от высотомера малых высот;

- полет БЛА на максимальную практическую дальность на  минимально-возможной безопасной высотев режиме огибания рельефа при управлении высотой полета по информации от высотомера малых высот.

Способы предотвращения авиационного происшествия БЛА (или минимизация его последствий) заключаются, прежде всего, в:

- резервировании контура управления БЛА, то есть комплексировании систем ориентации и навигации различных типов. Причем комплексируются не только системы, но и отдельные датчики первичной информации, измеряющие одни и теже параметры. При этом неисправность какой-то системы ориентации и навигации БЛА (или датчиков первичной информации) не приведет к аварии или катастрофе;

- разработке рационального алгоритма функционирования НПК БЛА не допускающего превышение основных ограничений (по углу атаки или коэффициенте подъемной силы, максимальной скорости или числу М полета, динамическому скоростному напору) для БЛА, связанных с эксплуатацией БЛА в целом, при исправной работе систем и оборудования;

- введении в действие парашютно-реактивной системы посадки при отказе маршевого двигателя или его систем, при величине динамического скоростного напора q^* меньшей нижнего эксплуатационного предела;

- в рациональном учете комплекса случайных факторов, влияющих на практическую дальность полета, при проведении инженерно-штурманского расчета дальности и продолжительности полета (РДП);

-в рациональном учете факторов, влияющих на безопасность маневров в вертикальной плоскости при огибании БЛА рельефа местности или искусственных сооружений, при определении безопасной высоты полета.

Причины, следствие авиационного происшествия и способы его предотвращения (минимизации) представлены в таблице 1.

Таблица 1 – Причины, следствие авиационного происшествия и способы его предотвращения (минимизации)

Работа поддержана Российским фондом фундаментальных исследований. Проект  № 11-08-00292.

Список литературы

1. Мосов С.П. Беспилотная разведывательная авиация стран мира: история создания, опыт боевого применения, современное состояние, перспективы развития: монография. Киев: Румб, 2008. 160 с.

2. Лифанов Ю.С. История создания БПЛА ScanEagle компанией Insitu // Об экономическом, научно-техническом и военном потенциале государств-участников СНГ и технических средствах его выявления. Серия: «Техническое оснащение спецслужб зарубежных государств». М.: ВИНИТИ РАН, 2009. № 12. С 15-18.

3. Меньшаков Ю.К. Виды и средства иностранных технических разведок. М.: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009. 655 с.

4. Гулевич С.П., Исаев С.А. Методика определения гарантийного технического запаса топлива и практической дальности полета беспилотного летательного аппарата // Проблемы безопасности полетов. 2000. № 5.  С. 14-21.

5. Гулевич С.П. Обеспечение безаварийного применения беспилотных летательных аппаратов в условиях горного рельефа местности // Проблемы безопасности полетов. 2003. № 9. С. 20-26.

6. Гулевич С.П., Александровский Б.В. Обеспечение безаварийного применения беспилотного летательного аппарата по топливу при выполнении полетов в условиях холмистой местности // Проблемы безопасности полетов. 2001. № 7. С. 13-17.

7. Черный М.А., Кораблин В.И. Воздушная навигация. М.: Транспорт, 1983. 384 с.