Библиографическое описание:

Порошкин К. В., Сенюшкин Н. С., Ямалиев Р. Р. Особенности проектирования силовой установки для беспилотного летательного аппарата // Молодой ученый. — 2011. — №3. Т.1. — С. 85-88.

Облик силовой установки зависит от того на каком летательном аппарате она будет эксплуатироваться. Таким образом, задавшись параметрами ЛА можно спроектировать силовую установку, полностью раскрывающую все его возможности.

Основной особенностью беспилотной авиации является отсутствие летного экипажа на борту ЛА. Эта особенность дает несколько важных преимуществ таких как:

- относительное увеличение целевой нагрузки и запасов топлива за счет отсутствия летного экипажа и систем его жизнеобеспечения. Относительная масса систем жизнеобеспечения и летного экипажа может доходить до 15-20%;

- увеличение эксплуатационной перегрузки. На данный момент максимальная эксплуатационная перегрузка составляет 9-10 единиц, что является предельным для человеческого организма. Только тренированные люди в специальных противоперегрузочных костюмах способны переносить достаточно высокие перегрузки в течение длительного времени при этом сохранять способность трезво оценивать обстановку в полете и быстро принимать верные решения.

Однако повышение эксплуатационной перегрузки вносит свои коррективы в силовую установку такого сверхманевренного беспилотного ЛА. Это повлечет возникновение больших значений нагрузок в опорах ротора за счет как самих перегрузок так и больших угловых скоростей вращения ЛА на эволюциях. Выходом их этой ситуации может быть снижение момента инерции ротора и упрочнение его опор. Упрочнение опор в свою очередь будет экстенсивным параметром влекущим за собой увеличение массы силовой установки и в целом всего ЛА.

Снижение момента инерции ротора является интенсивным параметром и наиболее предпочтительно для решения этой задачи.

Следующим преимуществом беспилотных ЛА является привязка размеров ЛА не к летному экипажу, а к массе и габаритам целевой нагрузки. Что дает возможность создавать ЛА взлетной массой в десятки килограммов, которые на данный момент развития вычислительной техники способны эффективно выполнять достаточно широкий спектр задач, в которых применение пилотируемых ЛА было бы крайне не выгодно или вообще невозможно и опасно (например, в зонах химического или радиационного заражения).

Снижение размерности ЛА ведет к снижению размерности силовой установки. Малоразмерные ТРД имеют относительно низкие показатели эффективности по сравнению с ТРД большой размерности, это заключается в следующем [1,2]: снижение характерных размеров ведет к снижению чисел Рейнольдса в проточной части, что способствует к возникновению вихреобразования и утолщению пограничного слоя. Малая размерность приводит к неизбежному повышению точности изготовления деталей двигателя. Это требуется для поддержания достаточно малых радиальных зазоров между корпусом и рабочими лопатками ротора.

Р
исунок 1. Зависимость частоты вращения ротора от диаметра компрессора.


А так как для поддержания рабочего процесса двигателя приходится соблюдать кинематическое подобие треугольников скоростей в соответствующих сечениях, то при снижении размеров ротора повышается его частота вращения. На рисунке 1. [4] представлена зависимость частоты вращения ротора от диаметра колеса центробежного компрессора. За максимальный режим обычно принимается периферийная окружная скорость центробежного компрессора равная 400м/с, при этом приведенная скорость на выходе из колеса становится практически раной , переходить на сверхзвуковой режим обычно не целесообразно ввиду быстровозрастающих волновых потерь в диффузоре. Зная периферийную скорость можно для различных диаметров колес компрессоров рассчитать максимальную частоту вращения ротора. Из графика заметно, что со снижением размерности двигателя повышается его частота вращения. Исходя из этого, требуется производить очень точную балансировку ротора двигателя в сборе с величиной остаточного дисбаланса не хуже 50мг*мм.

Малые размеры камеры сгорания не позволяют использовать центробежные топливные форсунки в силу очень малого выходного отверстия, которое может быть легко засорено даже незначительными по величине частицами, попавшими в топливо. В двигателях такой размерности используются форсунки испарительного типа рисунок 2. состоящие из струйной форсунки и испарительного кожуха.

Рисунок 2. Детали испарительной форсунки


Применение такого вида форсунки позволяет упростить систему впрыска и снизить габаритные размеры камеры сгорания т.к. керосин подается в жаровую трубу уже в испаренном виде. У такой системы впрыска есть и свои минусы – это трудность розжига такой камеры сгорания, т.к. для устойчивой работы требуется наличие уже горячих испарительных трубок, при недостаточном прогреве камеры сгорания подающееся топливо в основной коллектор может «охладить» часть испарительных трубок и сносясь потоком догорать на турбине, что в свою очередь повлечет к перегреву турбины и останову запуска. Низкая стабильность на малых режимах возникает из-за низкого перепада давления на струйных форсунках, что может привести к каплеобразованию подающегося топлива и локальным срывам пламени.

Технологическая невозможность выполнять охлаждение рабочих лопаток турбины малорамерного ТРД не позволяет иметь высокие значения температуры газа перед турбиной.

Несмотря на весь этот спектр ограничений в проектировании малоразмерного ТРД и его малую эффективность на данный момент это единственный вид силовой установки способный вывести беспилотный ЛА малой размерности на высокие полетные скорости порядка 500-600 км/ч благодаря достаточно жесткой зависимости развиваемой тяги от скорости полета свойственной турбореактивным двигателям.

Для тихоходных беспилотных ЛА со взлетной массой до 5 килограммов и скоростью полета 40- 90 км/ч целесообразно использовать в качестве силовой установки винто-моторную группу состоящую из бесколлекторного электродвигателя с магнитами из редкоземельных металлов и литий-полимерных аккумуляторов. Несмотря на то, что вес аккумулятора не изменяется во время полета, по сравнению с топливом, электросиловая установка имеет ряд очень значительных положительных моментов.

  • Простота обслуживания, заключающаяся в правильной эксплуатации аккумуляторных батарей.

  • Надежный запуск без дополнительных средств и стабильная работа на переходных режимах, в этом электродвигатели на порядок надежнее двигателей внутреннего сгорания.

  • Легкость в автоматизации управления и контроля основных параметров электросиловой установки, таких как: частота вращения, напряжение питания, ток, контроль запаса заряда аккумулятора.

  • Произво-
    дитель

    Модель

    Мощность, лс. (об/мин)

    Вес, грамм

    Рекомендованные винты, дюйм.

    Статическая тяга, кгс
    (зависит от винта)
    Цена двигателя,
    $

    Feiao Model

    DLA engine

    Китай

    DLA -32

    3,8 (8200)

    910

    18*10, 19*8, 20*8

    8,8

    260

    DLA-56

    5,6 (7600)

    1290

    22*10, 23*8

    15

    350

    DLA-112

    11.2 (7500)

    2485

    26*12, 27*10

    25,8

    640

    3W Engines

    Германия

    3W-28i

    3,35 (8500)

    1210

    16*10,18,10


    724

    3W-55i US

    5,2 (8500)

    1940

    22*10,24*8


    831

    3W-110 iB2

    8,8 (8500)


    28*10,30*10


    1400

    Отсутствие холостого хода, может значительно сэкономить запасенную в аккумуляторе энергию и быть решающим моментом в выборе силовой установки.

Таблица 1. ДВС для беспилотных летательных аппаратов

С увеличением взлетной массы и потребности в большом времени нахождения в воздухе, применение электросиловой установки становится не выгодным и наиболее подходящим можно рассматривать вариант силовой установки в качестве винто-моторной группы с поршневым двигателем (Табл. 1).

Поршневые двигатели обладают следующими положительными качествами:

- Получение больших мощностей, в случае электросиловой установки это привело бы к непропорциональному увеличению веса аккумуляторной батареи, повышению рабочих параметров (тока и напряжения и как следствие усложнение управляющей высокоточной аппаратуре), к увеличению времени зарядки аккумулятора.

- Уменьшение веса взятого на борт топлива.

- Более низкая надежность поршневых двигателей компенсируется увеличением количества цилиндров в двигателе.

Среди поршневых двигателей представлены 2-х тактные и 4-х тактные. 2-х тактные двигатели имеют более высокую литровую мощность, но проигрывают 4-хтактным в экономичности. Все двигатели оборудованы электронной системой зажигания, которая автоматически выставляет угол опережения зажигания от частоты вращения вала, повышая эффективность горения топливно-воздушной смеси в цилиндре двигателя. Для приготовления топливовоздушной смеси двигатели оборудованы карбюраторами с регулируемой дроссельной заслонкой и мембранным топливным насосом, некоторые двигатели оборудованы инжекторной системой впрыска топлива [3].

Применение винтов фиксированного шага целесообразно до скоростей в 120-150 км/ч, использование поршневых двигателей на больших скоростях требует установки винтов изменяемого шага.

Таким образом, подбор и проектирование силовой установки для беспилотного ЛА основывается на других принципах и подходах нежели проектирование силовой установки пилотируемого ЛА. И применение двигателей используемых для ЛА пилотируемых в беспилотных ЛА не позволяет в полной мере реализовать весь потенциал, который заложен в беспилотном ЛА.


Литература:

1. Теория и расчет авиационных лопаточных машин/ Холщевников К.В.; - М.: Машиностроение, 1970

2. Теория, расчёт и проектирование авиационных двигателей и энергетических установок: Учебник/ В.И. Бакулев, В.А. Голубев, Б.А. Крылов и др.; Под редакцией В.А.Сосунова, В.М. Чепкина – М.: Изд-во МАИ, 2003. – 688 с.: ил.

3. Особенности классификации БПЛА самолетного типа [Текст] / Сенюшкин Н.С. [и др.] // Молодой ученый. — 2010. — №11. Т. 1. — С. 65-68.

4. Home Built model turbines/ Kurt Schreckling; UK, 2005. – 104c.

Обсуждение

Социальные комментарии Cackle