Физические принципы беспилотных летательных аппаратов



Авторы предлагают к рассмотрению развитие беспилотных летательных аппаратов в России на основе традиционных законов физики.

Ключевые слова: физические закономерности, БПЛА.

С началом эпохи авиационных полётов общество столкнулось со значительными энергетическими затратами. Потенциал существующих батарей оказался недостаточным для обеспечения полётов самолётов и вертолётов электрической энергией. Это стало основанием появления дистанционно управляемых или полностью автономных воздушных компонентов. В результате был создан ряд беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

БПЛА представляет собой летательный безэкипажный аппарат, управление перемещением которого в воздушном пространстве происходит благодаря наличию компьютера и программного обеспечения.

На данный момент существует следующая классификация БПЛА.

1) По степени автономности: а) управление дистанционное или полностью автоматическое; б) апериодическая или постоянная подача команд.

2) По конструкции: а) мультимоторный БПЛА, который может покоиться в воздухе, совершать поступательное движение в любом заданном направлении с возможностью поворота вокруг своей оси; б) БПЛА самолётного типа, способный только к поступательному перемещению по заданному курсу; в) однороторный дрон, по конструкции аналогичный вертолёту и использующий ДВС; г) гибридный дрон, сочетающий особенности мультимоторного БПЛА и БПЛА с неподвижным крылом.

3) По назначению: а) разведка; б) нанесение ударов по целям разного базирования; в) перехват целей в воздухе; г) целеуказание; д) трансляция информации и прочее [1, 2].

4) По способу запуска: а) со стартовой катапульты с небольшой площадки. В этом случае необходимо учитывать начальные импульс и угол наклона траектории; б) с ВПП для БПЛА с неподвижным крылом самолётного типа. Подъёмная сила создается в первом случае за счёт подъема аппарата на высоту, во втором случае — при набегании потока воздуха на неподвижное крыло определённой формы [3, с.831].

Основой конструкции БПЛА является рама, выполненная из композиционных материалов, которые обеспечивают требуемую массу изделия.

На раме закреплен ряд комплектующих изделий:

1) полётный контролёр, включающий высотометр, гироскоп, акселерометр, оперативное запоминающее устройство;

2) двигатели и пропеллеры, обеспечивающие устойчивость в полёте;

3) источники электрической энергии (ДВС, аккумулятор).

Создание БПЛА строится на знании физических закономерностей механики, гидроаэродинамики, термодинамики, электромагнетизма, квантовой физики, квантовой оптики, а также наличия творческого и экономического потенциала внутри государства.

Базовые физические принципы необходимы для ряда работ:

1) минимизации размеров БПЛА на основе законов механики, гидродинамики, электродинамики;

2) по разработке конструкции БПЛА, позволявшей нести оборудование, бомбовую нагрузку (при необходимости), топливо. В установлении конструкции учитывается отсутствие физиологических ограничений на перегрузки при выполнении маневров;

3) по установлению времени полета, не ограниченного жизнеобеспечением пилота (от одного часа до нескольких лет) на основе законов механики, электромагнетизма;

4) по снижению требований к надёжности БПЛА, не связанного с прямой угрозой жизни человека, на основе законов механики;

5) по созданию фюзеляжа с хорошей обтекаемостью носовой части. Фюзеляж крупных БПЛА аналогичен самолётам и вертолётам, но в нем отсутствует кабина пилота;

6) по обеспечению простоты топливной системы (солнечные батареи, аккумуляторы, водородные топливные элементы и прочее). ДВС или воздушно-реактивные двигатели, работающие на законах термодинамики и механики, используют с целью увеличения запаса хода;

7) по поддержке хорошей связи и функционирования управляющей аппаратуры при полёте, использующей законы электродинамики;

8) по постановке пассивной и активной защиты;

9) по применению автоматизированных систем;

10) по обеспечению максимума боевой эффективности для ударных БПЛА, использующих законы классической механики.

На учениях «Восток-2022» были представлены отечественные БПЛА: «Иноходец», «Орлан-10», «Форпост», «Ласточка». МО РФ России оснастило БЛА «Орион» легкой многоцелевой управляемой ракетой, действие которой продемонстрировано в ходе специальной военной операции.

В арсенале ВС РФ есть роботы-разведчики и комплексы, способные блокировать диапазоны сотовых сетей условного противника в ближнем радиусе («Элерон-3», «Форпост»). Назначением «Элерон-3» является ведение воздушной фоторазведки объектов. «Форпост» аналогичен израильскому БПЛА IAI Searcher II.

В современной серии БПЛА заложена функция взаимодействия с самолётами и вертолётами:

1) БПЛА даёт целеуказания;

2) возможно осуществление дистанционного управления БПЛА с борта летательного аппарата.

В таблицах 1 и 2 приведены лётно-технические характеристики отечественных БПЛА разного назначения.

В таблице 1 приведены данные лётно-технических характеристик некоторых ударных БПЛА ВКС РФ.

Таблица 1

Лётно-технические характеристики некоторых ударных БПЛА ВКС РФ

Тип	Горизонтальная скорость, км/ч	Время пол ё та, ч	Дальность км	Боевая нагрузка, кг	Источник
Сириус	180	20	1000	300	[4]
Форпост-Р	200	16–18	500	100	[5]
Кронштадт	180	20	1000	300	[6]
XQ-58 Valkyrie	450	-	3941	1000	[6]
Гром	800	-	800	2000	[5, 5]

Как следует из таблицы 1, ударные БПЛА ВКС РФ различаются по величине горизонтальной скорости, расчётного времени и дальности полёта, а также боевой нагрузке. Ряд параметров является засекреченным на сегодняшний момент. Этот тип БПЛА не так развит, как в других странах, так как считалось, что в РФ очень хорошо развита авиация, способная нести управляемые и неуправляемые ракеты с разным типом боеголовок. Однако военная специальная операция показала необходимость БПЛА как важнейшей воздушной компоненты МО РФ.

Таблица 2

Сравнительные характеристики некоторых БПЛА ВКС РФ

БПЛА	Способ старта	Дальность	Назначение
Орлан-10	С катапульты	Средняя	Ведение воздушной оптико-электронной разведки, выдача данных для целеуказания ударным средствам; воздушная радиоразведка, воздушная радиотехническая разведка абонентских терминалов сотовой связи, блокировка сотовой связи стандарта GSM, искажение навигационного поля GPS
Элерон-3	С ручной катапульты	Малая	Ведение воздушной фоторазведки, выдача данных для целеуказания ударным средствам, ретрансляция радиосигнала
Форпост-Р	С ВПП	Малая	Ведение воздушной разведки, выдача данных для целеуказания ударным средствам
Гранат-4	С катапульты	Малая	Ведение воздушной разведки с целью обнаружения станций сотовой связи
Сириус	С катапульты	Средняя	Ведение разведки, нанесение ударов

Как видно из таблицы 2, представленные БПЛА ВКС РФ отличаются назначением, максимальной дальностью полёта, учитывающей расход тепловой или электрической энергии, потенциалом управления движением.

В представленных типах БПЛА указаны два способа старта: с катапульты и ВПП. Первый вариант связан с расчётом баллистических характеристик. Баллистические характеристики — это данные, определяющие закономерности развития процесса выстрела и движения снаряда внутри ствола (масса снаряда, калибр оружия, длина ствола, максимальное давление) или на траектории (начальная скорость, углы бросания, вылета и прочее).

Второй тип старта предполагает наличия ВПП из-за размеров БПЛА.

Таким образом, в работе рассмотрен ряд БПЛА ВКС РФ, принципы действия которых построены на традиционных физических закономерностях. Показано, что каждый аппарат не может функционировать лишь на каком-то одном разделе физики. В работе проведён сравнительный анализ лётно-технических характеристик отечественных БПЛА военного назначения.

Литература:

1. Авиация: Энциклопедия / гл. ред. Г. П. Свищев. М.: Большая Российская энциклопедия. — 1994. — 736 с.
2. Сытин Л. Е. Самое современное оружие и боевая техника. М.: АСТ. — 2017. — 656 с.
3. Турчанов А.М., Никитевич Н.В., Ромушкин А.Ю., Никушкин Н.В. Стартовое устройство запуска свободнолетающих моделей БПЛА// Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2016. — Т.1. — С.831-833.
4. Новые ударные беспилотники «Иноходец-РУ» поступят в войска в 2023 году [Электронный ресурс]. URL: https://rg.ru/2021/08/26/reg-cfo/novye-udarnye-bespilotniki-inohodec-ru-postupiat-v-vojska-v-2023-godu.html
5. Степанов А. «Гром» среди ясного неба. [Электронный ресурс]. URL: https://nvo.ng.ru/armament/2021–09–16/1_1158_thunder.html
6. Гром (БПЛА) [Электронный ресурс]. URL: https//ru. wikipedia.org/iki wiki/Гром (БПЛА)