В 2024 году мы начали посещать центр БАС (беспилотные авиационные системы), который открылся в нашем лицее. Изучая строение дронов и осваивая технологию полетов, у нас появилась интересная идея, как усовершенствовать летательный аппарат и улучшить его характеристики. За основу нашей инженерной разработки мы решили взять создание и оптимизацию пульсирующего воздушно-реактивного двигателя (ПуВРД).

Сегодня к беспилотным летательным аппаратам относятся не только привычные квадрокоптеры, но также системы самолетного типа и конвертопланы. Все они оснащены двигателями различного типа: электрическими, внутреннего сгорания, реактивными.

В первую очередь необходимо учесть, что применение пульсирующих воздушно-реактивных двигателей (ПуВРД) в беспилотных авиационных системах требует создания эффективных топливных систем, обеспечивающих стабильную работу двигателя в различных режимах. Простота и дешевизна изготовления, доступность компонентов как самой установки, так и топлива, низкий уровень взрыво- и пожароопасности при эксплуатации за счет использования сжатого воздуха являются конкурентными преимуществами при создании БВС с подобной установкой.

Учитывая тот факт, что большинство реактивных двигателей на данный момент имеют зарубежное происхождение, целью нашего проекта стало создание беспилотного воздушного судна (БВС) промышленного класса из дешевых и надёжных отечественных комплектующих.

Для достижения поставленной цели нам необходимо было выполнить следующие задачи:

— провести анализ существующих решений в области создания БВС с ПуВРД;

— разработать концепцию и техническую документацию на БВС с ПуВРД;

— изготовить ПуВРД согласно техническому заданию;

— провести дефектоскопические испытания собранного образца ПуВРД;

— провести огневые стендовые испытания двигателя.

Идея сборки ПуВРД принадлежала руководителюЦентра аэрокосмического научно-технического творчества и инноваций «Реактивная лаборатория» Дмитрию Казакову. Занятия в лаборатории под руководством Дмитрия Сергеевича помогают нам и другим ребятам, увлеченным научно-техническим творчеством, реализовать свои проекты. Как правило, это работы в области беспилотных систем, двигателестроения, экспериментальной аэродинамики, стратосферных запусков и другого инженерно-технического творчества. Одним из направлений организации является разработка и производство пульсирующих воздушно-реактивных двигателей.

При реализации нашего проекта необходимо было принять во внимание целый ряд условий эксплуатации БВС.

Планировалось, что беспилотник должен работать на открытой местности с различным рельефом. Требуемая дальность полёта до 300 км со скоростью перемещения не менее 500 км/ч. Требуемая высота полёта от 100 метров до 5 километров, в зависимости от поставленной задачи. БВС должно иметь возможность совершать сложные по конфигурации маршруты с изменением направления движения и изменением высоты, иметь возможность управления с помощью программы. БВС должно быть максимально устойчиво к погодным изменениям, чтобы в экстремальных условиях выполнять поставленные задачи.

Так как любая авиационная система строится вокруг силовой установки, мы начали поиск оптимального двигателя для решения нашей задачи. Простым, дешевым и надежным является пульсирующий воздушно-реактивный двигатель, который использовался еще во времена Второй мировой войны и показал свою эффективность при установке на крылатые ракеты ФАУ-1. Производство других типов двигателей (таких как ТРД или РДТТ), способных обеспечить аналогичные характеристики, обходятся на порядок дороже по сравнению с ПуВРД. Наличие тепловой сигнатуры, высокая скорость полета и низкая стоимость производства делают БАС с ПуВРД оптимальными для применения в различных сферах.

За основу мы взяли БПЛА Scitor, который относится к серии беспилотников с внешними двигателями, установленными сверху. Такая конфигурация выбрана для обеспечения простоты транспортных средств и минимизации затрат на разработку и производство.

Выполнив тщательный анализ всех типов ПуВРД, было выявлено, что наиболее подходящим является бесклапанный двигатель конструкции Локвуда-Хиллера, т. к. в его конструкции отсутствуют подвижные части и он имеет наиболее простую геометрию (см. рис. 1).

Рис. 1. Бесклапанный двигатель конструкции Локвуда-Хиллера

Проанализировав достоинства и недостатки каждого из видов топлива, нами было принято решение об использовании керосина в прототипе в качестве основного компонента топлива. При запуске двигателя ввиду нестабильности горения керосина было принято решение кратковременно впрыскивать пропан в камеру сгорания через отдельную форсунку, после чего переводить двигатель на основной вид топлива (керосин).

Проведя оценку качества каждой системы, оценив сложность ее изготовления и стоимость, мы сделали выбор в пользу вытеснительной системы подачи топлива. В качестве газа-вытеснителя будет использоваться сжатый атмосферный воздух.

Базой для нашей разработки стал БПЛА Scitor, который построен по нормальной аэродинамической схеме. Он имеет удлиненный фюзеляж переменного сечения с внутренними отсеками для полезной нагрузки, оборудования и жидкого топлива. Пульсирующий двигатель размещен над фюзеляжем с помощью удерживающих устройств. Используется слабостреловидное крыло. Хвостовое оперение выполнено в Н-образной форме и не мешает работе двигателя (см. рис. 2).

Рис. 2. 3D-модель БПЛА Scitor

В качестве основного материала для изготовления двигателя нами была выбрана сталь 08КП, поскольку она обладает хорошей свариваемостью и отлично поддаётся вальцеванию. Всю работу по изготовлению корпуса двигателя мы разделили на несколько этапов:

1. С помощью инструментов (угольника, линейки, циркуля и маркера) чертежи заготовок перенесли на лист металла.
2. Начерченные заготовки вырезали при помощи ножниц по металлу.
3. Зачистили кромки металла от острых заусенцев при помощи напильника.
4. Прокатали заготовки на вальцах для придания им нужной, округлой формы.
5. Используя сварочный аппарат, проварили швы на каждой детали.
6. Произвели сборку двигателя посредством соединения деталей между собой с помощью сварки (см. рис. 3).

Рис. 3. Общий вид двигателя

Для окончательной сборки двигателя нам понадобились следующие комплектующие: корпус ПуВРД, форсунка, обратный клапан подачи топлива, кран регулирования подачи топлива, редуктор пропановый, баллон пропановый композитный, система пневмопуска воздухом высокого давления.

Испытания собранного образца ПуВРД были проведены на территории реактивной лаборатории. Запуск БПЛА с изготовленным двигателем проходил на специальном полигоне.

В январе 2025 года мы представили нашу разработку на Всероссийском конкурсе «Инженерные кадры России» (ИКаР) в номинации «Взаимодействие с предприятием» и заняли 1 место.

В ходе реализации нашего проекта мы научились работать с металлом: резать, варить, вальцевать. Нам очень пригодились знания, которые мы как обучающиеся инженерного класса получили на дополнительных занятиях по физике, информатике и химии. Итогом нашей работы стала полностью рабочая версия ПуВРД, готовая для решения поставленных задач, и победа во Всероссийском конкурсе «Инженерные кадры России» (ИКаР).

Литература:

1. Pulse-jets.com [Электронный ресурс]. — Режим доступа: https://pulse-jets.com/ (дата обращения: 15.02.2025).
2. Сайфетдинов, Р. Рабочий процесс пульсирующих воздушно-реактивных двигателей / Р. Сайфетдинов. — Saarbrücken: LAP Lambert Academic Publishing, 2011. — 127 с.