Безпілотники Національного авіаційного університету: історія і сьогодення

Матийчик Михаил, директор научно- производственного центра 
беспилотной авиации “ВИРАЖ”, к.т.н., доцент 
Национального авиационного университета; г. Киев

В Национальном авиационном университете (НАУ) передовым технологиям всегда уделялось большое внимание. Беспилотные летательные аппараты (БЛА) не являются исключением, о чем свидетельствует успешный запуск в январе 2011года БЛА М-7Д “Небесный патруль” (рис.1).

Рис.1.

Это достаточно большой двухмоторный БЛА, который можно отнести к группе тактических БЛА класса CR (Lпол. – до  30 км;  Tпол. – до 4 часов; m– 150 кг; Нпол – до 3000 м) или класса LADP (Lпол. – более250  км;  Tпол. – около 1 часа; m– 250 кг; Нпол – до 9000 м). В данном случае речь идет о серьезной разработке «беспилотника» – прототипа с возможностью развития его схемы в части увеличения размеров, массы, целевой нагрузки, топлива и т.п.

Однако, было бы несправедливо, со стороны автора, рассматривать разработки “беспилотников” в НАУ только с точки зрения их современного состояния. Каждый понимает, что всегда есть какая-то предыстория…

Начало этого очевидно лежит еще в конце 70-х, когда в Советском Союзе, несмотря на критику относительно качества, на смену “РУМам” и “Стартам” одна за одной появляются “Новопроп” и “Супранар” – пропорциональные аппаратуры радиоуправления, которые дают толчок не очень «богатым», тогда еще только моделистам, наконец приступить к постройке и запускам на практике вожделенных радиоуправляемых моделей самолетов и планеров. Автор прошел этот путь полностью.

Естественно, начало было положено в кружке (1970 год), где всеми правдами и неправдами выпрашивали у директора дискретный “Старт” и тихонько, устанавливая по одной машиночке, учились где – то далеко, в пшенице, пускать “таймерку” с “Ритмом”, сначала с поворотником, потом с элерончиками и т.п. Потом был наш “Пилот”…

Прикладные, то есть полезные человеку, беспилотные самолеты пришли попозже; многое черпалось из работ, опубликованных в “Интеравиа”, гедеэровских, чешских и польских “Моделяжах”, наших “М-К” и “КР” и др. Определенные знания в этом направлении обретали также в личном общении, например, на конференциях и соревнованиях.

В начале 80-х была организована студенческая группа, которую сегодня можно назвать межрегиональной. Скорее это было что–то межвузовское, где принимали участие студенты КИИГА, Тернопольских политеха и общетехнического факультета из “пед”, а также Львовского сельскохозяйственного. Столь непохожие вузы – это поиск ответов на вопросы, которые поставили первые запуски РЛА – радиоуправляемых летательных аппаратов (так мы их тогда называли). Сложности возникали с навигационным обеспечением и с управлением вне зоны видимости, с подготовкой операторов (теперь пилот- оператор или RС – пилот), с точностью выброса полезных веществ за борт самолета и с другими вопросами. Подобная естественная «кооперация» позволяла почти любительскому объединению функционировать и давать какой-то полезный продукт. В частности, с 1981 по 1987 год самостоятельно полетело четверо из группы; было построено до десятка “тренеров” под двигатели от 2,5 до 10 см3. В составе группы в разное время были студенты Матийчик М, Олейник В., Сазанов А., Горбулько Н., Иванов А. и Иванов В., Шамрык А., Бердичевский А., Левчук А и многие другие.

Далее пошли более “тяжелые” самолеты и на момент 1988 года было заложено два образца “прикладных” самолетов М-1 и М-2. Образцы строились почти одновременно под двигатели 10 и 20 смна базе МДС – 10 (рис. 2 и рис. 3).

Рис. 2
Рис. 3

Оба самолета создавались тогда для использования в сельхозпроизводстве, в части внесения трихограммы. М-1 по проекту имел многоканальный выброс трихограммы вдоль размаха, а М-2 – ее выброс из трех точек: одной – из гондолы фюзеляжа и двух, размещенных на концах крыльев. М-1 из-за отсутствия двигателя (должна быть редукторная “спарка” 20 см3) не был достроен и остался в виде демонстрационного образца. М-2 успешно достроили и испытывали вместе с механизмами дозированного выброса трихограммы. На механизмы было получено А.С. СССР № 67516, а самолет впоследствии использовали с научными целыми, в частности при проведении экспериментальной части диссертационного исследования. При выполнении АХР самолет М-2 немного использовался в начале 90-х годов во Львовской области.

Потребность в увеличении массы целевой нагрузки и переход на бензиновые двигатели привел участников группы в начале 90-х к решению о разработке и постройке 4,5 метрового однодвигательного самолета М-3, способного нести целевую нагрузку 30 кг (рис 4. и рис. 4а).

Рис. 4
Рис. 4а.

Самолет имел на тот период современную компоновочную схему (избранную наверное под влиянием “Сойки” и “RQ”), хорошую механизацию крыла и шасси разных типов. Предполагалось несколько его применений, в том числе и на АХР. С этой целью на уровне эскизов была разработана система разбрызгивания химиката при помощи активных (вращающихся) распылителей. Самолет был изготовлен на 60%. Впоследствии самолет М-3 получил собственное название “Кордон”. Интересно отметить, что для М-3 был разработан двигатель воздушного охлаждения 2М-220У из распространенных в СНГ комплектующих к бензопилам “Урал” (рис. 5).

Рис. 5

Двигатель показал хорошую работоспособность, однако, вследствие тяжелого положения в стране в середине 90-х работы по самолету и двигателю были свернуты.

Следует отметить, что работы М-1 и М-2 в то время демонстрировались на нескольких выставках; на одной из них самолеты получили лестную оценку Президента Украины Л.Д Кучмы.

Если взять во внимание размеры БЛА, то, наверное, нельзя не вспомнить проект “01”, который планировалось разработать вначале 80-х для АХР. Он имел размах крыла 5 м.

Рис. 6

Двигателем “01”-го должен был служить переделанный двигатель “Восхода”. Самолет, по сути, должен был собой представлять «летающую емкость» с системой управления, размещенной спереди химбака в обтекателе. Проект не был начат и, как показало время, в сегменте БЛА японцы для АХР стали успешно применять вертолеты. Забегая вперед можно сказать, что UAV-системы, с точки зрения их применений, переживают период становления и потому сказать сегодня, какой носитель (вертолет или самолет) будут применяться на АХР, очень трудно.

Касательно систем управления, то на тот период применяли радиоуправление с элементами автоматики, как то отдельные гироскопы (быстрее акселерометры), усилители выходных каскадов передатчиков и др. Аппаратные средства в начале 90-х были переведены на системы “Конрад”, “Футаба” и “Граупнер”. Интересно отметить, что силовые блоки своей разработки (теперь их называют “пауэр-бокс”) применялись на наших самолетах с середины 80-х, вследствие больших токов, проходящих через основные шины приемников. Решены также были вопросы раздельного питания приемников и рулевых машинок, а также разработано несколько образцов мощных рулевых машинок на базе отечественных комплектующих. Претерпели изменения частотные диапазоны и тип модуляции. На момент начала 90-х с АМ мы перешли на FM, РРМ и РСМ. Также в этот период проводились первые исследования по определению состава бортовой видеосистемы наблюдения.

На срезе столетий деятельность первоначальной группы потихоньку сворачивалась. Сказался тяжкий опыт предыдущих лет и некий научный вакуум, в котором оказались наши разработки. После ряда консультаций и по настоянию проректора по воспитательной работе НАУ Я. Козачка, автор полностью переехал в Киев. Через короткое время, при активном участии проректора по учебной работе Н. Кулика (теперь ректор НАУ) и проректора по научной работе В. Харченко на территории НАУ было организовано первое штатное подразделение по “беспилотникам”.

Идея состояла в том, что поскольку первоначальный период закончен, то теперь необходимо объединить предыдущие наработки с высоким научным потенциалом вуза. Хочется отметить очень быстрое прохождение процесса, что свидетельствовало о высокой внутренней готовности руководства к подобного вида пионерским решениям (и это на общем фоне достаточно сложного положения вещей в авиационной отрасли!).

Из новых проектов, которые тогда отрабатывались, можно выделить самолет М-4, который сыграл определенную роль во “взаимоувязке” науки и практики (рис. 7).

Рис.7.

Он изготовлен по традиционной наборной технологии и оснащен бензиновым двигателем “Моки–75”. По внешнему виду он напоминает любительский легкий самолет. Цель его разработки – популяризация нового направления путем участия в разных авиашоу и использование в качестве «летающей лаборатории». Самолет оснащен 14-ю рулевыми машинками, “пауер-боксом”, четырьмя аккумуляторными батареями, эффективным глушителем, эффективной механизацией и подкрыльевыми узлами навески. При взлетном весе 35 кг, он имеет полезную нагрузку 18 кг. Для самолета были изготовлены подкрыльевые штанги для АХР, которые крепились на штатных узлах. На самолете также отрабатывалась система питания двигателя, состоящая из заправочного двухходового крана, нескольких топливных фильтров, расходного бака и системы трубопроводов. Кроме того, на двигателе использовано несколько датчиков Холла для усовершенствования системы зажигания.

В свое время на самолете М-4 под руководством профессора С. Ищенко устанавливались различные датчики и измерители для исследования нестационарных явлений в аэродинамике.

В связи с этим следует отметить, что многие основатели научных школ НАУ с интересом откликнулись на предложение проректора В. Харченко об объединении результатов работы конструкторов и ученых. В числе первых были уже упомянутый профессор С.Ищенко, профессора Е. Ударцев, А. Туник, Г. Юн, С. Дмитриев и многие другие.

В последующем самолет М-4 часто использовали для демонстрационных полетов на авиасалонах “Авиасвит ХХІ” в 2002-2006 гг. (рис. 8 и рис. 8а; М-4 над аэродромом Святошино).

Рис. 8.

Продолжением работ, связанных с проектом М-2, стало создание в 2004 году самолета М-6 по проекту “Жаворонок” (рис. 9).

Рис. 9.

Самолет М-6 “Жаворонок” (пат. Украины № 34952)имеет небольшие размеры и при максимальном взлетном весе 12 кг отличатся тем, что система выброса трихограммы (пат. Украины №43459) интегрирована в конструкцию (рис. 10).

Рис. 10

Она понадобилась потому, что необходимо было при размахе крыла 1,7 м обеспечить наибольшую ширину захвата. Для этого была использована часть энергии воздушного потока за винтом, которая направляется в специальный крыльевой канал. В этот же канал подается дозированная трихограмма и полученная смесь с большой скоростью выбрасывается в стороны от законцовок крыла. Ширина захвата при этом составляет 3,5 м, а с учетом поискового радиуса самой трихограммы ширина захвата составляет 5,5 м.

Дозирующее устройство (пат. Украины №38142) представляет собой пустотелый двухконусный бункер, который принудительно вращается на оси при помощи регулируемого электропривода (рис. 11).

Рис. 11

Носитель М-6 на практике оказался очень хорошим самолетом. Он уверенно летает и в турбулентной атмосфере, и в ветер 15 м/с. Испытания проходили и в дождь, и во время снежных осадков. Также проведен ряд полетов в зимнее время при температуре воздуха до минус 150С. В летнее время температура воздуха достигала 350С. Общий налет самолета М-6 “Жаворонок”, включая 2011 год, составляет около 100 полетов (из расчета 1 полет – 10 минут).

Компоновочно М-6 “Жаворонок” состоит их 3-х частей, которые легко собираются на поле за 10 минут. Крыло в плане имеет значительную стреловидность, что с точки зрения живучести самолета во время грубой посадки является его большим преимуществом. Кроме того, живучесть самолета повышается за счет применения хвостового оперения “V”- образного типа. На самолете применяются двигатели от 2 до 4 л.с.

Самолет оснащен велосипедным шасси и стартует «с руки» или со специального лафета – катапультного устройства КП-1, которое разрабатывалось как мобильное средство разгона “беспилотников” с весом до 30 кг (рис. 12).

Рис. 12.

КП-1 имеет движущуюся каретку, которая подгоняется с помощью известного количества резинових жгутов. Сверху каретки смонтирован механизм удержания и расстопорения самолета. Торможение каретки в конце пробега производится с помощью упругого демпфера. Следует отметить, что методы и способы разгона каретки могут быть самыми разнообразными, и потому разработчики НАУ сегодня, используя направляющую часть от КП-1, работают над другими устройствами катапультного разгона БЛА.

Время диктовало новые требования к применению самолета М-6 “Жаворонок”. Поэтому в течении 2007-2009 годов самолет получил еще несколько “профессий”.

Прежде всего, посередине фюзеляжа появились “щеки”, за которыми находился цифровой фотоаппарат на поворотной платформе. Платформа подворачивалась сервоприводом на угол сноса, что позволяло исключить “елочку” во время аэрофотографирования в больших масштабах. Кроме того, для передачи изображения в реальном времени была применена цветная видеокамера с собственным передатчиком и антенной в обтекателе.

Еще одна профессия самолета – дистанционные исследования всхожести сахарной свеклы с одновременным формированием карты распределения интенсивности всходов. Для этой цели использовали наземный пункт управления (НПУ), который помогал в самолетовождении, сборе и обработке полученной информации (рис. 13).

Сегодня можно считать, что проект “Жаворонок” обеспечен хорошим носителем М-6 с соответствующими характеристиками, которые обещают получение дальности на маршруте до 500 км (1 кг целевой нагрузки) или перевозку 7 кг груза при маршрутной дальности 150 км. В НАУ идет подготовка к мелкосерийному выпуску самолета (рис. 14).

Рис. 13

Следует отметить, что в проверке аэродинамических характеристик самолета М-6 активное участие принимала группа под руководством профессора А. Туника. Навигационное обеспечение и авионику на самолет готовила группа под руководством В. Кондратюка (научный руководитель – профессор В. Харченко). Технико-экономические обоснования применения БЛА М-6 выполняла группа под руководством профессора Г. Юна. Кроме того, вопросы применения БЛА М-6 на аэрофотосъемке рассматривала сотрудница НАУ Т. Лаврик, а вопросы применения самолета на АХР – н.с. А. Рыбальченко.

Рис.14.

Проблема повышения надежности полетов БЛА вплотную затрагивает основы его компоновки. Нелишне напомнить, что два двигателя с этой точки зрения, всегда лучше, чем один. В этой связи, в 2005 году руководству НАУ был предложен проект “Небесный патруль”, который имел целью получение двухмоторного маршрутного БЛА со стартовой массой около 100 кг. Среди компоновочных схем рассматривались самые разнообразные, в том числе и “тандемная”, как у “Хантера”. Однако выбор был сделан в пользу неожиданной – тандемной, асимметричной (рис. 15).

Рис. 15.

По мнению разработчиков, она должна была позволить получить низкий уровень влияния передней силовой установки на дорогую целевую нагрузку, которая размещается, как правило, в гондоле. Самолет получил название М-7 “Небесный патруль” (пат Украины № 33977). Его постройкой в НАУ занимались в течении 2006-2007 гг. Компенсация вредных моментов от размещения двигателей выполняется соответствующим “выкашиванием” последних. Самолет неоднократно демонстрировался на авиасалонах в 2008-2010 гг. На нем были отработаны технология получения композитных выклеек, некоторые способы и приемы получения технологических разъемов и многое другое. Подъем самолета совершен в 2008 году (рис. 16 и рис. 17).

Рис. 16
Рис. 17

Первые испытания показали, что разработанная компоновка, имея много преимуществ, не позволяет получить высокие характеристики на взлете, из-за практически отсутствующего обдува центроплана крыла потоком от силовых установок. Кроме того, мощность имеющихся двигателей была также недостаточной. Потому, несмотря на преимущества первичной компоновки в крейсерском полете (почти “чистое” крыло), в 2009 году компоновка была изменена на традиционную – двигатели с тянущими винтами на центроплане крыла. Самолет получил индекс М-7Д “Небесный патруль” (рис. 18).

Рис. 18

На самолете установлены два двигателя по 15 л.с. и стартовый вес доведен до 150 кг. Запас топлива в 20 л позволяет ему на крейсерском режиме преодолеть расстояние около 800 км на скорости 190 км/ч. Увеличенные размах крыла и площадь, хорошая механизация (щелевой закрылок), щелевой флаперон позволяют ему уверенно стартовать в самолетном режима даже с “тяжелой” и короткой ВПП. На испытаниях 2010 года в зимних условиях (температура воздуха была около минус 100С, а снежный плотный покров – около 10 см.) самолет при стартовой массе 80 кг пробежал до отрыва 17 м (закрылок на -200). Расчетная длина разбега полностью снаряженного самолета около 38 м. Целевая нагрузка самолета составляет 50 кг. В процессе разработки находится автопилот (на основе интегрированных СНС/БИНС), элементы бортовой дублированной электросети, наземные устройства и многое другое.

Завершающим этапом по проекту “Небесный патруль” было окончание в начале 2011 года работ над комплектом документации для создания самолета М-7В5 со стартовой массой 200 кг (рис. 19).

Рис. 19

Самолет рассчитан на полеты с перегрузками до 4 единиц на маршрутное расстояние около 1500 км. В зависимости от варианта целевой нагрузки (20-70 кг) указанное расстояние может изменяться в пределах 1200-2700 км при продолжительности полета 7-15 часов. На самолете будут использованы два двигателя общей мощностью 50 л.с. Отличительными особенностями М-7В5 являются модульность конструкции, “Н” – образное хвостовое оперение, облегчение перевода из транспортного положения в рабочее и более совершенные жизненно-важные системы. В частности, будет применена БПС – баллистическая парашютная система. Как и в предыдущем варианте (М-7Д), М-7В5 будет владеть высокими взлетно-посадочными характеристиками. Расчетный разбег полностью снаряженного самолета составляет около 75 м. Крыло самолета для этой цели оснащено большим щелевым выдвижным закрылком и щелевыми флаперонами.

Несколько слов о прототипах наших БЛА. Известно, что авиационная техника проходит довольно сложный процесс от первых эскизов до серийного выпуска. На этапе проверки правильности принятых компоновочных решений полезно иметь относительно простой инструмент для испытаний. Таким инструментом в НАУ являются радиоуправляемые прототипы (РП), которые внешне сильно напоминают авиамодели. В связи с этим можно привести примеры РП, которые помогали осваивать на практике компоновки с прямым и обратным хвостовым оперением “V” – образного типа (рис. 20 и рис. 21).

Рис. 20
Рис. 21.

Интересно отметить, что по уже названному проекту М-7 “Небесный патруль” в эскизах существовал вариант М-7А (пат. Украины № 40288) с обратным хвостовым оперением “V”-образного типа и двумя силовыми установками с винто-кольцевыми движителями (рис. 22).

Рис. 22.

Организационно на сегодняшний день “беспилотники” НАУ находятся в научно-производственном центре беспилотной авиации “ВИРАЖ (НПЦБА “ВИРАЖ”). Он создан в 2010 году, путем реорганизации созданного в 2007 году научно- учебного центра беспилотной авиации. Следует отметить, что активное участие в организации НПЦБА “ВИРАЖ” принимал Народный депутат Украины, первый проректор Национального авиационного университета М. Луцкий.

НПЦБА “ВИРАЖ” владеет современным композитным производством, рассчитанным на мелкосерийный выпуск БЛА и их комплектующих. Однако самое важное в “ВИРАЖе”, это коллектив молодых ученых, инженеров и техников, средний возраст которых составляет около 25 лет (рис. 22).

Большинство из них – люди, влюбленные в авиацию. Очень хочется отметить талантливые конструкторские работы А. Рыбальченко, М. Макарчука, К. Кривенка, Е. Дорошенко и А. Сытника. На производстве хорошо себя зарекомендовали С. Алексеенко, А. Плахотнюк и другие. Не отстают от мужчин и девушки. Так медиаподдержку наших проектов успешно ведет И. Качало, а деловодство находится в надежных руках А. Демченко.

Рис. 23

Проектирование ведется с помощью современных средств – “Компас”, “AutoCad”, “Solid Worcs” и др. При необходимости “ВИРАЖ” пользуется услугами аэродинамического комплекса (трубы ТАД-2 и УТАД-2) а также барокамеры с соответствующим научно-методическим обеспечением.

Поскольку предполагается регулярное использование наших БЛА в воздушном пространстве Украины, то с этой целью готовятся соответствующие сертификационные документы. При разработке жизненно-важных систем БЛА к работе подключаются специалисты и ученые соответствующих кафедр НАУ, среди которых ведущую роль занимает кафедра аэронавигационных систем под руководством Харченко Владимира Петровича, доктора технических наук, профессора, Заслуженного деятеля науки и техники Украины, лауреата Государственной премии Украины в области науки и техники. (Ссылка на статью).

В технологическом плане наши самолеты – это практически полностью композитные изделия. НПЦБА “ВИРАЖ” ориентируется на выпуск полноценного продукта, в практически замкнутом цикле с последующей сервисной поддержкой и подготовкой персонала.

В заключение хочется сказать, что в ближайших планах “ВИРАЖа” – разработка носителя с электрической силовой установкой, а также носителя, рассчитанного на 200-250 кг целевой загрузки и другие интересные и полезные нашей стране “беспилотники”.