Еще недавно, воспринимаемые как фантастика, сегодня беспилотные летательные аппараты стремительно завоевали признание и используются повсеместно. Изначально выполняя полностью военный комплекс задач и задачи промышленного шпионажа, сейчас они широко используются и в различных гражданских отраслях. Беспилотники применяется в киноиндустрии, спорте, на телевидении, в доставке, логистике, сельском хозяйстве и т д. Они стали частью нашей жизни.
Что же такое БПЛА простыми словами? БПЛА расшифровывается как беспилотный летательный аппарат. Это воздушные суда, осуществляющие полёт в воздухе без помощи находящихся на борту технических специалистов, управляемые через сеть Интернет или по каналам спутниковой связи, и способные при этом выполнять дополнительные задачи. Они имеют небольшие геометрические размеры. Это снимает ряд ограничений по конструктивному исполнению, траектории и динамике полётов.
Варианты исполнения устройств:
- самолётного типа;
- вертолётного типа (с одним или несколькими роторными механизмами).
Кроме того, выпускаются аппараты гибриды, поочерёдно использующие подъёмную силу крыльев и винтов. БПЛА являются частью беспилотных авиационных систем с наземными рабочими местами операторов, закрытыми каналами радиосвязи (командными линиями) и дополнительным обслуживающим оборудованием.
Принцип работы БПЛА
Различные концепции исполнения изделий позволяют использовать при их производстве высокотехнологичные современные материалы. Архитектура летательных аппаратов базируется на слаженной работе системы аэродинамических элементов (плоскостей или пропеллеров) и силовой установки, которая состоит из одного или нескольких двигателей.
БПЛА классифицируются по следующим показателям:- степень автономности;
- принцип управления;
- характер подачи команд.
В современных летательных аппаратах беспилотного типа используются три технологии запуска – со стартовой катапульты, с рук, с взлётно-посадочной площадки.
Движители потребляют энергию от мощных аккумуляторов, позволяющих находиться в полёте от нескольких минут до нескольких часов. Для удалённого слежения за процессом полёта в режиме реального времени БПЛА оснащаются контроллерами. С их помощью операторы могут управлять работой каждого узла беспилотника в отдельности и в комбинированном режиме.
В контроллерах имеются каналы связи с удалёнными устройствами посредством обмена радиосигналами по открытым или закрытым каналам. Управление осуществляется путём применения двух технологий:
- спутниковая связь с использованием системы глобального позиционирования (GPS, Глонасс, Beidou и пр.);
- беспроводная локальная сеть Wi-Fi.
Недостаток второго варианта заключается в малых расстояниях, на которые БПЛА могут удаляться от операторов. Значительная часть беспилотников применяется в диапазоне частот 2.4 ГГц. Сеть Wi-Fi используется для корректировки положения аппаратов.
БПЛА самостоятельно ориентируются в пространстве благодаря набору датчиков и наличию гироскопов. Они регулируют скорость движения, высоту полёта, степень наклона беспилотников к линии горизонта, частоту оборотов двигателей, параметры взлёта и посадки. Для транслирования локальной информации используются современные высокотехнологичные гаджеты или профессиональные камеры с большой степенью разрешения.
Строение БПЛА
В зависимости от конструктивного исполнения беспилотные летательные аппараты имеют базовый набор составных частей – рама (для монтажа пропеллеров) или фюзеляж (для крепления плоскостей), двигатели или полётные батареи, бортовой комплекс управления режимами полёта, внешние сигнальные устройства, подвесное оборудование. Набор систем: питания, связи, позиционирования.
А теперь – более подробно о некоторых наиболее важных узлах беспилотного летательного аппарата:
Фюзеляж или рама
При проектировании схем БПЛА самолётного типа используются те же принципы и технологии, что и при создании пилотируемых летательных аппаратов. Исключение составляет кабина, которая беспилотнику не нужна – её полностью заменяет комплекс бортовой аппаратуры управления и связи.
Небольшие аппараты с одним или несколькими пропеллерами создаются на раме. Используемые при этом материалы должны обеспечивать идеальный баланс жёсткости и прочности. Общее устройство БПЛА аналогично обычным самолётам и вертолётам полностью отвечает принципу «чем меньше вес – тем больше функционал».
При проектировании корпусных узлов применяются следующие материалы:
- алюминиевые сплавы;
- углепластик;
- стекловолокно;
- композиты;
- пластические массы;
- нержавеющая сталь.
Беспилотники с лёгкими и прочными корпусами способны в течение длительного времени выдерживать значительные физические нагрузки и противостоять вибрации. Качественные материалы позволяют улучшить амортизацию аппарата при выполнении различных полётных манёвров, в процессе сброса полезной нагрузки и при посадке.
Современные промышленные и технологические возможности позволяют производителям выпускать БПЛА, у которых фюзеляж или рама изготавливается с использованием нескольких материалов. Каждый из них формирует параметры одной или нескольких характеристик, в комплексе они обеспечивают оптимальные характеристики беспилотников.
Двигатели и система питания
В беспилотных аппаратах в качестве силовых установок применяются электромоторы. Они позволяют обеспечить широкие функциональные возможности. Типы двигателей для БПЛА:
- коллекторные;
- бесколлекторные (бесщёточные).
Отличительные особенности силовых установок, которые используются при проектировании и строительстве самолётных беспилотников: высокая мощность, динамичность, плавность хода, длительный полётный ресурс. Основные характеристики двигателей: рабочее напряжение, максимальная мощность, число оборотов в минуту, крутящий момент, энергоэффективность, габаритные размеры, собственный вес.
Для обеспечения большого запаса хода БПЛА оснащаются двигателями внутреннего сгорания или реактивными силовыми установками, солнечными батареями или водородно-топливными элементами.
Количество моторов в БПЛА может варьироваться от одного до нескольких единиц. В самолётных аппаратах их, как правило, не более двух. Роторные аппараты имеют двигатели гораздо меньших размеров. Их количество соответствует числу винтов (пропеллеров) на раме.
Бесщёточные силовые установки востребованы в беспилотниках, которые применяются для полётов на высоких скоростях и сложного маневрирования. Коллекторные двигатели устанавливаются на БПЛА, от которых требуется стабильная и качественная запись картинки без тряски. Такие аппараты востребованы в процессе киносъёмок и на спортивных соревнованиях.
Для обеспечения требуемой длительности полёта беспилотники оснащаются дополнительными элементами питания. При конструировании БПЛА чаще всего применяются литий-полимерные батареи (LiPo). Их отличительные особенности:
- небольшой собственный вес и габариты;
- высокая энергетическая плотность и разрядная способность;
Большая ёмкость батарей позволяет использовать беспилотники в полёте длительное время без подзарядки и расширить круг их функциональных задач. Напряжение батареи определяет номинальную силу тока, которую она способна выдавать во время полёта БПЛА.
Винты или пропеллеры
Беспилотники оснащаются лопастными движителями, Винты или пропеллеры БПЛА приводятся в движение моторами и в процессе вращения преобразуют их крутящий момент в силу тяги. Материалы для изготовления лопастей: углепластик, пластмасса, лёгкие цветные сплавы.
Виды винтов:
- Стандартные.
- Толкающие.
- Низкошумные.
Выполняя задачу повышения уровня стабильности полёта и манёвренности беспилотных аппаратов, инженеры оснащают их лопастными узлами различной формы. Пропеллеры БПЛА бывают открытыми и закрытыми (защищёнными). Для снижения риска механических повреждений лопасти закрываются кожухами или оснащаются внешними дугообразными элементами.
Бортовой комплекс управления
Для контроля режимов полёта беспилотные аппараты оснащаются специализированными вычислителями на базе цифровых сигнальных процессоров. В состав более сложных моделей БПЛА входят бортовые компьютеры с операционными системами реального времени. Программное обеспечение пишется на языках высокого уровня.
Основные узлы бортового комплекса:
- полётный контроллер (устройство для выполнения вычислений и приёма решений на основе анализируемой информации от датчиков);
- приёмник – устройство для передачи поступающих сигналов на контроллер, связь между БПЛА и оператором.
Летательные аппараты, осуществляющие движение в полёте без непосредственного участия пилотов, оснащаются специальными устройствами регулировки скорости. Электронные блоки отвечают за частоту вращения роторов, получая сигналы от контроллеров. Параметры регуляторов, которые определяют характер работы и конструкцию БПЛА: поддерживаемое напряжение, максимальный ток, количество каналов получения информации.
Система позиционирования в пространстве и внешние устройства
Навигационный блок – ключевой элемент узла управления. От него во многом зависит, как работает БПЛА. Он отвечает за глобальное позиционирование аппарата в пространстве, правильный курс и выбор режимов полёта, настройку автопилота.
Работа навигационного оборудования основана на использовании двух методов навигации:
- Штурманский (высокий уровень точности при выборе координат цели).
- Распознавания (автономность, большой объём получаемой и отправляемой информации в ходе обмена данными).
Современные беспилотные аппараты построены на принципе синтеза двух узлов – систем ориентации в пространстве и спутниковой навигации. Его основная задача – максимально точное определение угловых и навигационных координат. Комбинированная система оснащается инерциальным модулем определения места в пространстве, магнитным компасом, высотомером, узлом приёма сигналов. Набором температурных датчиков.
ВНИМАНИЕ! В беспилотных летательных аппаратах для хранения информации применяются энергонезависимые блоки памяти.
Алгоритмы обработки информации построены на использовании методов машинного зрения. С целью точного наведения применяются карты рельефа и специализированные оптоэлектронные узлы. Они значительно расширяют набор базовых элементов комплекса и расширяют его функционал.
Системы связи БПЛА обеспечивают постоянный обмен информацией с операторами. В их состав входят радиопередатчики и бортовые сенсоры с высоким уровнем пропускной способности и степенью сжатия данных.
Для проведения фото- и видеосъёмки на БПЛА подвешиваются камеры с высокой степенью разрешения. От вибрации в полёте они защищены подвижными шарнирными механизмами – блоками подвеса. Картинка передаётся по каналам Wi-Fi. Для этого используется технология FPV.
Беспилотный летательный аппарат – современное средство получения и передачи информации, доставки почтовых отправлений, ведения разведки и кинофотосъёмки. Полная автоматизация глобального позиционирования, регулировки скорости и выбора режимов полёта делает его идеальным помощником в организации удалённого доступа.
При этом БПЛА – крайне опасные противники, защита от которых стремительно превращается в самостоятельную научно-техническую дисциплину. Всё большему количество физических и юридических лиц приходится задумываться о том, как защитить свои интересы от беспилотной авиации.
