Поговорим о фюзеляжах для БПЛА самолётного типа и в качестве примера возьмём три фюзеляжных радиоуправляемых модельки.
#учебка
#учебка
1. Типичная схема истребителей середины прошлого века. Нижнеплан с передним расположением винта. Схема не удобна для размещения полезной нагрузки (ПН), а также не стабильна в воздухе. Это хорошо для маневренного истребителя, но плохо для БПЛА.
2. То же самое, но уже верхнеплан. По этой схеме построен наш БПЛА «Орлан-10». Схема значительно более стабильная в полёте за счёт низкого центра тяжести (ЦТ) - весь самолёт висит под крылом. Удобна с точки зрения крепления съёмных крыльев. Удобна для размещения ПН. Но переднее расположение двигателя накладывает ряд ограничений. Первое, это то, что утыкание носом в результате посадки по-самолётному или на парашюте с высокой долей вероятности приведёт к повреждению пропеллера или мотора. Даже если пропеллер складывающийся. Второе, это тепловое и выхлопное загрязнение фюзеляжа и ПН. Как ни отводи выхлопную трубу в сторону, а всё равно весь БПЛА и фототехника будут загажены маслом из выхлопа. Тепло от двигателя (даже электрического) нагревает фюзеляж, причём с градиентом, делая БПЛА намного более заметным в ИК диапазоне для головок самонаведения (ГСН) всевозможных ЗРК и ПЗРК. Градиент нагрева, это разные температуры по длине поверхности нагрева. Дело в том, что длина волны ИК излучения напрямую зависит от температуры тела, а ГСН настроена на определённуюдлину волны. Наличие градиента повышает вероятность попадания какого-то участка или его гармоник в оптимальный диапазон для наведения ГСН.
3. Исходя из описанного выше - оптимальная схема. По подобной построен RQ-11 Raven. Верхнеплан с задним расположением двигателя (тепло тут же размешивается пропеллером) и находящимися в потоке пропеллера плоскостями руля высоты и направления. Это очень важно на этапе запуска, особенно с руки, когда скорости ещё не достаточно чтобы отклоняемые поверхности стали эффективными, а находящиеся в потоке винта поверхности уже работают и позволяют управлять не только тангажом и курсом, но и немного креном, за счёт реакции на руддер. Собственно, Raven и запускался с руки, а это очень важно для носимого БПЛА, дабы не таскать с собой пусковую установку. При посадке на брюхо или на парашюте пропеллер и мотор не могут быть повреждены, т.к. не достают земли.
#учебка
2. То же самое, но уже верхнеплан. По этой схеме построен наш БПЛА «Орлан-10». Схема значительно более стабильная в полёте за счёт низкого центра тяжести (ЦТ) - весь самолёт висит под крылом. Удобна с точки зрения крепления съёмных крыльев. Удобна для размещения ПН. Но переднее расположение двигателя накладывает ряд ограничений. Первое, это то, что утыкание носом в результате посадки по-самолётному или на парашюте с высокой долей вероятности приведёт к повреждению пропеллера или мотора. Даже если пропеллер складывающийся. Второе, это тепловое и выхлопное загрязнение фюзеляжа и ПН. Как ни отводи выхлопную трубу в сторону, а всё равно весь БПЛА и фототехника будут загажены маслом из выхлопа. Тепло от двигателя (даже электрического) нагревает фюзеляж, причём с градиентом, делая БПЛА намного более заметным в ИК диапазоне для головок самонаведения (ГСН) всевозможных ЗРК и ПЗРК. Градиент нагрева, это разные температуры по длине поверхности нагрева. Дело в том, что длина волны ИК излучения напрямую зависит от температуры тела, а ГСН настроена на определённуюдлину волны. Наличие градиента повышает вероятность попадания какого-то участка или его гармоник в оптимальный диапазон для наведения ГСН.
3. Исходя из описанного выше - оптимальная схема. По подобной построен RQ-11 Raven. Верхнеплан с задним расположением двигателя (тепло тут же размешивается пропеллером) и находящимися в потоке пропеллера плоскостями руля высоты и направления. Это очень важно на этапе запуска, особенно с руки, когда скорости ещё не достаточно чтобы отклоняемые поверхности стали эффективными, а находящиеся в потоке винта поверхности уже работают и позволяют управлять не только тангажом и курсом, но и немного креном, за счёт реакции на руддер. Собственно, Raven и запускался с руки, а это очень важно для носимого БПЛА, дабы не таскать с собой пусковую установку. При посадке на брюхо или на парашюте пропеллер и мотор не могут быть повреждены, т.к. не достают земли.
#учебка
Wikipedia
Орлан-10
российский беспилотный летательный аппарат
Прежде всего, это аэродинамически не сильно устойчивая схема. Если верхнеплан летит сам и автопилот ему, в общем то, не нужен, то крылом надо постоянно рулить. Оригинальное крыло, вроде немецкого прародителя Horten Ho IX и его внуков NORTHROP N-9M-B, B-2 Spirit, С-70 «Охотник» и т.п. не имеет вертикального оперения. Управление курсом осуществляется воздушными тормозами на концах крыльев, раскрывающимися V-образно и притормаживающими своё крыло (рис. 1-2). Отсутствие вертикального оперения позволяет снижать площадь профиля ЛА во фронтальной и боковых проекциях, чем снижать ЭПР и дальность обнаружения РЛС. Но вот со стороны брюха площадь крыла огромна и знаменитое сбитие F117 под Буджановцами произошло как раз потому, что его заманили на радар так, что он подставил брюхо. После чего его уже легко обнаружила и сбила древняя советская ракета.
Для большого БПЛА типа С-70 или RQ-170/X-47 низкая лобовая ЭПР очень важна, т.к. и для нужд разведки, и для нужд удара он может зайти на цель всего один раз, потом он либо спетляет, либо будет сбит.
Но если мы говорим про маленький дрон, то обнаружить его на большой дистанции очень сложно, даже если он имеет ЭПР кирпича. Средства поражения крайне редко находятся на одном уровне с ним - его не ищут истребители и он не пикирует на цель. Средства поражения светят ему в днище под большими углми. Далее, в дело включается аэродинамика, которая для больших и массивных объектов не совсем такая же, как для маленьких. Поэтому на всех мелких дронах-крыльях вертикальное оперение есть: Рис. 3-6.
Это я к чему всё. У мелкого крыла всего два преимущества над классическим фюзеляжем: его сложнее сломать и в нём больше полезного объёма. Всё. Ну, больше грузоподъёмность в равном с самолётами габарите. Никакой меньшей заметности, никакого удобства транспортировки (самолёт можно и нужно делать разборным, разборное крыто - такая себе идея), никаких суперспособностей. Из моего опыта, в формфакторе ЛК надо делать небольшие беспилотники, типа украинской фурии (4) или нашего элерона (5). Либо большие ударные дроны типа Герани/шахида. Дальние разведывательные БПЛА, это только верхнепланы с большим удлинением крыла.
#учебка
Для большого БПЛА типа С-70 или RQ-170/X-47 низкая лобовая ЭПР очень важна, т.к. и для нужд разведки, и для нужд удара он может зайти на цель всего один раз, потом он либо спетляет, либо будет сбит.
Но если мы говорим про маленький дрон, то обнаружить его на большой дистанции очень сложно, даже если он имеет ЭПР кирпича. Средства поражения крайне редко находятся на одном уровне с ним - его не ищут истребители и он не пикирует на цель. Средства поражения светят ему в днище под большими углми. Далее, в дело включается аэродинамика, которая для больших и массивных объектов не совсем такая же, как для маленьких. Поэтому на всех мелких дронах-крыльях вертикальное оперение есть: Рис. 3-6.
Это я к чему всё. У мелкого крыла всего два преимущества над классическим фюзеляжем: его сложнее сломать и в нём больше полезного объёма. Всё. Ну, больше грузоподъёмность в равном с самолётами габарите. Никакой меньшей заметности, никакого удобства транспортировки (самолёт можно и нужно делать разборным, разборное крыто - такая себе идея), никаких суперспособностей. Из моего опыта, в формфакторе ЛК надо делать небольшие беспилотники, типа украинской фурии (4) или нашего элерона (5). Либо большие ударные дроны типа Герани/шахида. Дальние разведывательные БПЛА, это только верхнепланы с большим удлинением крыла.
#учебка
Поговорим о материалах, из которых можно делать фюзеляжи малых БПЛА (весом до ≈20 кг).
#учебка
#учебка
Если отбросить экзотику и авиамоделизм, то варианта всего 4.
1. Композиты (рис. 1-2). В общем случае это пропитанная смолой ткань (стекло, базальт или карбон – не важно), выложенная на матрице. Далее, застывшую ткань обрабатывают и получают красивую заготовку как на рис. 2. Разумеется, качественное изделие делают в вакууме – это позволяет дегазировать смолу. Лёгкие фракции просто закипают и выходят из смолы при пониженном давлении, а также выходит воздух изнутри волокон тканей. При возвращении давления смола всасывается в ткань и глубоко её пропитывает.
Важным преимуществом такой технологии является и то, что направлением плетения ткани можно менять механические свойства детали в разных направлениях. В одном направлении делать жёсткой, в другом – упругой. Для крупных БПЛА (более 20 кг) композиты не имеют конкуренции.
2. Сотопласты. В общем случае это лист, составленный из двух тонкий пластин, между которыми тонкой плёнкой выложены соты. На рис. 3 сотопласт производства Южмаша, на рис. 3.1 – производства Казани.
Сотопласт термопрофилируем. То есть, лист укладывается на форму, прогревается воздухом и инфракрасными излучателями, после чего выкладывается по форме с помощью вакуума или иными способами. Технология мало чем отличается от профилирования пластиков. На выходе получаем сложно выгнутую деталь с объёмной структурой. Последняя версия БПЛА Беркутчи делалась из сотопласта.
Сотопласт легче композита, при этом, мало уступает ему по прочности. Но с ростом размера детали падает и её прочность. И если выкладку композита можно менять по площади детали, то с сотопластом такой фокус не пройдёт. Поэтому считаю его применимым для БПЛА массой до 5 кг или чуть больше. Особенно хорошо материал показывает себя на летающих крыльях.
3. 3D печать. Технологии 3D печати развиваются столь стремительно, что тут сложно подвести общий знаменатель. На рис. 4 показано объёмное крыло, напечатанное структурой, напоминающей костную ткань. На рис. 5 цельнопечатанный дрон.
Активно развиваются проводящие составы для 3D печати. Их применение позволяет формировать проводку в объёме печатаемой детали. После печати фюзеляжа останется лишь установить блоки в нужные места и они окажутся соединены между собой без дополнительных усилий. Технологичность просто зашкаливает! Но, увы, пока это всё только разработки и более-менее работает по отдельности.
4. Вспененный полиуретан, оно же EPP, оно же пенорезина. Материал, хорошо знакомый по детским самолётикам на рис. 6. А на рис. 7 уже БПЛА "Персей", изготовленный из EPP. EPP очень гибкий (рис. 8), а внутри, обычно, армируется трубками из карбона или другими лёгкими материалами, для придания жёсткости (рис. 9).
Преимущества этого материала в технологичности – пена задувается в форму, застывает, и на этом всё. В пене можно отливать отсеки для полезной нагрузки (ПН) и она будет окружена пеной. То есть, даже в случае сильного краша, ПН выживет. Пеной можно легко делать сложные аэродинамические профили с большими изгибами или мелкой детализацией, в отличие от сотопластов и даже композитов. Кабельканалы и шахты для вклеивания армировки также делаются на этапе литья, что упрощает сборку. Хорошо отработанный фюзеляж из ЕРР собирается с помощью ножа и клея любым низкоквалифицированным работником.
ЕРР амортизирует удары, поэтому хорошо подходит для БПЛА предназначенных для посадки на брюхо в снег или траву. Также ЕРР плохо протыкается веточками/палочками, в отличие от сотопластов. Подходит для фюзеляжей от 0 до 10 кг.
Минусом пены является невозможность изготовления тонких и прочных стенок. Пена крадёт много объёма, плюс армировку ещё надо куда-то засовывать. Поэтому подходит для классических верхнепланов с несущим ПН фюзеляжем, но не имеющего ничего в крыльях или хвосте.
#учебка
1. Композиты (рис. 1-2). В общем случае это пропитанная смолой ткань (стекло, базальт или карбон – не важно), выложенная на матрице. Далее, застывшую ткань обрабатывают и получают красивую заготовку как на рис. 2. Разумеется, качественное изделие делают в вакууме – это позволяет дегазировать смолу. Лёгкие фракции просто закипают и выходят из смолы при пониженном давлении, а также выходит воздух изнутри волокон тканей. При возвращении давления смола всасывается в ткань и глубоко её пропитывает.
Важным преимуществом такой технологии является и то, что направлением плетения ткани можно менять механические свойства детали в разных направлениях. В одном направлении делать жёсткой, в другом – упругой. Для крупных БПЛА (более 20 кг) композиты не имеют конкуренции.
2. Сотопласты. В общем случае это лист, составленный из двух тонкий пластин, между которыми тонкой плёнкой выложены соты. На рис. 3 сотопласт производства Южмаша, на рис. 3.1 – производства Казани.
Сотопласт термопрофилируем. То есть, лист укладывается на форму, прогревается воздухом и инфракрасными излучателями, после чего выкладывается по форме с помощью вакуума или иными способами. Технология мало чем отличается от профилирования пластиков. На выходе получаем сложно выгнутую деталь с объёмной структурой. Последняя версия БПЛА Беркутчи делалась из сотопласта.
Сотопласт легче композита, при этом, мало уступает ему по прочности. Но с ростом размера детали падает и её прочность. И если выкладку композита можно менять по площади детали, то с сотопластом такой фокус не пройдёт. Поэтому считаю его применимым для БПЛА массой до 5 кг или чуть больше. Особенно хорошо материал показывает себя на летающих крыльях.
3. 3D печать. Технологии 3D печати развиваются столь стремительно, что тут сложно подвести общий знаменатель. На рис. 4 показано объёмное крыло, напечатанное структурой, напоминающей костную ткань. На рис. 5 цельнопечатанный дрон.
Активно развиваются проводящие составы для 3D печати. Их применение позволяет формировать проводку в объёме печатаемой детали. После печати фюзеляжа останется лишь установить блоки в нужные места и они окажутся соединены между собой без дополнительных усилий. Технологичность просто зашкаливает! Но, увы, пока это всё только разработки и более-менее работает по отдельности.
4. Вспененный полиуретан, оно же EPP, оно же пенорезина. Материал, хорошо знакомый по детским самолётикам на рис. 6. А на рис. 7 уже БПЛА "Персей", изготовленный из EPP. EPP очень гибкий (рис. 8), а внутри, обычно, армируется трубками из карбона или другими лёгкими материалами, для придания жёсткости (рис. 9).
Преимущества этого материала в технологичности – пена задувается в форму, застывает, и на этом всё. В пене можно отливать отсеки для полезной нагрузки (ПН) и она будет окружена пеной. То есть, даже в случае сильного краша, ПН выживет. Пеной можно легко делать сложные аэродинамические профили с большими изгибами или мелкой детализацией, в отличие от сотопластов и даже композитов. Кабельканалы и шахты для вклеивания армировки также делаются на этапе литья, что упрощает сборку. Хорошо отработанный фюзеляж из ЕРР собирается с помощью ножа и клея любым низкоквалифицированным работником.
ЕРР амортизирует удары, поэтому хорошо подходит для БПЛА предназначенных для посадки на брюхо в снег или траву. Также ЕРР плохо протыкается веточками/палочками, в отличие от сотопластов. Подходит для фюзеляжей от 0 до 10 кг.
Минусом пены является невозможность изготовления тонких и прочных стенок. Пена крадёт много объёма, плюс армировку ещё надо куда-то засовывать. Поэтому подходит для классических верхнепланов с несущим ПН фюзеляжем, но не имеющего ничего в крыльях или хвосте.
#учебка
Поговорим о гироскопах. #учебка
Гироскоп – это вестибулярный аппарат любого БПЛА. Благодаря гироскопу беспилотник понимает в какой пространственной ориентации он находится.
Классический гироскоп изображён на рис. 1. Это быстро вращающийся диск, помещённый в рамки карданового подвеса. Гироскоп способен сохранять своё первоначальное положение невзирая на перемещения основания. Соответственно, если установить датчики угла в оси подвеса, то мы всегда будем знать угловое положение основания (и того, к чему основание прикручено) относительно первоначальной уставки гироскопа.
Конечно, есть и ложка дёгтя – прецессионный и нутационный уход, сложение рамок и т.п., но мы сейчас не будем усложнять.
В 80х годах технологии дошли до практической реализации вибрационного (или камертонного) гироскопа (рис. 2). В нём ветви вибратора-камертона с помощью специальной электрической схемы приводятся в колебательное движение. Если при этом объект вместе с основанием вибратора поворачивается вокруг оси Z с угловой скоростью Ω, то возникает момент Кориолиса сил инерции, вызывающий крутильные колебания вибратора вокруг оси Z. Что, в свою очередь, приводит к смещению фазы колебаний пропорционально угловой скорости Ω.
Несколько позже, в 2000х годах, технология переродилась в кремнии и ныне известна как MEMS.
Гироскоп – это вестибулярный аппарат любого БПЛА. Благодаря гироскопу беспилотник понимает в какой пространственной ориентации он находится.
Классический гироскоп изображён на рис. 1. Это быстро вращающийся диск, помещённый в рамки карданового подвеса. Гироскоп способен сохранять своё первоначальное положение невзирая на перемещения основания. Соответственно, если установить датчики угла в оси подвеса, то мы всегда будем знать угловое положение основания (и того, к чему основание прикручено) относительно первоначальной уставки гироскопа.
Конечно, есть и ложка дёгтя – прецессионный и нутационный уход, сложение рамок и т.п., но мы сейчас не будем усложнять.
В 80х годах технологии дошли до практической реализации вибрационного (или камертонного) гироскопа (рис. 2). В нём ветви вибратора-камертона с помощью специальной электрической схемы приводятся в колебательное движение. Если при этом объект вместе с основанием вибратора поворачивается вокруг оси Z с угловой скоростью Ω, то возникает момент Кориолиса сил инерции, вызывающий крутильные колебания вибратора вокруг оси Z. Что, в свою очередь, приводит к смещению фазы колебаний пропорционально угловой скорости Ω.
Несколько позже, в 2000х годах, технология переродилась в кремнии и ныне известна как MEMS.
Мне периодически задают вопрос: как управлять фототехникой на БПЛА? Хотя бы зумом? #учебка
На самом деле, существует три способа:
1. Через проводной порт (обычно, USB).
2. Через бесконтактный порт (IrDA, блютуз, вайфай).
3. Через жопу.
С первыми двумя способами всё больмень понятно.
В первом случае мы создаём на стороне автопилота USB хаб и прикидываемся ПК, обмениваясь с фотоаппаратом командами. Протокол можно нагуглить или подсмотреть сниффером.
Во втором случае всё то же самое, но мы реализуем ИК канал, выносим светодиодик на проводке и лепим его напротив фотоприёмника фотоаппарата. Прикидываемся пультом управления.
Блютуз и вайфай точки доступа организуются аналогично.
Наиболее интересен третий случай. Что если фототехника не столь продвинута? Выход есть! Подключиться параллельно кнопкам и имитировать их нажатие. Метод тупой, но эффективный. Особенно, когда тип фототехники меняется на лету.
Отбросим подробности работы кнопок, но имитатор должен быть биполярным, т.к. мы заранее не знаем куда подтянута кнопка, а может там и вовсе матричная клавиатура. А самым простым биполярным коммутатором (после реле) у нас является микросхема К561КТ3, или её буржуйский аналог CD4066 (есть в мелких TSSOP корпусах). Выпускается Белорусским заводом Интеграл до сих пор. Нативно интегрирована в модуль «Штурман» БПЛА «Беркутчи».
Когда-то широко использовалась как коммутатор звуковых трактов в аудиоаппаратуре, потому и биполярная. Сейчас для коммутации звука есть интереснее варианты, а микруха осталась атавизмом эпохи.
Впрочем, это не мешает ей коммутировать кнопки!
Замыкание «контактов» чипа происходит при подаче логической единицы на ногу управления соответствующим ключом, всего имеется 4 ключа в корпусе.
На самом деле, существует три способа:
1. Через проводной порт (обычно, USB).
2. Через бесконтактный порт (IrDA, блютуз, вайфай).
3. Через жопу.
С первыми двумя способами всё больмень понятно.
В первом случае мы создаём на стороне автопилота USB хаб и прикидываемся ПК, обмениваясь с фотоаппаратом командами. Протокол можно нагуглить или подсмотреть сниффером.
Во втором случае всё то же самое, но мы реализуем ИК канал, выносим светодиодик на проводке и лепим его напротив фотоприёмника фотоаппарата. Прикидываемся пультом управления.
Блютуз и вайфай точки доступа организуются аналогично.
Наиболее интересен третий случай. Что если фототехника не столь продвинута? Выход есть! Подключиться параллельно кнопкам и имитировать их нажатие. Метод тупой, но эффективный. Особенно, когда тип фототехники меняется на лету.
Отбросим подробности работы кнопок, но имитатор должен быть биполярным, т.к. мы заранее не знаем куда подтянута кнопка, а может там и вовсе матричная клавиатура. А самым простым биполярным коммутатором (после реле) у нас является микросхема К561КТ3, или её буржуйский аналог CD4066 (есть в мелких TSSOP корпусах). Выпускается Белорусским заводом Интеграл до сих пор. Нативно интегрирована в модуль «Штурман» БПЛА «Беркутчи».
Когда-то широко использовалась как коммутатор звуковых трактов в аудиоаппаратуре, потому и биполярная. Сейчас для коммутации звука есть интереснее варианты, а микруха осталась атавизмом эпохи.
Впрочем, это не мешает ей коммутировать кнопки!
Замыкание «контактов» чипа происходит при подаче логической единицы на ногу управления соответствующим ключом, всего имеется 4 ключа в корпусе.
Поговорим о частотах и об антеннах #учебка
В связи с применением Украинцами FPV камикадзе, в чатах началась истинная инженерная содомия с идеями одна чудесатее другой. К сожалению, люди не понимают принципов распространения радиоволн, а также принципов их приёма и передачи.
Существует общее правило – чем выше частота, тем лучше её отражающие свойства и хуже проникающие. И наоборот. Именно поэтому в радарах применяются гигагерцы, а в дальней радиосвязи – килогерцы. Если на дроне, работающем на 5,8 ГГц вы залетите за ЖБ высотку, вы потеряете связь. Аналогичный БПЛА с 27-40 МГц аппаратурой (есть деды, кто помнит такую?) высотку не почувствует, лишь чуть снизится сигнал.
Поэтому решение, казалось, бы на поверхности – понижаем частоту связи до предела и радуемся.
Но нет.
Есть и обратная сторона медали. Выражается она в ширине полосы диапазона, как стандартизованной правилами, так и предопределённой физикой. На 40 МГц невозможно передавать 40 Мбит HD видео. Вообще никак. Даже для аналогового видео существует некая минимальная частота, в которую можно упихать все строки видеосигнала.
Ещё одно ограничение – физические размеры антенны. Они зависят от типа антенны.
На БПЛА вы, скорее всего, столкнётесь с пятью типами, это: Штырь, Диполь, Патч, Клевер, Яги. Рассмотрим первые три, а две последних описывать мне лень, всё равно вы их купите готовыми и не будете рассчитывать.
В связи с применением Украинцами FPV камикадзе, в чатах началась истинная инженерная содомия с идеями одна чудесатее другой. К сожалению, люди не понимают принципов распространения радиоволн, а также принципов их приёма и передачи.
Существует общее правило – чем выше частота, тем лучше её отражающие свойства и хуже проникающие. И наоборот. Именно поэтому в радарах применяются гигагерцы, а в дальней радиосвязи – килогерцы. Если на дроне, работающем на 5,8 ГГц вы залетите за ЖБ высотку, вы потеряете связь. Аналогичный БПЛА с 27-40 МГц аппаратурой (есть деды, кто помнит такую?) высотку не почувствует, лишь чуть снизится сигнал.
Поэтому решение, казалось, бы на поверхности – понижаем частоту связи до предела и радуемся.
Но нет.
Есть и обратная сторона медали. Выражается она в ширине полосы диапазона, как стандартизованной правилами, так и предопределённой физикой. На 40 МГц невозможно передавать 40 Мбит HD видео. Вообще никак. Даже для аналогового видео существует некая минимальная частота, в которую можно упихать все строки видеосигнала.
Ещё одно ограничение – физические размеры антенны. Они зависят от типа антенны.
На БПЛА вы, скорее всего, столкнётесь с пятью типами, это: Штырь, Диполь, Патч, Клевер, Яги. Рассмотрим первые три, а две последних описывать мне лень, всё равно вы их купите готовыми и не будете рассчитывать.