БПЛА аэростатического типа

БПЛА аэростатического типа (blimps) – это особый класс БПЛА, в котором подъемная сила создается преимущественно за счет архимедовой силы, действующей на баллон, заполненный легким газом (как правило, гелием). Этот класс представлен, в основном, беспилотными дирижаблями.

Дирижабль (от фр. dirigeable – управляемый) – Л А легче воздуха, представляющий собой комбинацию аэростата с движителем (обычно это винт (пропеллер, импеллер) с электрическим двигателем или ДВС) и системы управления ориентацией.

По конструкции дирижабли подразделяются на три основных типа: мягкий, полужёсткий и жёсткий [45].

В дирижаблях мягкого и полужёсткого типа оболочка для несущего газа мягкая, которая приобретает требуемую форму только после закачки в неё несущего газа под определённым давлением. В дирижаблях мягкого типа неизменяемость внешней формы достигается избыточным давлением несущего газа, постоянно поддерживаемым баллонетами – мягкими ёмкостями, расположенными внутри оболочки, в которые нагнетается воздух (рис. 1.59). Баллонеты, кроме того, служат для регулирования подъемной силы и управления углом тангажа (дифференцированная откачка/закачка воздуха в баллонеты приводит к изменению центра тяжести аппарата).

Дирижабли полужёсткого типа отличаются наличием в нижней части оболочки жесткой (в большинстве случаев на всю длину оболочки) фермы. В жёстких дирижаблях неизменяемость внешней формы обеспечивается жестким каркасом, обтянутым тканью, а газ находится внутри жёсткого каркаса в баллонах из газонепроницаемой материи. Жесткие дирижабли в беспилотном исполнении пока практически не применяются.

Рис. 1.59. Система баллонетов

Хорошим примером современного мягкого дирижабля является Skyship 600, разработанный в 1984 г. британской компанией Airship Industries (рис. 1.60). Skyship 600 изготовлен из кевлара и композитных материалов. Большинство построенных дирижаблей Skyship 600 были использованы в рекламных целях [46]. Он может использоваться как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах. В состав оснащения входят бортовые видеокамеры, которые позволяют производить круглосуточный мониторинг территорий. На летних Олимпийских играх 2004 года дирижабль Skyship 600 применялся для видеонаблюдения.

Дирижабль Skyship 600 имеет, как и большинство дирижаблей, традиционную сигарообразную форму. Его основные параметры: длина: 66 м, высота: 22 м; объем оболочки: 7600 м 3 ; крейсерская скорость: 64 км / ч; потолок: 2100 м; дальность полета 644 км; двигатели: 2 х Porsche 930 мощностью по 255 л.с. Положением воздушного корабля можно управлять с помощью баллонетов, поворотных элементов хвостового оперения, а также с помощью двух отклоняемых импеллеров.

Малые мягкие беспилотные дирижабли выпускает множество фирм во всем мире. Они предназначены для управляемых полетов как внутри помещений (таких как выставочные залы, стадионы и т.д.), так и на открытом воздухе.

а

б

в

Рис. 1.60. Дирижабль Skyship 600, разработанный в 1984 г. британской компанией Airship Industries: а – у причальной мачты; б – в полете; в – отклоняемые импеллеры

На рис. 1.61 показан дешевый беспилотный дирижабль фирмы Minizepp (Швейцария). Емкости аккумулятора хватает этому аппарату на 10 часов полета. Его длина составляет 5 м. Дальность полета 300 км, предельная высота 3000 м, максимальная скорость 65 км/ч.

Наиболее типичные применения современных беспилотных дирижаблей – это реклама и видеонаблюдение. Однако в последние годы их все чаще заказывают телекоммуникационные компании для использования в качестве ретрансляторов сигналов. Существуют также проекты постройки дирижаблей очень большой грузоподъемности – 200‑500 тонн [47].

Рис. 1.61. Дирижабль фирмы Minizepp (Швейцария, 2012)

Привлекают внимание новые концепты дирижаблей, имеющие, как правило, нетрадиционные форму оболочки и способ движения. Так, в России успешно испытаны дирижабли, имеющие не сигарообразную, а дисковидную форму. Беспилотные дирижабли линзообразной формы планирует выпускать ОАО "Долгопрудненское конструкторское бюро автоматики" при поддержке "Рособоронэкспорта" и "Ростехнологий". Они будут иметь от 22 до 200 м в диаметре и смогут переносить до нескольких сотен тонн груза. Пока созданы лишь демонстрационные масштабные модели таких дирижаблей. Пример – успешно испытанная модель ДП‑27 "Анюта" (рис. 1.62). Дисковидная форма этого аппарата обеспечивает устойчивость к боковому ветру, простоту управления и высокую маневренность этого многоцелевого беспилотного дирижабля. Диаметр корпуса судна – 17 м с объёмом оболочки – 522 куб. м, грузоподъёмность – 200 кг, максимальная высота подъёма достигает 800 м. С помощью 4 двигателей по 25 л.с. аппарат развивает скорость до 80 км/ч, бензобак объемом 40 л позволяет демонстратору осуществлять полёт на дистанцию 300 км. Данный образец предназначен для проверки конструкционных решений и систем управления, которые впоследствии будут применены на полномасштабном опытном дирижабле [48].

Рис. 1.62. Экспериментальный дирижабль "Анюта" Долгопрудненского конструкторского бюро автоматики (Россия, 2011)

В другой разработке российских дирижаблестроителей (компания "Локомоскай" в сотрудничестве с ульяновским ЗАО "Авиастар‑СП" [47]) основной особенностью является то, что помимо объемов гелия в аппарате присутствует полость, заполняемая подогреваемым воздухом (идея, предложенная К.Э. Циолковским в 90‑х гг. XIX века). Благодаря такой конструкции, позволяющей контролировать подъемную силу, аппарат сможет совершать не только вертикальный взлет, но и зависать в одной точке или садиться на любую ровную площадку – в отличие от классических дирижаблей, которым необходимы специальные мачты для причаливания. Для передвижения аппарата используются электродвигатели (рис. 1.63). Кроме этого, по краям дирижабля планируется расположить небольшие крылья, которые тоже будут создавать некоторую подъемную силу. Дискообразная форма позволяет обеспечить устойчивость под напором ветра (до 20 м/с) при зависании аппарата над определенной точкой. По расчетам, AТЛА (аэростатический термобалластируемый летательный аппарат) "Локомоскайнер" будет способен развивать скорость до 110 километров в час, а максимальная дальность его полета составит 3000 км.

Рис. 1.63. Демонстрационная модель "Локомоскайнера" (Россия, 2010)

Интересны гибридные концепты, в которых объединяются, как правило, аэростатическая и аэродинамическая подъемные силы. Обычные дирижабли иногда обозначают в англоязычных источниках как LTA (Lighter Than Air – легче воздуха). Гибридные аппараты несколько тяжелее воздуха, поэтому обозначаются как НТА (Heavier Than Air). Обычно они представляют собой гибрид дирижабля и самолета. Пример – аппарат Dynalifter DL‑100 американской фирмы Ohio Airships (рис. 1.64). Для взлета и посадки аппарату нужна ВПП, однако это окупается очевидными достоинствами по сравнению с обычными дирижаблями: простота взлета и посадки без необходимости иметь специальные персонал и приспособления, устойчивость к ветровым нагрузкам, в том числе при нахождении на земле. В то же время сохраняется, как у всех дирижаблей, способность летать на очень низких скоростях при малых энергетических затратах [49].

Рис. 1.64. Гибридный аппарат Dynalifter DL‑100 (США, 2012): а – взлет; б – распределение подъемной силы

В России несколько лет назад был разработан гибрид дирижабля, самолета, вертолета, а также судна на воздушной подушке (СВП) (рис. 1.65). Этот уникальный проект Сибирского научно‑ исследовательского института авиации (СибНИИА) и ОАО "Тюменьэкотранс" был назван "БАРС" (Безаэродромный с Аэростатической Разгрузкой Самолет) [50]. Создателям БАРСа удалось в этом аппарате исключить недостатки дирижабля, самолета, вертолета и СВП, но сохранив их положительные качества. Так, например, были исключены такие недостатки: у дирижабля – парусность, необходимость иметь сложную систему обслуживания; у самолета – необходимость иметь аэродром; у вертолета – небольшую дальность и дороговизну перевозок. Применение же элементов СВП и несущего винта вертолета позволило обеспечить безаэродромность базирования и эксплуатацию с любой ровной поверхности (воды, болота, снега, грунта). Сохранение элементов самолета (несущие поверхности) и дирижабля (подъемный газ) позволило получить большую грузоподъемность, дальность и высокую экономичность перевозок. Грузоподъемность аппарата может достигать 500 тонн, крейсерская скорость – до 300 км/ч, а дальность полета составляет 3350‑4500 км.

Рис. 1.65. Макет гибридного аппарата БАРС (Россия, 2012)

Среди серийно производимых беспилотных гибридов на базе дирижаблей стоит выделить интересную разработку итальянской фирмы Nimbus, которая представляет собой своеобразную комбинацию дирижабля и дельтаплана [51] (рис. 1.66). Очевидные достоинства аппарата: легкость, экономичность, способность летать на низких скоростях, бесшумность, простота транспортировки, низкая стоимость (в т.ч. обслуживания). Недостаток – невозможность работы при сильном ветре.

Рис. 1.66. Гибрид дирижабля и дельтаплана компании Nimbus (Италия, 2013)

Одним из самых успешных проектов в области разработки гибридных аппаратов, использующих одновременно аэростатический и аэродинамический принципы создания подъемной силы, является аппарат Р‑791 американской компании Lockheed Martin [52] (рис. 1.67). Он разрабатывается как в пилотируемом, так и в беспилотном вариантах. Первый полёт прототипа этого воздушного судна состоялся в январе 2006 г. Для взлёта аппарату необходима взлётная полоса. В дирижабле Р‑791 решена проблема надёжной посадки дирижабля – для этой цели используются 4 воздушные подушки‑присоски. Аппарат обладает большой грузоподъёмностью – в новых моделях дирижаблей заложена возможность перемещения грузов массой до 1000 тонн (проект "Морж" (Walrus)).

Рис. 1.67. Гибридный аппарат компании Lockheed Martin (США, 2010)