Проект "Создание беспилотного летательного аппарата "Скат""

История создания Беспилотного летательного аппарата (от англ. drone «трутень» - летательный аппарат без экипажа на борту) исчисляется историками авиации с 1903 года, когда братья Уилбер и Орвилл Райт совершили первые полёты на летательном аппарате Wright Flyer 1, оснащённом двигателем внутреннего сгорания. В 1910 году американский конструктор-изобретатель Кеттеринг создал первый в мире беспилотный летательный аппарат уже в военных целях.

Сегодня существует большое разнообразие БПЛА, которые разделяют по типу управления (управляемые автоматически, управляемые оператором с пункта управления, гибридные), назначению (разведывательные, мишени, ударные), по конструкции и множеству других технических параметров. Управление ими может осуществляться эпизодической подачей команд или непрерывно дистанционно.

Международная организация гражданской авиации (ИКАО) определяет использование БПЛА в рамках установленных местных правил использования воздушного пространства, а не международных.

Воздушный кодекс РФ требует обязательной постановки на учёт БПЛА взлётной массой от 0,15 до 30 кг. А для БПЛА весом более 30 кг., помимо регистрации и учёта, необходимо получение сертификата лётной годности аппарата и свидетельства внешнему пилоту. Для сравнения федеральное управление гражданской авиации США требует регистрации БПЛА массой более 0,55 фунта (250 г), а также устанавливает специальный порядок получения разрешений на использование БПЛА массой более 55 фунтов (25 кг).

Актуальность/важность проблемы:

Сегодня, при ведении нашей страной специальной военной операции, вопрос обеспечения армии лёгкими, эффективными и недорогими беспилотниками стал особенно актуальным. Известно, что оператор боевого БПЛА гораздо меньше подвержен рискам, чем пилот боевого самолёта. Кроме того, по оценкам военных экспертов создание беспилотника обходится казне гораздо дешевле. Например, боевые БПЛА верхнего диапазона сложности стоят от 5−6 миллионов долларов, в то время как стоимость пилотируемого истребителя-бомбардировщика F-35 составляет около 100 миллионов долларов. На современном этапе стоит задача создания дронов с неуязвимой системой дистанционного управления, что в условиях войны крайне важно. В целом, беспилотная авиационная система (БПАС) и в обслуживании не требует больших затрат. Она включает в себя: собственно БПЛА (без топлива), пункт управления (аппаратура оператора), систему связи с БПЛА (прямая спутниковая связь), оборудование, необходимое для перевозки или обслуживания летательных аппаратов.

В мирной жизни беспилотники также получили большое распространение и используются человеком в разных областях жизни и экономики страны, поэтому создание новых конструкций БПЛА является делом актуальным своевременным и важным.

Цель проекта - создание 3D модели беспилотного летательного аппарата собственной конструкции в программе «Компас».

Задачи проекта:

-исследовать рынок летательных аппаратов;

-преимущества и недостатки конструкций БПЛА;

-создать новую 3D конструкцию БПЛА «Скат»;

-обосновать экономическую целесообразность БПЛА «Скат».

1. Исследование рынка летательных аппаратов

Ряд важных достоинств БПЛА перед пилотируемой авиацией привёл к более активному развитию этой отрасли. Прежде всего это относительно небольшая стоимость, малые затраты на их эксплуатацию, возможность выполнять манёвры с перегрузками, превышающими физические возможности человека.

По оценкам большинства западных экспертов, США и стран НАТО в будущих войнах и конфликтах XXI века будут делать ставку на применение БПЛА. Гражданские же БПЛА начали лавинообразно набирать популярность ещё в начале 2010 года, а к 2020 году в мирных целях было использовано порядка 550 000 дронов в сумме 12 миллиардов долларов, что составляет 61% от всего рынка продаж БПЛА.

Сегодня Россия имеет скромные достижения в этой отрасли. Впервые организовали доставку грузов дронами за Полярный круг. Создали дрон с ночным зрением для мониторинга нефтегазопроводов. Также разрабатываются системы подавления дронов супер малым весом 150 граммов. Создан новый тип навигации «Щит», почти неуязвимый для перехвата. Запускается производство отечественных электродвигателей для дронов. В Зеленограде создана лаборатория для тестирования беспилотников. Представлен первый российский дрон, который садится на воду. «Сибур» провёл испытание российского дронопорта. Сконструирован, так называемый, «неубиваемый дрон». Появилась система контроля полётов беспилотников. Создана программы подготовки операторов малых дронов. Запускается программа грантовой поддержки разработчиков комплектующих для дронов. Первый в России полигон для беспилотников инвестирует 0,5 миллиардов рублей для развития отрасли.

Краткий анализ развития отрасли по производству БПЛА показывает стремительный рост популярности беспилотников и увеличение сегмента рынка по производству и реализации дронов в различных отраслях экономики мировых государств. Россия же находится в начале своего пути. Сегодня создано около 100 типов беспилотных воздушных судов, что крайне мало для экономики огромной Российской Федерации. Предлагаемый проект станет посильным вкладом в решении данной проблемы.

2. Преимущества и недостатки БПЛА

Для создания наилучшей конструкции БПЛА необходимо провести SWOT анализ сильных, слабых сторон уже существующих летательных аппаратов, их возможности и угрозы.

Критерии анализа	Беспилотные летательные аппараты	Пилотируемые летательные аппараты
Сильные стороны	Отсутствие пилота на борту позволяет делать конструкцию сколь угодно малых размеров. Конструкция может выдерживать огромные перегрузки при выполнении манёвров. Конструкция гораздо дешевле ПЛА. Отсутствие кабины облегчает вес конструкции. Двигатель БПЛА лёгкий, экономичный и обладает большим запасом надёжности для обеспечения многочасового нахождения в воздухе.	Пилотируемая конструкция управляется автоматически и может быть переведена на ручное управление полётом. Нет угрозы электронного перехвата системы управления. Время полёта пилотируемой конструкции может быть увеличена путём её дозаправки (даже в небе). При нештатных условиях пилот всегда может принять нестандартное решение в отличие от дрона.
Слабые стороны	Уязвимая конструкция для перехвата источников управления. Зависимость от погодных условий. Существуют ограничения высоты полёта.	Конструкция не может быть сделана меньше габаритов пилота. Она должна учитывать комфортные условия для нахождения человека на борту. Конструкция должна учитывать физиологические ограничения пилота на перегрузки при выполнении манёвров. Конструкция гораздо дороже БПЛА. Нет возможности использовать разные виды топлива.
Возмож ности	Конструкции менее уязвимы, так как на борту нет человека. Можно организовать беспосадочный полёт конструкции длительностью в несколько лет. В небольших БПЛА могут быть использованы различные виды топлива: литий-полимерные аккумуляторы, солнечные батареи, водородные топливные элементы и т. д., для большего запаса хода двигатели внутреннего сгорания или воздушно-реактивные.	Возможен сверхзвуковой полёт.
Угрозы	При внештатных условиях (удар молнии, неопознанного объекта) конструкция не способна найти разумный выход из проблемной ситуации. Уязвимость каналов связи, риск глушить, подменять и перехватывать любые сигналы.	Зависимость от человеческого фактора (усталость, невнимательность и пр.)

SWOT анализ показал, что для всех видов летательных аппаратов характерны свои сильные стороны с учётом их конструктивных особенностей. Однако возможностей для дальнейшего усовершенствования БПЛА больше. А с учётом сегодняшней военной действительности, беспилотникам требуются более надёжные каналы связи с центром управления на земле.

3. Создание конструкции БПЛА «Скат»

Для выбора базовой модели необходимо изучить разные варианты конструкций пилотируемых и беспилотных летательных аппаратов. Конструктивными особенностями грузовых самолетов являются широкое, высокое поперечное сечение фюзеляжа, высокие крылья, позволяющие расположить грузовой отсек близко к земле, многочисленные колёса и высоко установленное хвостовое оперение.

Беспилотный лёгкий летательный аппарат большой дальности с системой автоматизированного управления, навигационной спутниковой системой и другими системами навигации предназначен для ведения воздушного наблюдения с передачей видеоизображения в режиме реального времени. БПЛА имеет лёгкую конструкцию небольших размеров и малой взлётной массой.

Пока у России нет на вооружении ударных беспилотных летательных аппаратов отечественного производства, но в 2023 году планируется серийный выпуск, находящегося в разработке тяжёлого ударного БПЛА - бомбардировщика «Охотник». В данном проекте предлагается собственная 3D модель военного беспилотника «Скат».

4. Технологическая карта построения БПЛА «Скат» в программе «Компас»

№	Последовательность построения	Изображения	Пояснения построений в программе «Компас»
	Построение основного корпуса		Операция «Поверхность по сети кривых»
	Построение внутренних и внешних закрылок		Операции: «Выдавливание», «Скругление»
	Построение элеронов		Операции: «Выдавливание», «Скругление»
	Построение интеррцептеров (спойлеров)		Операции: «Выдавливание», «Скругление»
	Построение фюзеляжа		Операция «Элементы по сечениям»
	Построение двигателя		Операция «Выдавливание»
	Построение носовой части		Операции: «Элементы по сечениям», «Скругление»
	Построение большого воздухозаборника		Операции: «Вырезание выдавливанием», «Скругление»
	Построение маленького воздухозаборника		Операции: «Выдавливание», «Вырезание выдавливанием», «Скругление»
	Построение сопла		Операции: «Выдавливание», «Вырезание выдавливанием», «Скругление»
	Построение переднего и задних люков		Операции: «Элементы по сечениям», «Выдавливание», «Поверхности по сети кривых», «Скругление»
	Построение переднего шасси		Операции: «Выдавливание», «Элементы по сечениям», «Скругление»
	Построение задних шасси		Операции: «Выдавливание», «Элементы по сечениям», «Скругление»
	Построение отсека для полезной нагрузки (бомбовый отсек)		Операции: «Вырезание выдавливанием», «Элементы по сечениям», «Скругление»
	Построение антенны		Операции: ««Элементы по сечениям», «Скругление»
	Построение камеры		Операции: «Выдавливание», «Скругление»
	Построение электростатических разрядников		Операции: «Выдавливание», «Поверхность по сети кривых»
	Кастомизация (дизайн БПЛА)		Операция «Поверхность по сети кривых»
	Готовый БПЛА

5. Технические характеристики и принцип работы БПЛА «Скат»

Тяжёлый ударный БПЛА, взлётный вес превышает 25 тонн, что ставит его в один ряд с истребителями. Позволяет нести в себе значительно больше средств поражения и контроля над полем боя. Имеет носовой обтекатель, который скрывает под собой мощную радиолокационную станцию. Беспилотник способен нести 2,8 тонн боевой нагрузки. Двигатель сделан на базе двигателя АЛ-41Ф1, установленном на СУ-57, но имеющим ключевое отличие – это отсутствие форсажной камеры, что несколько облегчает и укорачивает двигатель, но лишает самолет возможности быстрого набора скорости и высоты и составляет сегодня 1400км/ч. Тем не менее «Скат» имеет высокую дозвуковую скорость, другие мировые беспилотники такие возможности не имеют. Значит «Скат» может стать «глазами» и даже «руками» находящихся в тени истребителей, не подставляя их под первый удар врага.

Полёт БПЛА управляется с земли и ограничивается заранее выданным полётным заданием и маршрутом. Сигнал применения оружия также приходит с земли. И эта коммуникация является одним из слабых мест всех беспилотников. Средства радиоэлектронной связи противником могут быть нарушены, установлены помехи или вообще дрон может быть перехвачен противником. В моём беспилотнике «Скат» предусмотрено несколько резервных механизмов управления. Например, возврат на аэродром базирования с ориентацией с помощью систем спутниковой навигации, инерциальных систем. Но все это утяжеляет самолет и делает его дороже. Решить проблему перехвата сигналов может только 100% автономность БПЛА. По сути, требуется создать искусственный интеллект, у которого также будет право на использование вооружения.

6. Практическая значимость БПЛА

На сегодняшний день главной практической значимостью БПЛА является использование его при ведение военных операций на поле боя, решая задачи авиаразведки (пока это основное их предназначение), нанесение ударов по наземным и морским целям, перехват воздушных целей, постановка радиопомех, целеуказания и управление огнём, ретрансляция сообщений и данных, доставка грузов подразделениям.

Есть примеры использования дронов – камикадзе. При стоимости менее миллиона долларов они могут уничтожить новейшие танки, ракетные комплексы, средства противовоздушной обороны (ПВО) гораздо большей стоимости и военной значимости. Барражирующие дроны имеют малый размер, тихоходность, изготовлены из композитных материалов, которые затрудняют его обнаружение, но в тоже время не уступают в эффективности поражения военных целей противника.

Мирное применение беспилотных воздушных судов с каждым днём приобретает всё большее значение в народном хозяйстве страны. В сфере логистики и производства проводится инвентаризация складских помещений, доставка грузов. В строительстве планирование и мониторинг строительных работ, определение границ участка, контроль за безопасностью на стройках, инспектирование строений, картографирование. В сельском хозяйстве распыление удобрений и средств защиты растений, получение актуальной и точной информации о площади, рельефе, специфике грунта полей, состоянии растений и почв, инвентаризация сельхозугодий, оценка всхожести и прогнозирование сельскохозяйственных культур. В электроэнергетике проводятся обследования электростанций, линий электропередач и теплотрасс. В нефтегазовом секторе при получении информации из труднодоступных мест, обследования нефтяной инфраструктуры, утечек и нарушений, определение районов аварий, обнаружение несанкционированных работ. Также ведётся экологический мониторинг состояния природных ресурсов, таяния ледников, борьба с браконьерами и незаконными рубками, мониторинг состояния лесов, обнаружение пожаров. В сфере безопасности проводится анализ дорожно-транспортных происшествий, мониторинг крупных правозащитных мероприятий, выслеживание преступников, поисково-спасательные операции, обнаружение чрезвычайных ситуаций.

Одним из ключевых направлений, над которым работает большинство производителей БПЛА и компаний по доставке товаров по всему миру, является доставка дронами еды, медикаментов и других товаров, особенно во время пандемии. Используют беспилотники и в спорте для гонок (дрон-рейсинг) на дистанционно пилотируемых аппаратах (ДПЛА). В 2017 году была представлена первая модель беспилотного летающего такси с пассажирами на борту. С 2021 года беспилотники вертолётного типа используются Почтой России в Чукотском автономном округе. Дальнейшее развитие БПЛА имеет большую перспективу и возможности.

Заключение

Результаты работы над проектом показали, что сегодня существует проблема создания военных беспилотных аппаратов, неуязвимых для противника. В данном проекте было проведено исследование по современному состоянию производства БПЛА, перспективы развития этой отрасли и представлена модель собственной конструкции БПЛА «Скат», выполненная в компьютерной программе «Компас». Кроме того, в проекте был проведён SWOT - анализ выбора базовой модели путём исключения недостатков и использования преимуществ уже имеющихся беспилотных летательных аппаратов. При построении конструкций самолётов были использованы различные виды моделирования. 3D модель грузового самолета была построена способом твердотельного моделирования. При построении 3D модели американского беспилотника «RQ-4 Global Hawk» было использовано моделирование по сети кривых. Для разработки модели собственной конструкции «Скат» были соединены различные операции различных способов моделирования (авторство) в единую конструкцию и разработана технологическая карта последовательности построения беспилотника. Спроектированное БПЛА соответствует всем современным требованиям построения воздушного судна.

Практическая значимость проекта. Более полное и детальное изучение компьютерной программы «Компас» и применение её в решении конкретной конструкторской задачи по разработке и построению современной модели беспилотного летательного аппарата «Скат». (С-современный; К-комплексный; А-авиационный; Т-транспорт). Получение практических навыков анализа различных типов беспилотных аппаратов.

Пчёлки на разведках

Кто самый сильный?

Прощание с летом

Волшебные звуки ноктюрна

Компас своими руками