СХЕМА ШАССИ ДЛЯ ЛЕГКОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ

Уразбахтин Р.Р.¹, Вавилов В.Е.²

¹Студент, Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет, ²Старший преподаватель кафедры Электромеханики, Уфимский государственный авиационный технический университет

СХЕМА ШАССИ ДЛЯ ЛЕГКОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА СОЛНЕЧНЫХ БАТАРЕЯХ

Аннотация

В статье приведена схема шасси для многофюзеляжного легкого беспилотного летательного аппарата и проведены расчеты нагрузки, которая будет приходиться на шасси при посадке. Также статья содержит описание предлагаемых авторами компонентов шасси, таких как амортизаторы, колеса, устройства по выпуску и складыванию стоек шасси. Схема шасси разрабатывалась так, чтобы ее вес был минимален, а надежность максимальна. Расчеты прочности шасси проводились при условии, что беспилотный летательный аппарат не будет использоваться для полетов на северных широтах. Отличительными особенностями предлагаемой схемы шасси являются отсутствие отдельных приводов выпуска и складывания стоек шасси и отсутствие системы торможения, устанавливаемой на стойки шасси. Приводится расчет параметров, которым должны соответствовать компоненты шасси для того, чтобы вся система эффективно функционировала.

Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат на солнечных батареях, шасси, амортизаторы, стойки шасси, система складывания и выпуска стоек шасси.

Urazbakhtin R.R.¹, Vavilov V.E.²

¹Student, Ufa State Aviation Technical University, ²Senior lecturer of the department of electrical engineering, Ufa State Aviation Technical University

THE PATTERN OF THE LANDING GEAR FOR UNMANNED AERIAL VEHICLE WORKING ON THE SOLLAR CELLS

Abstract

This article shows a pattern of the landing gear for lightweight unmanned aircraft with several fuselages and carried out some load calculations, which will be in landing gear during landing. Also the article contains a review of all landing gear components such as shock absorbers, wheels, systems of folding and release for landing gear. A pattern of the landing gear is designed so that it’s weight was minimal, and reliability is maximum. Strength analysis of the landing gear was conducted under the condition that the unmanned aerial vehicle will not be used for flying in the Northern latitudes. Distinctive features of the proposed pattern of the landing gear is the lack of separate drives for release and folding landing gear and no braking system installed on the landing gear. Parameters, which must match the landing gear components to ensure that the entire system functioned in practice, were calculated in this article.

Keywords: unmanned aerial vehicle working on the solar cells, landing gear, shock absorbers, landing gear, systems of folding and release for landing gears.

На сегодняшний день в мире актуальна проблема создания беспилотного летательного аппарата (БПЛА) для военных и телекоммуникационных нужд. Этот самолет должен быть неуловимым для радаров других государств, а также должна существовать возможность его использования в качестве ретранслятора сигнала. Примером такой техники служит БПЛА на солнечных батареях, разработанный компанией «Тайбер» [4]. Его двигатели электрические, поэтому от них практически нет теплового излучения. На данном этапе разработок этот БПЛА имеет ряд недостатков, основной из которых – невозможность автономной посадки. Поэтому весьма актуальной проблемой является разработка шасси для БПЛА подобного типа.

У существующего образца БПЛА «Сова» размах крыльев 9,5 метров, масса 11,8 килограмм и скорость полета около 9 метров в секунду [4]. Установка системы посадки, безусловно, влечет за собой увеличение массы подобного БПЛА «Сова» летательного аппарата, поэтому масса БПЛА с установленной системой шасси примем равной 25 кг, размах крыльев и скорость полета будем считать не изменившимися (потому что поднять большую массу БПЛА может за счет увеличения мощности двигателей, что осуществимо на данном этапе развития технологий). Также будем считать, что БПЛА производит посадку не на северных широтах, ведь существующие экземпляры БПЛА не способны функционировать на широтах, близких к полюсам.

Рис.1 - Схема строения амортизатора:

1 – резиновые пластины; 2 – металлические пластины; 3 – направляющая (между пунктирными линиями, проходящими около центра детали)

Самолет имеет малую массу, поэтому шасси должно быть максимально легким. Также ясно, что нагрузка на амортизаторы БПЛА при посадке будет небольшой в связи с малой массой беспилотного летательного аппарата, поэтому предлагается использовать «резиновые амортизаторы» [2]. Устроены они по следующей схеме: резиновый столбик разрезается на несколько равных по толщине пластин, между ними прокладываются металлические пластины и через эту конструкцию пропускается металлический стержень (направляющая). Такая конструкция будет соответствовать заданным параметрам. Разрезание резинового столба, вставка пластин и установка направляющей производится для того, чтобы избежать изгиба амортизатора относительно вертикальной оси. Поверх резинового амортизатора необходимо установить обтекатель для придания этой детали меньшего коэффициента сопротивления воздуху, а также для защиты механизма от воздействия солнечных лучей. Схема амортизатора представлена на рис.1.

Рис.2 - Вид предлагаемого шасси сбоку:

1 – крыло; 2 – фюзеляж; 3 – стойка шасси и задний подкос; 4 – «костыль»

Стойки шасси предлагается расположить на правом и левом крайних фюзеляжах в месте пересечения крыла и фюзеляжей (рис. 2). В хвостовой части среднего фюзеляжа возможна установка костыля. Такая схема шасси позволяет производить безопасную для бортового оборудования посадку. Эта система обладает высокой надежностью и имеет небольшой вес. Небольшая масса системы посадки достигается также из-за ненадобности установки тормозной системы, ведь торможение БПЛА будет происходить за счет трения костыля о взлетно-посадочную полосу. Вид шасси сбоку представлен на рис.2.

Рис.3 - Вид стойки шасси спереди:

1 – амортизатор; 2 – пневматик; 3 – боковые подкосы

Стойки шасси предлагается построить по следующей схеме: от фюзеляжа к амортизатору крепятся три подкоса (со стороны левого крыла, со стороны правого крыла и со стороны хвоста), в удаленной от фюзеляжа части стойки на вилке крепится пневматик (шина с камерой или просто шина, что сейчас используется чаще). Такая схема стойки устойчива к возможным при посадке боковому и переднему ударам. Убирание стойки шасси происходит в плоскости полета в фюзеляж, так как крылья у БПЛА сильно изгибаются (невозможно убрать шасси в крылья, не изменив конструкцию крыла). Складывание шасси происходит в сторону хвостовой части фюзеляжа. Вид стойки шасси спереди представлен на рис.3.

Рис.4 - Вид сбоку в разрезе системы складывания/выпуска шасси:

1 – катушка для складывания; 2 – катушка для выпуска; 3 – трос для складывания; 4 – трос для выпуска; 5 – электродвигатель, вращающий винт; 6 – задний подкос; 7 – амортизатор; 8 – неподвижные блоки

Чтобы шасси складывалось и выпускалось можно использовать электродвигатели, вращающие винты, ведь время выполнения этих процессов при посадке БПЛА мало. Система работает следующим образом: при выпуске шасси двигатель используется для сматывания троса механизма выпуска, а при складывании – для сматывания троса механизма складывания. Привод складывания выполнен по следующей схеме: к заднему подкосу стойки шасси крепится трос, который тянет этот подкос в сторону хвостовой части фюзеляжа; нужное расположение троса и перенаправление сил натяжения достигается за счет установки системы из двух неподвижных блоков; также требуется установка катушки, на которую наматывается трос. Для привода выпуска предлагается следующее решение: к ближнему к фюзеляжу концу амортизатора крепится трос. За этот трос соответствующий конец амортизатора «вытягивается» в сторону носовой части фюзеляжа (в сторону нахождения винтов). Трос с амортизатором соединен напрямую. Требуется установка катушки для сматывания/разматывания троса. Вид сбоку в разрезе системы складывания/выпуска шасси представлен на рис.4.

Стойка шасси убирается следующим образом: сначала высвобождается верхний (близкий к фюзеляжу) конец заднего подкоса, потом, за счет создаваемой электродвигателем силы, он «подтягивается» к хвостовой части БПЛА и тянет за собой стойку шасси.

Согласно рассматриваемым размерам БПЛА, стойки шасси располагаются на расстоянии около 6 метров друг от друга. Тогда расстояние от стойки шасси до ближайшего конца крыла составляет 1,75 метра, что невелико по сравнению с общей длиной крыльев. Это значит, что нет необходимости при посадке загибать крылья так, чтобы их края находились выше уровня фюзеляжей относительно земли.

Для того чтобы подобрать подходящие компоненты системы взлета и посадки, возникает необходимость вычислить нагрузку, которая будет приходиться на стойки шасси и костыль при посадке. Как было сказано ранее, общая масса самолета принимается равной 25 кг, посадочная скорость - 9 м/с. Для расчетов также используются следующие параметры: спереди от крыльев находится приблизительно 1/3 длины фюзеляжа, за крылом - 2/3 длины фюзеляжа. «Костыль» располагается на расстоянии 2/3 от длины части фюзеляжа, находящейся за крыльями, в хвостовой части фюзеляжа. Так как общая длина фюзеляжа составляет 1,554 м, то расстояние от крыльев до «костыля» составляет 0,7 м. Так как масса самолета 25 кг, а посадочная скорость 9 м/с, то рассчитать работу, приходящуюся на стойки шасси, можно по формуле [3]:

                                                      (1)

где: A - работа, которую должно поглотить шасси при касании БПЛА с землей при посадке; G - полная масса БПЛА при посадке.

Если подставить значение, получится, что 

Рассчитываем, какая работа придется на амортизаторы шасси, а какая на пневматики:

                                                   (2)

где: A - работа, которую должно поглотить шасси при касании БПЛА с землей при посадке;  - работа, которую должны поглотить пневматики при посадке;  - работа, которую должны поглотить амортизаторы при посадке.

Если подставить значения величин получится, что: 

                                                   (3)

где:  - работа, которую должно поглотить шасси при касании БПЛА с землей при посадке;  - работа, которую должны поглотить пневматики при посадке;  - работа, которую должны поглотить амортизаторы при посадке.

Если подставить значения величин получится, что: 

Измеряются работы пневматиков, амортизаторов и суммарная пневматиков и амортизаторов в килограмм-силе умноженной на метр (кгс*м) [3]. Работа пневматиков составляет от 30 до 60 % от работы стойки (вычисляется среднее арифметическое значение). Работа амортизатора вычисляется как разность между работой стойки шасси и работой пневматика. Работа «костыля» вычисляется по следующей формуле [3]:

                                                (4)

где:  – работа, которую «костыль» должен поглотить при ударе о землю;  – масса, приходящаяся на костыль, когда БПЛА стоит на стойках шасси и «костыле» неподвижно;  – скорость, с которой БПЛА заходит на посадку (касается земли).

Если подставить значения получится, что: 

Следовательно амортизаторы должны выдерживать нагрузку 5,5 кгс*м, пневматики – 4,5 кгс*м, а костыль – 0,42 кгс*м. Исходя из этих данных можно подобрать костыль, пневматики и амортизаторы, ведь известна работа, которую они должны поглотить при посадке. Исходя из этих данных, можно оценить вес шасси. Вес каждой стойки около 3 кг, вес костыля составляет 1 кг. Общая масса шасси составляет приблизительно 7 кг.

Произведем расчет мощности, необходимой для складывания шасси. Сначала находим силу сопротивления, которая действует на неубранные стойки шасси при полете. Она составляет 0,3 от общей силы сопротивления полету, равной силе тяги двигателей (максимальная мощность двигателей имеет величину 250 Вт и достигается при взлете). Сила сопротивления, действующая на не сложенные стойки шасси при полете равна 8,4 Ньютон. Зная это, появляется возможность найти силу, которую необходимо приложить для того, чтобы шасси начало убираться. Она будет равна квадратному корню из суммы квадрата силы тяжести, действующей на стойки шасси, и квадрата силы сопротивления, действующей на стойки шасси при полете. Получается, что величина искомой силы приблизительно 71 Ньютон. Тогда приблизительная искомая мощность рассчитывается по формуле:

                                                 (5)

где:  – скорость, с которой начнет складываться стойка шасси в начальный момент процесса.

Величина искомой мощности приблизительно составляет 75 Ватт.

Система взлета и посадки – одна из главных составляющих любого летательного аппарата. Поэтому проблема отсутствия такой системы на перспективных БПЛА, похожих на БПЛА «Сова», является актуальной на данный момент. Предлагаемая схема системы посадки является наиболее подходящей для описанных выше БПЛА, потому что для ее применения на практике нет необходимости сильно изменять существующую конструкцию БПЛА. Преимуществами предлагаемой системы взлета и посадки являются простота ее изготовления и обслуживания, небольшой вес и высокая надежность. Применение на практике предлагаемой схемы позволит применять БПЛА в разведывательных целях, ведь для его посадки не потребуется развертывать специальные пункты. Также преимущество данной системы взлета и посадки состоит в том, что при ударе о землю не будут повреждаться бортовые системы БПЛА и его корпус.

Список литературы / References

1. Амортизаторы авиационные [электронный ресурс]. – URL: http://privetstudent.com/referaty/aviatsiya/532-amortizatory-aviacionnye.html (дата обращения: 02.03.2017).
2. Амортизаторы шасси [электронный ресурс]. – URL: http://cnit.ssau.ru/virt_lab/shassi/sh14_2.htm(дата обращения: 02.03.2017).
3. Виноградов И.Н. Конструкция и расчет самолета на прочность / Виноградов И.Н. – Москва: Главная редакция авиационной литературы, 1935. - 567 с.
4. Масштабная модель атмосферного спутника "СОВА" [электронный ресурс]. – URL: http://www.tiber.su/produktsiya-2/masshtabnaya-model-atmosfernogo-sputnika-sova (дата обращения: 02.03.2017).
5. Никитин Г.А. Основы авиации / Никитин Г.А., Баканов Е.А – Москва: Транспорт, 1984. - 261 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Amortizatory aviatsionnye [Aviation shock absorbers] [Electronic resource] - URL: http://privetstudent.com/referaty/aviatsiya/532-amortizatory-aviacionnye.html (accessed: 02.03.2017).
2. Amortizatory shassi [Shock absorbers of the landing gear] [Electronic resource] - URL: http://cnit.ssau.ru/virt_lab/shassi/sh14_2.htm (accessed: 02.03.2017).
3. Vinogradov I. N. Konstruktsiya i raschet samoleta na prochnost [Design and calculation of aircraft on strength] / Vinogradov I. N. - Moscow, The Main edition of aviation literature, 1935. - 567 p. [in Russian]
4. Masshtabnaya model aviatsionnogo sputnika “Sova” [Large-scale model of atmospheric satellite "Sova"] [Electronic resource] - URL: http://www.tiber.su/produktsiya-2/masshtabnaya-model-atmosfernogo-sputnika-sova (accessed: 02.03.2017).
5. Nikitin G. A., Bakanov E.A. Osnovy aviatsii [Fundamentals of aviation] / Nikitin G. A., Bakanov E.A. - Moscow, Transport, 1984. - 261 p. [in Russian]