Основы разработки дронов-ликбез

разработка--------автор Книжников ВВ

"Да здравствует Разум ---да сгинет маразм!"

Эксплуатационный выбор

При выборе облика платформы всегда надо опираться на все эксплуатационные свойства бпла----например

1) по надежности компонентов первым идёт лк[1]----затем классический мотопланер---потом самолёт---утка-----мультикоптер---вертолёт ! более подробно смотри статьи "сопромат","механика"

2) по стабильности полёта первым идёт мультикоптер---вертолёт ---мотопланер---самолёт---утка----лк ! более подробно смотри статью "аэродинамика"

3) по экономии энергии и ветро-пробиваемости первым идёт мотопланер---самолёт---лк---вертолёт---мульти ! более подробно смотри статью "динамика"

4) по минимальным габаритам в сложенном состоянии первым идёт мультикоптер----вертолёт ---лк---самолёт---мотопланер ! более подробно смотри статью "композит"

5) по простоте взлёта и посадки первым идёт мультикоптер----вертолёт ------мотопланер-----самолёт-----лк ! более подробно смотри статью "пусковые устройства"

6) по манёвримости первым идёт мультикоптер----вертолёт ------лк----утка----самолёт-----мотопланер! более подробно смотри статью "ТАУ"

Соответственно квадрокоптер по совокупности всёх потребительских свойств в 4 раз хуже мотопланера---так как для динамической устойчивости и управляемости у квадрокоптера четыре ВМГ против одной на планере и прожорливость на крейсере у мультикоптера в 4 раза больше, чем у самолёта плюс его планирующие свойства!

Основываясь на статистике применения различных БПЛА в боевых условиях электро-дроны мультикоптерного типа живут всего 2--3 вылета или 1--1.5 часа до сбивания против 4--6 миссий или 4--6 часов у крылатого типа, то есть самолёт в 4--6 живучее коптера при суровых условиях применения за счёт высокой крейсерской скорости 60--80 км/ч против 30--40 км/ч при одинаковой стоимости ла.

А вот на гражданке общая живучесть на примере паркфлаеров самолётного типа в среднем 50-100 часов полного ресурса против 5-10 часов у квадрокоптеров.

сравнение совокупных качеств дронов крылатого типа и мультикоптера!

свойство	самолёт	коптер
аэрокачество	6-12	1
самостабилизация	устойчив	нет
деталей носителя	6-10	3-10
кол-во крепежа	6-18	12-72
уязвимость	руль высоты	пропеллер и мотор
особенность	планирование	зависание
САС	не обязательно	парашют
настройка ла	4-6 функций	8-10 функций
аккумулятор	ЛИ-ОН	ЛИ-ПО в 4 раза больше
кол-во э-ВМГ	1-2	4-8
кол-во серво	2-6	0-1
регулятор хода	1-2 простые	4в1 сложные
ру приёмник	4-6 канальный PWM	6-8 канал. PPM, Sbus
автопилот	3F-4F	4F-7F
GPS приёмник	nmea	ublox
магнитный компас	не обязательно	есть
барометр	не обязательно	есть
датчик воздуш. потока	есть	нет
эксплуатация и ресурс	большой	постоянные ремонты от падений
совокупность всех решений	просто	очень сложно!!!

Вывод------мультикоптеры благодаря их сверх-манёвримости хороши для полётов в лесу между деревьями и в помещениях но недолго, а вот на открытой 
местности самолёты полностью отвечают всем требованиям продолжительной эксплуатации---это высокий крейсер, большая дальность и грузоподъёмность плюс 
высокая живучесть в целом!

Профессиональный фактор пилота----инженеры-аэродинамики любят крылатые ЛА типа планер, самолёт и лк и плавную манеру управления, а вот электронщики-программисты предпочитают винтовые мультикоптеры с "мозгами" и резкую манеру управления...

Оптимизация

Основная задача инженера при проектировании дрона ---это оптимизация всех параметров и  относительных размеров элементов при условии начальных габаритов и ттх!

Один из самых простых способов в мировой практике--- это прямое копирование уже отработанных схем и решений конструкции типа а ля клон с некоторыми незначительными изменениями,чтобы не нарушать авторское право, а также линейное масштабирование отработанного узла или корпуса в целом на основе удачного дрона с учётом доступности технологий!

Графический метод оптимизации  любой консоли по закону усеченного конуса  или его плоской  проекции например----

Всегда старайтесь применять трапецевидную консоль крыла с сужением 1.5-2 по ряду положительных причин----

близкое к эллипсному распределению подъёмной силы по размаху и максимум АК----

оптимальная эпюра момента на изгиб по сопромату то есть минимальное сечение балки или лонжерона в корневище крыла а значит и вес крыла ----

также минимальный момент инерции ----

очень технологично при композитном исполнении при позитивной формовки по пеноядру----

всё это в сумме дает оптимальные характеристики в целом для ла !

Также проектируются все силовые балки типа лучей, хвостов, стоек, пилонов, форма килей и стабилизаторов.

Применять конструктив типа монокок-----то есть рабочая силовая жесткая обшивка с минимум внутреннего поддерживающего каркаса типа шпангоутов и стрингеров! Хороший пример замкнутого контура многосекционный бутылочный фюзеляж или пустотелые тонкостенные композитные корпуса отлитые или отформованные в матрицах !

Метод---одна вторая

При проектировании дрона любого типа можно  использовать правило одна вторая для относительной массы компонентов или  схему дерева !

1) сухая масса носителя-платформы это одна вторая от полной взлетной,ползущей или плавающей 50%---- соответственно плюс одна вторая общего груза 50% ----где полезный груз 25% и топливо (аккумулятор) 25% тоже по одной второй

2) масса носителя состоит из одной второй массы силовой платформы типа планер бпла или корпус лодки или шасси с кузовом, соответственно плюс одна вторая на силовой приводной механизм типа вмг и авионика, где электро вмг или двс привод с трансмиссией одна вторая и плюс управляющая электроника одна вторая по массе!

3) планер состоит из крыла одной второй массы и одной второй фюзеляжа с оперением или у мультиротора масса лучей равна массе силового центрального корпуса, а масса кузова и шасси с колесами также равны или одна вторая по соотношению.

Например---- заказчик просит возить полезную нагрузку в 2 кг не менее 2 часов типа подвесной цифровой профессиональной камеры с оптическим зумом на гироплатформе в защитном прозрачном колпаке----сразу прикидываем, что топливо не менее 2 кг ----итого груз 4 кг.

полётная масса 8 кг ---- значит масса снаряженного сухого бпла около 4 кг-----

из них планер 2 кг и силовой привод с авионикой тоже 2 кг-----

из них крыло 1 кг и фюзеляж с оперением тоже 1кг ----

винтомоторная группа с регулятором и силовыми проводами около 1 кг и исполнительные серво приводы с управляющей электроникой типа автопилот,

телеметрия, радиомодем и курсовой видео-онлайн с бортовым электропитанием тоже 1 кг.

Это ориентировочный весовой расклад -----далее исходя из доступных технологий, материалов и промышленных комплектующих вносятся уточнения по каждой категории при условиях дополнительных опций типа колесное шасси, САС на парашюте или гидро-поплавки, наличие дополнительного и дублирующего оборудования!

Методы оптимизации дрона в зависимости от задачи

Поставленная задача заказчиком определяет для разработчика тактико-технические характеристики (ТТХ) беспилотника! То есть задача определяет поиск экстремума или максимальной эффективности основного требуемого физического параметра. например для:

1) долголёта крылатого типа в режиме баражирования----- основной параметр это максимальное время непрерывной автожизни на одной зарядке в часах

2) дальнолёта крылатого типа в режиме максимальной дальности----- основной параметр это пробег в километрах

3) грузовика крылатого типа---- возможность взять максимум полезной нагрузки в килограммах

груз на дальность 25% от полётной массы-----пиковый груз 40%, но недалеко------и вообще масса груза с топливом это 50% для многоразового БПЛА-----для камикадце можно и 60% лишь бы при старте планёр не сломался от перегрузок-----сопромат конструкции!!! 

4) перехватчика крылатого типа---- это максимальная скорость в км/ч и перегрузка при боевом пилотаже

5) специфические задачи типа минимального размера бпла или вертикальный взлёт или посадка с неподготовленной площадки ----обычно используются мультиротарные коптерные платформы или дирижабли

Из-за нелинейности реальных физических функций в комплексном уравнении всегда есть пик или экстремум в виде горки или ямки показывающий максимальную эффективность по