Подходы к проектированию и практика применения беспилотных воздушных судов самолётного типа

Сегодня беспилотная авиация нашла широкое применение во многих сферах человеческой деятельности. За последние пару десятков лет такая техника перешла из разряда военной или экспериментальной экзотики в нечто прикладное и повсеместно распространённое. Занимая всё новые ниши, беспилотные воздушные суда (БВС) получают все новые функции, для реализации которых конструкторами порой принимаются довольно смелые решения, редко встречающиеся в «большой» пилотируемой авиации. В статье исследуется текущее состояние отрасли гражданских БВС самолётного типа на предмет их конструкционных особенностей, а также специфики применения в различных отраслях экономики. Анализу подвергаются принципы, лежащие в основе выбора той или иной аэродинамической схемы БВС на этапе его проектирования. Рассматриваются преимущества, недостатки и ограничения конкретной компоновки планера БВС, применяемой силовой установки и конструкционных материалов в контексте сценариев возможного применения БВС. На основе обобщения параметров, подвергнутых анализу, выделяется ряд классификационных признаков, которые в дальнейшем возможно использовать в качестве основы для выполнения всесторонней классификации широкого спектра представителей беспилотной авиации гражданского назначения.

1. Бегалиев Е. Н. О перспективах применения беспилотных летательных аппаратов в ходе производства отдельных следственных действий // Вестник Восточно-Сибирского института МВД России. 2019. № 2(89). С. 163-172. DOI 10.24411/2312-3184-2019-00016. EDN ZTSUTZ.

2. Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние / В. С. Фетисов, Л. М. Неугодникова, В. В. Адамовский, Р. А. Красноперов. Уфа: ФОТОН, 2014. 217 с.

3. Бреус Н. Л. Технологии беспилотного пилотирования при контроле строительства и эксплуатации линейных объектов капитального строительства / Н. Л. Бреус, А. Е. Токарев, А. А. Токарев // Вестник евразийской науки. 2022. Т. 14, № 3. С. 14. EDN YCKHWN.

4. Вождаев В. В. Характеристики радиолокационной заметности летательных аппаратов / В. В. Вождаев, Л. Л. Теперин. М.: Физматлит, 2018. 376 с

5. Вторый В. Ф. Перспективы экологического мониторинга сельскохозяйственных объектов с использованием беспилотных летательных аппаратов / В. Ф. Вторый, С. В. Вторый // Технологии и технические средства механизированного производства продукции растениеводства и животноводства. 2017. № 92. С. 158-166. EDN ZMEBEN.

6. Евтодьева М. Г. Беспилотные летательные аппараты военного назначения: тенденции в сфере разработок и производства / М. Г. Евтодьева, С. В. Целицкий // Пути к миру и безопасности. 2019. № 2(57). С. 104-111. DOI 10.20542/2307-1494-2019-2-104-111. EDN PGAVPH.

7. Использование беспилотных летательных аппаратов в сельском хозяйстве / Ю. Н. Зубарев, Д. С. Фомин, А. Н. Чащин, М. В. Заболотнова // Вестник Пермского федерального исследовательского центра. 2019. № 2. С. 47-51. DOI 10.7242/2658-705X/2019.2.5. EDN TITLEP.

8. Конюхов И. К. Анализ применения аэродинамической схемы "летающее крыло" на беспилотных летательных аппаратах класса "воздух-поверхность" // Труды МАИ. 2018. № 99. С. 4. EDN OSRBXB.

9. Коптев С. В. О возможностях применения беспилотных летательных аппаратов в лесохозяйственной практике / С. В. Коптев, О. В. Скуднева // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2018. № 1(361). С. 130-138. DOI 10.17238/issn0536- 1036.2018.1.130. EDN YNMFDU.

10. Котарев С. Н. Использование беспилотных летательных аппаратов для обеспечения безопасности на объектах транспорта / С. Н. Котарев, О. В. Котарева, А. Н. Александров // Вестник Восточно-Сибирского института МВД России. 2017. № 4(83). С. 199-204. EDN YLQBDD.

11. Макаренко С. И. Анализ средств и способов противодействия беспилотным летательным аппаратам. Часть 1. Беспилотный летательный аппарат как объект обнаружения и поражения / С. И. Макаренко, А. В. Тимошенко, А. С. Васильченко // Системы управления, связи и безопасности. 2020. № 1. С. 109-146. DOI 10.24411/2410-9916-2020-10105. EDN YIBMFH.

12. Мерзликин В. Е. Радиоуправляемые модели планеров. М.: ДОСААФ, 1982. 160 с.

13. Овчинникова Н. Г. Применение беспилотных летательных аппаратов для ведения землеустройства, кадастра и градостроительства / Н. Г. Овчинникова, Д. А. Медведков // Экономика и экология территориальных образований. 2019. № 1. С. 98-108. DOI 10.23947/2413-1474-2019-3-1-98-108. EDN VUULFW.

14. Опыт применения БПЛА в экологических исследованиях популяции байкальской нерпы (Pusa sibirica Gm.) в период начала формирования береговых лежбищ / К. М. Иванов, А. Б. Купчинский, М. Е. Овдин [и др.] // Международный научно-исследовательский журнал. 2022. № 8(122). С. 5. DOI 10.23670/IRJ.2022.122.106. EDN ARRVEN.

15. Павленко А. М. Исследования обтекания модели летающего крыла при натурных числах Рейнольдса / А. М. Павленко, Б. Ю. Занин, М. М. Катасонов // Вестник Новосибирского государственного университета. Серия: Физика. 2015. Т. 10. № 3. С. 19-25. EDN VHLIIJ.

16. Петров Г. Ф. Гидросамолёты и экранопланы России 1910-1999. РУСАВИА, 2000. 243 с.

17. Скуднева О. В. Беспилотные летательные аппараты в системе лесного хозяйства России // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2014. № 6(342). С. 150-154. EDN TALVRL.

18. Скуднева О. В. Навигационно-пилотажная система беспилотного летательного аппарата для мониторинга лесных пожаров / О. В. Скуднева, С. В. Коптев, С. В. Иванцов // Известия высших учебных заведений. Лесной журнал. 2020. № 6(378). С. 194-203. DOI 10.37482/0536-1036-2020-6-194-203. EDN XPQVNQ.

19. Суконников О. Г. Анализ применимости БПЛА при геодезическом контроле строящихся и эксплуатируемых автомобильных дорог / О. Г. Суконников, А. А. Неретин, В. А. Гурьев // САПР и ГИС автомобильных дорог. 2017. № 2(9). С. 44-48. DOI 10.17273/CADGIS.2017.2.5. EDN XOSZNR.

20. Термопластичные материалы нового поколения для авиации / Г. Н. Петрова, С. А. Ларионов, М. М. Платонов, Д. Н. Перфилова // Авиационные материалы и технологии. 2017. № S. С. 420-436. DOI 10.18577/2071-9140-2017-0-S-420-436. EDN YRVMHN.

21. Технологические и электропроводящие свойства полимерных композиций на основе бутадиен-стирольного блока сополимера / А. Б. Глазырин, А. А. Басыров, А. И. Султанов [и др.] //Достижения науки и образования. 2017. № 1(14). С. 14-17. EDN XQSGUL.

22. A Review on Composite Aerostructure Development for UAV Application / S. M. F. B. S. Hairi, S. J. M. B. M. Saleh, A. H. Ariffin, Z. B. Omar // Green Hybrid Composite in Engineering and Non-Engineering Applications. 2023. P. 137-157.

23. Additive manufacturing in unmanned aerial vehicles (UAVs): Challenges and potential / G. D. Goh, S. Agarwala, G. L. Goh, V. Dikshit, S. L. Sing, W. Y. Yeong // Aerospace Science and Technology. 2017. Vol. 63. P. 140-151.

24. Aerodynamic configuration and control optimization for a novel horizontal-rope shipborne recovery fixed-wing UAV system / L. Chu, F. Gu, X. Du, M. Zhang, Y. He, C. Chen // Aerospace Science and Technology. 2023. Vol. 137. P. 108253.

25. Alsahlan A. A. Aerofoil design for unmanned high-altitude aft-swept flying wings / A. A. Alsahlan, T. Rahulan // Journal of Aerospace Technology and Management. 2017. Vol. 9. P. 335-345.

26. Bikkannavar K. Investigation and design of a C-Wing passenger aircraft / K. Bikkannavar, D. Scholz // INCAS Bulletin. 2016. Vol. 8. № 2. P. 25.

27. Broadband stealth composite metastructure with high penetration protection / L. Liang, Y. Lin, Y. Huang, M. Chen // Composites Part A: Applied Science and Manufacturing. 2022. Vol. 160. P. 107069.

28. Clark R. M. Uninhabited combat aerial vehicles: airpower by the people, for the people, but not with the people. Alabama : Air University Press, 2000. 89 p.

29. Equivalent mechanical model of resin-coated aramid paper of Nomex honeycomb / J. Sun, Y. Wang, P. Zhou, M. Wang, R. Kang, Z. Dong // International Journal of Mechanical Sciences. 2023. Vol. 240. P. 107935.

30. Experimental investigation on mechanical behaviors of composite sandwich panels with a hybrid facesheet / S. Zhu, Y. Wang, L. Zhou, W. Yi, L. Hu, J. Liu, X. Kang, H. Li // Polymer Composites. 2023. 44(6). p. 3196-3208.

31. Flatwise compression behavior of composite Nomex® honeycomb sandwich structure / W. Zhao, R. Jia, X. Li, J. Zhao, Z. Xie // Journal of Sandwich Structures & Materials. 2022. Vol. 24. № 2. P. 1169-1188.

32. Klimenko N. N. First Operational Pseudo-satellites for Military and Civil Users // Aerospace Sphere Journal. 2018. № 3(96). P. 64-77. DOI 10.30981/2587-7992-2018-96-3-64-77. – EDN UXASBM.

33. Kurukularachchi P. L. Stability analysis for a twin boom H-tail Medium Scale UAV through simulated dynamic model / P. L. Kurukularachchi, S. R. Munasinghe, H. De Silva // 2016 Moratuwa Engineering Research Conference (MERCon). IEEE, 2016. P. 415-420.

34. Low-Reynolds-number airfoil design optimization using deep-learning-based tailored airfoil modes / J. Li, M. Zhang, C. M. J. Tay, N. Liu, Y. Cui, S. C. Chew, B. C. Khoo // Aerospace Science and Technology. 2022. Vol. 121. P. 107309.

35. Material Extrusion Additive Manufacturing of the Composite UAV Used for Search-and-Rescue Missions / S. M. Zaharia, I. S. Pascariu, L. A. Chicos, G. R. Buican, M. A. Pop, C. Lancea, V. M. Stamate // Drones. 2023. Vol. 7. № 10. P. 602.

36. McNabb M. Changing Forecasts: The Drone Industry Surprise // [Электронный ресурс]. – 2016. URL: https://dronelife.com/2016/04/08/comparing-drone-industry-forecasts/ (дата обращения 10.11.2023).

37. Motor noise reduction of unmanned aerial vehicles / H. Xu, D. Kong, Y. Qian, X. Tang // Applied Acoustics. 2022. Vol. 198. P. 108979. Naveen R. Aerodynamic Analysis of C-Wing Aircraft // INCAS Bulletin. 2018. Vol. 10. № 3. P. 157-165.

38. Nugroho G. Aerodynamic Performance Analysis of VTOL Arm Configurations of a VTOL Plane UAV Using a Computational Fluid Dynamics Simulation / G. Nugroho, Y. D. Hutagaol, G. Zuliardiansyah // Drones. 2022a. Vol. 6. № 12. P. 392.

39. Nugroho G. Performance Analysis of Empennage Configurations on a Surveillance and Monitoring Mission of a VTOL-Plane UAV Using a Computational Fluid Dynamics Simulation / G. Nugroho, G. Zuliardiansyah, A. A. Rasyiddin // Aerospace. 2022b. Vol. 9. № 4. P. 208.

40. On the capabilities and limitations of high altitude pseudo-satellites / J. Gonzalo, D. López, D. Domínguez, A. García, A. Escapa // Progress in Aerospace Sciences. 2018. Vol. 98. P. 37-56.

41. Optimization of expanded polypropylene foam coring to improve bumper foam core energy absorbing capability / G. Frederick, G. A. Kaepp, C. M. Kudelko, P. J. Schuster, F. Domas, U. G. Haardt, W. Lenz // SAE transactions. 1995. P. 394-400.

42. Panagiotou P. Aerodynamic efficiency and performance enhancement of fixed-wing UAVs / P. Panagiotou, K. Yakinthos // Aerospace Science and Technology. 2019. Vol. 99. P. 105575. DOI 10.1016/j.ast.2019.105575.

43. Panayotov H. Experimental study of canard UAV aerodynamics / H. Panayotov, S. Penchev, D. Kolibarov // MATEC Web of Conferences. EDP Sciences. 2017. Vol. 133. P. 01002.

44. Pilóta nélküli repülés profiknak és amatőröknek / B. Békési, I. Makkay, M. Palik, Z. Bottyán, P. Dunai, T. A. Halászné, T. Wührl. Nemzeti Közszolgálati Egyetem, 2013. 323 p.

45. Sarhidai G. Robotrepülőgépek. Budapest: Zrínyi Katonai Kiadó, 1986. 63 p.

46. Shaker S. M. War Without Men: Robots on the Future Battlefield / S. M. Shaker, A. R. Wise. Washington: Pergammon-Brassey’s, 1988. 196 p.

47. Shen B. Topology optimization of UAV structure based on homogenization of honeycomb core / B. Shen, H. Liu, S. Lv // AIP Advances. 2023. Vol. 13. № 5. P. 055223.

48. Skinner S. N. Study of a C-wing configuration for passive drag and load alleviation / S. N. Skinner, H. Zare-Behtash // Journal of Fluids and Structures. 2018. Vol. 78. P. 175-196.

49. Static stability analysis on twin tail boom UAV using numerical method / A. Septiyana, M. L. Ramadiansyah, E. B. Jayanti, K. Hidayat, A. Rizaldi, N. Atmasari, P. A. P. Suseno // AIP Conference Proceedings. AIP Publishing, 2021. Vol. 2366. № 1. P. 030002.

50. Stealth technology: Methods and composite materials—A review / H. Ahmad, A. Tariq, A. Shahzad, M. S. Faheem [et al.] // Polymer Composites. 2019. Vol. 40. № 12. P. 4457-4472.

51. Steam-chest molding of expanded thermoplastic polyurethane bead foams and their mechanical properties / C. Ge, Q. Ren, S. Wang, W. Zheng, W. Zhai, C. B. Park // Chemical Engineering Science. 2017. Vol. 174. P. 337-346.

52. Suresh C. Aerodynamic performance analysis of a non-planar C-wing using CFD / C. Suresh, K. Ramesh, V. Paramaguru // Aerospace Science and Technology. 2015. Vol. 40. P. 56-61.

53. Szczepaniak P. Research of pneumatic distributors for launcher of unmanned aerial vehicle (UAV) / P. Szczepaniak, M. Jóźko // Journal of KONBiN. 2017. Vol. 43. № 1. P. 249-276.

54. Unconventional control solutions for small fixed wing unmanned aircraft / A. Panta, A. Mohamed, M. Marino, S. Watkins, A. Fisher // Progress in Aerospace Sciences. 2018. Vol. 102. P. 122-135.

55. Van Wyen A. O. Naval Aviation in World War I. Washington, D.C. : Chief of Naval Operations, 1969. 91 p.

56. Venturi F. Additive Manufacturing in the Context of Repeatability and Reliability / F. Venturi, R. Taylor // Journal of Materials Engineering and Performance. 2023. P. 1-21.

57. Wang A. Conceptual Design of a QuadPlane Hybrid Unmanned Aerial Vehicle / A. Wang, A. R. Wang // 2017 AIAA Student Conference Region VII-AU. 2017. P. 6-11.

58. Zafirov D. Joined-wing test bed UAV / D. Zafirov, H. Panayotov // CEAS Aeronautical Journal. 2014. Vol. 6. № 1. P. 137-147.