Стартовые устройства беспилотных летательных аппаратов, применяемых для мониторинга объектов сельского хозяйства.

       Обширный спектр задач по мониторингу объектов сельского и лесного хозяйства способны выполнять дистанционно пилотируемые (ДПЛА) и беспилотные летательные аппараты (БПЛА), получившие широкое распространение в настоящее время.
       Для производства запуска малоразмерных и средних летательных аппаратов самолетного типа, обычно используются пусковые устройства типа катапульты, различных конструкций.
       Конструкция катапульты должна обеспечивать надежный пуск летательного аппарата, причем параметры пуска должны быть постоянными при каждом последующем запуске. То есть для эффективности пуска и для исключения повреждения дорогостоящей аппаратуры необходимо минимизировать вероятность отказа, влияние внешних условий, в том числе погодных, и человеческого фактора.
       Основные предъявляемые требования к конструкции катапульты и автоматики:
       – надежность, которая заключается в работоспособности механизма в разных климатических условиях, исключении повреждений летательного аппарата, заедании, поломки, надежности запуска;
       – эргономичность, связанная с минимизацией массогабаритных характеристик, простотой использования автоматики, минимальным временем развертывания, установки и свертывания, мобильности;
       – высокие эксплуатационные качества, заключающиеся в долговечности, неприхотливости, ремонтопригодности, пригодности к хранению и утилизации;
       – безопасность, заключающиеся в исключении преждевременного срабатывания пусковых механизмов, а так же вероятности нанести травмы подвижными частями автоматики оператору.
       Самый известный и часто применяемый способ запуска малоразмерных беспилотных летательных аппаратов с линейной катапульты, оборудованной тележкой, перемещаемой разгонным устройством по направляющим. В целом, такой способ можно описать следующим образом. Перед запуском с помощью стыковочного устройства летательный аппарат присоединяют к тележке, расположенной на катапульте в стартовом положении, а после ее разгона, каким либо способом до требуемой скорости, летательный аппарат отсоединяют от тележки, а тележку останавливают.
       Так же сюда могут входить различные вспомогательные механизмы для плавного ускорения, дополнительные механизмы для изменения направления скорости в конце разгона, демпфирующие механизмы, механизмы осуществляющие возврат каретки в исходное положение, создающие встречный поток и др., схемы некоторых механизмов показаны на рис. 1.
       Проведенные исследования позволяют при правильном расчете демпфирующего элемента добиться отсутствия ударных нагрузок на летательный аппарат и тем самым снизить прочностные требования к креплению и фюзеляжу летательного аппарата, при этом увеличить полезную нагрузку.


Рис. 1 а) конструкция, обеспечивающая подброс летательного аппарата в конце разгона; б) конструкция, создающая набегающий поток; в) конструкция со специальным демпфирующим устройством.

       Для летательного аппарата небольшой массы (~10–150кг) рационально использовать катапульты на основе упругих элементов, чаще всего резиновых тросов. Для летательных аппаратов малой и сверхмалой массы так же используют пусковые устройства типа рогатки, так как при запуске с руки большое влияние на параметры пуска оказывает человеческий фактор, и как показала практика, при невысокой квалификации оператора, это может привести к повреждению и выходу из строя летательного аппарата.
       Пусковые устройства с упругими элементами просты, надежны, просты в эксплуатации, предоставляют достаточную мобильность и независимость от источников электроэнергии. К тому же по отношению к другим двигателям, в том числе пороховым и пневматическим, такие катапульты практически бесшумны и не оказывают отрицательного воздействия на окружающую среду.
       В свою очередь резина как двигатель имеет ряд недостатков. Характеристика деформации резинового шнура при растяжении не является прямолинейной и, кроме того, отличается от характеристик восстановления. В свою очередь, характеристика восстановления резины зависит от времени, в течение которого резина находилась в деформированном состоянии, и от относительной деформации резины. Отношение возвращенной работы к затраченной носит название коэффициента полезной упругости, который может изменяться в больших пределах (от 35 до 90%). Вследствие явления релаксации напряжений, при обычной по времени выдержке на взводе, максимальное движущее усилие может упасть в среднем на 20%. Релаксационные и гистерезисные явления, присущие резине при деформации, могут поставить катапульту в невыгодное положение по сравнению с любым другим аналогом, так как подобные явления практически не свойственны пружинам.
       Однако при соблюдении ряда правил от многих недостатков можно избавиться. Для того чтобы избежать больших потерь на внутреннее трение и, следовательно, максимально увеличить коэффициент упругости резины, а также для того, чтобы энергоемкость не снижалась при длительном пребывании катапульты на взводе, необходимо проектировать катапульту так, чтобы относительная деформация резин не превышала 300%. В этом случае характеристика деформации резины, с достаточной степенью точности, может считаться обратимой, линейной и постоянной.
       Одним из недостатков можно отметить так же линейно убывающую силу упругости, подчиняющуюся закону Гука и зависящую от степени деформации. Это свойство упругих тел заставляет использовать в конструкции специальные передаточные механизмы, различные буферы и другие устройства для обеспечения плавности разгона и увеличения КПД, что конечно сказывается на надежности всей конструкции.
       В современных условиях более востребованы и распространены мобильные комплексы с использованием ДПЛА и БПЛА, способные работать в полевых условиях (Рис. 2).
       Комплексы БПЛА и ДПЛА применяются для контроля за техническим состоянием удаленных или протяженных объектов, обнаружения и мониторинга лесных пожаров, распыления инсектицидов и т.д.

Рис.2 Классические схема комплексов с ДПЛА или БПЛА готовых к работе.

       Подобные мобильные комплексы обладают очевидным преимуществом эксплуатационными качествами, эргономичностью и позволяют оперативно включаться в работу с минимальным временем на подготовку, что немаловажно при чрезвычайных ситуациях.
       Существенным моментом в работе является сокращенное время подготовки к использованию комплекса, которое может включать последовательный запуск нескольких летательных аппаратов различного назначения. Поэтому на этапе проработки проекта необходимо оценить все возможные прогрессивные варианты компоновки передвижного комплекса, в том числе конструкции катапульт и различной автоматики, использование которых позволит минимизировать возможные задержки и время подготовки к работе. В свою очередь аппаратура должна быть защищена от воздействия погодных условий (рис. 3).

Рис.3 Пример мобильной катапульты с вертикальной осью вращения.

       Приведенная на рис. 3 мобильный комплекс с катапультой позволяет запускать широкую номенклатуру летательных аппаратов (различной массы) бес трудоемкой предварительной переналадки, а так же исключает необходимость ориентации линейных направляющих катапульты по направлению запуска и ударные нагрузки, которые оказывают отрицательное воздействие и возникают в момент пуска при использовании в качестве разгонного устройства резинового троса, пружины, пиропатрона, сжатого газа и т.д.


Статья написана Аленченков Г.С.