Применение двухтактных двигателей на беспилотных летательных аппаратах

УДК 623.7

А. В. Батенин Московский авиационный институт (Государственный технический университет), Россия, Москва

Г. А. Кузнецов

Сибирский федеральный университет, Россия, Красноярск

ПРИМЕНЕНИЕ ДВУХТАКТНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ НА БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТАХ

Рассмотрено применение двухтактных двигателей на беспилотных летательных аппаратах в Сибирском государственном аэрокосмическом университете имени академика М. Ф. Решетнева, Сибирском Федеральном университете и Московском авиационном институте (Государственном техническом университете).

История беспилотных летательных аппаратов (БЛА) с поршневыми двигателями (ПД) насчитывает 100 лет. Прообразом современных БЛА с ПД являются управляемые беспилотные крылатые летательные аппараты (БКЛА) с винтомоторной группой. Идея создания таких аппаратов впервые зародилась на рубеже первого десятилетия XX в. одновременно в США и Германии.

Один из таких проектов был предложен американским инженером Э. Берлинером в 1909 г. (заявка на патент подана 30 сентября 1909 г., патент США получен 5 июля 1917 г.). Это был проект крылатой торпеды, предназначенной для запуска с кораблей по надводным морским целям. БКЛА по внешнему виду был похож на моноплан Блерио-11. Боевая часть крепилась в носовой части БКЛА. Управление осуществлялось по проводам.

В 1911 г. немецкий инженер К. Ниттингер предложил проект крылатой торпеды для стрельбы по неподвижным целям (заявка на патент подана 13 августа 1911 г., патент Германии получен 25 июля 1913 г.). У этой торпеды воздушный винт находился в хвостовой части фюзеляжа, киль и крылья - посередине. Торпеда имела ПД, взрывчатое вещество и часовой механизм для программирования дальности и скорости полета. В районе цели часовой механизм отклонял руль высоты в крайнее положение, и торпеда переходила в пикирование на объект поражения.

В 1918 г. американские авиаконструкторы построили и испытали ударный БКЛА (Bug), выполненный по схеме биплана. В носовой части фюзеляжа устанавливался четырехцилиндровый двухтактный бензиновый двигатель, мощностью 40 л. с. Боевая часть весом 40...80 кг размещалась в центре фюзеляжа. Взлетный вес Bug 280 кг, дальность полета 60 км, скорость полета 90 км/ч. Точность полета к объекту поражения обеспечивалась автопилотом с радиокомандным управлением. Одним из слабых мест БКЛА, наряду с системой автоматического управления, был ненадежный ПД.

В настоящее время в качестве двигателей для БЛА используются в основном поршневые, газотурбинные и электрические. Самыми распространенными являются ПД. Они устанавливаются примерно на 80 % БЛА самолетного типа и примерно на 60 % БЛА

вертолетного типа. Более 50 % из установленных на БЛА ПД составляют двухтактные двигатели (ДД) с диапазоном мощностей от 1 л. с. до 120 л. с.

В России разработкой БЛА с ПД занимаются более 15 фирм и организаций. Ими создано порядка 50 БЛА различного назначения и конструктивного исполнения. Значительную часть этих аппаратов представляют небольшие БЛА с ДД со взлетной массой от 5 до 300 кг.

К двигателям для БЛА предъявляются высокие требования по обеспечению малого уровня помех, вибрации и шумов. Совершенствование двигателей для БЛА направлено на повышение степени надежности и увеличение удельной мощности двигателя; снижение стоимости разработки и производства; применение новой архитектуры двигателя.

В России направление ДД практически не развивается, в отличие от зарубежных стран, где технологии их создания стимулируются развитием сверхлегких и легких летательных аппаратов, обладающих большим спросом на рынке авиационной техники. На российские БЛА ставятся в основном зарубежные (немецкие, австрийские, японские, чешские, украинские, китайские и др.) двигатели. Исключение составляют ДД, разработанные в ОКБ имени Н. Д. Кузнецова (Самара).

Примером гражданского применения БЛА с ДД, а также научного сотрудничества, служит создание магнитометра на базе БЛА в содружестве с коллективом студентов-авиаконструкторов и робототехников из СибГАУ, ученых Института горного дела, геологии и геотехнологий СФУ и «НПО Прикладной механики имени академика М. Ф. Решетнева». Данный аэрогеофизический прибор позволяет в автоматическом режиме производить площадные магнитометрические съемки в интересах геологического изучения земных недр. На БЛА установлен квантовый магнито-чувствительный блок ведущей канадской фирмы 8сш-1тех, позволяющий обеспечить практически непрерывное измерение магнитного поля Земли.

В 2008 г. БЛА был представлен на международном научно-практическом семинаре «Современные технологии дистанционных и экспрессных геофизических методов поиска полезных ископаемых». В работе семинара приняли участие специалисты ведущих гео-

Решетневские чтения

физических компаний Канады и Сибири, ученые из Новосибирска и СФУ. В 2009 г. БЛА демонстрировался на выставке «Геофорум» (Красноярск).

БЛА выполнен по нормальной аэродинамической двухбалочной схеме. В хвостовой части фюзеляжа установлен двухтактный, двухцилиндровый, чешский двигатель марки 80Б2-ЯУ, мощностью 9 л. с. Двигатель оснащен толкающим двухлопастным воздушным винтом. Максимальная взлетная масса БЛА 25 кг, масса полезной нагрузки 5 кг.

Летные испытания БЛА проводились на Кузнецовском аэродроме в 2008 и 2009 гг. В одном из полетов в 2009 г. у БЛА заклинил двухтактный двигатель 80Б2-ЯУ китайского производства, и аппарат совершил аварийную посадку. Таким образом, проблема создания надежных ДД для БЛА является актуальной.

На 11 международном салоне «Двигатели-2010», проходившем в Москве, кафедрами 201 и 602 МАИ и ООО «2Т-Инжиниринг» был представлен двигатель со встречно движущими поршнями МАИ 15*2. Разработчики: А. В. Батенин, В. П. Зуев, В. П. Зуев, И. С. Табачук. Двигатель воздушного охлаждения,

двухтактный, двухцилиндровый, двухвальный, с механической синхронизацией между валами (зубчато-ременная или зубчатая передача), предназначен для БЛА взлетной массой до 8 кг.

Двигатель имеет следующие основные технические характеристики: мощность на старте 2,8 л. с.; крутящий момент 1,8 Нм; максимальная частота вращения 11 000 об/мин; масса 1,4 кг; рабочий объем 30 см3; зажигание калильное; топливо - метанол-5.

Данный двигатель был установлен на БЛА, выполненный по аэродинамической схеме «бесхвостка». Двигатель расположен в хвостовой части фюзеляжа и оснащен двумя толкающими двухлопастными воздушными винтами размером 11*8.

Запуск БЛА производится с пусковой установки катапультного типа, посадка совершается с помощью парашюта. Проведенные летные испытания показали устойчивый полет и минимальную вибрацию БЛА.

Применение для БЛА двухтактных, двухвальных двигателей со встречно движущимися поршнями позволит снизить уровень вибрации и массу, а также без искажений передавать информацию на пункты управления.

A. V. Batenin

Moscow Aviation Institute (State Technical University), Russia, Moscow

G. A. Kuznetsov Siberian Federal University, Russia, Krasnoyarsk

APPLICATION OF TWO-STROKE ENGINES FOR UNMANNED AIRCRAFTS

The application of two-stroke engines for unmanned aircrafts in SibSAU, SFU and MAI (STU) is considered.

© Батенин А. В., Кузнецов Г. А., 2010

УДК 621.577:621.564

М. В. Беломоина, Н. Г. Измайлова

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева, Россия, Красноярск

СРАВНЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАБОЧИХ ТЕЛ ДЛЯ ТЕПЛОВЫХ НАСОСОВ

Тепловые насосы работают на различных рабочих телах. Эффективность их работы зависит от коэффициента преобразования. Произведено сравнение коэффициентов преобразования для различных рабочих тел, показаны условия, при которых тепловые насосы наиболее эффективны.

Коэффициент преобразования теплового насоса k показывает, какое количество тепла в киловатт-часах мы получим, затратив 1 кВт-ч электрической энергии. Чем больше коэффициент преобразования, тем выгоднее применять тепловой насос. При k < 1 тепловые насосы не применяют, так как они потребляют больше тепла, чем производят. Обычно тепловые насосы применяют, когда k > 3.

Коэффициент преобразования теплового насоса без переохладителя и перегрева

k = q/Lк = 1 + г^к^К,

где q - удельное количество теплоты, производимое тепловым насосом; Lк - работа компрессора; г - скрытая теплота парообразования; пк - механический КПД компрессора [1].

Работа компрессора

Lк = CpmАt,

где - средняя теплоемкость рабочего тела при сжатии; Аt - повышение температуры в компрессоре; Аt = 41 - 42; 41 - температура воды (воздуха), поступающей к потребителю теплоты; 42 - температура низкопотенциального источника тепла [1].