Повышение качества двигателей беспилотных летательных аппаратов

Результаты повышения качества двигателя БЛА

Одним из популярных на сегодняшний день направлений технического проектирования и конструирования является разработка и внедрение в практическую эксплуатацию беспилотных летальных аппаратов. Их летно-тактические характеристики (а именно - дальность и продолжительность, диапазон высот и скоростей полета) по большей части зависят от эффективности двигателя. Следовательно, важными задачами проектирования беспилотных летательных аппаратов является выбор их двигателя и повышение его качества.

Качество двигателей беспилотных летательных аппаратов удается повысить за счет множества циклов оптимизации и доработок конструкции, которые позволяют устранить повышенный расход масла и вибрацию, снизить уровень шума, уменьшить объем (размер) двигателя при сохранении мощности на прежнем уровне.

Варианты двигателей для беспилотных летательных аппаратов

В последние годы многие исследовательские центры и институты ведут комплекс работ по разработке, созданию и модернизации авиадвигателей. В частности, на базе унифицированного газогенератора в последнее время была разработана линейка следующих двигателей:

1. Турбореактивные двигатели - это газотурбинные двигатели, в которых химическая энергия топлива превращается в кинетическую энергию струй газов, вытекающих из реактивного сопла.
2. Турбореактивные двухконтурные двигатели (турбовентиляторные двигатели) - это турбореактивные двигатели с внутренним и наружным контурами, в которых часть энергии сгорания топлива, подводимого во внутренний контур, трансформируется в механическую работу для привода компрессора (вентилятора) наружного контура.
3. Турбовинтовые двигатели - это газотурбинные двигатели, в которых основная часть энергии горячих газов используется для привода воздушного винта через понижающий частоту вращения редуктор, а оставшаяся часть энергии составляет выхлоп реактивной тяги.
4. Турбовальные двигатели - это газотурбинные двигатели, в которых полезная внешняя работа реализуется в турбине, вал которой не связан механически с валом (валами) турбокомпрессорной части двигателя.

Сейчас достаточно активно ведется разработка семейства малоразмерных турбовальных газотурбинных двигателей в классе мощностей от 200 до 1 200 кВт. Перспективными для использования в беспилотной авиации в классе мощности от 100 до 300 кВт являются роторные и роторно-поршневые двигатели. Это обусловлено наличием у них некоторых преимуществ по сравнению с традиционными поршневыми двигателями. Речь идет, прежде всего, про значительно меньшие габариты, массу, количество деталей, уровень вибрации и шума, низкий удельный расход топлива.

Для малоразмерных скоростных беспилотных летательных аппаратов все чаще начинают использовать микротурбореактивные двигатели. С конструктивной точки зрения эти силовые установки имеют простейшее устройство: одноступенчатый центробежный компрессор, испарительную камеру сгорания, одноступенчатую осевую газовую турбину.

Малые размеры микротурбореактивных двигателей обуславливают отсутствие сложной и эффективной системы автоматического управления, дополнительно оснащенной элементами регулирования. В связи с этим рассматриваемый тип двигателей характеризуется скромными удельными параметрами, низким запасом газодинамической устойчивости компрессора и срывными характеристиками камеры сгорания.

В то же время малая размерность турбореактивных двигателей неизбежно приводит к повышению точности изготовления деталей двигателя. Это необходимо для того, чтобы поддержать достаточно малые радиальные зазоры между корпусом и рабочими лопатками ротора.

Для тихоходных беспилотных летательных аппаратов, взлетная масса которых не превышает 5 кг, а скорость полета колеблется от 40 до 90 км/ч, в качестве силовой установки лучше использовать винтомоторную группу, представленную бесколлекторным электродвигателем с магнитами из редкоземельных металлов и литий-полимерных аккумуляторов. Они просты в обслуживании, стабильны в работе на переходных режимах, а также легки в автоматизации управления и контроля.

Для беспилотного летательного аппарата, у которого увеличены взлетная масса и время полета, наиболее подходящим является вариант силовой установки, представленный винтомоторной группой с поршневым двигателем. Он дает больше мощностей при топливе с уменьшенным весом. В то же время поршневые двигатели характеризуются меньшей надежностью.

Самый сложный и дорогостоящий класс беспилотных летательных аппаратов представлен тяжелыми аппаратами с взлетной массой более 10 000 кг. Эти аппараты предназначены для решения широкого спектра задач, в том числе стратегических. Для выполнения требований к ним нужно разработать эффективные турбореактивные двигатели нового поколения, аналогичные применяемым на боевых пилотируемых самолетах.

Перспективы развития двигателей беспилотных летательных аппаратов

В соответствии с прогнозными данными многих научно-исследовательских организаций отрасли авиационные двигатели повышенного качества для беспилотных летательных аппаратов в ближайшей перспективе будут развиваться следующим образом:

• к 2025 году будет создан типоразмер газотурбинного двигателя малой и сверхмалой размерности;
• к 2030 году будут созданы гибридные силовые установки на базе топливных элементов;
• к 2035 году будут созданы нетрадиционные типы силовых установок, работа которых основана на использовании новых видов энергии.

Следовательно, можно ожидать, что качество беспилотных летательных аппаратов с течением времени будет постепенно повышаться.