ОБОСНОВАНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ РАЗРАБОТКИ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОЙ КОНЦЕПЦИИ
Выполненное в рамках рабочей группы (РГ) Аэронет исследование тенденций развития беспилотных авиационных систем (БАС) выявило принципиально разное положение дел в области беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) взлетным весом до 30 кг и крупных беспилотных воздушных судов (БВС).
В сегменте до 30 кг уже сегодня имеется широкая линейка БПЛА, которые выпускаются с применением коммерческих комплектующих, доступных на рынке. В технологической сфере актуальными являются задачи обеспечения эксплуатации легких БПЛА в арктической зоне, при отсутствии устойчивой связи, сигналов глобальных навигационных систем, в условиях сильных помех, в составе роя и организованного ордера. Стоят также задачи разработки полезных нагрузок, систем базирования и автоматизации задач организации воздушного движения. Все перечисленные выше задачи успешно решаются малыми инжиниринговыми фирмами в рамках текущей работы РГ Аэронет с институтами развития и не требуют разработки отдельных программ с целью получения поддержки Минпромторгом.
В направлении создания БВС взлетной массой более 30 кг, напротив, речь идет о создании новой авиации, т.е. о замене традиционных пилотируемых воздушных судов БВС транспортного и сельскохозяйственного назначения, тяжелыми БПЛА для дистанционного зондирования Земли, связи, поиска и спасания.
Переход к БВС не может осуществляться модернизацией существующих воздушных судов, т.к. это даёт частный результат. Нужно создавать принципиально новые БВС, у которых не будет ограничений, вызванных наличием людей на борту. Они, например, могут иметь негерметичный фюзеляж, крутую глиссаду на взлете и посадке, использовать криогенное топливо, осуществлять длительное маневрирование с большими перегрузками и т.д.
Очевидной необходимостью являются ультракороткие практически вертикальные взлет и посадка (КВП/ВВП), при обязательном сохранении летных данных и экономических показателей конвенциональных (традиционных) летательных аппаратов (ЛА).
Будущее видится в многообразии типов, персонализированных для конкретных рынков и применений, и относительно мелкосерийном производстве. Это позволит удовлетворить потребности Министерств и Ведомств Российской Федерации, которые недостаточны для выпуска ЛА крупными сериями, а также гибко реагировать на потребности рынка. Для этого нужны новые технологии, которые позволяют радикально уменьшить трудоемкость разработки и производства БВС и силовых установок.
Развивать новый технологический уклад целесообразно силами малых и средних частных компаний. Затраты на greenfield (создание с нуля новых технологических платформ на базе малых предприятий) будут на порядок меньше, чем на реконструкцию существующих предприятий, входящих в госкорпорации. Затраты снижаются за счет низких накладных рас-ходов и исключения громоздкой и неэффективной административной надстройки. В то же время, для придания принципиально новых свойств БВС уже недостаточно инициативы частных компаний, а требуется разработка и осуществление целенаправленной научно-технической программы, направленной на преодоление выявленных технологических барьеров, под которые стоит разработать соответствующие подразделы программы развития.
Разработку и сертификацию надо проводить по правилам, эти правила должны быть эффективными, ресурсосберегающими (относительно малозатратными), ориентированными на новые технические решения и учитывающими современные тенденции в проектировании и методах подтверждения соответствия. Их нет сегодня и их тоже надо разработать.
Ниже излагаются основные тезисы научно-технической концепции.
ПОДПРОГРАММЫ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКОГО РАЗВИТИЯ В ОБЛАСТИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРОИЗВОДСТВА БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
Разработка новых аэродинамических схем и силовых установок (СУ) для них, позволяющих эффективно и надежно решать специфические задачи БПЛА за счёт уникальных свойств, не применяемых сегодня в пилотируемой авиации, в том числе:
— КВП/ВВП БПЛА с летными данными на уровне конвенциональных ЛА;
— Скоростных транспортных БПЛА для региональных, межрегиональных перевозок, в том числе, в условиях Арктики;
— Широкого типоразмерного ряда элементов силовых установок, высокоэффективных по энергозатратам подъёмных, маршевых и вспомогательных двигателей и движителей, основанных на разных принципах действия, использующих различные виды топлива и питания, устройств хранения и подачи топлива и энергии;
— Комплекта элементов для распределенной СУ с электротягой винта, с газотурбинным генератором электрической энергии на борту, с гибридным генератором в вариантах: газотурбинный двигатель (ГТД) плюс роторно-поршневой двигатель (РПД), ГТД + твердооксидный топливный элемент (ТОТЭ);
— Редукторов для привода винтов и вентиляторов от ГТД, элементов механических трансмиссий для конвертопланов и БВС с подъемными винтовентиляторами.
Разработка на основе коммерческих компонентов базовых элементов комплексов бортового оборудования БПЛА, включая элементы устройств контроля, управления, навигации, связи, текущей и аварийной регистрации параметров и их послеполётного анализа, обеспечивающих решение всего спектра задач с требуемым уровнем качества, надежности, быстродействия, помехозащищенности: в том числе:
— Бортовых программно-аппаратных комплексов контроля технического состояния БВС, включая контроль силовой установки, источников тока, механических и гидравлических устройств, а также контроль образования льда на внешних поверхностях БВС;
— Бортовых навигационных комплексов с высоким уровнем точности и надёжности навигационного определения во всех условиях эксплуатации за счёт применения широкого спектра перспективных технологий автономной навигации, коррекции навигационного определения, комплексной обработки разнородной навигационной информации, включая: навигацию в составе роя БВС, навигацию при отсутствии сигналов ГЛОНАС; астроориентацию, ориентацию по картинке местности и карте высот;
— Комплектов базовых элементов оборудования энергетических и силовых систем БПЛА с высоким коэффициентом преобразования различных видов энергии, массовой и габаритной эффективностью, повышенной надежностью, контролепригодностью и адаптивностью управления преобразованием энергии, включая элементы силовой электроники, контроллеров, генераторов тока, аккумуляторных батарей, сервоприводов, актуаторов;
— Разработка платформы беспроводных сенсорных и исполнительных устройств, включая распределенные по рою БПЛА сенсорные сети и системы хранения данных.
Разработка конструктивных схем, новых материалов и производственных технологий, методов расчёта, контроля и обслуживания нетрадиционных для самолётостроения несущих и формообразующих конструкций БПЛА с высокой весовой отдачей, в том числе:
— Цельносварных (аддитивных) конструкций из алюминиевого сплава 1570С (или аналогов), топливных баков, в том числе, для хранения криогенного топлива;
— «Гибкой» конструкции адаптивного крыла, обеспечивающей плавное изменение в полете конической и аэродинамической крутки крыла, отклонение механизации;
— Методов аддитивной печати крупноразмерных силовых конструкций из углеволокна, алюминия, титана, включая оборудование для такой печати;
— Методов топологической оптимизации силовой конструкции планера в рамках решения комплексно сопряженной задачи аэроупругости;
— Наноструктурированных упрочненных сплавов на основе алюминия и титана, обеспечивающих увеличение предела сопротивления на разрыв не менее, чем на 25%, а также технологии производства из них деталей, узлов и систем.
Разработка базовых технологий, лежащих в основе производства узлов, агрегатов и бортовых силовых электрических систем БПЛА с электроприводом винтом:
— Разработка нового ГОСТ и ТУ на электротехнические стали взамен ГОСТ 3836-83, 21427.1-83, освоение новых сортов электротехнической стали с улучшенными магнитными характеристиками на основе новых ГОСТ и ТУ;
— Полуизолирующих и проводящих подложек из карбида кремния, эпитаксиальных структур карбида кремния на подложках карбида кремния и гетероструктур нитрида галлия на подложках карбида кремния, а также полупроводниковых силовых приборов и программируемых силовых контроллеров на их основе;
— Элементов криогенных обратимых электрических машин с обмотками, обладающими свойствами высокотемпературной сверхпроводимости.
Разработка технологий кастомизированного проектирования и производства малых газотурбинных двигателей мощностью до 500 кВт:
— Ступеней компрессора со степенью сжатия до 10, в том числе осецентробежных и с покрывным диском, а также технологий их производства, включая аддитивную печать, диффузионную сварку;
— Неохлаждаемых колес центростремительной турбины с температурой перед турбиной более 1000ºС, а также технологии их производства, включая аддитивную печать и нанесение защитных термобарьерных покрытий;
— Высокооборотных роторов с высоконесущими воздушными подшипниками;
— Облегченных элементов корпуса, камеры сгорания, колес компрессора и турбины, выполненных с элементами топологической оптимизации;
— Структурированных «вспененных» тугоплавких материалов с уменьшенной на 40% плотностью по сравнению с исходными металлами, а также технологий изготовления из них горячих нагруженных элементов двигателей.
Снятие законодательных и нормативных ограничений:
— Разработка классификации и единой системы категорирования БПЛА/БВС/БАС.
— Разработка норм лётной годности для различных типов БПЛА/БВС/БАС согласно классификации;
— Разработка порядка и методов сертификации и подтверждения соответствия нормам лётной годности в соответствии с классификацией;
— Разработка порядка контроля и периодического подтверждения соответствия сертификату типа конкретных экземпляров БПЛА/БВС/БАС;
— Разработка временных правил полета БПЛА/БВС в зонах отчуждения линий электрических передач, железных дорог, магистральных трубопроводов, автомобильных трасс федерального значения, акваториями рек, озер, морских прибрежных территорий, лесами, сельскохозяйственными угодьями.
