أنظمة تحديد المسار ، INC.
مفاهيم الطائرات بدون طيار طويلة التحمل
احتمالات الجيل القادم من المركبات الجوية غير المأهولة عالية التحمل وطويلة التحمل
شيلا ل. جاسزليك ، رئيس شركة باثفايندر سيستمز ، الولايات المتحدة الأمريكية
د. راينر ستيمي ، رئيس شركة Stemme Flugzeugbau ، ألمانيا
نُشرت عام 2004.
الملخص
تمتلك المركبات الجوية غير المأهولة عالية التحمل وطويلة التحمل (HALE-UAV) القدرة على توفير المراقبة وترحيل الاتصالات والقدرات العسكرية والمدنية الأخرى بتكلفة منخفضة نسبيًا ، دون القيود التي تفرضها مدارات الأقمار الصناعية. يتم تطوير الجيل الأول من هذه المركبات ، المدمج مع أجهزة الاستشعار وأنظمة توزيع المعلومات والمحطات الأرضية ، في إطار برنامج "Tier II +" الأمريكي. حان الوقت للتفكير في الخطوة التالية. الجيل الثاني من طائرات HALE-UAV ، التي تم بناؤها وتشغيلها بتكلفة أقل بكثير من Tier II + ، في متناول اليد. يمكن لمفهوم الدفع ، الذي تم تطويره في أوروبا ، أن يقلل الوزن الإجمالي للإقلاع من الجيل التالي من HALE-UAV بعامل يقارب أربعة مقارنة بالمستوى II + ، مع الاحتفاظ بحمولتها ، ومداها ، وقدرتها على التحمل.
تتميز طائرة Tier II + HALE-UAV بالخصائص التقريبية التالية:
كتلة الحمولة: 680 كجم (1500 رطل)
كتلة الإقلاع: 12000 كجم (26500 رطل)
الارتفاع الاسمي لمهمة المراقبة: 19800 م (65000 قدم)
منطقة المراقبة: 5،560 كم (3،000 ميل بحري) من مطار الإقلاع والانتعاش
القدرة على التحمل في منطقة المراقبة على ارتفاع اسمي: 24 ساعة
الدفع: توربوفان
المستوى II + قيد الإنشاء من قبل شركة Teledyne Ryan في سان دييغو ، كاليفورنيا. الهدف من البرنامج هو بناء عشر طائرات بدون طيار ونظامين أرضيين.
إن فائدة الجيل الثاني من طائرات HALE-UAV ، المصممة لمجموعة واسعة من الخدمات للتطبيقات العسكرية والمدنية في أوائل القرن الحادي والعشرين ، يمكن أن تساوي أو تتجاوز فائدة الأقمار الصناعية منخفضة الارتفاع. بعض الأسئلة المهمة المتعلقة بهذا الجيل القادم المحتمل هي:
يتم تطوير وبناء وتشغيل الطائرات بدون طيار ذات الأداء المماثل بتكلفة أقل بكثير من المستوى الثاني +؟ هل يمكن أن تكون أخف وأصغر بكثير؟
ما المقدار الذي يمكن إعادة استخدامه من تطوير Tier II + للجيل القادم؟
هل ستوفر تجربة Tier II + طرقًا مناسبة لدمج HALE UAVs في نظام مراقبة الحركة الجوية؟
يمكن تحسين كفاءة الوزن في المستوى II + بمعامل يقارب 400٪.
لقد ركزنا عملنا على مسألة تقليل الوزن الإجمالي اللازم لتحمل حمولة معينة ، حيث أن التكلفة المنخفضة هي نتيجة مباشرة لذلك. مفتاح إنقاص الوزن بشكل كبير يكمن في ثلاثة مجالات:
مفهوم الدفع الأكثر ملاءمة لمهمة HALE-UAV على ارتفاع 20000 متر من محرك الدفع المروحي المستخدم في تصميم المستوى II +
محطة طاقة عالية الكفاءة مع استهلاك منخفض للوقود
تطبيق مبادئ وممارسات التصميم الأيروديناميكي المتقدم
لاستكشاف الاحتمالات ، طورت Pathfinder Systems و Stemme Flugzeugbau تصميمًا أوليًا ، يتطابق مع Tier II + الحمولة الصافية وملف تعريف المهمة ، مع وزن إقلاع يمثل 27٪ من مركبة Tier II +. خصائص هذا التصميم ، Stemme SX 1500 “Pathfinder Hawk” ، هي:
كتلة الحمولة: 680 كجم (1500 رطل)
كتلة الإقلاع: 3206 كجم (7070 رطلاً)
الارتفاع الاسمي للمهمة ، ومسافة منطقة المراقبة ، والقدرة على التحمل في منطقة المراقبة على الارتفاع الاسمي: مطابق للمستوى II +
أقصى ارتفاع: 21300 م (70000 قدم)
الدفع: محرك ترددي فائق الشحن ونظام دفع مزدوج خاص.
جعلت التحسينات الملخصة أدناه هذا التخفيض الدراماتيكي للوزن ممكنًا.
تصميم عملي ذو كفاءة دفع عالية
يستخدم تصميم SX 1500 نظام مروحة مزدوج حاصل على براءة اختراع. على ارتفاعات التروبوسفير ، يتم استخدام مروحة منخفضة الارتفاع ذات قطر صغير. هذه المروحة قابلة للسحب بالكامل. يعتمد على نظام المروحة لطائرة Stemme S-10 النارية الحالية (الشكل 1).
الشكل 1. المروحة القابلة للطي الجذعية - وجهات النظر الأمامية والجانبية
هذه المروحة القابلة للسحب تعمل في العديد من البلدان ، وهي معتمدة وفقًا للوائح المشتركة لصلاحية الطيران. إنه صغير بما يكفي للسماح بالإقلاع والهبوط مع خلوص أرضي مناسب. أثناء الطيران على ارتفاعات منخفضة ، تكون المروحة عالية الارتفاع ، التي يبلغ قطرها 5.7 متر (18.7 قدمًا) ، مغطاة بالريش (الشكل 2). يتم حظره في الوضع الأفقي ، مفصولًا عن عمود القيادة بواسطة نظام القابض.
الصورة 2. نظام المروحة المزدوجة SX 1500
على ارتفاع 10500 متر تقريبًا ، تعمل المروحة الكبيرة من خلال نظام القابض. في الوقت نفسه ، يتم فك تعشيق المروحة منخفضة الارتفاع وسحبها. عندما ينخفض SX 1500 عبر 10500 متر ، تنعكس العملية.
المروحة الكبيرة تحمل قرص دفع منخفض للغاية ، أقل من 48 نيوتن / متر مربع (1 رطل / قدم 2). تبلغ كفاءة Froude Propulsive Efficulsive ، وهي مقياس لكفاءة الطاقة في عملية الدفع التفاعلي (التي تحركها المروحة أو المروحة التوربينية) ، حوالي 98٪ عند تحميل هذا القرص على ارتفاع 20000 متر على نطاق واسع جدًا من السرعة. في المقابل ، فإن تحميل القرص الدافع لمحرك توربيني على هذا الارتفاع أكبر من 40 إلى 80 مرة. عند السرعات من 300 إلى 400 عقدة ، ينتج عن ذلك كفاءة دفع Froude تتراوح بين 55٪ و 85٪. إن عقوبة الوزن الناتجة عن هذا الانخفاض في الكفاءة شديدة ، حيث تؤدي متطلبات الوقود المتزايدة إلى طائرة أكبر بشكل غير متناسب.
يتم تضمين كفاءة Froude للمروحة في كفاءة المروحة الإجمالية. في المحرك المروحي ، ينعكس ذلك في استهلاك الوقود المحدد. إنه مشتق من قانون نيوتن: القوة الدافعة تساوي الزخم الذي يتم نقله على مدار الوحدة الزمنية. ونتيجة لذلك ، فإن القرص الدافع الأصغر سوف يعطي زيادة في السرعة أكبر ، مما يتطلب المزيد من الطاقة ، واستهلاكًا أكبر للوقود ، مقارنة بالقرص الأكبر. يحل نظام الدفع SX 1500 هذه المشكلة المادية الأساسية من خلال توفير قطر تيار الدفع الأمثل على ارتفاع الإبحار للجيل الثاني من HALE-UAV.
محطة طاقة عالية الكفاءة
اختيار محطة توليد الطاقة في SX 1500 هو محرك مكبس توربيني. فهو يجمع بين استهلاك الوقود النوعي الممتاز وميزة الطاقة الثابتة حتى ارتفاع التصميم.
تم النظر في محطتين مختلفتين لتوليد الطاقة لـ SX-1500:
التصميم الأساسي مع محرك طائرة Teledyne Continental TSIO-550 Voyager للارتفاعات العالية مع نظام شحن توربيني مزدوج
تصميم بديل متقدم ، باستخدام محرك ديزل توربو مركب جديد تمامًا
TSIO-550 Voyager عبارة عن محرك طائرة تقليدي ذو 6 أسطوانات ومبرد بالسائل ومثبت جيدًا ومقاومًا أفقيًا مع نظام شحن توربيني مزدوج لارتفاع تصميمي يبلغ 78700 قدمًا (24000 م). تم التخطيط لهذا المحرك للإصدار الأول من SX 1500 ويدعم نهج التصميم المحافظ للطائرة. يسمح بتطوير HALE-UAV في غضون فترة زمنية قصيرة.
جيل جديد من محركات الديزل فائقة الشحن والمبردة بالسائل المطورة في أوروبا (بواسطة IAV GmbH) هو الأساس لإصدار متقدم من SX 1500. تتمثل ميزة محرك الديزل على محرك البنزين في الكفاءة الحرارية المحسنة. يتم تقليل استهلاك الوقود المحدد إلى حوالي 185-190 جم / كيلوواط ساعة (0.304-0.312 رطل / حصان / ساعة) بوزن محدد يبلغ حوالي 2.0 كجم / كيلوواط (3.29 أرطال / حصان). يعمل نظام تبريد السطح الخاص على تبديد الحرارة المتولدة من خلال هيكل الطائرة. يقلل هذا الترتيب من مقاومة التبريد ويستخدم حرارة المحرك للتحكم في درجة حرارة أنظمة الوقود والطائرات.
يمكن أن يُعزى التخفيض الكبير في الوزن الإجمالي لـ SX 1500 عند مقارنته بالمستوى II + في الغالب إلى نظام الدفع.
اعتبارات الديناميكية الهوائية
إن اعتبارات التصميم التالية لتحقيق القدرة على التحمل لفترات طويلة مفهومة جيدًا بشكل عام من قبل مصممي الطائرات:
يتم تحقيق أقصى قدر من التحمل عندما تكون الكمية CL3 / CD2 عند الحد الأقصى (CL هو معامل الرفع ، و CD هو معامل السحب).
يجب أن تكون نسبة العرض إلى الارتفاع عالية قدر الإمكان ؛ يجب أن يكون تحميل الامتداد منخفضًا قدر الإمكان.
يبدو أن معامل سحب الطفيليات له أهمية ثانوية ، حيث أن له تأثيرًا فقط على التحمل يتناسب مع قوته th.
يجب تعديل هذه القواعد المعروفة من خلال العديد من الاعتبارات العملية. على سبيل المثال ، قيمة معامل الرفع يكون عندها الحد الأقصى CL3 / CD2 يتم تحقيقه يتناسب مع الجذر التربيعي لمنتج معامل سحب الطفيلي ونسبة العرض إلى الارتفاع. في نسب العرض إلى الارتفاع المنخفضة (15 أو أقل) لا يمثل هذا مشكلة. في نسب العرض إلى الارتفاع التي تتجاوز 30 ، سيؤدي هذا التأثير إلى تدهور خطير في الأداء. ما لم يتم تحقيق معامل سحب طفيلي منخفض جدًا (أقل بكثير من 0.01) ، فإن معامل الرفع لأفضل قدرة على التحمل يكون حوالي 3.0 وما فوق. سيبدأ التوقف الديناميكي الهوائي فوق الجناح عند معاملات الرفع التي تقل عن نصف تلك القيمة. والنتيجة هي أن الأداء "الورقي" لا يمكن تحقيقه عمليًا. لهذا السبب ، يتميز تصميم SX 1500 بنسبة عرض إلى ارتفاع منخفضة نسبيًا (22). في الوقت نفسه ، يتم بذل الكثير من الجهد لتقليل معامل مقاومة الطفيلي.
نحو المستقبل
نحن على ثقة من أن التقنيات المطورة في الولايات المتحدة بالاقتران مع برنامج Tier II + ، بما في ذلك التحكم في الطيران والاتصالات وأجهزة الاستشعار وإدارة البيانات والمحطات الأرضية يمكن إعادة استخدامها للجيل الثاني من HALE-UAV. من خلال التعاون الأوروبي الأمريكي ، يمكننا أن نتطلع إلى منصة جوية عملية بدون طيار تعمل على ارتفاعات 20000 إلى 23000 متر. يجب أن توفر هذه المنصة خدمات قياسية لحمولاتها المختلفة ، بما في ذلك الطاقة والاتصالات والتحكم في الطيران والرادار والنوافذ البصرية. نتصور مستقبلاً ستعمل فيه المئات من منصات الجيل الثاني هذه في سماء القرن المقبل.