Наземные частотные испытания беспилотных летательных аппаратов

За последние несколько лет мир убедился в невероятной эффективности применения беспилотных летательных аппаратов (далее БПЛА), в особенности для решения военных задач. БПЛА имеют уже сейчас очень широкие области применения: аэрофотосъемка, видеонаблюдение (патрулирование), сельское хозяйство, аэрологистика, строительство, археология, геология, кино и т.п. На подходе применение БПЛА в аэротакси и в других, еще более экзотических направлениях. За военными примерами далеко ходить не надо: это СВО в Украине, локальная война между Азербайджаном и Арменией в Нагорном Карабахе, это Сирия, Афганистан и другие военные конфликты в мире. Опыт этих конфликтов показал, что наличие БПЛА является одним из решающих факторов преимущества перед противником, который в силу ряда причин не обладает такими технологиями. Более того, в некоторых областях применения беспилотная авиация заняла просто монопольное положение. Например, в целом ряде стран вся разведывательная авиация стала только беспилотной. Разнообразие размеров и конструкций разработанных БПЛА просто поражает. Ниже на рисунках 1…5 показаны лишь некоторые примеры уже реализованных проектов БПЛА самых разных классов.

Во всем мире идет бурное развитие отрасли беспилотной авиации. По данным на 2013 г., в разработке, серийном производстве и эксплуатации находились БПЛА почти 1000 различных типов. Их разработкой и производством занимались около 300 фирм в 60 странах мира [2]. Эти данные, хотя и являются уже устаревшими, хорошо иллюстрируют размах работ по разработке и использованию БПЛА в мире. Некоторые страны разработали и выполняют в настоящее время специальные программы развития БПЛА. Так, например, в США имеется подготовленная в августе 2005 г. Министерством обороны долгосрочная комплексная программа, рассчитанная до 2030 г. Она так и называется: "Дорожная карта развития БПЛА: 2005-2030 гг.".

Рис. 1. Ударный БПЛА «Байрактар ТВ2» на параде в Баку в 2020г.

Россия на этом фоне не является исключением, но у нас, как всегда, свой особый путь. Достаточно сказать, что в большинстве областей в 2023 году полеты БПЛА вообще запрещены в связи с известными событиями. По некоторым оценкам, объем рынка БПЛА в России составлял в 2022г. всего порядка 50 млрд. руб., что, для сравнения, не превышает 1% от мирового рынка. Но ситуация понемногу, но начала меняться. К настоящему времени вРФ также имеется национальная Стратегия по развитию беспилотной авиации, которая была утверждена Распоряжением №1630-Р правительства от 21.06.23г [4]. Очевидно, что развитие БПЛА в нашей стране с принятием этой Стратегии, наконец, получит должное ускорение.

Вот некоторые важные пункты из утвержденной правительством Стратегии:

• рассчитана на период до 2030 года с перспективой до 2035г.;
• основной целью Стратегии является создание конкурентной отрасли экономики;
• наращивание объема российского рынка БПЛА всех типов до 1 млн единиц до 2030 года (нарастающим итогом);
• доведение числа опытных, экспериментальных образцов, демонстраторов технологий БПЛА до 109 шт. до 2030 года (нарастающим итогом);
• формирование целой сети научно-производственных центров испытаний и компетенций для решения всего цикла производственно-конструкторских задач создания, сертификации и испытания БПЛА.

Рис. 2. БПЛА смешанного типа с грузовым контейнером (рядом).

Также, в соответствии с этой стратегией, «технологии и средства моделирования, испытания и количественного измерения характеристик беспилотных воздушных судов…» были отнесены к профильным технологиям, имеющим важное значение для развития БПЛА. Таким образом, актуальность развития БПЛА в России подтверждена на самом высоком уровне. До 2035 года, согласно этой Стратегии, предстоит большая работа по сертификации вновь создаваемых образцов БПЛА, в которую должно входить и экспериментальное подтверждение характеристик предлагаемых летательных аппаратов соответствия требованиям летной годности.

Наземные и летные испытания БПЛА являются одним из важных этапов экспериментальной отработки при создании работоспособных конструкций. Одними из таких обязательных испытаний являются модальные испытания. Их иногда называют еще по-другому - наземные частотные испытания (Ground Vibration Testing). Основной целью таких испытаний является определение экспериментальной динамической модели конструкции БПЛА на базе определения основных модальных параметров: частот собственных тонов колебаний, коэффициентов демпфирования, форм собственных колебаний, а также обобщенных масс, оценок нелинейностей.

Рис. 4. Экспериментальный самолет Proteus

В процессе модальных испытаний БПЛА, определенным образом раскрепленный, подвергается измеряемой силовой гармонической нагрузке от специальных вибростендов. В процессе этого нагружения измеряются также многочисленные отклики в разных точках конструкции, затем в процессе обработки данных измеренные амплитудно-частотные характеристики обрабатываются и в результате на выходе получается верифицированный набор собственных тонов колебаний – модальная модель.

После получения и верификации экспериментальной модальной модели она может быть использована для:

• коррекции конечно-элементной (расчетной) модальной модели;
• доработки конструкции БПЛА с целью исключения флаттера, бафтинга и других динамических «неприятностей»;
• прогнозирования динамики конструкции применительно к условиям полета и реальных нагрузок.
• настройки автоматической системы управления с целью повышения запасов устойчивости каналов управления.

Методы наземных модальных испытаний летательных аппаратов достаточно хорошо отработаны. Широко известны и применяются коммерческие многоканальные программно-аппаратные комплексы, успешно решающие задачи модальных испытаний и последующего анализа: Prodera, Siemens (LMS), Bruel & Kъер, Crystal Instruments (США) и др. Каждый из этих программно-аппаратных продуктов имеет свой собственный, не похожий друг на друга интерфейс и определенную процедуру сбора данных и их обработки.

Рис. 5. Классический БПЛА роторного типа для видеосъемки.

Отметим, что актуальность модальных испытаний не для всех типов БПЛА является одинаковой. Очевидно, что для классических БПЛА роторного типа (рис. 5) это менее актуально, чем для БПЛА самолетного типа (рис. 4). Известно, что БПЛА роторного типа составляют большинство в общей массе используемых беспилотников. Так, по данным, приведенным в Стратегии РФ по БПЛА, доля роторных БПЛА в мире оценивается в 81%, а доля самолетного типа – только в 12% от общего числа всех беспилотников. Необходимость модальных испытаний очевидна и диктуется прежде всего требованиями действующих норм летной годности для конкретных типов БПЛА.

В этой связи можно отметить несколько проблем, которые должны решаться методами модальных испытаний и последующего анализа:

1. Вибрация, которая возникает при работе роторов, винтов, двигателей или от аэродинамических нагрузок при достаточных скоростях полета. Она может влиять на качество видеоизображения бортовой видеокамеры, работу приборов прицеливания и других полезных нагрузок. Для ее снижения приходится ставить специальные стабилизаторы, карданные подвесы и принимать другие меры, способствующие уменьшению ее влияния на качество выполнения основной задачи;
2. Флаттер – быстрые и неуправляемые резонансные вибрации, возникающие при достаточно больших скоростях полета и способные привести к повреждению или даже разрушению конструкции БПЛА. Данное явление в первую очередь актуально для тяжелых беспилотников самолетного типа. Кроме классического флаттера (панельного, срывного) может иметь место и бафтинг, аэроупругое взаимодействие БПЛА с системой управления. Наиболее опасными, как показывает опыт, являются рулевые формы флаттера, т.е. флаттер органов управления.
3. Неустойчивость контура системы автоматического управления (САУ), связанная с тем, что в нее включен через первичные преобразователи этой системы упругий корпус БПЛА, обладающий набором собственных тонов колебаний, как реакции на возмущающие нагрузки. В этом случае аппарату не грозит повреждение конструкции, но может значительно ухудшиться надежность его управления, так как каналы акселерометров или датчиков угловых скоростей могут «забиться» высокочастотным шумом от собственных тонов колебаний аппарата. Здесь можно сослаться на мнение авторитетного специалиста ЦАГИ, д.т.н., профессора В.И.Смыслова с соавторами, который в [1] пишет, что «обеспечение устойчивости контура «упругий ЛА — САУ», как и безопасности от флаттера, является одним из обязательных требований, которые следует учитывать при разработке БПЛА. Основной принцип требований — отсутствие аэроупругой неустойчивости для всех возможных конфигураций аппарата и режимов полета». Для этого требуется обеспечить необходимые запасы устойчивости по модулю и фазе амплитудно-фазовой частотной характеристики разомкнутого контура конструкция - управление», подтвердив их расчетами, наземными и летными испытаниями.
4. Акустика – шум двигателей, винтов и аэродинамические шумы, возникающие при обтекании конструкции и повышающие заметность БПЛА (актуально для военных задач).

Как показывает «опыт разработки, испытаний и применения высокоманевренных БПЛА, возникновение колебаний вследствие взаимодействия упругой конструкции с САУ — явление нередкое» [3]. Несмотря на сниженные требования к конструкции, катастрофы БПЛА - явление вообще довольно частое. Так, согласно обзору по отчетам о расследовании авиационных происшествий, выполненному газетой «Вашингтон пост» в 2014 и уточненному в 2019г., с 2001 года произошло 237 падений военных беспилотников, которые были отнесены к категории происшествий «класса А»: аварии, которые уничтожили летательный аппарат или причинили ущерб не менее чем на 2 миллиона долларов.

Рис. 6. Аппарат HP03-02, который разрушился 26 июня 2003 года при полете над Тихим океаном.

Современный подход к модальным испытаниям, основанный на возможностях многоканальных систем измерения, характеризуется относительно большим временем на саму подготовку испытаний, но гораздо меньшим временем на сами измерения. Сами модальные испытания, особенно крупных БПЛА класса «Охотника», могут потребовать достаточно больших материальных и человеческих ресурсов.

Например, наземные модальные испытания пассажирского самолета-гиганта А380 были выполнены всего за 1 месяц, но потребовали 38 человек персонала, включая 25 человек для подготовки испытаний и 13 инженеров и техников для самих испытаний. При этом для измерений использовалось в общей сложности 850 датчиков, 20 возбудителей (шейкеров), 896 измерительных каналов. Но это, что называется крайний пример. Малоразмерные БПЛА потребуют для модальных испытаний на 1-2 порядка меньших ресурсов, например, количество акселерометров может доходить до 100, а персонала - 2-3 человека, а сами испытания могут быть выполнены за несколько дней.

В РФ есть несколько организаций, которые способны в полном объеме выполнить наземно-частотные испытания. Одна из таких организаций – частная компания ООО «Динамикс» имеющая необходимое оборудование и квалифицированный персонал https://engineering.dynamx.ru .

Рис 8. БПЛА "Охотник" в СибНИА.

Подведем итоги:

1. В РФ в 2023 году разработана и принята Стратегия развития беспилотной авиации до 2030 года с развитием до 2035г.
2. В соответствии с нормами летной годности для БАС взлетной массой от 30 до 5400 кг, вступившими в силу 1.01.2023г., на основании пункта БАС.СТ-629 разработчикам необходимо выполнять в том числе и частотные испытания планера или его частей, чтобы доказать отсутствие флаттера, реверса органов управления и дивергенции до скорости 1.2*VD.
3. Модальные испытания, они же наземные частотные испытания являются, таким образом, важной и непременной составляющей всего комплекса наземных испытаний, которые в обязательном порядке должны проходить БПЛА при доводке и сертификации.
4. Необходимые для модальных испытаний ресурсы и сроки выполнения не слишком большие и вполне по силам небольшим компаниям, которые могут успешно их провести и выполнить все необходимые исследования и расчеты.

Литература:

1. С.Г.Парафесь, В.И.Смыслов. «Проектирование конструкции и САУ БПЛА с учетом аэроупругости. Постановка и методы решения задачи», М., издательство «Техносфера», 2018г.
2. В.С.Фетисов, Л.М.Неугодникова, В.Адамовский, Р.А.Красноперов. «Беспилотная авиация: терминология, классификация, современное состояние», издательство «Фотон», Уфа, 2014г.
3. Долгополов А.А., Леонтьева Р.В., Смыслов В.И. «Наземные резонансные испытания беспилотного летательного аппарата с применением многоканального оборудования». Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей», 2016; (4):72-80.
4. «Стратегия развития беспилотной авиации Российской Федерации на период до 2030 года и на перспективу до 2035 года», утвержденная Распоряжением правительства РФ №1630-р от 21.06.23г.
5. Нормы летной годности беспилотных авиационных систем с беспилотным воздушным судном самолетного типа с максимальной взлетной массой до 5400 кг, утвержденные приказом Федерального агентства воздушного транспорта 922-П от 16.12.2022г. и вступившие в силу 1.01.2023г.