Беспилотник с солнечными батареями из России: «Шторм-600»
Оснащенный солнечными батареями экраноплан «Шторм-600» проектируется одновременно и как практичное беспилотное судно с почти неограниченным запасом хода, и как будущий рекордсмен скорости.
"«Шторм-600». Размеры: 6х2,5х2 м // Снаряженная масса: от 200 до 600 кг // Осадка: 0,16−0,38 м // Максимальная скорость: 90 узлов // Дальность хода: до 735 миль // Двигатели: электрический (2 шт мощностью 8−50 кВт) или гибридный ДВС-электрический // Энергия: солнечные батареи (0,6 кВт)."
От Монако до Москвы: петербургские инженеры уже несколько лет участвуют в международных регатах судов на солнечных батареях. Неудивительно, что в какой-то момент они задумались о рекорде: «На сегодня для «солнечных» судов с электродвигателями он составляет 49 км/ч, — рассказал нам Алексей Майстро, — и это конструкция на подводных крыльях. Дальнейшее ускорение такого аппарата требует уже слишком серьезных, долгих и сложных усовершенствований, поэтому мы выбрали более авантюрный путь».
Нежелательные явления
Алексей, директор центра технологических проектов Санкт-Петербургского политехнического университета Петра Великого (СПбПУ), разговаривал с нами на бегу и между делом: участники команды готовились к выставке «Армия-2020» и буквально ночевали на работе. Большая часть экспонатов уже монтировалась в стойках для транспортировки, с другими еще сидели инженеры, чтобы в Подмосковье продемонстрировать настоящие функциональные версии, а не пластиковые макеты и модели. Настоящим был и показанный на форуме беспилотный «солнечный» экраноплан «Шторм-600»: на испытаниях судно уже достигло скорости 80 км/ч.
Стойки для перевозки необычного транспорта
В классической авиации с экранным эффектом принято бороться. Он возникает, например, во время посадки, когда самолет оказывается достаточно низко и между крылом и поверхностью возникает зона повышенного давления. Она создает дополнительную, неучтенную подъемную силу, которая может привести к развитию «козления», опасного прыганья аппарата по полосе. Экранопланы используют этот эффект, удерживаясь благодаря ему на высоте нескольких метров над ровной поверхностью воды.
Из-за сложностей конструкции и управления такие суда — а по классификации Международной морской организации экранопланы относятся именно к ним — не получили большого распространения. Самый грандиозный из них — экспериментальный ракетоносец «Лунь», разработанный Ростиславом Алексеевым, — стал экспонатом парка «Патриот» в Дербенте, и лишь отдельные модели судов ограниченно эксплуатируются в некоторых странах — несколько экранопланов Bavar 2 с характерными короткими и широкими крыльями используются береговой охраной Ирана.
Возвращение экранопланов
Впрочем, для своего проекта питерские инженеры использовали другую аэродинамическую схему, предложенную немецко-американским конструктором Александром Липпишем, — «летающее крыло»: подъемная сила при этом создается не крыльями, а всем фюзеляжем. В применении к лодке такая схема оказалась особенно удобной: ее боковые поплавки не только придают устойчивость, но и предотвращают срыв потока на кромках судна-крыла. Это ведет к повышению плотности потока под корпусом, усиливая экранный эффект и увеличивая подъемную силу, особенно на малых скоростях.
Еще одна разработка питерских инженеров — динамический «Буй-240» для установки навигационных знаков — работает в команде: оператор задает на карте нужные точки, а группа аппаратов сама распределяется по целям.
«В 1980-х, когда создавались эти машины, технологии еще не достигли нужного уровня развития, — объясняет Алексей Майстро. — Не существовало высокоточных и быстрых датчиков, электроника не могла с нужной скоростью стабилизировать движение». Сегодня такие возможности есть, поэтому экранопланы могут стать по‑настоящему практичными, недаром подобные проекты активно развиваются и в России, и за рубежом. «Уже вскоре мы рассчитываем выйти на скорость порядка 150 км/ч, — добавляет Алексей. — Этот предел задается винторулевыми погружными колонками, которые при таком разгоне уже сами начинают тормозить в воде».
По словам разработчиков, адаптируемая конструкция «Шторм-600» позволяет установить на судно и воздушные винты, а погруженные в воду сделать подъемными. В такой конфигурации оно теоретически сможет развивать уже сотни километров в час, причем двигаясь не только над водой, но и над другой ровной поверхностью, над которой создается экранный эффект, — например, снегом. Наконец, немаловажным плюсом «летающего крыла» экраноплана оказалась большая площадь поверхности, на которой можно разместить панели солнечных батарей.
Гоночный грузовик
«В море солнечные батареи способны вырабатывать некоторое количество энергии даже ночью, от рассеянного света, — продолжает Алексей Майстро. — Остальное делает наша интеллектуальная система управления питанием». Бортовой компьютер «Шторм-600» способен к планированию расхода энергии с учетом своего положения и задач, текущей и ожидаемой погоды, волнения и т. д. Энергетический баланс постоянно поддерживается на уровне, обеспечивающем запас хода не менее суток, хотя и на малой скорости.
Днем, когда поступление от солнечных батарей максимально, система автоматически подзаряжает аккумуляторы для беспрерывной работы ночью. В результате дальность полностью автономного хода «Шторма» ограничивается лишь временем — около месяца. За этот срок корпус судна успевает обрасти минеральными и биологическими отложениями. Без обслуживания в порту и очистки они слишком ухудшают гидродинамические характеристики и сильно затрудняют его движение. По расчетам инженеров, за 30 дней при крейсерской скорости 4−8 узлов (7−15 км/ч) — без использования экранного эффекта — судно сможет преодолевать порядка 1000 морских миль (1852 км).
Беспилотная платформа «КиберБоат-330» и пункт управления размещаются в мобильном комплексе быстрого развертывания — на базе микроавтобуса с прицепом или, как этот, на базе стандартного 20-футового грузового контейнера.
Привезенный из Петербурга на «Армию-2020» экспериментальный прототип уже прошел такие испытания и автономно проработал в море почти целую неделю. «Если коротко, то получилась «долгоиграющая» платформа с большой поверхностью солнечных элементов, с большой полезной нагрузкой, способная автономно выполнять длительные миссии, — добавляет один из разработчиков, Павел Булдаков. — Соединились противоречивые характеристики: судно может быть и неутомимым грузовиком, а при выходе на экранный режим — гоночным болидом».
Трубопровод и моржи
«Развесовка» беспилотного экраноплана действительно универсальна: полезная нагрузка составляет около половины его собственного пустого веса. На нее может приходиться до ста из общих 300 кг «Шторма» — столько же, сколько и на корпус (алюминиевая рама с углепластиковыми панелями), и на всю «начинку», включая батареи, двигатели и электронику, благодаря которой судно способно к полностью самостоятельному плаванию. Его техническое зрение использует радар, лидар, панорамные и стереокамеры, датчики GPS и ГЛОНАСС, данные международной системы идентификации судов АИС и картографии, что позволяет уверенно чувствовать себя даже в районах с напряженным морским движением.
Недаром к разработке уже проявили любопытство заказчики не только из России, но и из Китая, Индии и т. д. «Конечно, в основном это страны, где много солнца и воды, — добавляет Павел Булдаков. — Например, на Ближнем Востоке, где очень востребованы средства мониторинга морских трубопроводов. Но заинтересовались и наши «Невские моржи», любители зимнего купания, которые хотят отслеживать состояние воды и строить карты ее загрязненности на разной глубине». Впрочем, для решения таких специальных задач у инженеров-водников найдутся и другие идеи.
«КиберБоат-330» Размеры: 3,3х1,6х1,9 м // Снаряженная масса: 390 кг // Полезная нагрузка: 30 кг // Осадка: 0,34 м // Крейсерская скорость: 2−4 узла // Максимальная скорость: 60 узлов // Дальность хода: до 500 миль // Двигатель: гибридный ДВС-электрический (130 л.с. и 25 кВт), водомет // Топливо: до 200 л при расходе до 55 л/ч.
«Еще годы назад, выбирая направление, мы решили так, — вспоминает Алексей Майстро. — Ниша воздушных и наземных беспилотников уже занята, в ней крайне высокая конкуренция и высокий порог вхождения. У подводных аппаратов свои особенности и сложности, они требуют компетенции в узкоспецифических технологиях. А вот надводные беспилотники нам доступны на мировом уровне. Этот рынок еще не так развит, но не менее перспективен, чем остальные».
Перспективные варианты
За несколько лет в Политехе разработали целый набор надводных беспилотников для разных задач. Например, с помощью обучающей платформы «Кадет-М» старшеклассники могут проводить батиметрические измерения и строить трехмерные карты морских глубин или же добавить к ней любой дополнительный модуль с новым нужным функционалом. А беспилотный «КиберБоат» готов взять на себя патрулирование прибрежной зоны и борьбу с браконьерством. Мощное судно с бронированным днищем не боится въехать в отмель или поскрестись о песчаную крошку.
«Кадет-М» Размеры: 2х2х1,5 м // Снаряженная масса: 90 кг // Полезная нагрузка: 30 кг // Осадка: 0,12 м // Крейсерская скорость: 2−4 узла // Максимальная скорость: 12 узлов // Дальность хода: до 75 миль // Двигатель: электрический (1,5−4,5 кВт) // Энергия: солнечные батареи (0,6 кВт).
«В принципе, его техническое зрение можно обучить не только сближаться с возможными нарушителями, но и распознавать рыболовную снасть, передавая тревожный сигнал на базу, — добавляет Алексей. — Тяжелые аккумуляторы обеспечивают тихий и долгий — до 700 км — ход, а при необходимости можно включать бензиновый двигатель и идти на нем или подзаряжать батареи». Вдобавок боевитый «КиберБоат» не боится затопления. Баллоны из вспененного полиэтилена позволят продолжать движение даже при серьезном повреждении корпуса, а надувная подушка контропрокидывания вернет судно в нормальное положение даже при полном переворачивании.
Возможно, что вскоре где-нибудь в заповедниках дельты Волги целые отряды беспилотников выйдут на охрану исчезающих видов. В Политехе уже отрабатываются технологии их действия в рое, рассматривается даже возможность выведения на орбиту небольшой флотилии наноспутников формата CubeSat 3U, которые обеспечат единое информационное поле для группировки дронов. «Мы — университет, у нас широкая сфера компетенций, есть хорошая база для экспериментального производства и отработки технологий для передачи промышленности. Наша задача — делать исследовательские и опытно-конструкторские работы, НИРы и НИОКРы, и если находится финансирование, то дефицита в идеях не бывает».
Источник: https://www.popmech.ru/technol...