Почему военные дроны имеют такую ​​странную форму?

Передняя часть фюзеляжа в форме кита закрывает параболическую антенну для передачи данных с высокой пропускной способностью. Операторы хотят получать разведывательные данные в режиме реального времени, и, предоставив антенне лучшее место в самолете, она сможет подключаться к спутникам связи, даже когда они находятся прямо над горизонтом.

Чертеж Global Hawk в разрезе ( источник изображения )

V-образное хвостовое оперение Predator унаследовано от беспилотника военно-морского флота, который можно было сложить, чтобы поместить в торпедный аппарат. Обо всем этом читайте в этом ответе . Если вам нужна дополнительная информация о преимуществах перевернутого V-образного хвоста, убедитесь, что вы также прочитали ответ KeithS.

В Global Hawk V-образное хвостовое оперение было выбрано для установки двигателя над фюзеляжем для лучшей защиты от инфракрасного излучения снизу. Две поверхности оперения также защищают выхлоп сбоку, не влияя негативно на аэродинамику.

Конфигурация Aerosonde была выбрана после того, как Тэд МакГир в 1990 году испытал на радиоуправляемой модели БПЛА Perseus of Aurora в масштабе 1/5 , что установленный на хвосте винт стабилизирует самолет до такой степени, что он становится практически неуправляемым. Толкающий гребной винт более эффективен , чем тракторный, что также объясняет расположение гребного винта на Predator.

Если вас поражает, сколько БПЛА имеют V-образное хвостовое оперение: это позволяет использовать меньше компонентов (поверхностей, разъемов, приводов), а поскольку все они перемещаются под управлением компьютера, проблема механического смесителя не существует. Более низкое демпфирование V-образных хвостовых оперений также можно легко допустить, поскольку FCS может реагировать на возмущения гораздо быстрее и соразмернее, чем любой пилот-человек. Более низкая маневренность, возможная с V-образным хвостовым оперением, также не является проблемой — разведывательные БПЛА летают в основном прямолинейно.

Крылья с большим удлинением помогают увеличить дальность полета и особенно время полета дронов-наблюдателей. Подобно крыльям планера, длинное и тонкое крыло обеспечивает наименьшее сопротивление для заданной подъемной силы на дозвуковой скорости.

В конце концов, каждая деталь была выбрана сознательно и может быть хорошо объяснена. Нет никакого заговора, чтобы БПЛА выглядели иначе, чем Цессны.

Основная причина, по которой БПЛА выглядят именно так, заключается в том, что им не нужно нести человека или дисплеи жизнеобеспечения и авионики, которые понадобятся человеку. Таким образом, конструкции строятся вокруг того, что действительно нужно самолету, в основном средства связи и наблюдения / разведки в дополнение к стандартным вещам, которые нужны любому боевому самолету (топливо, вооружение, двигательная установка, подъемные / управляющие поверхности). Практически во всех из них используется V-образное хвостовое оперение для уменьшения лобового сопротивления; Самолет не должен быть таким же маневренным, как пилотируемый истребитель, поэтому двойной хвост с отдельными цельноповоротными рулями высоты излишен, а меньшее лобовое сопротивление увеличивает время полета для большей дальности или возможности праздношатания.

Ключевым соображением при проектировании любого самолета является весовой баланс. 172, довольно обычная конструкция самолета, рассчитана на высокую степень гибкости в отношении полезной нагрузки и распределения; высокорасположенное крыло удерживает центр тяжести ниже центра подъемной силы для обеспечения устойчивости, и, по той же причине, кабина и грузовой отсек находятся под крылом, поэтому изменения центра тяжести не вызывают столь резкого изменения в управлении.

В беспилотном самолете распределение веса довольно статично; любые боеприпасы находятся прямо под крыльями и, следовательно, в центре подъемной силы (топливо также размещено аналогично), а содержимое фюзеляжа, кроме топливной загрузки, практически не меняется между полетами. Это позволяет авиаконструктору позволить форме следовать за функцией; в передней части самолета находится большая часть авионики и средств связи, уравновешивающая двигательную установку в задней части с топливом посередине. Относительный размер и форма этих трех элементов остается на усмотрение дизайнера, а затем крылья просто размещаются в точке баланса или немного позади нее.

RQ-1/MQ-1 Predator, вероятно, выглядит самым странным, потому что помимо V-образного хвостового оперения из-за веса и лобового сопротивления хвостовое оперение перевернуто:

Перевернутое V-образное хвостовое оперение имеет ряд преимуществ при размерах самолета Predator и сложности всей полетной системы:

• Поверхность руля, расположенная под ЦТ, как на Predator, будет катить самолет в направлении рыскания, а не от него, как это сделал бы руль, установленный сверху, что позволяет координировать повороты, используя только руль направления.
• Такое поведение «руля направления» также почти все, что нужно RQ-1 / MQ-1 с точки зрения управления креном, поэтому поверхности руля направления могут быть единственными поверхностями управления на самолете, что значительно упрощает компоновку органов управления корабля. Теоретически отсутствие элеронов позволяет легко снимать или складывать крылья, но у MQ-1 есть пилоны вооружения со схемами стрельбы, которые усложняют это. Более крупные дроны с более длинными крыльями имеют более высокий MOI по оси крена, больше, чем рули направления могли бы преодолеть сами по себе, поэтому в этих конструкциях есть элероны (либо искривляющие крыло, либо шарнирные), что позволяет V-образному оперению быть вертикальным для лучшего дорожного просвета на посадка.
• Боковой ветер на перевернутом V-образном хвостовом оперении заставит самолет подниматься вверх и катиться против ветра, а не падать и откатываться от него с вертикальным V-образным хвостовым оперением. Учитывая высокую задержку связи между Невадой и Кандагаром, это является преимуществом, поскольку над самолетом обычно достаточно места для полета, пока пилот замечает помехи и реагирует на них, но может лететь только вниз до тех пор, пока не закончится время. воздуха. Опять же, более крупные самолеты имеют более высокие MOI, поэтому возмущения менее значительны.
• Перевернутый хвост немного маскирует шум двигателя самолета в полете под определенными углами вперед. Немного, но каждый бит помогает, когда вы пытаетесь оставаться незамеченным.
• Наконец, перевернутая хвостовая часть защищает более дорогой винт, если пилот царапает заднюю часть о землю. Более крупный Reaper имеет больший дорожный просвет, чтобы можно было разместить оружейные пилоны, и поэтому он может больше взрываться при приземлении, не задействуя пропеллер.

RQ-2 Global Hawk на самом деле не выглядит таким надуманным; он имеет некоторое сходство с A-10 Warthog:

Эти два самолета имеют совершенно разные профили миссий (Global Hawk предназначен для замены U-2 для высотного наблюдения и разведки, в то время как A-10 — почтенный бронебойный корабль непосредственной авиационной поддержки), но есть некоторые общие элементы конструкции. , такие как высокий двигатель, замаскированный хвостовым оперением для уменьшения ИК-заметности, и большие низкие крылья, создающие большую подъемную силу (для высокого потолка в случае GH, для полезной нагрузки и живучести в случае A-10).

Что не похоже между ними, так это стоимость программы; оригинальный A-10A стоил всего 450 тысяч долларов в 70-х годах, а с новыми крыльями и модернизированной стеклянной кабиной A-10C по-прежнему стоит всего 11 миллионов долларов за корпус. Затраты на единицу Global Hawk, включая НИОКР, делают программу самой дорогой на сегодняшний день малой авиатехникой в ​​размере 222 млн долларов за единицу, затмевая «стоимость не имеет значения» F-22 ( 182 млн долларов ).

Другие дроны гораздо более экономичны; Predator стоит всего 4 миллиона долларов каждый, а более крупный и сложный Reaper — 16 миллионов долларов. Потеря одного по-прежнему болезненна, и ВВС США потеряли много, в основном из-за ошибки оператора (задержка связи, присущая удаленному пилотированию одного из них с наземной станции за полмира, значительна), но общие затраты на эти программы по-прежнему ничтожны. по сравнению с любым пилотируемым самолетом, находящимся в эксплуатации сегодня, с резко сниженным соотношением обслуживания к летному часу и общими затратами на летный час. А-10 снова является самым дешевым пилотируемым боевым самолетом в эксплуатации, его стоимость составляет около $18 000 за летный час за эксплуатацию (нет слов о том, что включает в себя вся эта цена; вероятно, какая-то комбинация топлива, зарплаты пилота, запчастей, обслуживания и боеприпасов). Predator стоит всего 3600 долларов за летный час, а Reaper около 4800 долларов . Опять же, программа Global Hawk довольно дорога в эксплуатации (около 49 000 долларов за летный час), и это важная причина, по которой U-2 Dragon Ladies, которую должен был заменить Global Hawk, все еще летают (U-2 стоит всего около 30 000 долларов). час полета).

Кто сказал, что они странной формы? Может 172 странный...

Короткий ответ: это лучший дизайн для миссии и конкретного приложения. 172 предназначен для перевозки людей и обучения молодых пилотов, поэтому его характеристики хорошо подходят для этой миссии. Дроны должны нести компьютеры и оборудование для наблюдения, а часто и боевую нагрузку, а не людей. Дроны могут иметь форму, отличную от самолета АОН, поскольку эргономика пилота на самом деле не имеет значения. Как бы то ни было, есть самолеты, имеющие форму упомянутого вами дрона.

Bonanza долгое время использовала V-образное хвостовое оперение: ( источник )

Новый Cirrus Jet имеет V-образное хвостовое оперение и куполообразный планер, очень похожий на дроны, которые вы изображали: ( источник )

Суть в том, что самолеты разрабатываются для конкретных целей, и некоторые аспекты планера подходят для конкретной миссии лучше, чем другие. Самолеты будут отражать эти ограничения по внешнему виду в 100% случаев.

Примечание: низкая скорость вовсе не обязательна для хорошей разведки. SR-71, который, возможно, был одним из самых успешных самолетов-шпионов, без каких-либо проблем провел много разведок с высоты 80000 футов на скорости 3 Маха .

Еще один фактор: Cessna, как и практически все пилотируемые самолеты, оптимизированы для того, чтобы добраться до места назначения.

Однако военные беспилотники больше заинтересованы во времени пребывания над интересующей областью, чем в том, как быстро они туда доберутся. Это приводит к совсем другой оптимизации, чем для пилотируемых самолетов.

У них совсем другое представление о безопасности.

У вас есть самолет, который стоит 500 тысяч долларов . Есть мера безопасности, которая имеет 5% шанс спасти планер сверх ожидаемого срока службы, но стоит 50 тысяч долларов . На пилотируемом самолете это почти наверняка будет сделано. На дроне в большинстве случаев это не имело бы смысла.

Для толкателей с одним двигателем с навесом, когда пилот выпрыгивает из пилотируемого самолета, он может удариться о опору или воздухозаборник в задней части самолета. Это требует либо специальных условий для катапультирования, таких как выпадение днища или борта самолета, либо установки катапультного кресла, достаточно мощного, чтобы гарантировать пилоту освобождение от воздушного винта. Все это увеличивает вес и стоимость. Многим пилотам эта идея не нравится.

У беспилотного дрона такой проблемы нет, авиаконструкторы вольны выбирать конструкции, не задумываясь о том, как из него выйдет человек.

Большая часть причин для головы в форме пузыря - уменьшенное сопротивление. Область действительно скрывает параболическую антенну, но ее можно сделать с помощью многих форм. Эта форма спроектирована так, чтобы иметь наименьшую возможную площадь плоской поверхности, чтобы воздух мог плавно проходить через переднюю часть самолета, а не прерываться и создавать турбулентность при ударе о плоскую поверхность. Это приводит к уменьшению лобового сопротивления и увеличению времени полета на галлон топлива.

Ветровое стекло самолетов Cessna и подобных самолетов представляет собой большую плоскую пластину, в которую может ударить ветер, и, хотя они прекрасно обеспечивают видимость, на самом деле они добавляют самолету довольно много аэродинамического сопротивления. Однако предназначение Cesna делает это приемлемым.

Если вы посмотрите на переднюю нижнюю часть типичной Cessna с одним двигателем, вы обнаружите, что она черная и маслянистая из-за выхлопных газов и остатков масла.

На разведывательных БПЛА размещение двигателя в носовой части (хотя есть несколько примеров — например, IAI Hunter) приводит к тому, что остатки двигателя скапливаются на оптических линзах полезной нагрузки во время работы и ухудшают характеристики полезной нагрузки.

Это основное соображение при размещении (поршневых) двигателей в задней части разведывательных БПЛА.

высокое соотношение сторон предусмотрено для разведывательных операций, таких как Lockheed Martin U3, у которого было соотношение сторон 15, но это тип пилотируемого самолета, пилот должен быть очень высококвалифицированным.