cahtНаучный вестник МГТУ ГАCivil Aviation High Technologies2079-06192542-0119Moscow State Technical University of Civil Aviation (MSTU CA)10.26467/2079-0619-2021-24-3-57-70caht-1834Research ArticleАВИАЦИОННАЯ И РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКАЯ ТЕХНИКАAVIATION, ROCKET AND SPACE TECHNOLOGYИсследование способов склонения при формировании облика беспилотного летательного аппарата с вертикальным стартомStudy of declination methods while forming the appearance of the surface-to-air unmanned aerial vehicle with a vertical startВиндекерА. В.VindekerA. V.

Виндекер Александр Викторович, инженер Долгопрудненского научно-производственного предприятия, аспирант Московского авиационного института (национального исследовательского университета)

г. Долгопрудныйг. Москва

Alexander V. Vindeker, Engineer of Dolgoprudny Research and Production Enterprise, Postgraduate Student of Moscow Aviation Institute (National Research University)

DolgoprudnyMoscow

jaguarrus90@mail.ruДолгопрудненское научно-производственное предприятие; Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)РоссияDolgoprudny Research and Production Enterprise; Moscow Aviation Institute (National Research University)Russian Federation2021280620212435770Copyright © Виндекер А.В., 20212021Виндекер А.В.Vindeker A.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://avia.mstuca.ru/jour/article/view/1834

Рассмотрена задача выбора рациональной системы склонения из числа альтернативных вариантов на этапе формирования облика беспилотного летательного аппарата (БЛА) с вертикальным стартом. В настоящее время вертикальный старт находит все более широкое применение для беспилотных летательных аппаратов класса «поверхность – воздух», рассматриваемых в настоящей работе. Характерным начальным участком траектории таких беспилотных летательных аппаратов является склонение до требуемого углового положения за короткий промежуток времени. Для осуществления процесса склонения БЛА требуется создание относительно больших управляющих моментов. Склонение БЛА класса «поверхность – воздух» реализуется посредством моментного газодинамического управления двумя основными способами – в применении системы управления вектором тяги основного реактивного двигателя БЛА или использовании специальных дополнительных газодинамических устройств. Альтернативными вариантами систем склонения при решении рассматриваемой задачи являются: система управления вектором тяги с газовыми рулями, размещаемыми в сопле двигателя БЛА или сразу за его срезом на специальных пилонах; импульсная двигательная установка, создающая момент склонения БЛА посредством реактивных струй микродвигателей, включаемых по специальному алгоритму. При сравнительном анализе систем склонения критерием правильности выбора способа склонения являлась реализуемая ближняя граница зоны поражения. В качестве критерия выбора рационального варианта системы склонения принят минимум массы проектируемого БЛА. Приведены основные соотношения для расчета главных проектных параметров рассматриваемых систем склонения. Выполнен расчет параметров облика гипотетического БЛА класса «поверхность – воздух» средней дальности с альтернативными системами склонения. Проведен сравнительный анализ полученных результатов.

The problem of choosing a rational declination system from alternative variants at the stage of forming the appearance of an unmanned aerial vehicle (UAV) with a vertical launch is considered. Currently, the vertical launch is becoming more widely used for surface-to-air unmanned aerial vehicles, which are considered in this paper. A characteristic initial part of the trajectory of such unmanned aerial vehicles is the declination to the required angular position over a short period of time. The UAV declination process requires the generation of relatively large control moments. Declination of surface-to-air UAVs is implemented by means of moment gas-dynamic control with two main methods – by using the thrust vector control system of the UAV main jet engine or by using special additional gas-dynamic devices. The alternative variants of declination systems for solving the problem under consideration are:

– a thrust vector control system with gas rudders installed in the UAV engine nozzle or just behind its cut-off on special pylons;– a pulse propulsion system that creates the UAV declination moment by means of jets of micro-thrusters, which are activated by a special algorithm.

In the comparative analysis of declination systems, the criterion for choosing the correct method of declination was the actual near border of the affected zone. The mass minimum of the projected UAV is accepted as the criterion for choosing a rational variant of the declination system. The main relations for calculating the main design parameters of the considered declination systems are given. The appearance parameters of the hypothetical surface-to-air UAV of medium range with alternative declination systems were calculated. A comparative analysis of the results obtained was carried out.

беспилотный летательный аппарат (БПЛА)система склонениягазодинамические устройствагазовый рульимпульсная двигательная установкаальтернативные вариантыunmanned aerial vehicle (UAV)declination systemgas-dynamic devicesgas rudderpulse propulsion systemalternative variantsReferencesАфанасьев П.П. Беспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования / П.П. Афанасьев, И.С. Голубев, С.Б. Левочкин, В.Н. Новиков, С.Г. Парафесь, М.Д. Пестов, И.К. Туркин; под ред. И.С. Голубева, И.К. Туркина. М.: Изд-во МАИ, 2010. 654 с.Afanasev, P.P., Golubev, I.S., Levochkin, S.B., Novikov, V.N., Parafes, S.G., Pestov, M.D. and Turkin, I.K. (2010). Bespilotnyye letatelnyye apparaty. Osnovy ustroystva i funktsionirovaniya [Unmanned aerial vehicles. Fundamentals of structure and functioning], in Golubev I.S., Turkin I.K. (Eds.). Moscow, Izdatelstvo MAI, 654 p. (in Russian)Архангельский И.И. Проектирование зенитных управляемых ракет / И.И. Архангельский, П.П. Афанасьев, Е.Г. Болотов, И.С. Голубев, С.Б. Левочкин, А.М. Матвеенко, В.Я. Мизрохи, В.Н. Новиков, С.Н. Остапенко, В.Г. Светлов; под ред. И.С. Голубева, В.Г. Светлова. М.: Экслибрис-Пресс, 2013. 764 с.Arhangel'skij, I.I., Afanasev, P.P., Bolotov, E.G., Golubev, I.S., Levochkin, S.B., Matveenko, A.M., Mizrohi, V.Ya., Novikov, V.N., Ostapenko, S.N. and Svetlov, V.G. (2013). Proyektirovaniye zenitnykh upravlyaemykh raket [Design of anti-aircraft guided missiles], in Golubev I.S., Svetlov V.G. Moscow: Ekslibris-Press, 764 p. (in Russian)Светлов В.Г., Архангельский И.И., Мизрохи В.Я. и др. Современные способы газодинамического управления определяют облик ЗУР нового поколения // Техника воздушного флота. 1998. № 1. С. 49–56.Svetlov, V.G., Arhangel'skij, I.I., Mizrokhi, V.Ya. and others (1998). Sovremennyye sposoby gazodinamicheskogo upravleniya opredelyayut oblik ZUR novogo pokoleniya [Modern methods of gas dynamic control determine the appearance of a new generation anti-aircraft guided missile]. Tekhnika vozdushnogo flota, no. 1. pp. 49–56. (in Russian)Петраш В.Я., Коваленко А.И. Расчет параметров и характеристик летательных аппаратов с устройствами газодинамического управления: учеб. пособие. М.: Изд-во МАИ, 2003. 93 с.Petrash, V.Ya. and Kovalenko, A.I. (2003). Raschet parametrov i kharakteristik letatelnykh apparatov s ustroystvami gazodinamicheskogo upravleniya [Calculation of parameters and characteristics of an aircraft with gas-dynamic control devices]. Moscow: Izdatelstvo MAI, 93 p. (in Russian)Мизрохи В.Я. Проектирование управления зенитных ракет. М.: Экслибрис-Пресс, 2010. 252 c.Mizrokhi, V.Ya. (2010). Proektirovaniye upravleniya zenitnykh raket [Designing antiaircraft missiles control]. Moscow: Ekslibris-Press, 252 p. (in Russian)Панкратов О.Н., Чабанов В.А. Методы и технические устройства наведения современных ракет класса «воздух – воздух» // Авиационные системы. 2018. № 5. С. 35–39.Pankratov, O.N. and Chabanov, V.A. (2018). Metody i tekhnicheskiye ustroystva navedeniya sovremennykh raket klassa «vozdukh – vozdukh» [Methods and technical guidance devices for modern air-to-air missiles]. Aviatsionnyye sistemy, no. 5, pp. 35–39. (in Russian)Tekin R. Design, modeling, guidance and control of a vertical launch surface to air missile. Master’s thesis, Middle East Technical University, September 2010. 153 p.Tekin, R. (2010). Design, modeling, guidance and control of a vertical launch surface to air missile. Master’s thesis, Middle East Technical University, 153 p.Zhandildinova K.M., Moldabekov A.K. Ummanned aerial vehicle control with a wing circulation system // Вестник Академии гражданской авиации. 2020. № 1 (16). С. 33–37.Zhandildinova, K.M. and Moldabekov, A.K. (2020). Ummanned aerial vehicle control with a wing circulation system. Bulletin of the Academy of Civil Aviation, no. 1 (16). pp. 33–37.Дунаев В.А., Никитин В.А., Столбовской В.Н. Исследование влияния формы газового руля на величину потерь тяги в процессе работы РДТТ методом математического моделирования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. № 2. С. 68–74.Dunaev, V.A., Nikitin, V.A. and Stolbovskoy, V.N. (2011). The research of the gas rudder form influence on draught losses size in the course of firm fuel rocket engine work by means of mathematical modeling. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki, no. 2, pp. 68–74. (in Russian)Столбовской В.Н. Исследование влияния конструктивных параметров газового руля РДТТ и угла его поворота на потери тяги и управляющие усилия // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. № 2. С. 75–81.Stolbovskoy, V.N. (2011). The research of the gas rudder data influence of firm fuel rocket engine and its turn angle on draught losses and operating effort. Izvestiya Tulskogo gosudarstvennogo universiteta. Tekhnicheskiye nauki, no. 2, pp. 75–81. (in Russian)Шестаков И.А., Федотов А.Ю., Шушков А.А. Математическое моделирование системы управления атмосферного летательного аппарата // Математическое моделирование в естественных науках. 2014. Т. 1. С. 307–309.Shestakov, I.A., Fedotov, A.Yu. and Shushkov, A.A. (2014). Matematicheskoye modelirovaniye sistemy upravleniya atmosfernogo letatelnogo apparata [Mathematical modeling of the atmospheric aircraft control system]. Matematicheskoye modelirovanie v estestvennykh naukakh, vol. 1, pp. 307–309. (in Russian)Тимаров А.Г., Ефремов А.Н., Бульбович Р.В. Численное моделирование влияния уноса газовых рулей на управляющие усилия // Вестник Концерна ВКО «Алмаз-Антей». 2016. № 3. С. 47–51.Timarov, A.G., Efremov, A.N. and Bulbovich, R.V. (2016). Numerical simulation of jet vane carry-over effect on steering effort. Journal of "Almaz-Antey" Air and Space Defence Corporation, no. 3, pp. 47–51. (in Russian)Тимаров А.Г., Ефремов А.Н., Бульбович Р.В. Некоторые вопросы расчетного определения управляющих усилий от газовых рулей ракетного двигателя // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Аэрокосмическая техника. 2017. № 48. С. 35–42. DOI: 10.15593/2224-9982/2017.48.04Timarov, A.G., Efremov, A.N. and Bulbovich, R.V. (2017). Some issues of calculation of steering efforts of rocket motor jet vanes. Vestnik Permskogo natsionalnogo issledovatelskogo politekhnicheskogo universiteta. Aerokosmicheskaya tekhnika, no. 48, pp. 35–42. DOI: 10.15593/2224-9982/2017.48.04 (in Russian)Виндекер А.В., Парафесь С.Г. Выбор конструкционного материала и внешней геометрии газового руля системы склонения беспилотного летательного аппарата // Научный Вестник МГТУ ГА. 2018. Т. 21, № 1. С. 67–76. DOI: 10.26467/2079-0619-2018-21-1-67-76Vindeker, A.V. and Parafes, S.G. (2018). Choice of structural material and external gas rudder geometry of declination system of unmanned aerial vehicle. Civil Aviation High Technologies, vol. 21, no. 1, pp. 67–76. DOI: 10.26467/2079-0619-2018-21-1-67-76 (in Russian)Яковлев Г.А., Масальцева Е.К. Моделирование траектории полета ракеты с вертикальным пуском // Техника XXI века глазами молодых ученых и специалистов. 2018. № 17. С. 393–402.Yakovlev, G.A. and Masaltseva, E.M. (2018). Modeling the flight course of vertical launching rockets. Tekhnika XXI veka glazami molodykh uchenykh i spetsialistov, no. 17, pp. 393–402. (in Russian)Chen Q. Comparison of different k-ε models for indoor air flow computations // Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals. 1995. Vol. 28, iss. 3. Pp. 353–369. DOI: 10.1080/10407799508928838Chen, Q. (1995). Comparison of different k-ε models for indoor air flow computations. Numerical Heat Transfer, Part B: Fundamentals, vol. 28, issue 3, pp. 353–369. DOI: 10.1080/10407799508928838Lin C.L., Lin Y.P., Wang T.L. A fuzzy guidance law for vertical launch interceptors // Control Engineering Practice. 2009. Vol. 17, no. 8. Pp. 914–923. DOI: 10.1016/j.conengprac.2009.02.008Lin, C.L., Lin, Y.P. and Wang, T.L. (2009). A fuzzy guidance law for vertical launch interceptors. Control Engineering Practice, vol. 17, no. 8, pp. 914–923. DOI: 10.1016/j.conengprac.2009.02.008Tekin R., Atesoglu O., Leblebicioglu K. Modeling and vertical launch analysis of an aeroand thrust vector controlled surface to air missile // AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference, 2010. DOI: 10.2514/6.2010-7639Tekin, R., Atesoglu, O. and Leblebicioglu, K. (2010). Modeling and vertical launch analysis of an aero- and thrust vector controlled surface to air missile. AIAA Atmospheric Flight Mechanics Conference. DOI: 10.2514/6.2010-7639Murty C., Rao M.S., Chakraborty D. Numerical simulation of nozzle flow field with jetvane based thrust vector control // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering. 2010. Vol. 224, iss. 5. Pp. 541–548. DOI: 10.1243/09544100JAERO677Murty, C., Rao, M.S. and Chakraborty, D. (2010). Numerical simulation of nozzle flow field with jet-vane based thrust vector control. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part G Journal of Aerospace Engineering, vol. 224, issue 5, pp. 541–548. DOI: 10.1243/09544100JAERO677Tekin R., Atesoglu O., Leblebicioglu K. Flight control algorithms for a vertical launch air defense missile // Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control, 2013. Pp. 73–84. DOI: 10.1007/978-3-642-38253-6_6Tekin, R., Atesoglu, O. and Leblebicioglu, K. (2013). Flight control algorithms for a vertical launch air defense missile. Advances in Aerospace Guidance, Navigation and Control, pp. 73–84. DOI: 10.1007/978-3-642-38253-6_6Murty C., Chakraborty D. Numerical characterisation of jet-vane based thrust vector control systems // Defence Science Journal. 2015. Vol. 65, no. 4. Pp. 261–264. DOI: 10.14429/dsj.65.7960Murty, C. and Chakraborty, D. (2015). Numerical characterisation of jet-vane based thrust vector control systems. Defence Science Journal, vol. 65, no. 4, pp. 261–264. DOI: 10.14429/dsj.65.7960Du W., Zhou H., Chen W. Trajectory optimization for agile-turn of vertically launched missile // 2016 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, 2016. Pp. 2110–2115. DOI: 10.1109/ICMA.2016.7558892Du, W., Zhou, H. and Chen, W. (2016). Trajectory optimization for agile-turn of vertically launched missile. 2016 IEEE International Conference on Mechatronics and Automation, pp. 2110–2115. DOI: 10.1109/ICMA.2016.7558892Yogesh M., Hari Rao A.N. Solid particle erosion response of fiber and particulate filled polymer based hybrid composites: a review // Journal of Engineering Research and Applications. 2016. Vol. 6, iss. 1 (part – 4). Pp. 25–39.Yogesh, M. and Hari Rao, A.N. (2016). Solid particle erosion response of fiber and particulate filled polymer based hybrid composites: a review. Journal of Engineering Research and Applications, vol. 6, issue 1, (part–4), pp. 25–39.Петраш В.Я. Методы и модели автоматизированного проектирования летательных аппаратов. М.: Изд-во МАИ, 2007. 92 с.Petrash, V.Ya. (2007). Metody i modeli avtomatizirovannogo proektirovaniya letatelnykh apparatov [Methods and models of computer-aided design of aircraft]. Moscow: Izdatelstvo MAI, 92 p. (in Russian)Петраш В.Я. Особенности автоматизированного проектирования беспилотных летательных аппаратов с аэрогазодинамическим управлением. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2009. 95 с.Petrash, V.Ya. (2009). Osobennosti avtomatizirovannogo proektirovaniya bespilotnykh letatelnyh apparatov s aerogazodinamicheskim upravlenyem [Features of computer-aided design of unmanned aerial vehicles with aerogasodynamic control]. Moscow: Izdatelstvo MAI-PRINT, 95 p. (in Russian)Петраш В.Я. Баллистическое и массово-геометрическое проектирование беспилотных ЛА в учебной САПР. М.: Изд-во МАИ, 2020. 100 с.Petrash, V.Ya. (2020). Ballisticheskoye i massovo-geometricheskoye proektirovaniye bespilotnykh LA v uchebnoy SAPR [Ballistic and mass-geometric design of unmanned aircraft in training CAD]. Moscow: Izdatelstvo MAI, 100 p. (in Russian)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.