Тандемный VTOL: масштабирование от лётного макета к экспериментальному БПЛА

Уменьшенный лётный макет подтверждает работоспособность компоновки, но не характеристики полноразмерного аппарата. Экспериментальный образец с размахом до 7,6 м и взлётной массой 135–150 кг должен показать, сохраняются ли управляемый переход, снижение энергопотребления на крыле и устойчивость тандемной схемы при росте массы более чем на порядок.

ООО «АУРИГА» разрабатывает тяжёлый грузовой БПЛА гибридной аэродинамической схемы: два несущих крыла и четыре фиксированные винтомоторные группы. При взлёте тяга направлена вертикально, в крейсерском полёте — вперёд. Поворотных мотогондол и отдельных подъёмных двигателей нет: между режимами меняется ориентация всего аппарата.

Такая компоновка относится к классу VTOL (Vertical Take-Off and Landing), точнее — tandem-wing tilt-body VTOL, или tailsitter. В документации ArduPilot к tailsitter отнесены аппараты, которые при переходе между висением и самолётным полётом поворачивают фюзеляж вместе с автопилотом; PX4 отдельно указывает, что двигатели у такой схемы могут оставаться неподвижными относительно корпуса.

Что уже подтвердил уменьшенный лётный макет

Первый этап НИОКР проверял сам принцип: макет должен был вертикально взлететь, перейти в горизонтальный полёт, вернуться в вертикальный режим и сесть без отдельной подъёмной силовой установки. Дополнительно измерялось энергопотребление в каждом режиме.

Макет также выполнил автоматический полёт по заданной миссии. Отсюда следуют три вывода: одна винтомоторная группа применима во всех режимах; после выхода на крыло потребность в тяге падает более чем вдвое по току; переход выполняется без механического поворота двигателей или крыльев.

Сравнивать по этим данным дальность или удельный расход энергии нельзя: ток не учитывает напряжение, длительность режима, скорость, пройденное расстояние и полезную нагрузку. Результат макета подтверждает направление разработки, но не заменяет испытаний полноразмерного образца.

Почему размеры нельзя увеличить пропорционально

При удвоении линейного размера площадь крыла растёт примерно вчетверо, объём — в восемь раз, а масса конструкции зависит от материалов, толщины силовых элементов и требуемой жёсткости. Геометрического подобия недостаточно даже для оценки взлётной массы.

Меняется и аэродинамика. Число Рейнольдса определяет состояние пограничного слоя, сопротивление профиля, максимальный коэффициент подъёмной силы и характер срыва потока. Профиль, устойчивый на макете с хордой в десятки сантиметров, не обязан сохранить те же свойства при другой хорде и скорости 80–140 км/ч.

Отдельная задача — винты. Их характеристики зависят от диаметра, шага, частоты вращения, скорости набегающего потока и угла между осью винта и потоком. В переходном режиме винт работает иначе, чем при статической тяге на стенде или в установившемся горизонтальном полёте.

Целевые параметры экспериментального образца

Это уже не демонстрационная модель: на такой размерности проявляются реальные конструкционные, аэродинамические и энергетические ограничения. Приведённые значения относятся к проектируемому образцу и уточняются по результатам расчётов, продувок и лётных испытаний.

Как взаимодействуют переднее и заднее крыло

В тандемной схеме подъёмную силу создают обе несущие поверхности. Это распределяет нагрузку и даёт диапазон рабочих центровок, сопоставимый с хордой крыла, — важное свойство для аппарата с переменной загрузкой 15–45 кг.

Но переднее крыло меняет поток, в котором работает заднее: за ним формируются скос потока и аэродинамический след. Локальный угол атаки заднего крыла отличается от геометрического, а его подъёмная сила — от расчёта изолированного профиля. На взаимодействие влияют продольное расстояние между крыльями, разница по высоте, углы установки, отношение площадей, положение центра масс, режим работы винтов и углы отклонения закрылков.

Расчёт должен дать не только суммарную подъёмную силу, но и распределение продольного момента. Нежелательный сценарий — потеря эффективности одного крыла раньше другого с быстрым неуправляемым изменением тангажа.

Почему переходный режим требует отдельного исследования

В висении аппарат управляется изменением тяги двигателей, в крейсерском полёте — аэродинамическими поверхностями и дифференциальной тягой. Во время перехода оба механизма действуют одновременно: по мере наклона корпуса появляется поступательная скорость, меняются режимы работы винтов, растёт подъёмная сила крыльев, меняется эффективность закрылков и перераспределяются моменты по крену, тангажу и рысканию.

Автопилоту недостаточно переключить два режима — он должен непрерывно перераспределять управляющее воздействие между двигателями и поверхностями. Ошибка алгоритма даёт просадку по высоте, чрезмерный угол атаки или потерю устойчивости. Tailsitter механически проще аппаратов с поворотными мотогондолами, но сложнее в настройке перехода; PX4 прямо отмечает повышенную сложность управления при висении, переходе и работе в ветреных условиях.

Зачем закрылки на обоих крыльях

Закрылки участвуют не только в самолётном управлении — они работают и в потоке от винтов. Их отклонение меняет подъёмную силу каждого крыла, создаёт момент по тангажу, управляет направлением обдува и сохраняет управляющее воздействие на малой поступательной скорости.

На макете закрылки с отдельным алгоритмом управления позволили снизить угол установки крыльев относительно фюзеляжа с 60° до 30° и уменьшить наклон корпуса при посадке, устранив риск удара передней стойки. Отклонение поверхностей вверх используется для уменьшения подъёмной силы при посадке в ветер. Для полноразмерного аппарата эффект подтверждается заново: изменятся площадь поверхностей, шарнирные моменты, жёсткость и быстродействие приводов.

Что должен доказать экспериментальный образец

Слева — то, что уже получено на макете, справа — то, что проверяется в полном масштабе.

Как ведётся проверка

Работа строится расчётно-экспериментальным циклом: каждая гипотеза сначала считается, затем проверяется на продувке или в полёте, и только после этого попадает в требования к конструкции.

Результат НИОКР

Экспериментальный образец не является конечной коммерческой моделью. Его задача — сформировать проверенную инженерную базу: аэродинамическую компоновку, модель переходного режима, допустимый диапазон центровок, алгоритмы управления и эксплуатационные ограничения.

Если испытания подтвердят сохранение эффективности при размахе около 7,6 м и взлётной массе до 150 кг, тандемную tilt-body VTOL-схему можно будет использовать как основу для линейки грузовых аппаратов. Работа ведётся в русле Стратегии развития беспилотной авиации РФ до 2030 года (распоряжение Правительства РФ № 1630-р). Смежные материалы: грузовая платформа-гексакоптер и модульная полезная нагрузка.

Источники

• Tailsitter Planes — документация ArduPilot Plane (определение и особенности схемы).
• Tailsitter VTOL — руководство PX4 (фиксированные двигатели, сложность управления переходом).
• Стратегия развития беспилотной авиации РФ до 2030 года (распоряжение Правительства РФ от 21.06.2023 № 1630-р).
• Результаты испытаний уменьшенного лётного макета (протокол энергопотребления силовой установки), ООО «АУРИГА».