Принципы и приборные средства разработки компактных пневматических катапульт с многоразовым подводом рабочего тела

Введение. Независимо от назначения беспилотного авиационного комплекса (БАК) одним из основных критериев технического совершенства является мобильность и компактность. В наиболее критично свойство компактности проявляется в наземном пусковом устройстве (НПУ, катапульте) и оценивается длиной направляющей. Несовершенство организации рабочего процесса расширительной машины НПУ, выражающееся в падении стартовой перегрузки по мере разгона на направляющей, обусловило необходимость цикла исследовательских работ, направленных на оптимизацию динамических характеристик [1, 2]. В результате был создан действующий образец пневматической катапульты с многоразовым подводом рабочего тела для ввода в полет с поверхности беспилотных летательных аппаратов (БЛА). В предлагаемой статье представлены результаты натурных испытаний НПУ Р12П для запуска БЛА РМ130У производства ООО Научно-производственной фирмы «Ротор» (г. Тольятти).

Конструкция и особенности работы НПУ. Параметрический и конструктивный облик данного устройства сформирован в работе [3]. Катапульта состоит из ферменного каркаса треугольного сечения, выполняющего роль силового элемента. Сверху на каркасе находятся две направляющих для разгона БЛА, выполненных из швеллеров равной толщины. Внутри фермы располагаются воздушные аккумуляторы давления и пневматический цилиндр линейного действия. Шток пневмопривода перемещается по собственной направляющей и связан посредством гибкой трансмиссии со стартовой тележкой и БЛА (рис. 1).

Основной особенностью рабочего процесса разработанного образца НПУ является многоразовый подвод рабочего тела в пневматический цилиндр из автономных баллонов в заранее установленные моменты времени. Срабатывание клапанов происходит в моменты падения стартовой перегрузки и направлено на поддержание ее на уровне, близком к постоянному. Авторские права на способ компенсации падения тягового усилия и устройство его реализующее защищены патентом Российской Федерации на изобретение (приоритетная справка № 2012139750 от 17.09.2012).

Рис. 1. Момент схода с направляющей груза-макета

Основные принципы и средства проведения работ по натурной оптимизации пневматической катапульты. Наиболее важными характеристиками НПУ с пневматическим приводом являются стартовая перегрузка, скорость ввода в полет и дистанция разгона. Для регистрации указанных параметров на начальных стадиях испытаний применялись оптические методы измерения положения груза-макета на направляющей с последующим дифференцированием измеренного параметра. На более поздних этапах использовался штатный бортовой самописец вводимого в полет БЛА, позволяющий мгновенно регистрировать все вышеуказанные параметры.

Натурные испытания показали, что катапульта с многоразовым подводом рабочего тела позволяет получить любой требуемый закон распределения тягового усилия (регрессивный, прогрессивный, постоянный). Однако из условия минимизации длины направляющей при сохранении заданной скорости схода следует необходимость обеспечения постоянного закона тягового усилия.

Настройка на постоянный закон тягового усилия осуществлялась смещением фазы включения клапанов в зависимости от положения поршня при одинаковом уровне давления в баллонах. На рис. 2 и 3 представлены циклограммы параметров рабочего процесса на расчетном режиме, полученные в результате одного из натурных испытаний. По результатам более чем 20 пусков определена относительная ошибка эксперимента, которая составила 7,65%. Для новых объектов техники нетрадиционных схем, величина погрешности представляется вполне приемлемой.

Рис. 2. Циклограмма перегрузки, действующей на БЛА

Рис. 3. Динамика набора скорости БЛА при движении по направляющей

Натурный эксперимент показал, что постоянство тягового усилия позволяет получить заданную техническими требованиями скорость ввода в полет БЛА, приближающуюся к 60 м/с на участке разгона длиной 12 м для БЛА массой до 130 кг.

Сравнение с серийными аналогами. Ранжирование известных образцов пневматических НПУ по длине разгонного участка, позволяет получить отчетливую их сепарацию по уровню совершенства организации рабочего процесса в расширительной машине (рис. 4). Представленная диспозиция свидетельствует о низкой мобильности и компактности систем с одноразовой системой подачи рабочего тела при прочих равных характеристиках (табл. 1). Следует отметить, что у приведенных зарубежных аналогов стартовая перегрузка в момент старта и схода БЛА может отличаться вдвое, что требует использования устойчивого к рывкам бортового радиоэлектронного оборудования (БРЭО). Использование твердотельного БРЭО повышает стоимость БЛА и делает нецелесообразным использование БАК с регрессивным законом перегрузки в условиях массовости пусков.

Рис. 4. Оценки компактности НПУ (см. расшифровку цветов в табл.)

Таблица

Характеристики аналогов НПУ

Заключение. В результате экспериментов было установлено, что последовательная подача рабочего тела из баллонов малого объема, при условии их оптимального срабатывания, оказывается эффективнее одноразовой подачи из баллона большого объема (представляющего сумму малых).

Технология натурного эксперимента, использующая принцип однопараметрической регистрации траекторного движения БЛА (положения на направляющей в определенный момент времени) и предназначенная для решения задач оптимизации рабочих процессов пневматических НПУ, отвечает общей тенденции к частичному перераспределению основной нагрузки с этапов опытной доводки на предварительную расчетную проработку.