Перспективные области применения компонентов микросистемной техники icon

Перспективные области применения компонентов микросистемной техники


1 чел. помогло.
Смотрите также:
Примерная программа дисциплины «компоненты микросистемной техники» Рекомендуется Минобразованием...
Примерная программа дисциплины “ технология микросистем” Рекомендуется Минобразованием России...
Инновации в экономике.; Актуальные вопросы социально-гуманитарного знания...
Примерная программа дисциплины «проектирование микросистем» Рекомендуется Минобразованием России...
Примерная программа дисциплины «материалы микросистемной техники» Рекомендуется Минобразованием...
Примерная программа дисциплины «материалы микросистемной техники» Рекомендуется Минобразованием...
Участникам Школы будет прочитан курс лекций лучшими отечественными и зарубежными преподавателями...
Перспективные направления в области физической культуры, спорта и туризма...
Программа научно-технической конференции ОАО «ницэвт» «Перспективные направления развития...
Исследование методов аннотирования текстовых документов...
Научно-техническая конференция синтез и разработка технологии компонентов высокоэнергетических...
3 основы сертификации глава вопросы применения контрольно-кассовой техники...



Загрузка...
скачать




ПЕРСПЕКТИВНЫЕ ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ КОМПОНЕНТОВ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ


1. СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ МИКРОАППАРАТОВ



Летательные микроаппараты представляют собой один из видов авиационной техники, получившей название дистанционно-пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА). В зарубежной печати этот вид летательных аппаратов именуется unmanned air vehicle (UAV). В свою очередь ДПЛА представляют собой частный класс беспилотных летательных аппаратов (БЛА), занимающий промежуточное положение между пилотируемой авиацией и беспилотной ракетной техникой.

Термин "дистанционно-пилотируемые" подразумевает не просто радиоуправляемый летательный аппарат по типу авиамоделей. Смысл дистанционного управления сводится к тому, что между человеком-оператором, находящимся на наземном пункте управления, и ДПЛА, находящемся в воздухе, непрерывно происходит обмен информацией, а с помощью полезной нагрузки, находящейся на борту (например, телевизионной камерой), создается иллюзия наблюдения за наземными целями с борта самолета. Огромное значение имеет и то, что при этом с оператора снимаются реальные физические и психологические нагрузки, которым подвергается экипаж пилотируемого самолета. Оператор ДПЛА задает новые параметры полета, а непосредственное отклонение органов управления летательного аппарата осуществляет система автоматического управления. Основное отличие ДПЛА от спортивных авиамоделей заключается в том, что оператор не может влиять на интенсивность выполнения маневра, непосредственно управляя отклонением рулей и тем самым, определяя траекторию полета. Кроме того, управление авиамоделью возможно только тогда, когда она находится в поле зрения оператора, и он отчетливо представляет пространственное положение модели.

История беспилотных самолетов не намного короче истории пилотируемых. Впервые планомерное изучение концепции БЛА начала армия США уже в 1917 г. В этом году армейские войска связи имели построенный фирмой "Дейтон райт" беспилотный биплан "Баг", с помощью которого можно было обеспечить доставку боевого заряда. Однако после окончания первой мировой войны первая эра разработки БЛА в США завершила свое существование, не достигнув стадии широкого использования. В 1924 г. в одном из журналов появилось сообщение о разработке радиоуправляемого самолета, оснащенного телевизионным оборудованием, однако первое применение подобного самолета во время второй мировой войны принесло довольно скромные результаты, так как не было эффективной системы наведения, неприемлемы были летно-технические характеристики и надежность аппарата. Первый беспилотный радиоуправляемый самолет-мишень был сделан в Великобритании в начале 1930-х годов на базе поплавкового гидросамолета Фейри F (предназначался для тренировки расчетов корабельной зенитной артиллерии), и до окончания второй мировой войны беспилотные самолеты использовались в качестве мишеней.

После второй мировой войны усилия по разработке беспилотных самолетов сконцентрировались на переоборудовании пилотируемых самолетов в воздушные мишени и беспилотные разведчики. Во второй половине 50-х годов стали появляться специально разработанные беспилотные самолеты-разведчики. Это были реактивные машины массой в несколько тонн. В основном эти летательные аппараты совершали полеты по программе, и полученная разведывательная информация обрабатывалась на земле после посадки.

В 1960-х годах новый военный конфликт опять стимулировал потребность в БЛА. Эскалация войны во Вьетнаме выявила потребность в проведении операций и полетов с использованием разведывательных беспилотных аппаратов. Необходимость в выполнении таких операций была вполне очевидна, и во время действий во Вьетнаме различные модификации БЛА "Файрби", выполнили свыше 3000 полетов.

Семидесятые годы можно считать завершением первого этапа развития беспилотной авиации.

В начале 80-х годов произошел буквально взрыв интереса к беспилотным самолетам.

Значительные успехи в области микроэлектроники, двигателестроении, оптикоэлектроники, авиационных материалов, инфракрасной аппаратуры и, главным образом, в области эффективной, помехозащищенной радиосвязи обеспечили стремительное развитие ДПЛА.

Многие развитые страны приступили к созданию беспилотных летательных аппаратов массой около 50-70 кг для решения задач телевизионной разведки (как основной). Близость габаритов этих летательных аппаратов к авиамоделям породили всеобщую иллюзию, что этот вид техники можно сделать просто, быстро, дешево и с большим экономическим эффектом. Множество фирм за рубежом и различные организации у нас в стране ринулись разрабатывать ДПЛА, в том числе самых невероятных аэродинамических схем. В 90-х годах было поднято в воздух более 100 типов ДПЛА. У нас в стране не менее 20 организаций разрабатывали тактические ДПЛА и сумели довести их до стадии летных испытаний, и только один из них - "Пчела-1T" разработки ОКБ им. А.С. Яковлева - был доведен до серии и принятия на вооружение. Впрочем, и во всем мире количество типов серийно выпускаемых тактических ДПЛА исчисляется единицами.

ДПЛА используются в различных армиях мира для ведения воздушной разведки - телевизионной в дневное и ночное время, химической, радиационной, радиоэлектронной, а также постановки помех линиям связи и поражения наземных целей с помощью встроенной боевой части.

В 80-е и 90-е годы продолжалось снижение массы бортовых систем ДПЛА, особенно радиоэлектронного оборудования. И если ДПЛА, осуществляющий телевизионную разведку с передачей изображения в реальном масштабе времени на дальность 50 км, в 80-е годы имел массу свыше 100 кг, то масса аналогичной разработки 90-х годов составляла уже 30-40 кг. Однако все возрастающий объем задач, возлагаемый на ДПЛА, и растущие требования заказчика обуславливали тот факт, что масса тактических ДПЛА не опускалась ниже 130 кг.

В настоящее время сложилась ситуация, когда уровень микротехники позволяет ожидать нового качественного скачка в развитии ДПЛА и начала нового этапа развития БЛА - создания летательных микроаппаратов (ЛМА), способных осуществлять воздушную разведку и выполнять ряд других задач, традиционно стоящих перед ДПЛА.

Впервые концепция военного применения микророботов была предложена специалистами корпорации Rand (США) в декабре 1992 г. на совещании представителей военных ведомств и научно-промышленных кругов по проблеме использования технических достижении в военно-оперативных целях.

На слушаниях в Конгрессе США по теме "Разведывательное сообщество 21 века", проходивших в 1995 г., начальник управления новой техники ЦРУ заявил, что проведенные исследования показали возможность создания в ближайшей перспективе миниатюрного разведывательного радиоуправляемого летательного аппарата, получившего название MAV - micro air vehicle.

Разработку этого аппарата возглавило Управление перспективных исследований и разработок (ДАРПА) МО США. В период до 2000 г. планировалось создание действующего образца летательного микроаппарата. Начальное финансирование этих работ в размере 35 млн долл. с 1997 г. осуществляет ДАРПА совместно с NACA.

Был заключен целый ряд контрактов на разработку как ЛМА, так и отдельных систем (двигатели, топливные элементы и т.д.).

В США были выдвинуты следующие требования к ЛМА:

Длина, см 6-20

Взлетная масса, г 10-100

Полезная нагрузка, Н 0,1-0,18

Время полета, мин 20-60

Скорость, км/ч 30-65

Дальность, км 1-10

В настоящее время наибольших успехов в реализации ЛМА достигла американская фирма "Аэро Вайронмент". После двух с половиной лет работы им удалось создать ЛМА с максимальными габаритами 150 мм и массой 60 г. В марте 1999 г. этот аппарат совершил успешный полет продолжительностью 22 мин. При этом осуществлялось наблюдение подстилающей поверхности с помощью бортовой черно-белой телевизионной камеры. Скорость полета составила 12...22 м/с. За время полета аппарат пролетел 16 км. Полеты выполнялись над непересеченной местностью.

Это несомненное техническое достижение американских конструкторов и ученых показало возможность создания летательного аппарата массой около 100 г, способного решать разведывательные задачи. Однако этот полет ставит больше вопросов, чем дает ответов.

Создание ЛМА перешло из теоретических и экспериментальных исследований в конкретную плоскость, и это сразу же ставит вопрос: зачем нужны ЛМА?

В журнале "Aviation Week and Space Technology" (1998, 8. VI, v. l48, № 23. P. 4, 42-43, 47-48) предлагается достаточно широкий спектр задач ЛМА. Прежде всего, ЛМА рассматриваются как аппараты, заменяющие более дорогую военную технику, но способные решать те же задачи, а именно:

  • применение в качестве индивидуального разведывательного средства, а также в качестве техники одноразового использования (например, при проведении химико-бактериологической разведки или диверсионных операций);

  • ведение разведки по различным физическим параметрам (визуальную, радиационно-химическую, биологическую, акустическую);

  • в условиях боя в городе, обследование зданий, находящихся в зоне боевых действий;

  • доставка взрывчатых устройств для поражения уязвимых узлов боевой техники противника (например, кабелей информационных и энергетических сетей). Небольшая грузоподъемность может компенсироваться их групповым применением или проведением серии последовательных подрывов небольшой мощности, но в итоге выводящих из строя объекты противника на длительное время;

  • доставка химических средств поражения личного состава и техники, не попадающих под запрет действующих международных соглашений;

  • скрытое проникновение на объекты противника для сбора аудио-, видео и другой информации;

  • противодействие распространению оружия массового поражения. Так, посредством ЛМА, снабженных химическими, биологическими и радиационными датчиками, предполагается скрыто контролировать деятельность производств, места хранения и маршруты перевозки оружия массового поражения на зарубежных территориях;

  • борьба с незаконным производством и оборотом наркотиков;

  • патрулирование объектов и территорий в целях их защиты от несанкционированного проникновения. При использовании ЛМА планируется достичь более высокой эффективности охраны по сравнению с обеспечиваемой личным составом военных или специальных подразделений, в том числе за счет фактора скрытности;

  • мониторинг последствий природных и техногенных катастроф и поиска пострадавших людей, а также для обследования объектов, присутствие на которых опасно для человека (например, разрушенных в результате землетрясения, зараженных радиоактивными, вредными химическими или биологическими веществами).

Предложенный спектр задач показывает, что подавляющее большинство из них способны выполнять существующие ДПЛА, а групповое использование ЛМА для доставки взрывных устройств относится, скорее, к области деятельности Дэвида Копперфильда, чем к военной технике. При этом несомненно, что ЛМА с наземной аппаратурой управления будет не дешевле ДПЛА "Пойнтер" разработки той же "Аэро Вайронмент" и имеющего массу 4 кг.

Пока просматривается только один вид задач, которые не может решить любой из существующих ДПЛА, но сможет решить ЛМА - это полеты по улицам города на уровне первых этажей, полеты под кронами деревьев и внутри помещений. Реализация этих возможностей ЛМА и является первостепенной. Вопросы о типах размещаемой на нем полезной нагрузки являются вторичными.

ЛМА разработки фирмы "Аэро Вайронмент" имеет аэродинамическое качество 3-4, что как минимум в 3 раза хуже, чем у ДПЛА традиционных размеров. Тяговооруженность этого ЛМА составляет 0,07 Вт/г, что в 2,5 раза хуже, чем у традиционных ДПЛА, и в 4 раза хуже, чем у спортивных самолетов. Это влечет за собой очень плохую маневренность и невозможность летать при достаточно сильном ветре и неспокойной атмосфере, при этом всякие рассуждения о полетах по улицам, под кронами деревьев и в помещениях теряют смысл.

Трудности, с которыми столкнулись разработчики ЛМА, обусловлены, прежде всего тем, что при малых габаритах летательного аппарата (в данном случае 150 мм) традиционные аэродинамические поверхности (крылья или профилированный фюзеляж) имеют крайне низкие аэродинамические характеристики, а органы управления в виде отклоняемых поверхностей малоэффективны. И если для успешного развития ДПЛА в 80-е годы достаточно было уменьшения габаритов радиоэлектронных систем, а собственно летательный аппарат создавался путем простого масштабирования традиционных самолетных схем, то для создания ЛМА необходимо принять принципиально новые решения, прежде всего в облике собственно летательного аппарата.

Создание ЛМА потребует серьезных исследований в различных отраслях науки и техники. Чтобы достичь максимального эффекта, эти исследования должны быть ориентированы на создание ЛМА, что не исключает решения многих проблем в других областях техники в качестве побочного эффекта.

Можно выделить следующие основные направления работ:

  • создание новых аэродинамических схем летательных аппаратов, обеспечивающих более высокое аэродинамическое качество при малых линейных размерах. Поскольку размеры ЛМА в идеале не должны превышать размеров крупных насекомых, потребуется серьезное рассмотрение некоторых аспектов полетов насекомых и птиц. С уменьшением размеров летательного аппарата растет вероятность применения машущего крыла;

  • создание различных типов микродвигателей, в том числе газотурбинных, дизельных, электрических и турбореактивных;

  • реализация адаптивного крыла, способного менять свой профиль в зависимости от режима полета для обеспечения управления полетов, а также рассмотрение возможности применения струйных рулей;

  • разработка новых технологических процессов для изготовления, как самого летательного аппарата, так и его механических и радиоэлектронных систем;

  • создание микроприводов, в том числе с нетрадиционными принципами действия;

  • существенное улучшение характеристик топливных элементов или

  • создание топливных элементов на новых принципах выработки энергии;

  • создание микродатчиков абсолютного и относительного положения;

  • разработка системы навигационного обеспечения и разработка принципов управления ЛМА при полетах в замкнутом пространстве;

  • создание микротелекамер и иных датчиков (акустика, запахи) для получения информации;

  • исследование вопросов заметности ЛМА;

  • создание интегрированной конструкции летательного аппарата без четкого деления на системы и агрегаты для увеличения весовой отдачи ЛМА в целом.

По оценке наших специалистов, на основе разработанных в России элементов и традиционных для авиации технических решений в настоящее время можно создать летательные аппараты массой 650 г, размахом крыла около 400 мм, с электродвигателем, телевизионной аппаратурой в качестве полезной нагрузки, продолжительностью полета 20 мин.

Масса элементов такого летательного аппарата, г:

Телевизионная камера с передатчиком 50

Система автоматического управления 150

Радиокомандная линия 50

Маршевый двигатель 150

Топливные элементы 150

Элементы конструкции 100

Предполагаемая продолжительность режима висения - несколько минут. Это совпадает и с зарубежной информацией о разработке подобных экспериментальных летательных аппаратов.

Создание образца ЛМА, способного решать задачи, свойственные только этому классу летательных аппаратов, будет возможно после решения перечисленных выше принципиальных проблем, связанных главным образом с обликом летательного аппарата и новым двигателем.

2. ^ БЕСПИЛОТНЫЕ ВЕРТОЛЕТЫ - ОТ МИНИ- ДО МИКРОАППАРАТОВ


В России и странах СНГ перекосы в развитии промышленности, недостаточное внимание к экологии и безопасности привели к концентрации на огромных территориях страны сложных экологических проблем. Большое количество экологически опасных производств и объектов требует постоянного контроля для принятия своевременных мер безопасности. Особого внимания требуют нефтегазовые промышленные установки, нефтегазопроводы, районы типа Чернобыльской АЭС. Постоянного наблюдения требуют также лесные массивы Сибири и такие уникальные природные образования, как озеро Байкал.

Применение в этих целях пилотируемых аппаратов не всегда безопасно для экипажей, особенно в зонах крупных катастроф типа Чернобыльской, сопровождающихся радиоактивным химическим и биологическим заражением.

Для решения таких задач требуется оперативное, относительно недорогое средство, способное обеспечить регулярный эффективный экологический контроль. Весьма перспективным средством является беспилотный вертолет, способный вести длительное патрулирование в воздухе, обследовать обширные территории, передавая информацию на наземный пункт, а при необходимости доставлять в заданный район средства подавления и локализации отдельных очагов опасности. При использовании беспилотного вертолета в условиях катастроф его большим преимуществом является безопасность людей,  ведущих  наблюдение в зонах бедствия. Беспилотные вертолеты могут принести большую пользу и для решения задач органов внутренних дел и пограничной службы.

Практически все беспилотные вертолеты в различных странах спроектированы по концепции соосного вертолета в силу его преимуществ на висении и на режиме полета с малыми скоростями. ОАО "Камов" является единственным в мире производителем соосных пилотируемых вертолетов (первыми российскими беспилотными вертолетами стали вертолеты фирмы "Камов" - Ка-37 и Ка-137).

В настоящее время во всем мире существует большая потребность в микровертолетах. Их размеры необычно малы – в размере птиц и даже насекомых. Это кажется нереальным, но современные достижения науки и технологии дают основание для решения всех проблем создания маленького беспилотного вертолета.

Современное состояние беспилотных вертолетов. В развитых странах Запада начиная с 60-х годов ведутся интенсивные научно-исследовательские и оптико-конструкторские работы по созданию беспилотных вертолетов. В результате к началу 80-х годов в этих странах приступили к созданию серийных образцов беспилотных вертолетных комплексов, предназначенных для решения задач военно-разведывательного характера. Широко обсуждаются также возможности применения беспилотных вертолетов для гражданских целей. Анализ показывает, что в последние годы интерес к использованию беспилотных вертолетов значительно вырос. Это объясняется достижениями вертолетостроения в области конструкции, аэродинамики, технологи и систем управления. Немаловажное значение имеют также существенные преимущества беспилотных вертолетов по сравнению с беспилотными летательными аппаратами других схем:

  • возможность без аэродромного применения, отсутствие сложного стартово-посадочного оборудования;

  • уменьшение продолжительности подготовки к повторному вылету;

  • возможность висения и полета на малых и около нулевых скоростях;

  • уникальная возможность маневрирования.

Класс беспилотных летательных аппаратов в последнее десятилетие существенно пополнился за счет беспилотных вертолетов CL-227 (Канада, фирма "Канадер"), Cypher (США, фирма "Сикорский"), Sprite (Великобритания, фирма "Авиейшен лимитед") и др. Большинство беспилотных вертолетов (см. таблицу) имеют небольшую массу (от 40 до 300 кг), относительно небольшие скорости полета (до 150-200 км/ч), потолок висения – 2-3 км, дальность полета – до 500 км и продолжительность полета – до 4 ч. Эти вертолеты, как правило, эксплуатируются вдали от пункта старта и должны выполнять автономный полет.

Интересно отметить, что практически все беспилотные вертолеты выполнены по соосной схеме, уникальный опыт создания которой имеет во всем мире только фирма "Камов". Соосные вертолеты обладают рядом свойств (высокий КПД винтов, отсутствие потерь мощности на компенсацию реактивного момента, аэродинамическая симметрия, независимость органов управления, высокие пилотажные и маневренные характеристики, компактность и малые габариты и др.), которые делают эту схему незаменимой для беспилотных вертолетов, что и подтверждает мировой опыт. В этом отношении фирма "Камов" имеет неоспоримое преимущество.

В нашей стране в области создания беспилотных вертолетов имеется серьезное отставание по сравнению с западными странами. В последние годы ведутся интенсивные работы по ликвидации этого отставания. В 1992-1994 годах были проведены работы по созданию экспериментального беспилотного вертолета Ка-37 с полетной массой 250 кг и с двухлопастными соосными винтами. Первый полет беспилотного вертолета Ка-37 был выполнен в 1995году, и летные испытания показали работоспособность, как самого вертолета, так и его бортовых систем, но недостатки силовой установки не дали возможности дальнейшей эксплуатации вертолета Ка-37. Однако сам вертолет Ка-37 послужил прототипом для более энерговооруженного беспилотного вертолета Ка-137.

Концепция применения беспилотных вертолетов

Из широкого круга задач, решаемых беспилотным вертолетом, в качестве основных можно выделить следующие:

  • экологическая экспертиза на суше и над водной поверхностью;

  • систематическое наблюдение (патрулирование) районов аварий и чрезвычайных ситуаций;

  • биологический и химический контроль в биологически опасной для человека зоне;

  • радиационный контроль окружающей среды;

  • контроль и предупреждение аварий трубопроводов на газовых, химических и нефтяных магистралях;

  • охрана лесов и торфяников, предупреждение лесных пожаров, в том числе и пожаров на территории хозяйственных и промышленных объектов;

  • автономная рыборазведка и рыбоохрана на водоемах и прибрежных шельфах;

  • доставка и сброс экстренных грузов: сильнодействующих обеззараживающих растворов и порошков, пенообразующих составов, локализующих разливы; медикаментов, продуктов и почты в процессе оказания помощи в процессе ликвидации аварий и катастроф;

  • контроль автомобильных и железнодорожных магистралей;

  • оперативная аэрофотосъемка;

  • региональная и местная ретрансляция телевизионных сигналов, в том числе и экстренного репортажа;

  • выдача необходимой информации, в том числе и телевизионной, соответствующим службам органов внутренних дел;

  • охрана важных объектов;

  • обеспечение круглосуточного пограничного контроля на труднодоступных участках над сушей и над морем;

  • борьба с бандформированиями и наркобизнесом.

Интересно и использование беспилотного вертолета для управления наземными роботами, выполняющими задачи в зонах разрушений и катастроф, где зачастую невозможно управление ими по радиолинии в силу наличия препятствий и необходимости для оператора находиться на большом удалении от очага опасности.

Решение конкретных задач обеспечивается заказом необходимого комплекса специального целевого оборудования модульного использования.

^ Основные проблемы создания микровертолета

В настоящее время развитие науки и техники позволило вплотную подойти к созданию микроБЛА (беспилотных летательных аппаратов), размеры которых не превышают размеров птиц или даже насекомых. Так, в обзоре работ в США по микроБЛА говорится: "Идея создания микроБЛА как средства разведки войсковых подразделений принадлежит специалистам лаборатории им. Линкольна Массачусетского технологического института. Считается, что такое средство, размером с птицу, особенно эффективное при ведении боевых действий в городских условиях, помимо наблюдения обстановки могло бы применяться для целеуказания, обнаружения элементов химического и биологического оружия, ретрансляции сигналов радиосвязи, минирования труднодоступных объектов."

"В последние годы здесь (в области беспилотной авиации) обозначились три новых перспективных направления: микроБЛА, "разыскивающее оружие" и "необитаемая разведывательно-ударная авиация". Теоретические разработки в этих областях, которыми руководит управление DARPA, охватывают весь спектр боевых действий... и после реализации способны кардинально повлиять на характер будущих войн, максимально снижая в них влияние человеческого фактора. ... с 1998 финансового года FARPA планирует открыть по ним (по мини-БЛА) расходную статью в военном бюджете с финансированием трехлетних работ (20 млн долларов)."

Из того же обзора: "К микроБЛА предъявляются следующие общие требования: длина 6-20 см, взлетная масса 10-100 г, масса полезной нагрузки 1-19 г, время полета 20-60 мин, крейсерская скорость 30-65 км/ч, дальность полета 1-10 км. Рассматривается возможность режима висения".

Следует отметить, что при создании микровертолета возникают как чисто исследовательские теоретические проблемы, так и технологические.

В процессе решения проблем создания микровертолета возникает ряд конкретных задач, от успешного решения которых зависит сама возможность создания такого вертолета. Весь комплекс задач в первом приближении можно разделить на отдельные составляющие, из которых основными являются следующие:

1.  ^ Силовая установка. Необходимы миниатюрные двигатели, удовлетворяющие потребность микровертолетов, потребная мощность которых зависит от массы вертолета и его габаритов. Обороты несущего винта весьма высоки, поэтому или двигатель будет иметь высокие обороты, или надо будет ставить специальный редуктор.

2.  ^ Система управления необычно (для существующих вертолетов) миниатюрных размеров. Это потребует новых конструкций, материалов и специальных теоретических разработок в области управления (возможно, из области теории оптимального управления, нейросетей или других областей теории управления). Особое внимание необходимо уделить системе управления при посадке в целях обеспечения точности вертикальной посадки (без линейных и угловых скоростей).

3.  Специфические датчики, миниатюрность размеров которых потребует новых нестандартных подходов к их созданию:

  • датчики углового положения вертолета (тангаж, крен, курс);

  • датчики угловых скоростей по трем осям;

  • датчики воздушной скорости полета, углов атаки и скольжения (обязательно измерение воздушных скоростей, начиная от режима висения, где воздушная скорость равна нулю);

  • датчики положения относительно заданной точки (продольное, боковое, высота);

  • датчики обратной связи системы управления;

  • датчики системы полезной нагрузки (световые, электрические, химические и т.п.).

4.  Миниатюрный бортовой компьютер и связанный с ним линией передачи данных компьютер наземный.

5.  Материалы и технология их обработки для миниатюрных деталей, в том числе и вращающихся, с достаточно большими нагрузками. Так, лопасти несущего винта имеют размеры: длина – от 10 см, хорда – от 0,3 см, толщина – от 0,05 см.

6.  ^ Средства сообщения с наземным пунктом, откуда осуществляется управление полетом.

7.  Проведение исследовательских и экспериментальных работ, направленных на изучение специфики миниатюрных размеров винта и связанных с этим теоретических проблем, системы управления и др.

Решение этих вопросов невозможно без применения современных достижений науки в создании микросистемной техники, ее элементной базы, высокоэнергоемких микродвигателей, микроэлектронных сенсорных систем и т.п. Перспективы в создании таких элементов отражены.

^ Проблемы создания систем управления авиационных роботов

Системы управления беспилотными вертолетами, а особенно микровертолетами, ставит ряд задач, которые для беспилотного вертолета типа Ка-137 имеют частично решение, но в случае микровертолета могут потребовать особого подхода, а именно:

  • определение оптимальных траекторий перелета из заданной начальной точки пространства в заданную конечную, в том числе и наиболее сложный вариант траектории – полет на малой высоте – так называемый маловысотный полет (МВП);

  • автоматизация выполнения отдельных штатных режимов (разворот в горизонтальной плоскости, заход на посадку и посадка, набор высоты, снижение, маневры в вертикальной плоскости и т.п.), а также полета в целом;

  • автоматическое выполнение посадки в случае отказов, в частности, отказа двигателя и др.;

  • распознавание объектов в целях выполнения задания;

  • ориентация по картине подстилающей поверхности в целях стабилизации висения над точкой и точной посадки;

  • предупреждение выхода за ограничения при выполнении сложных маневров.

В настоящее время создание перспективных систем управления вертолетами настоятельно диктует необходимость отхода от прежних принципов построения систем автоматического управления, основанных на традиционных принципах выработки управляющего сигнала, пропорционального, как правило, первым членам разложения в ряд Тейлора изменения параметров движения, с использованием традиционных же датчиков. Такие методы за рубежом получили название PID-управление, т.е. управление по сигналам, пропорциональным отклонению параметра от заданного(P-position), интегралу от этого отклонения (I-integral) и производной (D-derivative). При современных требованиях, предъявляемых к вертолетам, необходимо сделать следующий шаг в развитии систем автоматического управления – переход от традиционных методов управления к новым, в частности, к использованию методов теории оптимального управления и применению нейроуправления.

Основные задачи, которые должны решать такие системы автоматического управления, основанные на методах теории оптимального управления и нейрокомпьютерах, включают в себя:

  • формирование сигналов управления на основе оптимального управления на данном или близком к нему режиме, заложенному в память компьютера;

  • самообучение на базе запомненного опыта управления;

  • использование информации нетрадиционных (для прежних САУ) датчиков типа оптических систем и т.п.;

  • применение нетрадиционных принципов формирования сигналов управления;

  • выбор самой системой автоматического управления оптимального в данных условиях способа управления и формирования сигналов управления.


3. ^ СОСТОЯНИЕ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ ПОДВОДНЫХ МИНИ- И МИКРОРОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ СИСТЕМ ЗА РУБЕЖОМ


Современное развитие микророботехнических систем способно оказать существенное влияние на многие области деятельности человека, в том числе и в морской среде. Как считают зарубежные эксперты, в промышленном производстве и контроле за окружающей средой микророботы в XXI веке будут играть ведущую роль. Технологической базой микроробототехники является микроэлектромеханика – высокая технология двойного назначения, базирующаяся на использовании методов и средств микроэлектроники [1]. В США и Японии осуществляется ряд проектов, целью которых является создание подводных мини- и микророботов.

В США инициирующим фактором в развитии микросистемной технологии стало появление программы микроэлектромеханических систем (МЭМС), разработанной по заказу Управления перспективных исследований министерства обороны США (DARPA) с названием "MEMS – Microelectromechanical Systems" [2].

Предполагается, что новые разведывательные подводные лодки, которые планируют поставить на вооружение с 2005 г., будут оснащены как подводными разведывательными микророботами, так и летательными микроаппаратами, запускаемыми в воздух из подводного положения [3].




^ Рис. 1. Внешний вид подводного робота-рыбы, созданного  в лаборатории Draper США
В лаборатории Дрейпера (Draper) США интенсивно ведутся исследования по созданию безэкипажных подводных аппаратов (unmanned undersea vehicle-UUV) повышенной маневренности на основе технической имитации движения рыб. Предполагается, что будут созданы подводные аппараты, характеризующиеся малым радиусом разворота, малым временем разгона и торможения. Внешний вид одного из опытных образцов такого подводного робота-рыбы показан на рис. 1. Робот-рыба имеет массу – 130-150 кг, длину – 2,4 м и может развивать скорость до 5 км/ч.

В течение 1998 г. данный образец прошел многократные испытания как в закрытом бассейне Нью-Гемпширского университета (рис. 2), так и в открытых акваториях. В ходе испытаний были отработаны гибкая конструкция корпуса подводного робота и алгоритмы управления его движением.

В Массачусетском технологическом институте (MIT) создан подводный робот "Pike" ("Щука") длиной ~ 0,7-0,8 м, способный развивать скорость до 5-6 м/с (рис. 3). Данный робот является следующим этапом развития экспериментального подводного робота "Типа", созданного в 1994 г. в этом же институте.





Рис. 2. Испытания подводного робота-рыбы в бассейне Нью-Гемпширского университета

Рис. 3. Подводный робот "Щука – Pike" в процессе обучения технике плавания

Большой объем НИОКР по созданию подводных микророботов в США проводится в рамках комплексной программы "Подводные роботы на принципах биомимикрии – Biomimetic Underwater Robot". Данная программа реализуется под руководством Департамента электроники и вычислительной техники США при участии Центра морских наук и Северо-Восточного университета в Бостоне. Основной задачей программы является создание полностью автономных подводных микророботов, имитирующих движение морских биологических объектов. Подобные разработки проводятся и в Северо-Западном университете в Чикаго [4].

Ожидается, что данные разработки найдут широкое применение в военных целях, среди которых можно выделить следующие:

  • обнаружение подводных мин в мелком море;

  • освещение подводной обстановки;

  • решение задач по боевому охранению надводных кораблей и подводных лодок;

  • поддержка аварийно-спасательных работ на затонувших объектах;

  • организациdя связи с подводными лодками.

В ходе реализации программы "Biomimetic Underwater Robot" были разработаны макетные образцы двух подводных микророботов: "Робот-лобстер – Lobster Robot" и "Робот-минога- Undulatory Robot" (рис. 4 и 5). Разработки осуществлялись при финансовой поддержке Управления перспективных исследований и разработок МО США – DARPA (Отдел оборонных наук DSO) и Управления научных исследований ВМС США – ONR (грант № 00014-98-1-0381).





Рис. 4. Внешний вид подводного микро-робота "Лобстер-Lobster"

Рис 5. Внешний вид подводного  микро-робота "Минога-Undulatory"

В Японии компания по производству игрушек "Takara Co" разработала две модели подводных роботов "Aquaroid Fish" (рис. 6) [5]. По заявлению президента компании стоимость этих игрушек не будет превышать 140 дол. США. "Аквароиды" представляют собой рыбы и медузы, которые работают от солнечных и световых батарей. В результате четырех летних исследований, проведенных японской компанией Mitsubishi Heavy Industries, был создан малогабаритный рыбоподобный робот (рис. 7). Общие затраты на проведение этих исследований составили 1 млн. дол. США. Рыбоподобный робот имеет массу ~2,5 кг, длину 50 см и способен под водой развивать максимальную скорость ~0,9 км/ч. Размещенные в нем аккумуляторные батареи обеспечивают его плавание под водой в течение 30 мин.





Рис. 6. Модели игрушек – подводных роботов "Aquaroid Fish", разработанные  японской компанией Takaro Co

^ Рис. 7. Спуск в аквариум рыбоподобного робота, созданного японской компанией Mitsubishi Heavy Industries

Создаваемые подводные микросистемы характеризуются высокой востребованностью для решения военных и гражданских задач. Поэтому процессы развития этих микророботов по мере достижения практически полезных результатов получат приток новых значительных средств и станут, по-видимому, носить резко ускоряющийся характер.

4. ^ МИКРОКОСМИЧЕСКИЕ ИНФОРМАЦИОННЫЕ АППАРАТЫ НА ОСНОВЕ МИКРОСИСТЕМНОЙ ТЕХНИКИ


Идея микроминиатюризации космических аппаратов (КА) зрела давно. Ведущие специалисты высказывали предположение, что если космические системы будут строиться на основе КА размерами с апельсин или футбольный мяч, то такие микроКА (МКА) будут недосягаемы для противодействия, резко возрастет их устойчивость и живучесть.

Микроэлектроника, интеллектуальные вычислительные устройства, микроэлектромеханика, новые материалы, покрытия, технологии, конструкторские решения, обеспечивающие малые размеры, создали потенциал для качественного скачка в развитии космической микроробототехники [1]. На рис. 1 представлен состав микроКА на базе МСТ. Намечается определенный технический и технологический прорыв. Ситуация с МКА в космонавтике напоминает ситуацию, когда А.Ф. Можайский и братья Райт начали создавать авиационную технику.




^ Рис. 1. Состав микроКА на базе МСТ


Представляется, что ряд космических проектов научного и прикладного содержания могут быть реализованы уже в ближайшие годы при достаточной финансовой поддержке и использовании экономически оправданных запусков (например, при "попутном" запуске МКА с основным КА одной ракетой-носителем либо при утилизации и конверсии стратегических ракет).

КА в микроисполнении массой порядка 100 кг, имеющий унифицированную космическую платформу и сменные модули специального назначения, например, обнаружители различных физических полей и соответствующих (по пропускной способности) радиолиний передачи добываемой информации, может иметь следующий состав.

1. Модуль ориентации и стабилизации, в который входят:

  • микродвигатели коррекции положения микроКА на орбите;

  • микродемпфирующее устройство;

  • безрасходовая система ориентации и стабилизации с использованием гравитационных и аэродинамических эффектов;

  • система контроля на базе микродатчиков.

2. Модуль служебных систем, в который входят:

  • бортовой вычислительный комплекс на сверхбольших интегральных схемах;

  • микрорадиолиния управления;

  • микроисточники питания;

  • микромодуль космической навигации;

  • система терморегулирования пассивного типа с использованием системы тепловых труб;

  • конструкция, построенная на использовании сотовых углепластовых панелей, являющихся одновременно силовым элементом, шасси размещения приборов и радиаторами системы терморегулирования.

МикроКА должны строиться на единой конструктивной и системной элементной базе.

Развитие "микро- и малого космоса" на основе МСТ инициирует необходимость использования микро- и малых ракетных комплексов космического назначения, затраты на производство которых в настоящее время соизмеримы с затратами на производство КА. Прогнозируется использование ракет-носителей (РН) массой до 100 т вместо 300 т [2].

На начальном этапе создания МКА должен быть сформирован его облик, представляющий собой совокупность функциональных, конструктивных и других технических характеристик и решений, позволяющий предварительно оценить ожидаемую эффективность МКА. Основные требования предъявляются к информационным свойствам МКА, т.е. к полноте, достоверности, периодичности, виду и т.д. добываемой информации. С этой целью должны быть определены типы информационных источников, требуемая периодичность, содержание и форма получаемой и выдаваемой пользователям информации в процессе взаимодействия с микроКА. Рассматривая возможность создания МКА для дистанционного зондирования Земли (мониторинга), необходимо иметь в виду следующие положения:

  • состав и объем первичных данных, поступающих от МКА, должен соответствовать требованиям потребителя и обеспечивать решение его практических задач;

  • для определения состава источников информации МКА необходимо также знать алгоритм комплексной обработки для получения достоверной и полной информации об изучаемых объектах на Земле.

На выбор типа МКА для дистанционного зондирования Земли, очевидно, будут влиять затраты средств, связанные с созданием информационных каналов, баз данных получаемой информации и технологического доступа к ним.

При создании информационных МКА должны решаться задачи не только сбора данных, но и создания разноплановой коммуникационной среды для обеспечения:

  • управления собственно МКА и информационно-научным комплексом на борту МКА;

  • получения телеметрической информации и информации оперативного контроля;

  • получения мониторинговой информации с борта МКА.

На рис. 2 представлен вариант структурной схемы взаимодействия элементов космической системы (КС) на основе МКА различного типа.



^ Рис. 2. Схема взаимодействия элементов космической системы на основе МКА различного типа


Математическое и физическое моделирование облика МКА на этапе, когда аппарата еще не существует, позволяет получить оценки эффективности различных вариантов МКА с использованием наборов средств МСТ при модульном построении.

При обосновании, моделировании и последующей разработке МКА могут быть приняты следующие основные принципы построения новой КС при их групповом, корпоративном использовании, а именно:

  1. Экономически целесообразно осуществлять вывод одной РН одновременно нескольких МКА и расстановку их на орбите с разносом в несколько десятков - сотен тысяч километров;

  2. Для мониторинга один (или несколько) из орбитальной группировки МКА может являться активным направленным излучателем электромагнитных волн в сантиметровом диапазоне, а другие, пассивные МКА, осуществляют:

    • направленный прием отраженных сигналов от объектов, подстилающих поверхностей и атмосферных образований;

    • запоминание принятой совокупности шумов и полезных сигналов;

    • сброс добытой и запомненной информации на приемный пункт сбора и обработки информации при пролете над ним;

  3. В приемном пункте (ПП), обеспеченном аналитическим центром (средствами вычислительной техники и программно-алгоритмическим обеспечением), осуществляется обработка информации, поступающей одновременно от нескольких пассивных МКА и выделяется полезная информация об объектах;

  4. Все МКА и ПП жестко синхронизированы по данным единой космической навигационной системы "Глонасс" или GPS. Приемные антенны пассивных МКА при пролете на ПП выполняют функции передающих антенн радиолиний выдачи информации;

  5. В качестве альтернативных способов обнаружения излучающих средств пассивным способом может рассматриваться как разностно-дальномерный способ (из трех пассивных МКА), так и триангуляционный (из двух пассивных МКА). Схематично баллистическое построение орбитальной космической системы МКА на среднеэллиптических орбитах представлено на рис.3.








Рис. 3. Баллистическое построение орбитальной космической системы микроКА на среднеэллиптических орбитах



Таким образом, применение достижений МСТ позволяет получить новое качество КА, существенно изменить их облик и сферы применения. Космическая отрасль в максимальной степени аккумулирует последние достижения в микроэлектромеханике, электронике, специальных сверхлегких (углеродистых) материалах, в создании миниатюрных датчиков (например, волновых гироскопов, акселерометров), исполнительных микромеханизмов (генераторов, двигателей и т.д.). Подобные микроэлементы обеспечат создание и вывод на орбиту малых (до 500 кг), микро- (до 100 кг), наново 10 кг) и пико- (до 1 кг) космических аппаратов легкими и дешевыми ракетами-носителями, например, выработавшими ресурс боевыми ракетами стратегического назначения, подлежащими утилизации, либо МКА с самолета-ракетоносца еще более легкой РН, либо "попутный" вывод с основным КА (при наличии запаса по массе).




Скачать 290,94 Kb.
оставить комментарий
Дата31.03.2012
Размер290,94 Kb.
ТипДокументы, Образовательные материалы
Добавить документ в свой блог или на сайт

отлично
  1
Ваша оценка:
Разместите кнопку на своём сайте или блоге:
rudocs.exdat.com

Загрузка...
База данных защищена авторским правом ©exdat 2000-2017
При копировании материала укажите ссылку
обратиться к администрации
Анализ
Справочники
Сценарии
Рефераты
Курсовые работы
Авторефераты
Программы
Методички
Документы
Понятия

опубликовать
Загрузка...
Документы

Рейтинг@Mail.ru
наверх