XIII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2021

В связи с интенсивным развитием и внедрением новых поколений технических комплексов воздушного базирования, происходит широкое использование беспилотных летательных аппаратов (БпЛА) мультироторного (МР) типа в различных сферах деятельности. Так, БпЛА МР типа нашли свое применение и в медицинских целях.

В современном мире БпЛА МР типа медицинского назначения могут использоваться для оперативной доставки медицинских грузов в зоны бедствий, конфликтов, аварий, а также в труднодоступные по рельефу местности районы в сложных метеоусловиях. Нередко возникают случаи, когда необходимо срочно доставить медицинский препарат с одного пункта в другой с минимальными потерями времени, ведь в такие моменты, связанные с жизнью и здоровьем людей, каждая секунда дорога, что еще раз подчеркивает актуальность и практическую значимость вопроса исследования в области применения БпЛА в медицинских целях.

Применение БпЛА МР типа в медицинских целях позволяет существенно сократить время на транспортировку и доставку биоматериалов, приспособлений и медицинского оборудования, при этом экономические затраты могут значительно уменьшиться, что в конечном итоге позволит спасти человеческие жизни.

Целью развития робототехнических медицинских комплексов воздушного базирования является тщательное проведение углубленного анализа возможности применения преимущественно отечественных разработок БпЛА мультироторного типа в специализированных и медицинских подразделениях для оперативной доставки необходимых материалов и оборудования.

Актуальность исследования подтверждается тем, что в настоящих условиях медицинские подразделения в зависимости от их предназначения должны быть способны оперативно оказать медицинскую помощь в любых ситуациях как в сложной по рельефу местности, так и в сложных метеоусловиях.

Практическая значимость проводимого исследования заключается в повышении мобилизационной готовности медицинских подразделений, обеспечение оперативной доставки и транспортировки оборудования и средств медицинского назначения для спасения жизни людей и оказания скорой медицинской помощи неразрывно связано с конструкционными, тактико-техническими характеристиками и возможностями БпЛА мультироторного типа.

Наряду с этим, для повышения качества и эффективной реализации поставленных задач, предполагается использовать разработанные медицинские модули, позволяющие оперативно производить доставку биологических материалов и оборудования для оказания скорой медицинской помощи.

В свою очередь, для решения проблем доставки медицинского оборудования целесообразно использовать беспилотный летательный аппарат, имеющий удлиненные опорные стойки, позволяющие разместить медицинский модуль в нижней части, что способствует снижению центра масс устройства и повышению его устойчивости в процессе полета. При этом медицинский модуль необходимо изготавливать в виде обтекаемого контейнера, крышку которого необходимо оборудовать механизмом крепления и воздушным фильтром, соединяющим полость контейнера с атмосферой. Корпус контейнера разделить на полости для размещения пробирок с биоматериалами, установленными в направляющие, которые удерживают их в вертикальном положении. В центре контейнера разместить емкость с обеззараживающей жидкостью, оборудованную выпускными клапанами. В нижней части отсеков контейнера расположить датчики контроля вытекания биоматериалов. При этом каждому датчику контроля вытекания биоматериалов должен соответствовать электромагнитный клапан, соединяющий емкость с обеззараживающей жидкостью с отсеком контейнера, в случае вытекания биоматериалов. Данное устройство позволит производить транспортировку биологических материалов по воздуху на расстояния с использованием медицинского модуля при поддержании аэродинамической устойчивости и плавной посадки.

Беспилотный медицинский комплекс для транспортирования биологических материалов [1] представлен на рисунке 1.

Рисунок 1 – Беспилотный медицинский комплекс для транспортирования биологических материалов

На рисунке 1 изображен беспилотный медицинский комплекс, включающий следующие элементы: корпус контейнера 1, крышка контейнера 2, крепление 5, беспилотный летательный аппарат мультироторного типа 11, блок управления 12, электродвигатель 13, воздушный винт 14, опорные стойки 15, видеокамера 16.

Данное устройство позволит производить транспортировку биологических материалов по воздуху на расстояния с использованием медицинского контейнера при поддержании аэродинамической устойчивости и плавной посадки.

Предложенный аэромобильный медицинский контейнер выполнен в виде обтекаемого цилиндра, обладающего хорошими аэродинамическими качествами, обеспечивающего необходимую устойчивость устройства в процессе полета, и представлен на рисунке 2.

Рисунок 2 – Аэромобильный медицинский контейнер

На рисунке 2 изображен аэромобильный медицинский контейнер, содержащий: корпус контейнера 1, крышка контейнера 2, емкость с обеззараживающей жидкостью 3, воздушный фильтр 4, крепление 5, направляющие приборок 6, источник питания 7, электромагнитный клапан 8, датчик контроля вытекания биоматериала 9, пробирки с биоматериалом 10.

Особенностью транспортирования биологических материалов является то, что все выполняется в автоматическом режиме. Беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки мультироторного типа функционирует следующим образом: оператор проверяет исправность беспилотного медицинского модуля, степень заряженности аккумуляторной батареи, работоспособность навигационного оборудования и видеокамеры, после чего устанавливает пробирки в контейнер 1 с образцами биоматериалов 10 и подстыковывает к крышке контейнера, закрепленной на нижней части летательного аппарата мультироторного типа 11. При подъеме оператор управления поднимает летательного аппарата мультироторного 11 на необходимую высоту и отправляет в лабораторию. В случае изменения давления от подъема на высоту оно уравновесится за счет соединения полости контейнера 1 с атмосферой посредством воздушного фильтра. В случае нарушения целостности пробирок с биоматериалом (возможно зараженным) биоматериал вытекает в нижнюю часть контейнера 11, являясь электролитом, он коммутирует контакты датчика контроля целостности пробирок 9. Электрический ток от источника питания 7 подается к обмоткам электромагнитного клапана 8, отвечающего за нейтрализацию зараженной полости контейнера.

При рассмотрении особенностей конструкции БпЛА МР типа массой M (кг) с числом винтов k, с радиусом винта r (м) и шагом h (м) с размещенным в нижней части корпуса медицинским контейнером, необходимо учесть снижение силы воздушного потока F_вп, введя дополнительный коэффициент полезного действия η, представляющий собой отношение работы силы воздушного потока с учетом его перекрытия деталями конструкции медицинского модуля к силе полного воздушного потока.

С этой целью разработаны: методика определения максимального взлетного веса БпЛА МР типа; уточненная методика расчета площади пересечения двух окружностей произвольных радиусов [2], соответствующих контуру контейнера и площади ометания воздушного винта; методика определения требуемой емкости аккумуляторной батареи при заданной продолжительности полета беспилотного медицинского модуля МР типа.

В ходе разработки методик были получены следующие результаты:

1.Получена математическая зависимость взлетной массы от коэффициента полезного действия силовой установки БпЛА МР типа определяемого как соотношение площадей, ометаемых воздушными винтами, за вычетом площади пересечения с проекцией контейнера медицинского модуля и полной площади (формула 1).

M = (кг), (1)

где - плотность воздуха (кг/м³), - усредненная молекулярная масса воздуха (29*10^-3 кг/моль), n - число оборотов каждого винта, R – универсальная газовая постоянная, Т – абсолютная температура воздуха (град),g– ускорение свободного падения (м/с²).

Предложенная математическая модель для определения максимального взлетного веса БпЛА МР типа, с учетом особенностей конструкции медицинского модуля, для успешного использования дополнена уравнением расчета коэффициента полезного действия, влияющего на определение максимального взлетного веса и зависящего от площади проекции воздушного потока перекрываемого деталями конструкции медицинского модуля.

2.Разработана методика расчета требуемой емкости аккумуляторной батареи и продолжительности полета беспилотного медицинского модуля МР типа. Учитывая особенности конструкции БпЛА МР типа, коэффициент полезного действия которого может быть приближенно определен не только из отношения полезной к затрачиваемой работе, но и из отношения площадей воздушного потокаS_п, совершающего полезную работу, и общей площади, ометаемой воздушными винтамиS_полн. Коэффициент полезного действия 0≤η≤1 определяется из выражения (формула 2):

. (2)

С учетом уточненного значения коэффициента полезного действия, полученовыражение для определения требуемой емкости аккумуляторной батареи (формула 3):

(А*ч), (3)

где G_ла - суммарный взлетный вес БпЛА МР типа и медицинского контейнера (Н), t – время, затраченное на перемещение медицинского модуля к пункту назначения (с), n– частота вращения воздушного винта (с^-1), 3600 – коэффициент перевода из часов в секунды, U – напряжение, выдаваемое аккумуляторной батареей (В).

Выведенное выражение емкости аккумуляторной батареи (3) позволяет определить максимальное время полета БпЛА МР типа для оказания скорой медицинской помощи, которое имеет вид (формула 4):

(с). (4)

В представленных методикахполучены математические модели для определения максимального взлетного веса и требуемойемкости аккумуляторной батареи по времени полета беспилотного летательного аппарата для оказания скорой медицинской помощи, оснащенного медицинским контейнером. Для их успешного использования системы уравнений были дополненыуточненными выражениями для расчета коэффициента полезного действия.

Для реализации методик были разработаны программные продукты на языке объектно-ориентированного программирования С# в среде MicrosoftVisualStudio [3]. С помощью разработанных программных продуктов для ПЭВМ можно получить следующие характеристики:

тяговые характеристики БпЛА МР типа, оборудованного медицинским модулем, учитывающие температуру и давление воздуха, количество воздушных винтов и их шаг, частоту вращения и т.д.

требуемую емкость аккумуляторной батареи для обеспечения необходимой продолжительности полета в различных условиях с учетом изменяющихся параметров тяговой характеристики.

Проведенные исследования позволили сделать ряд выводов о влиянии основных факторов на тягово-скоростные качества БпЛА МР типа, оборудованного медицинским контейнером. Однако, для точного получения расчетных зависимостей, предпосылок и допущений были проведены экспериментальные исследования. Объектом экспериментальных исследований был выбран беспилотный летательный аппарат мультироторного типа Matrice 100.

Данный беспилотный летательный аппарат мультироторного типа планируется использовать для транспортировки медицинского контейнера в различных погодных условиях массой до 5 кг. На его раму был установлен медицинский контейнер, конструкция которого разработана в ВУНЦ ВВС «ВВА» им. профессора Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина (г. Воронеж). Испытательный стенд,разработанный коллективом авторов, для снятия тяговых характеристик БпЛА МР типа, оборудованного медицинским контейнером, представлен на рисунке 3.

Рисунок 3 – Испытательный стенд медицинского комплекса для транспортирования биоматериалов

На рисунке 4 представлены тяговые характеристики, полученные теоретическим и экспериментальным путем. Теоретическая характеристика была получена с помощью программного продукта, разработанного на языке объектно-ориентированного программирования С# в среде MicrosoftVisualStudio [4,5,6], позволяющего производить расчеты основных показателей работы БпЛА МР типа в зависимости от различных параметров. При написании программного продукта использовалась уточненная методика определения максимального взлетного веса и емкости аккумуляторной батареи по времени полета БпЛА МР типа, учитывающая особенности работы мультикоптеров с габаритной полезной нагрузкой при воздействии внешних факторов.

Рисунок 4 – Теоретические и экспериментальные тяговые характеристики БпЛА МР типа Matrice 100, оборудованного медицинским модулем, при различных значениях частоты вращения воздушных винтов

В ходе экспериментальных исследований были получены графики зависимостей тягового усилия от частоты вращения воздушных винтов. Из графика, представленного на рисунке 4, видно, что тяговое усилие растет нелинейно в диапазоне частоты вращения воздушных винтов от 0 до 6200 об/мин. Из графика следует, что максимум тягового усилия, равный 58,8 Н, достигается при максимальной частоте вращения (n = 6200 об/мин), при минимальной частоте вращения воздушных винтов (n = 2120 об/мин) тяговое усилие равняется 6,4 Н, сравнительно малые изменения тягового усилия происходит до частоты вращения 3500 об/мин. Наиболее интенсивное увеличение тягового усилия имеет место при частоте вращения от 3500 об/мин до 6200 об/мин, что объясняется выражением, описывающим подъемную силу винта:

y =c_y, (5)

где c – коэффициент обтекаемости, ρ – плотность воздуха, S – площадь винта, V – линейнаяскорость воздушного винта.

Анализ характеристик, полученных экспериментально и рассчитанных с помощью программного продукта, показывает удовлетворительную сходимость экспериментальных и теоретических зависимостей тягового усилия от частоты вращения.

Выполненные теоретические исследования функционирования БпЛА МР типа, оборудованного медицинским контейнером, позволили установить ряд факторов, которые способствуют повышению производительности и уменьшению эксплуатационных затрат [7]. При расчёте экономической эффективности все они были уточнены.

Таким образом,было установлено, что новый агрегат имеет более высокую производительность (в среднем на 50-60%) и более низкие приведённые удельные затраты, в сравнении с наземными средствами транспортирования биологических материалов. Такие показатели сравниваемых агрегатов свидетельствуют о явном технико-экономическом превосходстве БпЛА МР типа, оборудованного медицинским контейнером, и позволяют рассчитать годовой экономический эффект от его применения по формуле 6:

Э_год=(Z_э-Z_н)П_гн , (6)

где Z_э-Z_н – приведённые удельные затраты на эксплуатацию соответственно эталонного и нового агрегата; П_гн – годовая эксплуатационная производительность нового агрегата.

В результате расчёта экономической эффективности, выявлено, что для доставки медицинского модуля массой 2,5 кг годовой экономический эффект составляет 1225 тыс. рублей при его транспортировании на 20 км. При агрегатировании БпЛА МР типа, имеющего массу медицинского модуля 4,5 кг годовой экономический эффект возрастает на 20% и составляет 1478 тыс. рублей.

В свою очередь, разработано схемное решение БпЛА МР типа для оказания скорой медицинской помощи (рисунок 5), оборудованного удлиненными опорными стойками 10, блоком управления 2, энергетической установкой 7, обеспечивающей питание медицинского модуля 6 и подзарядку аккумуляторных батарей БпЛА, устройством для спуска медицинского модуля 5, медицинским модулем 6, содержащим дефибриллятор, медицинскую аптечку и коммуникационное оборудование, состоящее из блока навигации и видеосвязи, иоборудованным датчиком контакта с опорной поверхностью 9, двумя видеокамерами 11, одна из которых расположена в нижней части медицинского модуля, а другая обеспечивает возможность наблюдения за действиями лица, оказывающего медицинскую помощь, монитором для видеосвязи 8, расположенного на внешней поверхности модуля, громкоговорящим устройством для переговоров с медицинским работником, встроенным микрофоном и тумблером для включения видеосвязи на мониторе.

Рисунок 5 – Схемное решение БпЛА МР типа для оказания скорой медицинской помощи

Особенностью конструкции предложенного БпЛА для оказания скорой медицинской помощи является наличие энергетической установки, способной преобразовывать химическую энергию углеводородного топлива в электрическую энергию заданных параметров посредством малогабаритной электростанции с приводом от двигателя внутреннего сгорания. В качестве двигателя предлагается использовать одноцилиндровый поршневой четырехтактный бензиновый двигатель внутреннего сгорания с воздушным охлаждением (например, SaitoFG), применяемый на БпЛА типа «Орлан-10» и «Гранат-3». В качестве генераторной установки предлагается использовать малогабаритный трехфазный генератор облегченного типа с полупроводниковым выпрямительным устройством, соединенный по схеме Ларионова, и регулятором напряжения, воздействующим на обмотку возбуждения. Также рассмотрен вопрос применения энергетической установки на основе эффекта Томаса Зеебека. При этом упрощается конструкция и повышается надежность.

В результате применения беспилотного медицинского комплекса существенно уменьшается время на доставку в пункт назначения медицинских препаратов и инструментов, при этом затраты могут значительно снизиться по сравнению с автомобильной скорой медицинской помощью, что в конечном итоге позволит спасти человеческие жизни.

Разработанный авторами БпЛА для оказания скорой медицинской помощи позволит осуществлять оперативную доставку медицинского контейнера в зоны бедствий, конфликтов, аварий, труднодоступные и сложные по рельефу местности районы в условиях снегопада, заснеженности дорог, в горы, где присутствует риск схода лавин и других сложных условиях. Кроме того, беспилотные летательные аппараты для оказания скорой медицинской помощи могут применяться в условиях биологического, химического и радиационного заражения местности, а также при оказании помощи военнослужащим, находящимся на территории противника или попавшим в окружение.

Библиографический список

Пат. 2726390 Российской Федерации, МПК B64C 27/08, А61J 1/05, A61B 50/31. Беспилотный медицинский комплекс / Чернышов В.В., Яриков А.В., Великанова Л.А., Земцов С.С., Рыжков А.С., Лисиченко Е.А. заявл. 09.01.2019; опубл. 13.07.2020, Бюл.№20.

Арзамасцев А.А.; Крючков А.А. Математические модели для инженерных расчетов летательных аппаратов мультироторного типа (часть 1). Вестник ТГУ, Т.19, вып.6; 2014, с. 1821 – 1828.

Зиборов В.В. VisualStudioC#, 2013, на примерах. СПб, 480 с.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019619737 Российской Федерации. Расчет максимального взлетного веса беспилотного летательного аппарата с медицинским модулем / Чернышов В.В., Яриков А.В.и др. Дата регистрации 24.07.2019.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019660077 Российской Федерации. Расчет необходимой емкости аккумуляторной батареи беспилотного летательного аппарата медицинского назначения /Яриков А.В., Чернышов В.В. и др. Дата регистрации 30.07.2019.

Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2019661325 Российской Федерации. Расчет продолжительности полета беспилотного летательного аппарата медицинского назначения. / Яриков А.В., Чернышов В.В. и др. Дата регистрации 27.08.2019.

Инструкция по определению экономической эффективности новых строительных, дорожных, мелиоративных машин, противопожарного оборудования, лифтов, изобретений и рационализаторских предложений и т.д. – М.: ЦНИИЭСТРОЙМАШ, 1978. – 28 с.

Код для цитирования: Скопировать