XVII Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2025

ВВЕДЕНИЕ

Надежность двигателя беспилотного летательного аппарата (БПЛА) является одним из ключевых факторов, определяющих эффективность и безопасность его эксплуатации. В условиях современного развития технологий, когда БПЛА находят все более широкое применение в таких сферах, как военное дело, доставка грузов, мониторинг окружающей среды и сельское хозяйство, требования к надежности и производительности их двигателей становятся критически важными.

Двигатели БПЛА могут быть как электрическими, так и тепловыми (двигателями внутреннего сгорания), и каждый тип имеет свои преимущества и ограничения. Электрические двигатели характеризуются высокой надежностью, низким уровнем шума и простотой в эксплуатации, однако они ограничены по времени полета из-за емкости аккумуляторов. С другой стороны, ДВС обеспечивают большую мощность и длительность работы, но требуют более сложного обслуживания и могут быть менее надежными в сложных условиях.

Надежность двигателя напрямую связана с конструкцией, выбором материалов, технологией производства и эксплуатационными условиями. Поэтому, для обеспечения долговечности и бесперебойной работы БПЛА, необходим комплексный подход к разработке и эксплуатации двигательных систем. Это включает в себя проведение регулярного технического обслуживания, мониторинга состояния и диагностики, а также внедрение новых технологий и материалов.

Таким образом, исследование надежности двигателей БПЛА представляет собой важную задачу, которая включает как теоретические, так и практические аспекты. В данном контексте акцент будет сделан на анализ факторов, влияющих на надежность, обзор современных технологий двигателей, а также на подходы к повышению надежности в условиях реальной эксплуатации [1].

1УСТРОЙСТВО БПЛА

1.1Конструкция

БПЛА состоит из следующих основных компонентов:

Корпус: это основная оболочка, которая обеспечивает защиту внутренних компонентов и электронику от воздействия внешних факторов. Он обычно выполнен из легких и прочных материалов, таких как углепластик или алюминий. Корпус также содержит различные крепления и монтажные площадки для модулей, датчиков и других компонентов.

Крылья и рули: Крылья обеспечивают необходимую подъемную силу для полета. Они могут иметь различные конфигурации, такие как прямые или стреловидные, в зависимости от требований полета. Рули, такие как элероны и руль высоты, используются для контроля маневрирования и стабильности полета.

Двигатель: может быть оснащен различными типами двигателей. Электрические двигатели обычно используются в малых аппаратах, таких как квадрокоптеры, в то время как двигатели с внутренним сгоранием (например, двигатели с поршневым или турбореактивным принципом работы) используются в крупных БПЛА. Двигатель обеспечивает тягу и привод для полета.

Аппаратура управления: управляется с помощью специальной электронной аппаратуры. Она включает контроллер полета, который является главным мозгом БПЛА, а также компьютер и другие устройства управления. Контроллер полета обрабатывает входные данные от датчиков и принимает решения о маневрировании и управлении полетом.

Бортовая электроника: оснащен различными датчиками и системами, которые позволяют ему определить свое положение, ориентацию, скорость и другие параметры. Некоторые из этих датчиков включают гироскопы (для измерения угловой скорости), акселерометры (для измерения ускорения), компасы (для определения направления) и GPS (для получения географических координат и времени).

Передатчик и приемник: обычно оснащен передатчиком и приемником для беспроводной связи с пультом управления или наземной станцией управления. Это позволяет оператору контролировать полет и получать обратную связь. Передатчик и приемник могут использовать различные радиочастоты или другие методы связи, в зависимости от требований и возможностей беспилотника.

1.2Система управления

Управляется с помощью программного обеспечения, которое запрограммировано на контроллере полета или встроенном компьютере. Она обеспечивает контроль над полетом, навигацией, стабилизацией и другими функциями полета. Вот некоторые из основных компонентов системы управления:

Контроллер полета: Контроллер полета является главным устройством управления БПЛА. Он принимает входные данные от датчиков, таких как акселерометры и гироскопы, и обрабатывает их для определения положения и ориентации. Затем контроллер полета принимает решения о маневрировании, управлении двигателем и других аспектах полета.

Автопилот: Автопилот включает дополнительное программное обеспечение, которое позволяет выполнять автоматические миссии и задачи. Он может включать функции, такие как автоматический взлёт и посадка, автоматическое следование по заданному маршруту и автоматическое управление полетом в соответствии с заданными параметрами.

Компьютер: Большинство современных беспилотников также оснащены встроенным компьютером, который обрабатывает данные от датчиков и контроллера полета. Компьютер может выполнять сложные вычисления, обеспечивать связь с внешними системами и выполнять другие задачи, связанные с полетом.

Устройства управления: может быть управляемым с помощью различных устройств, таких как пульт дистанционного управления, наземная станция управления или другие средства управления. Эти устройства обеспечивают оператору возможность контролировать полет и принимать решения в реальном времени [2].

Регулятор скорости (ESC, от английского Electronic Speed Controller) — это ключевой компонент в системе управления бесколлекторным двигателем (BLDC), который используется в различных приложениях, включая беспилотные летательные аппараты (БПЛА), радиоуправляемые модели и электромобили. ESC отвечает за управление скоростью вращения двигателя, его направлением и обеспечением безопасной работы.

Управление скоростью:

ESC принимает сигналы от приемника (например, от радиоуправляемого пульта) и преобразует их в команды для управления мощностью, подаваемой на двигатель. Это позволяет регулировать скорость вращения ротора двигателя.

Изменение направления вращения:

ESC может изменять направление вращения двигателя, что особенно важно для приложений, где требуется реверсивное движение, например, в радиоуправляемых автомобилях или некоторых типах БПЛА.

Защита от перегрузок:

Современные ESC оснащены функциями защиты от перегрева, перегрузки и короткого замыкания. Это помогает предотвратить повреждение двигателя и самого регулятора в случае аномальных условий работы.

Обратная связь и диагностика:

Многие регуляторы скорости имеют встроенные системы обратной связи, которые могут отслеживать состояние двигателя и передавать данные о его работе, такие как температура, напряжение и ток. Эта информация может быть использована для диагностики и предотвращения неисправностей.

Блокировка при отсутствии сигнала:

Для повышения безопасности ESC может быть настроен на отключение двигателя в случае потери сигнала от пульта управления. Это предотвращает случайное включение двигателя, когда управляющий сигнал отсутствует.

Принцип работы:

ESC получает сигналы управления от радиопередатчика через приемник. Обычно это импульсные сигналы ширины, которые указывают на желаемую скорость и направление вращения.

ESC обрабатывает поступившие сигналы и определяет, сколько энергии необходимо подать на двигатель для достижения заданной скорости.

На основе обработанных данных ESC управляет транзисторами, которые регулируют ток, подаваемый на двигатель. Это позволяет точно контролировать скорость вращения ротора.

В бесколлекторных двигателях необходимо управлять последовательностью подачи тока на обмотки. ESC автоматически переключает ток между фазами двигателя, обеспечивая его плавное и эффективное вращение.

Типы регуляторов скорости:

Базовые ESC обеспечивают простое управление скоростью и направлением, часто используются в радиоуправляемых моделях.

Смарт ESC оснащены дополнительными функциями, такими как программируемые режимы работы, возможность подключения к компьютеру для настройки и мониторинга, а также функции защиты.

ESC с обратной связью используют датчики для мониторинга параметров двигателя и могут адаптироваться к изменяющимся условиям, обеспечивая более точное управление [3].

1.3Международная классификация БПЛА

Международная классификация БПЛА представлена в Таблице 1.

Таблица 1 – Международная классификация БПЛА

Класс	Наименование / Международное обозначение	Взлётный вес, кг	Радиус действия, км	Практический потолок М
Малые	Нано /	<0,025	< 1	100
	Микро /	< 5	< 10	3000
	Микро / mini	< 25	10-40	3000
Легкие	Ближнего действия 1	25-50	25-70	3000
	Ближнего действия 2	50-150	50-100	3000
Средние	Малой дальности / SR	≤ 200	≤ 150	4000
	Средней дальности / MR	≤ 500	200	5000
	Средней дальности с большой продолжительностью полёта / MRE	500	500	8000
	Маловысотный большой дальности / LADP	≥ 250	> 250	≤ 4000
Тяжёлые	Маловысотный большой продолжительности полёта / LALE	≥ 250	≥250	4000
	Средне высотой большой продолжительности полёта / MALE	≥ 1000	> 1000	8000
	Высотный большой продолжительности полёта / HALE	≥ 2500	> 4000	20000

Выделяют классы БПЛА:

Класс 1. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 10 кг с электрическим двигателем. Они могут быть использованы в качестве средства оперативного наблюдения в составе стационарных постов охраны или мобильных групп.

Класс 2. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 100 кг с двигателем внутреннего сгорания. Они могут быть использованы в качестве средства оперативного наблюдения.

Класс 3. БПЛА самолетного типа взлетной массой до 1000 кг могут привлекаться как для химической обработки больших площадей, так и для оперативной транспортировки грузов.

Класс 4. БПЛА вертолетного типа. Они представляют интерес для мониторинга объектов [4].

1.4Анализ эксплуатации БПЛА в различных условиях

Анализ эксплуатации беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) с электрическим двигателем включает в себя несколько ключевых аспектов, таких как эффективность, надежность, стоимость эксплуатации и влияние различных условий на производительность. Ниже приведен обзор этих аспектов с возможными расчетами.

Эффективность

Энергоэффективность БПЛА с электрическим двигателем определяется соотношением между потребляемой энергией и выполненной работой.

Основные параметры:

Масса БПЛА (m): влияет на потребление энергии.

Энергетическая плотность аккумулятора (E): обычно измеряется в Втч/кг.

Коэффициент аэродинамического сопротивления: определяет, сколько энергии уходит на преодоление сопротивления воздуха.

Условия эксплуатации

Разные условия эксплуатации могут существенно влиять на производительность БПЛА:

Температура: влияет на эффективность работы аккумуляторов. При низких температурах емкость аккумулятора может снижаться.

Влажность: Высокая влажность может повлиять на электронику и системы управления.

Высота: на больших высотах разреженность воздуха может снизить подъемную силу и увеличить потребление энергии.

Анализ эксплуатации БПЛА с электрическим двигателем показывает, что эффективность, время полета и надежность сильно зависят от условий эксплуатации. Проведение расчетов позволяет оценить, как изменения в температуре, влажности и высоте могут повлиять на производительность аппарата.

1.5Принцип работы бесколлекторного двигателя

Бесколлекторный двигатель (или бесколлекторный мотор) — это тип электрического двигателя, который использует электронное управление для создания вращающего момента. В отличие от коллекторных двигателей, в которых электрический ток передается через щетки к вращающемуся якорю, бесколлекторные двигатели не имеют механических щеток, что делает их более надежными и долговечными. Вот основные принципы работы бесколлекторного двигателя:

Структура:

Бесколлекторный двигатель обычно состоит из следующих основных компонентов:

Статор: это неподвижная часть двигателя, которая содержит обмотки проводов, расположенные в определенной конфигурации для создания магнитного поля.

Ротор: это вращающаяся часть двигателя, которая обычно содержит постоянные магниты.

Электронный контроллер: Устройство, которое управляет подачей тока на обмотки статора, обеспечивая вращение ротора [5].

Принцип работы:

Создание магнитного поля: когда на обмотки статора подается электрический ток, создается магнитное поле. Направление и сила этого поля могут быть изменены с помощью контроллера.

Взаимодействие магнитных полей: Постоянные магниты на роторе взаимодействуют с магнитным полем статора. Это взаимодействие создает вращающий момент, который заставляет ротор вращаться.

Электронное управление: Контроллер определяет, когда и как подавать ток на обмотки статора. Он использует датчики (например, Hall-датчики) для определения положения ротора и синхронизации подачи тока, что позволяет поддерживать эффективное вращение.

Обратная связь: Некоторые системы используют обратную связь для регулирования скорости и крутящего момента, что позволяет двигателю работать более эффективно и точно [6].

2РАСЧЁТ НАДЁЖНОСТИ

Рассчитаем надежность функционирования бесколлекторного двигателя БПЛА типа «квадракоптер». Для этого составим логическую схему системы, представленную на Рисунке 2.

Рисунок 2 – Логическая схема системы автоматического регулирования

В схеме: А – магнитный датчик; В – линия связи 1; С – блок управления; D – линия связи 2; E – ESC регулятор; F – обмотка двигателя, G – линия связи 3; H – контроллер питания; I – аккумулятор.

2.1Расчет показателей надежности

В Таблице 1 приведены показатели интенсивности отказов элементов, входящих в состав системы.

Таблица 1 – Интенсивность отказов элементов

Обозначение	Элемент	Значение интенсивности отказов, ч-1
A	Магнитный датчик	0,53*10-6
B	Линия связи 1	1,9*10-6
C	Блок управления	0,27*10-6
D	Линия связи 2	1,9*10-6
E	Регулятор скорости	0,35*10-6
F	Обмотка двигателя	10,1*10-6
G	Линия связи 3	1,9*10-6
H	Контроллер питания	0,38*10-6
I	Аккумулятор	2,2*10-6

Примем следующие допущения при построении математической модели надежности системы:

1. Элементы прошли период приработки;

2. Справедлив экспоненциальный закон распределения;

3. Отказы элементов независимы.

Согласно приведенной схеме, вероятность безотказной работы системы будет выражаться формулой:

Интенсивность отказов данной системы находится по формуле:

Для вычислений воспользуемся программой Matlab. На Рисунке 3 представлен код вычислений.

Рисунок 3 – Код вычислений в программе Matlab

На Рисунке 4 представлен график интенсивности отказов системы во времени.

Рисунок 4 – График интенсивности отказов системы во времени

2.2Повышение надежности системы

К способам повышения надежности систем относят:

1. Увеличение надежности отдельных элементов (замена приборов, исполнительных механизмов, а также устройств с более высокими характеристиками надежности);

2. Упрощение системы при проектировании;

3. Резервирование элементов системы;

4. Систематический контроль и обслуживание системы.

Для рассматриваемой системы автоматического регулирования введем резервирование каждого элемента системы. Схема системы с резервированием приведена на Рисунке 5.

Рисунок 5 – Логическая схема системы с резервированием

Вероятность безотказной работы на каждом из участков будет соответственно равна:

где i – соответствующий участок.

Тогда вероятность безотказной работы зарезервированной системы будет находиться по формуле:

Интенсивность отказов данной системы находится по формуле:

Код вычислений с резервированием системы в программе Matlab представлен на Рисунке 6.

Рисунок 6 – Код вычисления интенсивности отказов системы с резервированием

Графики интенсивности отказов системы с резервированием и без резервирования представлены на Рисунке 7.

Рисунок 7 – Графики интенсивностей отказов системы с резервированием и без резервирования

Результат повышения надежности рассматриваемой системы определим как отношение интенсивности отказов системы до резервирования к интенсивности отказов системы после резервирования:

Данные поместим в таблицу:

Таблица 2 – Результаты повышения надежности системы

t, 105	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10
10-4	1,42	1,48	1,5	1,51	1,52	1,52	1,52	1,52	1,52	1,52
10-4	0,86	1,07	1,19	1,26	1,32	1,36	1,38	1,4	1,42	1,43
	1,65	1,38	1,26	1,20	1,15	1,12	1,10	1,09	1,07	1,06

Таким образом, из данных Таблицы 2 видно, что резервирование системы позволяет снизить интенсивность отказов в начале эксплуатации более чем в 1,5 раза, сохраняя срок службы системы до конца срока эксплуатации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В данной работе было рассмотрено устройство БПЛА и принцип работы бесколлекторного двигателя. В практической части работы был произведен расчет параметров надежности функционирования бесколлекторного двигателя БПЛА.В качестве метода повышения надежности был выбран метод резервирования. Для оценки выполненного повышения надежности системы было произведено сравнение результатов вычисления интенсивности отказов резервированной и нерезервированной системы.

Проектный расчет надежности функционирования бесколлекторного двигателя БПЛА требует комплексного подхода, включающего анализ конструкции, эксплуатационных условий и использования современных технологий. Надежность двигателя является ключевым фактором, определяющим общую эффективность и безопасность БПЛА. Учитывая вышеизложенные аспекты, можно обеспечить высокую надежность работы двигателя, что в свою очередь повысит общую надежность и безопасность полета беспилотного летательного аппарата.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Надежность БПЛА– [Электронный ресурс]. URL: https://www.tadviser.ru/index.php/%D0%A1%D1%82%D0%B0%D1%82%D1%8C%D1%8F:%D0%91%D0%B5%D1%81%D0%BF%D0%B8%D0%BB%D0%BE%D1%82%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%BB%D0%B5%D1%82%D0%B0%D1%82%D0%B5%D0%BB%D1%8C%D0%BD%D1%8B%D0%B9_%D0%B0%D0%BF%D0%BF%D0%B0%D1%80%D0%B0%D1%82_(%D0%B4%D1%80%D0%BE%D0%BD,_%D0%91%D0%9F%D0%9B%D0%90) (дата обращения: 19.10.24);

2. Устройство дронов и других небесных беспилотников – [Электронный ресурс]. URL:https://dzen.ru/a/ZM1_6dVH_wml_o1g (дата обращения: 19.10.24);

3. Иванов М.В., Зайцев В.Е., Галиев Р.Д., Хакимьянов А.Р. ESC регуляторы оборотов: эффективный способ управления бесколлекторными двигателями беспилотных летательных аппаратов // Вестник Тувинского государственного университета. Технические и физико-математические науки. Кызыл. 2024. С 39-47.

4. БПЛА в условиях арктического региона – [Электронный ресурс]. URL:https://magazine.neftegaz.ru/articles/tsifrovizatsiya/473748-bpla-v-usloviyakh-arkticheskogo-regiona/ (дата обращения: 20.10.24);

5. Бесколлекторный двигатель постоянного тока – [Электронный ресурс]. URL:https://innodrive.ru/articles/beskollektornyi_dvigatel_postoyannogo_toka/ (дата обращения: 21.10.24);

6. Устройство бесколлекторного электродвигателя – [Электронный ресурс]. URL:https://technogroupp.com/articles/beskollektornyj-elektrodvigatel-postoyannogo-toka/ (дата обращения: 22.10.24);

Код для цитирования: Скопировать