Проектирование транспортного беспилотного авиационного комплекса

Описание проекта

На сегодняшний день лесной фонд в Томской области составляет 28.7 млн. га – 91% общей площади Томской области. За последние годы от лесных пожаров, вредителей, болезней леса, погодных и почвенно-климатических условий погибло 31 тыс. га леса, и около 500 тыс. га – заражены вредителями. После проведения санитарной чистки появится потребность в высадке нового леса.

Наиболее эффективным методом высадки лесов является засев семян с воздуха. Исследования в области применения беспилотных авиационных систем и мировой опыт применения беспилотных летательных аппаратов сегодня показывают их высокую эффективность и большую вероятность успешного выполнения задачи. Поэтому данный проект направлен на разработку транспортного беспилотного авиационного комплекса, способного доставить и засеять семена деревьев на отдаленной и труднодоступной территории.

В рамках данного проекта необходимо разработать беспилотный авиационный комплекс, который должен отвечать следующим требованиям:

масса полезного груза более 3 кг;
отдаленность засеиваемой территории около 50 км;
равномерный засев семян на выбранной территории;
возврат к точке старта;
модульность компонентов;
мобильность комплекса и возможность транспортировки автомобилем;
эффективное использование энергии;
минимальный вес конструкции.

Основным грузом для беспилотного летательного аппарата являются капсулы с семенами в питательном растворе. Беспилотный летательный аппарат должен быть оснащен бортовой системой контроля точек сброса, механизмом сброса капсул с заданной скоростью. В процессе выполнения полетного задания беспилотный летательный аппарата должен долететь до засеиваемой территории, выполнить облет и равномерный сброс семян на этой территории, после чего вернуться на точку старта и выполнить посадку. Площадь засеиваемой территории зависит от массы полезного груза и вида семян. Рассматривается возможность многократного выполнения полетов для засева территорий большой площади, поэтому все компоненты беспилотного летательного аппарата должны быть модульными и легкозаменяемыми в полевых условиях. В особенности, следует заострить внимание на транспортном контейнере и механизме сброса, источнике бортового питания или системе заправки топливом. Также комплекс должен быть удобен для транспортировки автомобилем и подготовки к полету одним или двумя операторами. Планер беспилотного летательного аппарата должен обладать минимальным аэродинамическим сопротивлением, иметь минимальную массу и быть надежным в эксплуатации. Энерго-силовая установка более предпочтительна электрическая с бесколлекторным BLDC мотором. Однако рассматривается возможность применения двигателей внутреннего сгорания, но в связке со стартером-альтернатором (стартер-генератор). В качестве автопилота на начальном этапе предполагается использование PX4 (PixHawk) или Ardupilot. Также необходимо будет спроектировать систему запуска БПЛА. Если это БПЛА вертикального взлета и посадки (VTOL) или БПЛА с укороченным взлетом и посадкой (STOL), то система взлета и посадки должна быть предусмотрена в конструкции планера БПЛА. Либо БПЛА должен запускаться с наземной катапульты и выполнять посадку с парашютом, на пневматическую подушку или натянутую на земле сеть.

Для выполнения целей и задач проекта будут сформированы четыре команды:

Команда «Авиаконструкторы»

Проектирование планера транспортного беспилотного летательного аппарата

Цель – спроектировать беспилотный летательный аппарат как платформу для выполнения задачи основного проекта и отвечающем поставленным требованиям.

Работа над данным проектом будет проводиться в тесном контакте с другими командами в рамках общего основного проекта.

Задачи:

1) выполнить предварительный расчет самолета;
2) совместно с другими командами:
  a. провести оценку скоростей полета при выполнении работ;
b. провести оценку зависимости дальности полета от массы груза;
c. определить максимальную величину массы и габаритов груза;
  d. разработать концепт сбрасывающего устройства;
3) первое приближение:
  a. определить конструкционные материалы;
  b. изучить технологии изготовления, определить технологический процесс;
  c. определить аэродинамическую схему планера;
  d. определить характеристики крыла, рулей и оперения;
  e. определить конфигурацию бортового и полезного оборудования;
  f. выполнить предварительный подбор моторов, аккумуляторов, рулевых механизмов;
  g. определить схемы взлета, набора высоты, горизонтального полета, снижения и посадки;
  h. определить или задать характерные скорости полета;
4) стадия детального проектирования:
  a. определить аэродинамические профили и форму крыла, оперения;
  b. определить оптимальную форму фюзеляжа;
  c. спроектировать детальную 3D-модель;
  d. провести поверочные расчеты и определить характерные скорости полета;
  e. спроектировать устройства взлета и посадки;
5) прототип:
  a. изготовить прототип:
  i. композиты: карбон, стеклоткань, кевлар;
  ii. наборные и ферменные конструкции;
  iii. 3D-печать;
  iv. вспененные материалы;
b. монтаж оборудования и настройка всех агрегатов;
c. подготовка к полету;
6) изготовить наземные устройства взлета и посадки при потребности в них;
7) проведение полетных испытаний;
8) анализ полетов, устранение недостатков;
9) патентирование, разработка конструкторской документации.

Команда «Конструкторы системы сброса»

Проектирование бортового контейнера с механизмом сброса капсул для транспортного беспилотного летательного аппарата

Цель – спроектировать модульную платформу-контейнер как устройство для транспортировки, и сброса капсул с семенами с борта беспилотного летательного аппарата для выполнения задачи основного проекта и отвечающем поставленным требованиям.

Задачи:

1) провести оценку необходимой нагрузки для аэросева семян на минимальной территории;
2) совместно с другими командами:
a. определить минимальную и максимальную нагрузку;
b. определить зависимость нагрузки, покрываемой площади засева от вида семян;

c. определить необходимую скорость сброса и скорость вхождения капсулы в грунт;

d. определить требуемые скорости и высоты полета при проведении засева семян;

e. определить концепт контейнера и механизма сброса капсул;
3) первое приближение:
a. определить конструкционные материалы;
b. изучить технологии изготовления, определить технологический процесс;
c. утвердить эскизную схему устройства;
d. определить конфигурацию работы механизма сброса;
e. выполнить предварительный подбор приводов и других компонентов;
f. определить схему управления системой сброса автопилотом самолета;
g. определить массогабаритные характеристики устройства и передать их команде авиаконструкторов;
h. задать требования для команды авиаконструкторов;
4) стадия детального проектирования:
a. разработать механизм сброса/выброса капсулы с заданной скоростью;
b. разработать модуль-контейнер для быстрой смены/заправки на стадии подготовки к полету;
c. спроектировать детальную 3D-модель;
d. провести поверочные расчеты и определить характерные параметры сброса;
5) прототип:
a. изготовить прототип:
  i. композиты: карбон, стеклоткань, кевлар;
  ii. наборные и ферменные конструкции;
  iii. 3D-печать;
  iv. вспененные материалы;
b. монтаж оборудования в самолет и настройка всех агрегатов;
c. подготовка к полету;
6) проведение полетных испытаний;
7) анализ полетов, устранение недостатков;
8) патентирование, разработка конструкторской документации.

Команда «Баллистики»

Проектирование капсулы с заданными баллистическими характеристиками

Цель – спроектировать капсулы для различных видов семян растений, имеющих прогнозируемые баллистические траектории для точного попадания в выбранную точку посадки растений. Капсула должна падать с некоторой скоростью, чтобы семена вошли в грунт на определенную глубину.

Задачи:

1) совместно с другими командами:
a. изучить лесной фонд Томской области;
b. определить состав семян деревьев, характерных для Томской области;
c. провести оценку массогабаритных характеристик капсул с семенами;
d. определить необходимую скорость сброса и скорость вхождения капсулы в грунт;

e. определить требуемые скорости и высоты полета при проведении засева семян;

2) первое приближение:
a. провести исследования влияния формы тела на аэродинамические характеристики;
b. провести исследования влияния аэродинамики капсулы на ее баллистические траектории полета;
c. определить массу и форму капсулы;
d. совместно с командой биоинженеров определить конструкционные материалы;

e. изучить технологии изготовления, определить технологический процесс;
f. совместно с командой конструкторов системы сброса определить схему выброса капсулы;
g. сформировать перечень требований для команды конструкторов системы сброса;
h. сформировать перечень требований для команды авиаконструкторов;
3) стадия детального проектирования:
a. спроектировать унифицированную капсулу или несколько капсул для различных видов семян деревьев;
b. разработать систему заправки контейнера;
c. разработать алгоритм расчета траектории полета капсулы;
d. разработать алгоритм корректировки полета БПЛА для точного попадания капсулы в выбранную точку посадки растений;
e. спроектировать детальную 3D-модель
f. провести поверочные расчеты и определить характерные параметры сброса;
4) прототип:
a. изготовить прототип
  i. композиты: карбон, стеклоткань, кевлар;
  ii. наборные и ферменные конструкции;
  iii. 3D-печать;
  iv. вспененные материалы;
  v. биоразлагаемые материалы;
b. монтаж оборудования в самолет и настройка всех агрегатов;
c. подготовка к полету;
5) проведение стендовых и полетных испытаний;
6) анализ полетов, устранение недостатков;
7) патентирование, разработка конструкторской документации.

Команда «Биоинженеры»

Разработка рецептуры капсулы для различных видов семян деревьев

Цель – разработать рецептуру питательных веществ капсулы для максимальной вероятности проращивания семян деревьев. Разработать биоразлагаемую оболочку капсулы.

Задачи:

1) совместно с другими командами:
a. изучить лесной фонд Томской области;
b. определить состав семян деревьев, характерных для Томской области;
c. провести оценку состава питательных веществ в капсуле;
d. провести оценку массогабаритных характеристик капсул с семенами;
e. определить глубину посадки семян в грунт;
f. определить наиболее благоприятные климатические условия проведения засева;

2) первое приближение:
a. провести исследования влияния различных факторов на скорость проращивания семян различных деревьев;
b. определить необходимое и достаточное количество семян в капсуле;
c. определить рецептуру питательных и вспомогательных веществ в составе капсулы;
d. совместно с командой баллистиков определить форму капсулы, конструкционные материалы;
e. изучить технологии изготовления, определить технологический процесс составления смеси и изготовления биоразлагаемой оболочки капсулы;
f. сформировать перечень требований для команды баллистиков;
g. сформировать перечень требований для команды конструкторов системы сброса;
h. сформировать перечень требований для команды авиаконструкторов;
3) стадия детального проектирования:
a. спроектировать унифицированную капсулу или несколько капсул для различных видов семян деревьев;
b. разработать технологический процесс изготовления биоразлагаемой оболочки капсулы;
c. разработать технологический процесс составления рецептуры капсулы и ее изготовления;
4) прототип:
a. изготовить опытные образцы капсул с семенами некоторых растений
b. подготовка к полету;
5) проведение стендовых и полетных испытаний;
6) анализ полетов, устранение недостатков;
7) патентирование, разработка технических условий, стандартов, технологической документации и разработка конструкторской документации.