Обзор проблемных вопросов создания мультироторного летательного аппарата для исследования Венеры

Язык труда и переводы:
УДК:
629.787
Дата публикации:
04 декабря 2021, 23:09
Категория:
Секция 09. Космонавтика и устойчивое развитие общества (концепции, проблемы, решения)
Авторы
Яценко Михаил Юрьевич
Московский авиационный институт (технический университет)
Рыжков Владислав Валентинович
Московский авиационный институт (технический университет)
Аннотация:
Рассмотрены проблемные вопросы, которые могут возникнуть в процессе исследования проектных ситуаций при проектировании мультироторного летательного аппарата, который был впервые предложен как дополнительное техническое средство исследования Венеры в составе перспективного венерианского космического аппарата. Составлена матрица проблем, в которой отражены возможные проблемные ситуации в ходе реализации схемы эксперимента по контактному изучению Венеры, для чего был сформирован перечень подсистем мультироторного летательного аппарата и выделены основные этапы его функционирования в атмосфере Венеры.
Ключевые слова:
Венера, мультироторный летательный аппарат, техническое средство, проблемная ситуация, матрица проблем
Основной текст труда

Исследование планеты Венера на данный момент находится на планомерном этапе, что требует увеличения количества венерианских миссий и разработки новых технических средств ее изучения.

Авторы предлагают впервые использовать мультироторный летательный аппарат как техническое средство исследования Венеры в составе перспективного венерианского космического аппарата. Предполагается, что такие аппараты будут функционировать определенное время в потребных эшелонах высот [1–3].

Мультироторные летательные аппараты (МРЛА) компактны, имеют малую взлетную массу и обладают высокой маневренностью.

В конце июля 2020 г. NASA отправило в составе миссии на Марс вертолет Ingenuity массой 1,8 кг — техническое средство с ротором и винтами, основной задачей которого была технологическая демонстрация первого полета в атмосфере Марса. Однако условия на Марсе и Венере сильно различаются. Средняя температура на поверхности Венеры составляет 462 °C, чего не скажешь о Марсе, средняя температура поверхности которого минус 60 °C. Разница в температуре объясняется разным расстоянием планет до Солнца (Венера ближе, Марс дальше) и разной плотностью атмосферы (плотность атмосферы Венеры примерно в 5000 раз больше плотности атмосферы Марса). Такая плотность атмосферы Венеры является более благоприятной для использования роторных устройств.

В ходе исследования был выделен ряд проблемных вопросов создания и функционирования мультироторного летательного аппарата как технического средства исследования Венеры, который является сложной технической системой.

Возможные проблемные ситуации, которые могут возникнуть при функционировании МРЛА непосредственно в атмосфере Венеры, представлены в виде матрицы проблем. Для этого укрупненно были выделены этапы функционирования МРЛА, в частности [2, 4, 5]:

  • ввод в действие (со спускаемого, посадочного аппарата или с аэростатической платформы-носителя);
  • управляемое движение в атмосфере (взлет, полет, посадка, стыковка);
  • функционирование научной аппаратуры;
  • движение в режиме авторотации

и основные подсистемы:

  • система отделения, обеспечивающая жесткое закрепление МРЛА в десантном модуле и последующее разделение с ним с заданными параметрами;
  • силовая установка с винтомоторной группой (ВМГ);
  • система управления электродвигателями;
  • система накопления энергии;
  • система обеспечения функционирования аппаратуры.

На этапе ввода в действие выделены следующие вопросы:

а) выбор высоты и способа ввода в действие;

б) гарантированное срабатывание средств разделения и последующее отделение МРЛА согласно схеме эксперимента;

в) обеспечение безударного расхождения МРЛА и спускаемого (СА), посадочного аппарата (ПА) или аэростатической платформы-носителя (АСПН);

г) воздействие ударных и прочих нагрузок как на МРЛА, так и на СА, ПА и АСПН;

д) повреждение элементов подсистем МРЛА и научной аппаратуры;

е) обеспечение системой управления гарантированного запуска двигателей в заданный момент и возвращения МРЛА в положение равновесия после отделения.

На этапе движения в атмосфере выделены вопросы (помимо уже обозначенных):

а) стабилизация МРЛА и поддержание его в таком состоянии;

б) функционирование силовой установки с ВМГ и узлов трения на заданных режимах, а также в условиях агрессивной атмосферы, ее суперротации и ветров;

в) соответствие времени работы системы накопления энергии требуемому;

г) нарушение связи системы накопления энергии с ВМГ;

д) выход из строя научной аппаратуры МРЛА при совершении траекторных операций.

На этапе движения в режиме авторотации ключевым вопросом является гарантированный переход МРЛА в этот режим и корректная работа его подсистем, прежде всего системы накопления энергии для обеспечения ее подзарядка от привода авторотирующего винта.

На этапе функционирования научной аппаратуры подсистемы МРЛА должны обеспечить:

а) нужную динамику движения для создания потребных условий для работы аппаратуры;

б) осуществление оптимального управления мультироторным летательным аппаратом;

в) выполнение программы научных исследований путем реализации схемы эксперимента согласно требуемым параметрам.

Мультироторный летательный аппарат — сложная техническая система, поэтому при дальнейшем проектировании необходимо будет провести углубленные расчеты, уточнить компоновочную схему, обосновать выбор материалов для изготовления элементов мультироторного аппарата, рассмотреть вопросы работы узлов трения в венерианских условиях, а также проработать перечень научных приборов для оснащения аппарата.

Литература
  1. Яценко М.Ю. Мультироторный летательный аппарат для исследования Венеры // XLVI Междунар. молодеж. науч. конф. «Гагаринские чтения – 2020»: сб. тез. докл. М.: МАИ, 2020. С. 737–738.
  2. Яценко М.Ю., Воронцов В.А. Концепция исследования Венеры с помощью мультироторного летательного аппарата // Сб. избр. науч. докл. по итогам XLVI Междунар. молодеж. науч. конф. «Гагаринские чтения». М.: МАИ, 2020. С. 311–321.
  3. Яценко М.Ю., Воронцов В.А. К вопросу о включении в программу исследования Венеры дополнительных технических средств // XLV Академич. чтения по космонавтике (Королёвские чтения – 2021): сб. тез.: в 4 т. Т. 2. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2021. С. 222–226.
  4. Воронцов В.А. Проектирование средств десантирования и дрейфа в атмосферах планет и их спутников / под ред. К.М. Пичхадзе. М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. 65 с.
  5. Свердлов С.З. О компоновке многороторного беспилотного вертолета (мультикоптера) // Вестник Вологод. гос. ун-та. Сер. Технические науки. 2018. № 2. С. 20–24.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.