Russian Federation
Russian Federation
The operativeness of execution and the possibility of carrying out hoisting and transport opera-tions in hard-to-reach places is a highly topical issue today. The possibility of using the principle of a flying crane as a load-lifting and transporting means is considered. The use of unmanned aerial vehicles is proposed as implementation options. The prospects for the use of multicopter and multi-screw modular systems are given.
lifting and transporting operations, flying crane, unmanned aerial vehicle, multi-rotor systems.
Подъемно-транспортные операции представляют собой один из самых затратных в плане «время-деньги» пунктов. Оперативность доставки подъемно-транспортного средства и развертывание его на месте использования может вызвать серьезные задержки выполнения работ, особенно, если работы производятся в труднодоступных местах.
На грани 40–50-х годов прошлого века появилось понятие «летающий кран», предполагающее вертолёт-кран, предназначенный для строительно-монтажных работ и транспортировки грузов на внешнем подвесе. Летающий кран специальной постройки не нуждается в объёмной грузовой кабине, поэтому его грузоподъёмность выше, чем у вертолёта общего назначения с той же силовой установкой. Гражданские летающие краны применяются в строительстве в отдалённых районах, при монтажных работах в высотном строительстве, при установке опор высоковольтных линий электропередач. Примерами могут быть отечественный Ми-10 и Sikorsky CH-54 (рис. 1), использовавшиеся исключительно в подъемно-транспортных операциях в сложных условиях. Несмотря на незаменимость таких аппаратов для производства грузоподъемных работ, их производство и использование стало практически единичным.
С появлением беспилотных летательных аппаратов (дронов), функционирующих по «вертолетному» принципу (мультикоптеров), возникла возможность использовать принцип «летающего крана» в оперативных условиях с небольшой грузоподъемностью. Беспилотные летательные аппараты выполняют полет без пилота на борту и управляются в полете автоматически, оператором с пункта управления или сочетанием указанных способов [1]. Наличие легких электродвигателей (ЭД), имеющих высокую приемистость управления, а также источников питания на 10–15 мин. полета, позволяет создавать дешевые радиоуправляемые мультикоптеры в диапазоне взлетного веса от одного до нескольких килограммов. Количество винтов таких аппаратов может варьироваться от 4 до 10. Такие аппараты показывают высокую эффективность для выполнения задач видеосъемки, разведки и даже доставки грузов (несколько килограмм) на небольшие расстояния.
Мультикоптер зачастую принято называть квадрокоптером, хотя, по сути, он таковым является далеко не всегда. Название дрона напрямую зависит от количества пропеллеров, поэтому дроны, например, с 6 и 8 пропеллерами правильно называть гексакоптером и октокоптером соответственно. В самом простейшем варианте – это летающая конструкция с крестообразной рамой и размещенными на ней ЭД с винтами. Другие конструкции такого типа представляют собой разветвленную раму, в узлах которой закреплены ЭД с подъемными винтами, либо на одном плече дрона размещены два привода (рис. 2).
Еще 3–4 года назад максимальный вес перемещаемого груза беспилотными летательными аппаратами был в пределах 5–10 кг. Высокий темп роста технологий и интенсивное развитие исследований и разработок в данной области позволяют предполагать значительное увеличение грузоподъёмности. Создано уже значительное количество аппаратов такого типа, способных поднять, например, одного человека. Рассмотрим несколько примеров.
В Казани в 2016 г. специалисты инновационной компании «ОКБ Авиарешения» сконструировали дрон для перевозки грузов FLYP. Беспилотник используется для химической обработки урожая и лесных массивов. Грузовой коптер может поднимать и переносить до 180 кг [2]. Новая разработка компании – коптер SKYF, грузоподъемность которого составляет на настоящий момент до 250 кг с перспективой увеличения до 400 кг [3].
Компания Boeing в конце 2017 г. представила свой новый беспилотник (см. рис. 2а), способный перемещать тяжелые грузы на небольшие расстояния [4]. Октокоптер, согласно заявленной спецификации, способен поднимать в воздух полезную нагрузку весом до 227 кг. Стоит отметить, что на разработку беспилотного летательного аппарата с вертикальной посадкой и взлетом у специалистов американской компании ушло всего три месяца.
Норвежская компания Griff Aviation представила радиоуправляемый октокоптер Griff 300 (см. рис. 2б), который оснащен восемью пропеллерами, работу которых обеспечивает восемь моторов. На одном заряде дрон может продержаться в воздухе от 30 до 45 мин. в зависимости от нагрузки. Дрон весит 75 кг и может перевозить до 225 кг груза. В планах компании выпуск грузового дрона Griff 800, который может брать на борт до 800 кг. Последующие модели будут обладать еще большей грузоподъемностью [5].
Другим перспективным решением задачи повышения грузоподъемности является использование модульных винтовых многороторных систем, работающих на общую нагрузку (рис. 3).
Основными преимуществами многовинтовой схемы являются:
– увеличение грузоподъемности за счет снижения суммарного веса винтов и их агрегатов, поскольку несколько винтов имеют меньший вес, чем один винт той же суммарной площади;
– повышение безопасности полета при отказе одного или нескольких двигателей;
– повышение надежности и ресурса силовой установки в связи с исключением ряда сложных механических устройств;
– повышение качества траекторного управления и маневренности вследствие возможности раздельного управления частотой вращения несущих винтов.
Развитие концепций многороторных транспортных систем в настоящее время обусловлено активным внедрением бесколлекторных электрических двигателей, имеющих высокую удельную мощность (до 5 кВт/кг), и литий-ионных аккумуляторных батарей [6-7]. Рост мощности выпускаемых бесколлекторных ЭД позволяет переходить к созданию многовинтовых систем большей размерности. Современные асинхронные бесколлекторные электродвигатели выпускаются серийно и широко используются в наземном транспорте для привода электрических и гибридных автомобилей, а также поездов, автобусов, трамваев, троллейбусов. Такие двигатели имеют неплохие весовые характеристики и могут быть использованы в СУ летательных аппаратов с небольшими доработками. Выпускаются также серийные ЭД, предназначенные для авиационного применения мощности в диапазоне 20–100 кВт, как правило, для мотопарапланов, дельтапланов, мотопланеров и легких самолетов.
Учитывая, с какой скоростью движется прогресс в области беспилотных летательных аппаратов с большой грузоподъемностью, в ближайшем будущем они могут потеснить традиционные грузоподъёмные машины. Существующие на сегодняшний день беспилотные летательные аппараты приспособлены для использования в различных регионах, т.к. имеют широкий температурный диапазон перемещения в условиях бездорожья и возможность использования в условиях плохой видимости, например, в дождливую погоду, туман. Такие разработки можно будет использовать в решении логистических задач на объектах. При этом решается вопрос переброски грузов небольшого веса с производственных баз на объект, на небольшие расстояния в условиях бездорожья, кроме того, исчезает необходимость в высокопроходимых транспортных средствах и дополнительной рабочей силе, что является экономически выгодным.
1. Perspektivy razvitiya i primeneniya kompleksov s bespilotnymi letatel'nymi apparatami. Doklady i stat'i ezhegodnoy nauchno-prakticheskoy konferencii. g. Kolomna. 2016. - 274 s.
2. Rossiyskiy startap po proizvodstvu promyshlennyh dronov FLYP [Elektronnyy resurs] // Rusbase: internet-izd. - 2017. - URL: https://rb.ru/news/flyp-deal/.
3. Sayt OOO «OKB Aviaresheniya» [Elektronnyy resurs] // URL: https://skyf.pro/ru/skyf-ru/.
4. Dron mozhet stat' predshestvennikom avtonomnogo letatel'nogo apparata [Elektronnyy resurs] // «Motor»: internet-izd. - 2018. - 11 yanv. - URL: https://motor.ru/news/boeingdrone-11-01-2018.htm.
5. Dron Griff 300 mozhet transportirovat' gruzy massoy bolee 200 kg [Elektronnyy resurs] // «Haytek»: internet-izd. - 2016. - 22 dek. - URL: https://hightech.fm/2016/12/22/griff_aviation.
6. Dunaevskiy A.I., Kosushkin K.G., Red'kin A.V. Issledovaniya innovacionnyh koncepciy LA vertikal'nogo vzleta i posadki, prednaznachennyh dlya vypolneniya mestnyh i regional'nyh aviaperevozok // Materialy XXIX nauchno-tehnicheskoy konferencii po aerodinamike. g. Zhukovskiy: Izd-vo CAGI. - 2018. - S. 120.
7. Red'kin A.V., Kosushkin K.G. Issledovanie koncepcii preobrazuemogo LA s gibridnoy silovoy ustanovkoy i ostanavlivaemymi pod'emnymi vintami dlya mest-nyh i regional'nyh avialiniy // Modeli i metody aerodinamiki Materialy Vosemnadcatoy mezhdunarodnoy shkoly-seminara. g. Zhukovskiy: Izd-vo CAGI. -2018. - S. 122-124.
