Аннотированный отчет

АННОТИРОВАННЫЙ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ОТЧЕТ
О РЕЗУЛЬТАТАХ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИХ РАБОТ, ВЫПОЛНЕННЫХ
НА ЭТАПЕ № 1
«Выбор и обоснование принятого направления исследований в области методик
проектирования электромеханического привода элерона крыла
беспилотного летательного аппарата»
Соглашение №14.В37.21.1546 от 05.10.2012г.
Тема: «Электромеханический привод для управления элеронами беспилотного
летательного аппарата»
Исполнитель: федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего профессионального образования «Южно-Российский государственный
технический университет (Новочеркасский политехнический институт)»
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат, БПЛА, элерон, рулевой привод,
электромеханический привод, математические модели, методы проектирования

Цель проекта
1.1. Одной из задач при реализации концепции «полностью электрического
летательного аппарата» является автоматизация систем управления полетом. В
современных летательных аппаратах (ЛА) применяются электрические, гидравлические и
пневматические рулевые приводы (РП) сравнительно высокой мощности,
обеспечивающие аэродинамическое управление БПЛА с массой от 200 до 1500 кг.
Поэтому увеличение времени работы таких РП неизбежно влечет существенный рост
массы и габаритов их источников питания (электрические батареи и воздушные
аккумуляторы давления), что отрицательно сказывается на габаритно-массовых
характеристиках БПЛА. Одним из вариантов решения проблемы создания РП для
современных БПЛА с дальностью полета 70 км и более – оснащение их
электромагнитными приводами, которые интегрируются в крыло БПЛА и не создают
сопротивления набегающему воздушному потоку. Разработка методики проектирования и
расчёт параметров электромеханического привода элерона на базе машины постоянного
тока малой мощности является актуальной задачей.
1.2. Создание научных и инженерных основ (математических моделей и методик)
проектирования электромеханических приводов для управления элеронами беспилотных
летательных аппаратов, обеспечивающих достижение предъявляемых требований по
нагрузочным характеристикам и габаритным размерам, создание на основе проведенных
исследований макетного образца электромеханического привода элерона крыла
беспилотного летательного аппарата и экспериментальное определение его
характеристик.

Основные результаты проекта
2.1. Краткое описание основных полученных результатов.
Целью первого этапа работы является выбор и обоснование принятого направления
исследований в области методик проектирования электромеханического привода элерона
крыла беспилотного летательного аппарата. Для достижения цели решались задачи по
оценке современного состояния в области создания и разработки современных рулевых
машин на базе электромеханических приводов. В процессе работы проводились анализ
научно-технической литературы, нормативно-технической документации в области
самолетостроения, обзор технических решений, повышающих эффективность применения
электромеханических приводов в системе механизации крыла. Основные показатели
разрабатываемых методик проектирования электромеханического привода элерона:
должны обеспечивать такой выбор конструктивных и схемных параметров
электромеханического привода, при которых обеспечивается простота конструктивного
исполнения и надежная длительная работа в тяжелых режимах. Основные
конструктивные и технико-эксплуатационные показатели разрабатываемого привода
элеронов: интеграция в крыло БПЛА, сбережение электрической энергии за счет
применения высокоэнергетичных постоянных магнитов, снижение люфта в передачах.
Для оценки научно-технического уровня разработки проведены патентные исследования в
соответствии с ГОСТ Р 15.011-96 «Система разработки и постановки продукции на
производство. Патентные исследования. Содержание и порядок проведения». Патентные
исследования проведены в полном объеме, соответствующем заданию, календарному
плану и регламенту поиска. Патентный поиск выполнен по официальным базам данных
Роспатента с 1994 года по 15.10.2012 год включительно, с 1992 по 1993 поиск был
проведен по официальным бюллетеням «Изобретения. Полезные модели», а также по
официальным электронным зарубежным БД через портал http://worldwide.espacenet.com/
ЕПВ с выходом на национальные патентные ведомства. Наибольшая изобретательская
активность по приводам элеронов для беспилотных летательных аппаратов наблюдалась в
период с 1997 по 1999 годы, что объясняется высокими темпами развития авиации.
Анализ разработок в отношении приводов элеронов для беспилотных летательных
аппаратов показал, что исследования в данной области ведутся в таких странах, как
Российская Федерация, Германия, США, Великобритания, Израиль, Франция. Результаты
патентных исследований не выявил технических решений, аналогичных заявляемому
конструктивному исполнению электромеханического привода элерона, интегрированного
в крыло ЛА, что позволяет провести процедуру патентования изобретения.
Проанализированы тенденции развития электромеханических приводов элеронов.
В существующих конструкциях малоразмерных БПЛА для управления элеронами
используется система качалок, которые, будучи установленными на крыле ЛА,
увеличивают лобовую площадь крыла, что вызывает дополнительное сопротивление и
необходимость увеличения мощности приводного двигателя.
Разработана программа и общая методика проведения исследования, техническое
задание на электромеханический привод элерона крыла беспилотного летательного
аппарата. Проведенные исследования позволят на втором (заключительном) этапе работы
разработать математические модели ЭМП элеронов, создать на их основе программные
модули, провести численные эксперименты. По результатам численных экспериментов
будет разработана методика проектирования подобных устройств и конструкторская
документация на ЭМП элеронов, будут проведены теоретические и экспериментальные
исследования.
Разработка,
изготовление
и
испытания
макетного
образца
электромеханического привода элерона позволит провести настройку и верификацию
разработанных математических моделей.
Основные положения докладывались во время проведения всероссийской
молодежной научной школы «Энергонасыщенные материалы, изделия, инновационные
технологии их изготовления и применения» в ноябре 2012 г., по результатам которой
будет опубликован сборник тезисов и докладов; подготовлена к опубликованию и
передана в редакцию журнала «ИЗВЕСТИЯ ВЫСШИХ УЧЕБНЫХ ЗАВЕДЕНИЙ.
СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ РЕГИОН. СЕРИЯ: ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ» статья
«Электромеханический привод для управления элеронами летательного аппарата», авторы
Батищев Д.В., Гуммель А.А., Гильмияров К.Р.
2.2. Описание новизны научных результатов.
Разработка основ проектирования электромеханического привода элерона
малоразмерного ЛА позволит сформулировать требования к устройствам подобного
класса и осуществлять проектирование подобных систем под различные условия работы.
2.3. Сопоставление с результатами аналогичных работ мирового уровня.
Приведенный анализ показывает, что основными энергетическими системами на
ЛА с взлетной массой более 10 тонн будут оставаться гидравлические системы,
работающие в комплексе с электроустройствами управления, а также с электрическими
или пневматическими (пиротехническими) аварийными системами.
Основными
энергетическими системами на ЛА с взлетной массой менее 10 тонн (беспилотные ЛА)
будут являться электромеханические системы с постоянными магнитами на основе сплава
редкоземельных металлов типа самарий-кобальт.
Пневматические системы могут применяться как основные системы на ЛА
одноразового действия со сравнительно более низкими требованиями по работоемкости.
Анализ бортовых энергетических систем ЛА показывает доминирующее
положение гидросистем. Эти системы, обеспечивая энергией до 20 ... 30 функциональных
подсистем управления, включают в себя до 103 агрегатов с резко возросшими
динамическими характеристиками. Непрерывно растут рабочие давления и температуры
Мощность таких систем достигает сотен и тысяч киловатт, а масса от 1 ... 2% (тяжелые
ЛА) до 4 ... 5% (сверхзвуковые маневренные ЛА) взлетной.
Отказы многих из функциональных подсистем электрогидравлических систем
управления в полете по всем 3 каналам могут создать предпосылки к катастрофам и
авариям.
Гидравлические системы превосходят электромеханические по массовым
показателям (практически на порядок) и простоте силовых приводов значительных
мощностей с малыми выходными скоростями. Эти преимущества реализуются только при
чрезвычайно высокой точности изготовления сопрягаемых пар в насосах, приводах,
агрегатах.
С целью уменьшения стоимости производства и эксплуатации рулевого привода
при обеспечении его высокого быстродействия в широком диапазоне нагрузок рулевой
машины рекомендуется применение электромеханического привода с системой
управления ‒ электромагнитного привода, шагового магнитоэлектрического двигателя
или линейного шагового двигателя.

Назначение и область применения результатов проекта
3.1. Описание областей применения полученных результатов
Результаты работы могут быть использованы в области авиационной и судовой
техники.
3.2. Перспективы практического применения и коммерциализации результатов
проекта
3.2.1. Описание направлений практического внедрения полученных результатов
или перспектив их использования.
Полученные результаты могут быть использованы в дальнейших работах с ОАО
«Азовский оптико-механический завод» по разработке управляемых аэродинамических
поверхностей, с ООО «МИП «Мехатроника» ЮРГТУ(НПИ) по разработке управляемых
крыльев подводных управляемых и неуправляемых объектов.
3.2.2. Оценка или прогноз влияния полученных результатов на развитие научнотехнических и технологических направлений.
Выполнение работ, связанных с разработкой и совершенствованием систем БПЛА,
позволяет интенсифицировать внедрение БПЛА в гражданскую сферу деятельности:
• мониторинг больших территорий и акваторий, картография, аэрофотосъемка;
• экологический мониторинг газо- и нефтепроводов, лесов и водоемов;
• поисково-спасательные работы;
• авиахимические работы;
• поиск угнанных транспортных средств и нарушителей границы.
3.2.3. Описание ожидаемых социально-экономических и др. эффектов от
использования товаров и услуг, созданных на основе полученных результатов.
Обеспечивая, за счет применения электромеханического привода элерона, более
высокую степень автоматизации управления полетом, разгружается оператор от рутинных
операций, один оператор может управлять несколькими БПЛА одновременно.
Выполнение работ, связанных с разработкой и совершенствованием систем БПЛА,
позволяет интенсифицировать внедрение БПЛА в гражданскую сферу деятельности.
С экономической точки зрения, беспилотные ЛА (в отличие от пилотируемых ЛА)
– при прочих равных условиях (например, при сопоставимых значениях полезной
нагрузки и составе бортового оборудования) БПЛА характеризуются меньшей
себестоимостью разработки, производства и обслуживания.
– благодаря меньшим значениям расхода топлива (либо использования
альтернативных видов энергии), сокращаются затраты на ГСМ;
– снижаются затрат на содержание или использование наземной инфраструктуры;
– сокращаются затраты на оплату труда пилотов, роль которых применительно к
БПЛА выполняют операторы, находящиеся на земле. В силу пребывания операторов на
земле, меньшего уровня риска, ставки оплаты труда могут быть ниже, чем у пилотов.
Таким образом, во многих сегментах рынка применения авиации в народном
хозяйстве внедрение БПЛА вместо пилотируемых ЛА обеспечит, как ожидается,
многократное снижение практически всех статей эксплуатационных затрат.
3.2.4. «Коммерциализация проектом не предусмотрена».
3.2.5. На основе полученных результатов могут быть разработаны малоразмерные БПЛА с
увеличенной дальностью полета для применения на объектах топливно-энергетического комплекса
для контроля как технического состояния объектов, так и их безопасности и функционирования.

Перспективы развития исследований
4.1. Информация о формировании новых исследовательских партнерств и участии
научного коллектива в проектах по 7-й рамочной Программе Евросоюза.
17 октября 2012 года состоялась встреча с делегацией сотрудников Технического
университета г. Ильменау, на которой первый проректор, профессор, д.т.н.
Н.И. Горбатенко,
начальник отдела международной деятельности, профессор
Е.В. Киреевский, зам.директора НИИЭМ, доцент, к.т.н. Д.В. Батищев (ЮРГТУ (НПИ) и
академический советник, сотрудник кафедры мехатроники ТУ Ильменау Том Штрёла,
заведующий кафедрой мехатроники технического университета Ильменау (ТУ Ильменау),
профессор Томас Заттель обсудили возможности и перспективы участия в проектах по 7-й
рамочной Программе Евросоюза в рамках тематик РП7: «Энергетика», «Информационные
и коммуникационные технологии», «Нанонауки, нанотехнологии, материалы и новые
производственные технологии», «Транспорт, включая аэронавтику».
4.2. Участие научного коллектива в проектах по аналогичной тематике.
Научным коллективом в рамках хоз. договорных работ были выполнены и
продолжают выполняться проекты с Азовским оптико-механическим заводом по
разработке датчиков момента (моментных двигателей) и сканирующих двигателей,
выполняется НИР «Теория создания и исследование ресурсо- и энергосберегающих
электромеханических устройств, систем и комплексов» и ряд проектов по разработке
приводов различного назначения.
4.3. Информация о сотрудничестве с зарубежными странами и исследовательскими
центрами.
Научный коллектив имеет продолжительные партнерские отношения со
Штайнбайс-центром Мехатроники (STZ Mechatronik) (город Ильменау, Германия),
руководителем которого является ведущий специалист в области разработки
электромагнитных приводов профессор Калленбах Эберхард. Штанбайс-центр трансфера
технологий совместно с ЮРГТУ (НПИ) и техническим университетом Ильменау
выполняет работы по созданию методики математических моделей и программ для
проектирования электромагнитных приводов мехатронных приводов и систем.
Совместная работа осуществляется в рамках договора о сотрудничестве и предполагает
выполнение части работ на предприятии Штанбайс-трансфер-центр в Германии. В
частности, был выполнен совместный проект по теме «Создание математических моделей
и методик проектирования электромагнитных приводов с низким энергопотреблением для
мехатронных систем».

Опыт закрепления молодых исследователей – участников проекта
(этапа проекта) в области науки, образования и высоких технологий
Батищев Денис Владимирович, 06.05.1978 года рождения, защитил кандидатскую
диссертацию в 2011 году, принят на должность доцента кафедры «Электрические и
электронные аппараты» федерального государственного бюджетного образовательного
учреждения
высшего
профессионального
образования
«Южно-Российского
государственного технического университета (Новочеркасского политехнического
института)»;
Гильмияров Константин Ренардович, 05.06.1985 года рождения, защитил
кандидатскую диссертацию в 2012 году, принят на должность ведущего инженера
управления по научной работе и инновационной деятельности (УНРиИД) федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Южно-Российского государственного технического университета
(Новочеркасского политехнического института)», оформляет документы на должность
доцента кафедры «Электрические и электронные аппараты»;
Гуммель Андрей Артурович, 10.01.1980 года рождения, принят на должность
инженера кафедры «Электрические и электронные аппараты» федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Южно-Российского государственного технического университета
(Новочеркасского политехнического института)», оформляет документы для защиты
диссертации в диссертационный совет;
Щучкин Денис Александрович, 23.01.1985 года рождения, защитил кандидатскую
диссертацию в 2012 году, принят на должность ведущего инженера управления по
научной
работе
и
инновационной
деятельности
(УНРиИД)
федерального
государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального
образования «Южно-Российского государственного технического университета
(Новочеркасского политехнического института)», 15 февраля 2013 года состоится защита
кандидатской диссертации с последующим закреплением в должности старшего
преподавателя кафедры «Электрические и электронные аппараты».

Объем финансирования
Объем бюджетного финансирования проекта составляет 1 177 000 рублей 00 коп., в
том числе за 2012 г.: 800 000 рублей 00 коп., за 2013 г.: 377 000 рублей 00 коп.
Руководитель Проекта
Д.В. Батищев