Студенты МАИ создают уникальный беспилотный самолёт для сельского хозяйства

Студенты института № 1 «Авиационная техника» МАИ Георгий Брезгин и Павел Андреев работают над уникальным беспилотным самолётом для сельскохозяйственных нужд, по ряду характеристик не имеющим аналогов в мире. Основное назначение самолёта — распыление химикатов над посевами для борьбы с сорняками и вредителями. По мнению авторов, новый беспилотник сможет занять пустующую нишу между квадрокоптерами и сверхлёгкими пилотируемыми самолётами благодаря важным преимуществам и перед теми, и перед другими.

Идея проекта

Идея создать беспилотный самолёт возникла у Георгия Брезгина ещё до поступления в МАИ.

«Темой беспилотников я увлёкся в средних классах, — рассказывает маёвец. — В 10 классе появилось желание создать что-то действительно уникальное, но так как уже тогда рынок был перенасыщен квадрокоптерами, умеющими лишь летать с камерой, не было никакой нужды разрабатывать ещё один. С другой стороны, проводя много времени в сельской местности, я видел острую нехватку аппаратов для улучшения качества урожая. Именно поэтому я и выбрал нишу беспилотных летательных аппаратов для авиационных химических работ».

Изначально самолёт был задуман как средство для орошения небольших земельных участков, однако вскоре Георгий отказался от этой идеи из-за низкой эффективности такого аппарата. Так появилась цель создать самолёт для ультрамалообъёмного внесения химикатов.

Работа над аппаратом

Первый вариант самолёта имел бак для химикатов ёмкостью 20 литров. После поступления в МАИ и знакомства с Павлом Андреевым Георгий переосмыслил проект. Павел оптимизировал конструкцию аппарата в программе КОМПАС-3D. Вместимость бака была увеличена до 70 литров. Кроме того, Павел разработал специальную систему для микрокапельного опрыскивания.

Изначально работа над проектом велась под руководством студента третьего курса кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники» Александра Широкова и аспиранта той же кафедры Дениса Прокопенко. Сейчас научным руководителем ребят является заместитель директора центра «Беспилотные летательные аппараты» МАИ Максим Юрьевич Калягин.

В настоящий момент ребята продолжают заниматься проектированием конструкции второй версии самолёта. Параллельно в мастерской Георгия ведётся изготовление первой версии для проведения лётных испытаний и внесения поправок во второй вариант. К настоящему времени из древесины изготовлены фюзеляж, хвостовое оперение, частично — крыло.

«На данный момент проделан анализ рынка сельскохозяйственной авиации и беспилотных летательных аппаратов и построена 3D-модель второй версии будущего самолёта, — говорит Павел. — Её мы используем для более точной компоновки агрегатов, а также при уточнении геометрической информации для аэродинамических расчётов. Также визуализация нашей разработки и вносимых изменений позволяет избежать многих проблем на этапе проектирования планера второй версии самолёта».

Преимущества беспилотного самолёта

Беспилотник маёвцев сможет обрабатывать те или иные участки поля в полностью автономном режиме в соответствии с программой, загружаемой в полётный контроллер. Взлёт и посадка будут осуществляться автоматически на заранее подготовленный участок. Также оператор сможет осуществлять управление самолётом по протоколу Fly-by-Wire, то есть его действия будут ограничены в рамках допустимых значений по каналам крена и тангажа. При этом по некоторым характеристикам разработка превосходит существующие аппараты, способные выполнять те же задачи.

По словам Георгия, все аппараты, выполняющие авиахимические работы, можно поделить на три группы. Это коптеры, сверхлёгкая авиация и «тяжёлая» авиация, например Ан-2 и Air Tractor. Коптеры зарекомендовали себя как безотказные и простые в управлении машины, но они существенно ограничены в массе полезной нагрузки и полётном времени — объём бака для химикатов составляет всего 20–40 литров, а время полёта коптеров — 15 минут с полной загрузкой. Но, несмотря на недостатки коптеров, их распылительные системы обладают самым малым размером капли среди всех аппаратов — 0,1 микрон, поэтому дроны успешно выполняют задачи ультрамалообъёмного опрыскивания. При таком малом размере капли во время пролёта коптера над растениями создаётся мелкодисперсное облако, которое длительное время «висит» в воздухе, обволакивая листья. У сверхлёгких самолётов размер капли больше, как минимум, в 100 раз — от 10 до 60 микрон.

Аппарат маёвцев занимает нишу между коптерами и сверхлёгкой авиацией. Размер капли у него больше, чем у коптеров, в 10–15 раз, однако он выигрывает в скорости обработки и объёме бака. Таким образом, разработка сопоставима по характеристикам со сверхлёгкими самолётами, но в то же время не нуждается в пилоте.

«Мы предлагаем рынку совершенно новое решение, — говорит Георгий. — Агрохолдингу больше не нужно нанимать квалифицированных пилотов и обслуживать дорогостоящие сверхлёгкие самолеты. С поставленной задачей отлично справится неприхотливый и дешёвый в обслуживании беспилотный самолёт».

На самолёте будет применена задняя центровка, которая существенно улучшит его скоростные характеристики. При такой схеме центр тяжести находится за центром давления, а горизонтальное оперение участвует в создании подъёмной силы.

«Исключаются потери на балансировку, составляющие 3–8% на самолётах, выполненных по нормальной балансировочной схеме, — дополняет Павел. — Вкупе с бипланной коробкой данное решение обеспечивает невероятно низкие скорости сваливания, что сокращает посадочную дистанцию и делает полёты над полем более безопасными. Так, при полной загрузке сваливание на закрылках происходит на скорости 65 км/ч, а в посадочной конфигурации с пустым баком — 44 км/ч, соответственно, скорость посадки составляет всего лишь 52,8 км/ч, а скорость ведения авиахимических работ — 80–90 км/ч».

Использование разработки актуально на полях малых размеров — не более 200 гектаров. Норма внесения химикатов для рентабельной работы самолёта составляет 3–5 л/га, что соответствует применению пестицидов, гербицидов, инсектицидов или десикантов.

В ближайшем будущем маёвцы планируют представить свой проект на нескольких всероссийских конференциях, создать конструкторскую документацию и заняться вопросом воплощения второй версии самолёта «в металле». По оценкам ребят, выйти на лётные испытания самолёта удастся уже в 2022 году.