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.

Весной этого года проект удостоился второго места на Международной молодёжной научной конференции «Гагаринские чтения».
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.

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". 

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.

"Все аппараты, выполняющие авиахимические работы, можно поделить на три группы, — объясняет Георгий. — 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, — продолжает 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, — говорит 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.