Беспилотник будущего от студентов МАИ

Георгий Брезгин и Павел Андреев — студенты второго курса института № 1 «Авиационная техника» Московского авиационного института (МАИ). И, несмотря на их довольно молодой возраст, уже сейчас ребята смело взялись за разработку собственного беспилотного самолета для сельскохозяйственных работ, аналогов которому нет в России. Но обо всем по порядку…

— Ребята, расскажите немного о себе… 

Георгий: Мы — студенты кафедры 101 «Проектирование и сертификация авиационной техники». Я увлекаюсь радиоуправляемыми моделями самолетов и очень люблю музыку: играю на гармони и баяне. Признаться, еще в детстве я мечтал стать авиаконструктором, потому поступление в МАИ было вполне логичным шагом. 

Павел: А я очень люблю 3D-моделирование, прорабатываю модели новых перспективных самолетов…

— А откуда интерес к теме беспилотников? И как вообще родилась идея создать беспилотный самолет для сельскохозяйственных нужд — проект, над которым вы сейчас работаете?

Георгий: Идея создать что-то грандиозное в области беспилотников появилась в 10 классе. Хотелось сделать что-то действительно уникальное. Я видел, что большинство дронов умеет выполнять лишь задачи патрулирования и рынок попросту перенасыщен такими аппаратами. Создавать еще один такой же? Зачем? 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 (БПЛА) для авиационных химических работ (АХР).

Павел: Беспилотники — это что-то новое, потому интересное. Неоспоримым плюсом является то, что беспилотник намного легче сертифицировать, чем традиционный летательный аппарат. Также в сельхозавиации остается все меньше и меньше опытных пилотов, и потому беспилотный самолет становится наиболее актуальным решением.

— Итак, концепт утвержден, ниша выбрана… А как проходила работа над летательным аппаратом? 

Георгий: Создавать свой беспилотный самолет я начал в середине 10 класса. Первоначально самолет планировался как средство для орошения небольших земельных участков, однако вскоре я отказался от этой идеи из-за низкой эффективности такого аппарата. В дальнейшем я занялся проектированием самолета для внесения химических веществ, повышающих качество урожая. Это инсектициды и гербициды, использующиеся для борьбы с насекомыми и сорняками. Первый вариант самолета имел бак с химическими веществами емкостью 20 л, и я собирал его у себя в мастерской. На данный момент сделаны фюзеляж, крыло и хвостовое оперение, ведутся работы по изготовлению шасси и установке систем самолета.

Поступив в МАИ, я познакомился с Пашей, и мы переосмыслили мой проект. Паша оптимизировал конструкцию самолета в программе КОМПАС-3Д. Мы увеличили вместимость бака с химикатами с 20 до 70 л и создали трехмерную модель аппарата.

В декабре 2021 года первый вариант самолета с баком на 20 л перевезли в Москву в МАИ, и сейчас активно готовим его к тестовому полету. Мы рассматриваем первую версию самолета как прототип для отработки технических решений. После проведения испытаний и устранения недостатков мы приступим к изготовлению второй увеличенной версии самолета с баком на 70 л.

— Из каких материалов создан прототип?

Павел: В основном это дерево. Поперечный силовой набор фюзеляжа и крыла изготовлен из фанеры, в то время как продольные силовые элементы из реек и брусков. Для усиления особо ответственных узлов и креплений использовали карбон.

— А с технической точки зрения?

Павел: Самолет будет эксплуатироваться в полевых условиях. Для взлета ему достаточно грунтовой полосы длиной 200 м. В самолете установлена электро-дистанционная система управления (ЭДСУ) с применением сервоприводов, что является уже типовым и проверенным решением для беспилотной авиации. Все этапы полета будут осуществляться в полностью автоматическом режиме с применением полетного контроллера Pixhawk PX4.

— Параллельно вы работаете над второй версией беспилотника?

Павел: На данный момент вторая версия самолета находится на этапе разработки чертежей. Мы планируем увеличенное крыло и фюзеляж с размещением в нем 70 л химикатов.

— В чем преимущество вашей разработки по сравнению с тем, что есть сейчас на рынке?

Георгий: В настоящее время все аппараты, выполняющие авиахимические работы, можно поделить на три группы: коптеры, сверхлегкая авиация (СЛА), легкая авиация. И основным критерием для разделения аппаратов является объем бака с химическими веществами.

Коптеры, такие как DJI Agras, используются на земельных участках размером до 10 гектаров, имеют объем бака 20–40 л и производительность 9,7–13,3 га/час. Их используют в основном для точного внесения малых доз инсектицидов и гербицидов на небольших участках, например фруктовых садах и на виноградниках. Стоимость обработки коптером — 700 руб/га без учета стоимости химикатов.

Пилотируемые самолеты сверхлегкой авиации, такие как СП-30, имеют бак объемом 100–150 литров и используются для тех же задач, что и коптеры, но уже на больших по размеру земельных участках. Основной размер поля при работе сверхлегкой авиации — 200 га. При этом самолет имеет производительность 60–80 га/час, а стоимость обработки составляет 250 руб/га.

К легкой авиации относятся такие аппараты, как Ан-2, AT-802A и вертолеты Ми-2 и Ка-26. Эти аппараты имеют баки объемом 1000–1500 л и применяются в основном на обширных территориях для внесения больших доз удобрений за короткий промежуток времени. Особенно актуально это весной при интенсивной подкормке озимых растений минеральными удобрениями. Производительность таких аппаратов 60–90 га/час, а стоимость обработки 450 руб/га.

Павел: Наш самолет с баком 70 литров будет иметь максимальную производительность 56 га/час при стоимости обработки 150 руб/га, что позволит ему конкурировать с аппаратами сверхлегкой авиации. Звено из двух наших самолетов сможет выполнять те же задачи, что и один пилотируемый самолет. Наш самолет может быть использован для замены устаревающих пилотируемых аппаратов, а также решит проблему нехватки опытных пилотов. Кроме того, оператор беспилотника не так сильно подвержен переутомлению и воздействию вредных химикатов на органы дыхания.

Технические характеристики второй версии самолета с баком на 70 литров.

• Размах верхнего крыла — 4095 мм. 
• Размах нижнего крыла — 3390 мм. 
• Длина фюзеляжа — 2700 мм.
• Нормальная взлетная масса — 150 кг. 
• Скорость полета при АХР — 90 км/ч. 
• Длина разбега / пробега — 120 м. 
• Силовая установка — бензиновый двигатель DLE 222, мощностью 21,5 л. с. при 7500 об/мин, ресурс двигателя — 400 моточасов. 
• Объем бака для химикатов — 70 л. 
• Производительность самолета — 56 га/час. 
• Стоимость обработки — 150 руб/га. 
• Нормы внесения химикатов — 3–10 л/га. 

Георгий: Таким образом, из характеристик видно, что самолет имеет меньшие размеры, чем аппараты сверхлегкой авиации, может эксплуатироваться с коротких полос, но в то же время обладает сопоставимыми со сверхлегкой авиацией характеристиками производительности при АХР.

— Из каких этапов состоит путь — от изобретения до запуска в серию?

Павел: Разработка самолета состоит из следующих этапов.

1. Поиск идеи, ее проработка и сбор информации о проекте, проверка жизнеспособности проекта. Исследование рынка существующих аппаратов для данной задачи.

2. Формулирование технического задания на основе собранных данных.

3. Проектирование самолета и разработка чертежей.

4. Изготовление опытного образца.

5. Проведение испытательных полетов и внесение доработок в прототип.

7. Сертификация самолета.

8. Изготовление серийного образца.

9. Продажа и послепродажное обслуживание.

— Когда планируете начать летные испытания?

Павел: Летные испытания первой версии самолета запланированы на весну 2022 года. После внесения изменений в конструкцию начнется работа по изготовлению второй версии самолета с последующим выходом на летные испытания в 2023 году.

— Как оценивают ваше изобретение в МАИ?

Георгий: Впервые мы рассказали о своем изобретении на конференции «Гагаринские чтения» в апреле 2021 года. Нашим проектом заинтересовался руководитель центра «Беспилотные летательные аппараты» МАИ Максим Юрьевич Калягин. Под его руководством мы и продолжаем сейчас работу над самолетом.

— Сколько потенциально может стоить ваш беспилотник на рынке?

Георгий: На данном этапе стоимость беспилотного самолета оценивается нами в 1 млн рублей, а стоимость годичного обслуживания — в 150 тысяч рублей. Ресурс планера самолета составляет 1000 часов, таким образом, до истечения срока службы самолет сможет обрабатывать по 20 000 га в год на протяжении трех лет. По прошествии трех лет мы производим замену самолета, после чего он продолжает выполнять работы. Таким образом, затраты для авиапредприятия на наш самолет вместе с обслуживанием составят 3,2 млн рублей за восемь лет.

Для сравнения, стоимость пилотируемого самолета составляет в среднем три млн рублей, а стоимость годичного обслуживания — 200 тысяч рублей.  Ресурс планера — 3600 часов, что дает возможность обрабатывать по 32 000 га в год на протяжении восьми лет. Затраты на пилотируемый самолет в расчете на восемь лет составят пять млн рублей.

По факту при незначительном отставании в производительности обработки наш самолет оказывается дешевле в долгосрочной перспективе. Если же фермерскому хозяйству прежде всего требуется повысить производительность, то возможна покупка двух беспилотников.

— Какие ваши дальнейшие планы?

Павел: В первую очередь мы планируем завершить первую версию самолета и провести тестовые полеты. Далее продолжим работу над второй версией и будем искать потенциальных заказчиков.

^{Фото предоставлены Московским авиационным институтом}