Технологии 2

 

1.Новые технические принципы аэромеханики для создания беспилотных и пилотируемых летательных аппаратов (ЛА) нового класса.

 

 По мнению ряда зарубежных экспертов беспилотная авиация это самое крупное достижение военной авиации со времен технологии Stealth. Ее применение в мирных целях так же очевидно: экология, геодезия, наблюдение, контроль, связь и т.д. В американских ВВС существует «Перспективный план по развитию беспилотных авиационных систем на 2009 — 2047г.г.». Реализован широкий спектр опытных образцов беспилотных ЛА от «нано» и «мини» до аппаратов с взлетной массой 10,3 т., (Global Hawk). Однако в настоящее время остаются нерешенными вопросы повышения эффективности ЛА этого типа.

  На рубеже  XX — XXI веков в России были запатентованы новые классы ЛА, в которых предложены новые технические принципы создания подъемной силы. При разработке ЛА нового класса ставились следующие задачи:

-          уменьшение взлетно-посадочных дистанций вплоть до  вертикального взлета и посадки;

-          увеличение грузоподъемности и скорости полета;

-          повышение маневренности;

-          уменьшение габаритов ЛА вплоть до размеров крупных летающих насекомых;

-          увеличение дальности и длительности полета.

                    Для решения этих задач предлагается использовать:

1. Принцип машущего крыла, в технической реализации которого отсутствуют возвратно-поступательные движения и производятся только круговые вращательные движения всех элементов подъемного устройства. Конструкция ЛА с такими подъемными  устройствами отличается малым лобовым сопротивлением, компактностью и технологичностью, высочайшей маневренностью, большими  грузоподъемностью и скоростью. Для изготовления опытных образцов необходимо решить следующие технические задачи:

-          разработка малогабаритных редукторов специальной конструкции;

-          расчет и опытная отработка параметров активных элементов (винтов-крыльев) подъемного устройства;

-          компактные двигатели.

 

             В 1986 — 1988г.г. в США осуществлены устойчивые полеты махолетов различных типов. Однако проблемы с эксплуатацией крыльевых механизмов с возвратно-поступательным движением не позволили осуществить широкое внедрение ЛА данного типа, хотя, даже по оценкам классической аэродинамики, КПД машущего крыла не менее 0,8-0,9 (проф. Ветчинкин В.П.).

 

2. Подъемные устройства, содержащие приводные  дисковые элементы специальной конструкции, которые обеспечивают значительное увеличение аэродинамического качества. Конструкция ЛА с такими подъемными  устройствами  отличается большой грузоподъемностью, высокой компактностью и технологичностью, высокой скоростью  и маневренностью.

Для изготовления опытных образцов необходимо решить следующие задачи:

-          разработка и изготовление дисковых элементов специальной конструкции;

-          разработка привода дисковых элементов;

-          компактные двигатели;

 Решение этих задач позволит:

-          УВЕЛИЧИТЬ полезную нагрузку беспилотного ЛА в 1,5 - 2 раза;

-          УВЕЛИЧИТЬ скорость беспилотного ЛА по меньшей мере в 1,5 раза;

-          ПОВЫСИТЬ  маневренность ЛА;

-          УМЕНЬШИТЬ габариты;

-          ОСУЩЕСТВИТЬ вертикальные взлет и посадку беспилотного ЛА.

      ЛА с дисковыми крыльями (дископланы) показали хорошие летные качества при испытаниях в 1950-1962г.г. в СССР. Они хорошо летали на малых и сверхзвуковых скоростях, выполняли фигуры сложного пилотажа, показали высокие противоштопорные свойства. Однако из-за малого удлиннения стационарного дискового крыла эти ЛА имели низкое аэродинамическое качество (недостаточную подъемную силу), поэтому широкого применения не нашли.

                       В результате проведения НИР нами были запатентованы новые технические принципы создания подъемной силы и механизмы для  их реализации.

В первом типе подъемных устройств использован принцип, который может быть отнесен как к машущему полету насекомых, так и к новому типа винта. Каждое подъемное устройство этого типа состоит из механизма (редуктора), преобразующего вращательное движение в сложное, на четырех выходных валах которого размещены четыре плоских крыла-винта. В самой конструкции подъемного устройства осуществляются только круговые вращательные движения, но, при этом, каждое крыло-винт осуществляет маховое движение в объеме полусферы. Причем, при движении крыла вниз его плоскость параллельна горизонтальной плоскости, а при движении вверх – перпендикулярна горизонтальной плоскости. В целом, траектория каждого крыла-винта представляет собой трехмерную ленту Мебиуса. Работа описанного подъемного устройства является ближайшим реализованным техническим аналогом работы крыльевого аппарата некоторых насекомых.

К настоящему времени пока еще не создано аналитической теории машущего полета насекомых, но, если учесть, что многие из них летают вопреки существующей теории полета и имеют высочайшие летные характеристики, то исследование новых технических реализаций машущего полета представляет безусловный научно-технический интерес. В 80-х годах ХХ века специалистами Ленинградского университета была проделана большая экспериментальная работа по визуализации трехмерной картины аэродинамического следа летящего насекомого и созданию модели сцепленных вихревых колец (АН СССР, Журнал общей биологии, т. XLVIII, № 5, с. 640, А. И. Бродский). Эта модель позволила объяснить многие особенности полета и крыльевого аппарата насекомых, а главное, дала реальное представление о характере взаимодействия машущих крыльев с потоком воздуха.

В запатентованном  ЛА подъемная сила создается за счет маха плоскостью крыла вниз-вперед или вниз-назад относительно продольной оси ЛА, который  происходит при синхронном вращении обеих пар крыльев вокруг трех взаимоперпендикулярных осей на горизонтальном валу  и попарно относительно друг друга в противоположных направлениях. При взмахе вверх плоскость крыла принимает вертикальное положение, поэтому лишь незначительно уменьшает среднюю за период вращения крыла подъемную силу. При таком махе траектория движения каждого крыла практически полностью располагается для правого подъемного устройства справа от вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальный вал, а для левого подъемного устройства – слева от вертикальной плоскости, проходящей через горизонтальный вал. Таким образом, взмах крыльев каждого подъемного устройства «вовнутрь» (в сторону корпуса или второго подъемного устройства) отсутствует. Необходимая для горизонтального полета сила тяги может быть создана как самими крыльями-винтами при изменении угла наклона горизонтального вала подъемного устройства в вертикальной плоскости, но при этом возрастает лобовое сопротивление, так и дополнительным движителем горизонтальной тяги. В последнем случае плоскости всех машущих крыльев всегда параллельны потоку воздуха, а лобовое сопротивление сведено к минимальному значению, определяемому, в основном, формой корпуса ЛА, что позволяет достигнуть высоких скоростей полета. Возможно движении аппарата вперед, назад и зависание на месте.

В настоящее время созданы редуктора, не имеющие горизонтального вала, которые крепятся к фюзеляжу  ЛА короткой консолью, перпендикулярной продольной оси ЛА.

Приближенный расчет с использованием основного уравнения кинетической теории газа для давления показывает, что при радиусе крыла-винта равном 5 метров и скорости вращения 300 об/мин, грузоподъемность описанного ЛА может достигать 50 – 70 тонн. ЛА индивидуального пользования (3 – 5 человек) могут быть реализованы при радиусе крыла-винта, равном 2 метрам. Беспилотные ЛА, в принципе, могут быть созданы с радиусом крыла-винта от нескольких сантиметров. Кроме того, теоретические расчёты показывают, что, при приближении окружной скорости вращения крыла-винта к скорости звука, плотность  отбрасываемого, пограничного с крылом, слоя воздуха возрастает до бесконечности, т.е. теоретически  крыло может создать сколь угодно большую подъёмную силу вне зависимости от площади крыла. Хотя  практически, конечно, ограничения на форму крыла и уменьшение площади будут.

Первая экспериментальная проверка описанного технического принципа была проведена на макетах вентиляторов нового класса, которая качественно полностью подтвердила ожидаемые аэродинамические эффекты.

В выполнении  предлагаемых ОКР примут участие ведущие специалисты крупнейших университетов Санкт-Петербурга.

 

ВО ВТОРОМ ТИПЕ подъемных устройств ЛА используются приводные дисковые элементы, каждая соосная пара которых, при определенном расположении в корпусе ЛА, выполняет функцию крыла, т.е. создает разность давлений над поверхностью верхнего диска и под поверхностью нижнего диска. При этом форма и размеры дисков каждой пары совершенно одинаковы, а разность давлений создается за счет определенных направлений и скоростей вращения дисков.

Изменяя скорость вращения дисков, мы изменяем суммарные скорости взаимодействия поверхностей дисков с набегающим потоком воздуха при горизонтальном движении ЛА вперед, т.е. мы можем изменять поле скоростей на поверхности такого дискового крыла вне зависимости от скорости набегающего потока воздуха (V_ЛА >0).  Известная нам теория не позволяет сделать точных расчетов аэродинамических характеристик такого крыла, однако приближенный расчет показывает, что уже при небольшой скорости движения ЛА (V_ЛА) в начале разбега можно получить подъемную силу, достаточную для взлета на короткой дистанции. Например, при радиусе дисков равном 3,5 метра (что соответствует габаритам современного истребителя СУ-37), скорости вращения дисков ~ 1000 об/мин и скорости движения ЛА порядка 100 км/час, расчетная грузоподъемность может достигать 40 тонн. В полете же, при значительном увеличении скорости движения ЛА, скорость вращения дисков может быть уменьшена на порядок. Естественно, увеличив скорость вращения дисков при взлете, можно еще больше увеличить взлетную массу и сократить взлетную дистанцию. В ЛА половины дисковых поверхностей подъемных устройств находятся внутри корпуса ЛА, т. к. в случае взаимодействия этих поверхностей с набегающим потоком воздуха, на них создается аэродинамическая сила, направленная вниз. Экспериментальная проверка описанного подъемного устройства с радиусом дисков 0,4 метра в аэродинамической трубе при скоростях потока воздуха 10 – 30 м/сек качественно подтвердила наличие ожидаемых аэродинамических сил, порядок которых совпадал с расчетным. Для проведения точных измерений  необходима некоторая модернизация измерительной системы.

С использованием этого типа подъемных устройств возможно создание ЛА вертикального взлета и посадки. Такой ЛА может иметь 2 – 6 подъемных устройств описанного выше типа, которые, помимо своих внутренних осей вращения, имеют общую внешнюю ось вращения. Данная конструкция патентуется. Приближенный расчет показывает,  что ЛА с тремя подъемными устройствами радиусом по 2,5 метра и скоростью вращения дисков 300 об/мин может иметь грузоподъемность (взлетную массу) до 40 тонн. При увеличении числа подъемных устройств, радиуса  дисков и числа оборотов, взлетная масса резко возрастает и может достигать 100 х n  тонн, где n = 1, 2, 3…   Индивидуальные транспортные средства (2 – 3 чел) могут быть созданы на основе конструкции ЛА с двумя подъемными устройствами при радиусе дисков 1 метр.

      В настоящее время патентуется конструкция дискового подъемного устройства, на всей поверхности которого создается аэродинамическая сила, направленная вверх.

     Весьма перспективным представляется соединение в единой конструкции ЛА принципа воздушной подушки и экранного эффекта, реализуемого на дисковых подъемных устройствах, описанных выше. Такое сочетание СВП (судно на воздушной подушке) и экранолета позволит создать качественно новое транспортное средство с вертикальным отрывом от поверхности (земли, воды), малыми габаритами, большой грузоподъемностью, высокой скоростью, возможностью изменения высоты полета и наличием очень экономичных режимов полета на эксплуатационных высотах.

 

  2. Информационные технологии.

   2.1 Видеотерминал NVP100(Network Video Point)

 

 

 

Основной задачей устройства передачи видеопотока (Network Video Point) в целом является передача видеоматериала на удаленный сервер используя различные способы связи (Ethernet, GSM 3G, WiMAX и др.) и различных сетях (локальная, интернет). Полученный на сервере видеоматериал может быть сохранен в архив и остается доступным для получения с помощью специального приложения. Данное решение имеет несколько значимых плюсов:

1. Видео и фото материал сохраняются на удаленном сервере, и в случае физического повреждения устройства переданный материал остается сохранным в отличии от стандартных видео регистраторов.
2. Устройство оптимизировано для передачи видео данных в максимально хорошем качестве с использованием сетей с низкой, либо ограниченной пропускной способностью (например сети EDGE/3G)
3. Поддержка применения основного и резервного способа передачи данных на сервер позволяет более гарантированно передавать данные на сервер, так как в случае перехода на резервный способ данные на сервер передаются без разрывов по времени и с минимальной задержкой.
4. Конечному наблюдателю все данные передаются через удаленный сервер (облако), и поэтому получать и просматривать эти данные в реальном времени (либо получать ранее сохраненный в архиве материал) может неограниченное кол-во пользователей, имеющих доступ к удаленному серверу и права доступа к данным конечного устройства. Используя интернет получить видео данные можно почти из любой точки мира.
5. Поддержка потокового вещания (протокола HTTP) с сервера данных в реальном времени, получаемых с устройств либо архивного материала для неограниченного числа пользователей, имеющих доступ к этим данным.
6. Устройство монтируется на DIN рейку и может быть установлено в щит для систем автоматики, таким образом устройство можно защитить от вандализма, добавить в щит дополнительное оборудование, например термореле (контроль температуры внутри щита при использовании в особых условиях).
7. Использование устройства в местах без прямого доступа к интернету с помощью кабеля, передача данных с оптимальной скоростью и качеством по GSM сетям.

Особенности

Фото и видео данные, получаемые с устройств Network Video Point (NVP) согласно настройкам отправляются и хранятся на удаленном сервере (NVH). Доступ к данным можно получить с помощью сети Интернет или в локальной сети с помощью специального приложения WadJet, а также с помощью Web интерфейса или VLC плеера.

Поддерживается до 4-х каналов, обрабатывающих видео сигналы, получаемые с аналоговых камер. Возможен выбор одного из 4-х каналов для получения видео сигнала, также поддерживается возможность задать временной интервал последовательного переключения между каналами (последовательное получение и обработка данных с разных камер согласно заданного временного интервала и передача данных на сервер одним видео потоком).

 Внимание! Единовременное получение видео данных и передача их на сервер возможна только с одного канала, получение и передача видео данных с нескольких или всех каналов единовременно не поддерживается.

 Устройство передает видео и иные данные используя различные способы передачи данных по сети, такие как проводные (Ethernet) и беспроводные (GSM, WiMAX и т. д.). Главной особенностью является возможность переключения с одного способа передачи данных на другой в случае возникновения проблем с одним из каналов, при этом данные передаются на сервер без потерь. Например, при возникновении проблем с соединением используя Ethernet устройство подключается по GSM 3G, и наоборот в зависимости от настройки. Таким образом определяется основной способ передачи данных и резервный, что позволяет дать большую гарантию того, что данные дойдут до сервера и попадут в хранилище.

 Помимо записи фото и видео данных в удаленное хранилище, также доступно получение онлайн видео потока на просмотр с помощью специального программного обеспечения WadJet. Разрешение картинки 160x120, 320x240, 640x480, 720x540. Кол-во кадров в секунду до 25(PAL) и 30(NTSC). Также доступно получение и воспроизведения IP видео потока с помощью WEB интерфейса и приложения VLC плеер используя соответствующий адрес.

 Удаленное конфигурирование устройств NVP возможно с помощью web интерфейса либо с применением программы WadJet. Поддерживается удаленное обновление прошивки и конфигураций.

 Устройство предназначено для установки в щит для систем автоматизации имеет крепление на DIN рейку и рассчитано на эксплуатацию в особых условиях. Для надежного соединения контактов от аналоговых камер используется BNC разъем с фиксатором.

 Поддерживается подключение цифровых датчиков (например датчик движения), возможно подключение до 4-х цифровых датчиков, а также имеются 2 дискретных выхода и 2 выхода “сухой контакт”. Устройство обладает гибкой настройкой системы обработки событий по сигналам с датчиков для выполнения определенных действий (сигнал на выход, отправка сообщения о событии на сервер, переключение на заданный видео канал по событию и т.п.).

 Поддерживается настройка сценариев. Например, сценарий работы устройства в режиме охраны или сценарий работы в обычном режиме. Для каждого сценария настраиваются индивидуальные параметры, например параметры качества получаемых видео и фото данных, необходимость записи видео и/или фото данных на сервер, определение необходимых действий по определенным событиям (событие по сигналу с датчика и т.д.) и другие параметры.

 Поддерживается предзапись и передача видео по событию, например по срабатыванию детектора движения. Передача видео по событию, предназначена для экономии трафика, предзапись производится непрерывно и дает возможность зарегистрировать, что произошло до события, например от детектора движения или срабатывания иного датчика. Время предзаписи, ее установка и конфигурацию событий можно задать с помощью WadJet.

 Устройство оснащено дополнительным контроллером, в задачи которого входит, оценка работоспособности встроенного ПО, управление питанием, сбросом устройства, анализом вх. напряжения и окружающей температуры.  Если температура окружающей среды выйдет за рабочий диапазон, контроллер снимет питание с устройства до тех пор пока температура не нормализуется.  В случае выхода  входного напряжения за диапазон, произойдет аналогичная ситуация.  Контроллер может определить некорректную работу встроенного ПО связанного с любыми окружающими факторами, например сильные помехи, грозы, резкий перепад температуры и т.д.  В этих случаях, контроллер снимет на несколько секунд питание с платы и возобновит работу устройства.  Все перечисленное позволяет использовать устройство в метео-неблагоприятных и трудно-доступных местах.  

   2.2. Видеосистема беспроводной передачи данных

 Решаемые задачи:

Видео мониторинг удаленных объектов, для которых затруднен доступ в Интернет по каналам фиксированной связи, а так же при необходимости резервирования основного канала передачи данных.

 Варианты использования:

• Объекты, на которых прокладка кабельного соединения невозможна или нецелесообразна (Видео наблюдение в транспорте, коттеджные и дачные поселки, АЗС, строительные площадки, автостоянки, видеоконтроль трафика).
• Временное наблюдение за объектом (система легко и быстро устанавливается).
• Необходимо резервирование каналов связи (например: Ethernet + 3G).
• Необходимо централизованное хранилище видео и фото данных  для сети географически распределенных объектов.

 Краткое описание системы:

Система состоит из устройства передачи потока видео данных (NVP), программы сервера для сбора видео данных (NVH) и клиентского ПО (WadJet) для просмотра видео. Также возможна работа через Web-интерфейс.

 Видеотерминал (NVP) позволяет передавать поток видео данных на удаленный сервер с помощью технологий передачи данных по сетям: Ethernet, 3G, 4G, WiMax, WiFi.

 Устройство оптимизировано для передачи видео данных в оптимальном качестве при использовании сетей с низкой пропускной способностью (3G/EDGE).

 Устройство имеет 4 входа для обработки аналогового видеосигнала (PAL/NTSC) с возможностью выбора канала и заданием интервала переключения видео потоков.

 Одновременная передача видео данных с нескольких каналов невозможна.

Основные функции и особенности:

• Резервирование каналов связи для беспрерывной передачи данных на сервер. (например, в случае разрыва Ethernet соединения, передача данных по 3G).
• Ведение видео архива на сервере.
• Поддержка записи на внешний накопитель.
• Получение видео данных с сервера в реальном времени.
• Поддерживаемые разрешения картинки: 160х120, 320х240, 640х480, 720х540. Скорость 25 кадр/сек (PAL), 30 кадр/сек (NTSC).
• Модуль NVP предназначен для установки в щит. Крепление на DIN рейку. Оборудование рассчитано  на эксплуатацию в особых условиях (от -40 до +50).
• Удаленная конфигурация видеотерминала через веб интерфейс или специальное программное обеспечение WadJet.
• Возможность подключения датчиков движения, управляющих контактов электронных замков, поворотных механизмов видеокамер и прочих исполнительных устройств.
• Гибкая настройка системы обработки событий: сигнал на выход, отправка сообщения о событии на сервер, переключение на заданный видеоканал.