MEREVSZÁRNYÚ PILÓTA NÉLKÜLI LÉGIJÁRMŰVEK (UAV-K) 3 BEVEZETÉS

Átírás

1 Békési László 1 Békési Bertold Szolnoki Tudományos Közlemények XVII. Szolnok, 013 MEREVSZÁRNYÚ PILÓTA NÉLKÜLI LÉGIJÁRMŰVEK (UAV-K) 3 Az UAV-k felépítésükben, működésükben általában közel azonosak az ember által vezetett repülőgépekkel, helikopterekkel, különbség csak a méretekben és az irányításukban van. A szerzők a cikkben ismertetik a repüléselméleti alapokat illetve a merevszárnyú pilóta nélküli légi járműveket a repülési paraméterek (sebesség, magasság, hatósugár, repülési időtartam) szerint mutatják be, példaképpen egy-egy jelenleg rendszerben vagy fejlesztés alatt álló típus paramétereit illetve jellemzőit szemléltetve. FIXED WING UNMANNED AERIAL VEHICLES (UAVs) The UAVs in their structure and operation are closely the same like any other manned fixed wing aircraft or helicopters. The only difference is in their size and control. The authors in this paper present the flight theoretical basics and introduce the fixed wing Unmanned Aerial Vehicles through their flying performance (flying speed, altitude, operational range, flight endurance) illustrating it with the parameters and characteristics of some currently used or developed types. BEVEZETÉS A mai fegyverkezési verseny egyik robbanásszerűen terjedő hadieszközei a pilóta nélküli légijárművek (Unmanned Aerial Vehicle UAV) [5], amelyek rendkívül összetettek, a haditechnika számos területének eszközeit egyesítik magukban. A haditechnikai fejlesztések egyegy új vívmánya szinte azonnal megjelenik a tervezők asztalán. Az évtizedek során összegyűjtött tapasztalatok alapján jelenleg is a világ számos kutatóintézete foglalkozik a pilóta nélküli repülőgépek fejlesztésével. A pilóta nélküli repülőeszközök továbbfejlesztésének kérdése egyrészt elképzelési alapokon, másrészt és talán nagyobbrészt technikai alapokon nyugszik. Ezen eszközök alkalmazásának egyre szélesebb körű elterjedése, vagy az arra való szándék és kezdeményezés ma már egyre inkább nyilvánvaló és kézzelfogható. A hasznos terhek súlyának csökkenése által megnőhet a repülés ideje, hatósugara, valamint az elérhető nagyobb repülési magasság, amely a megsemmisíthetőségüket is nehezítheti [4]. Napjainkra elérték azt a fejlettségi szintet, amikor bizonyos feladatok végrehajtásában hatékonyabban és biztonságosabban képesek tevékenykedni, mint a pilóta által vezetett repülőeszközök [1]. Az UAV alkalmazásokkal számos hazai szakember foglalkozott, és foglalkozik napjainkban is. Szabolcsi [0][] cikkeiben az UAV repülési pályájának tervezési kérdéseivel foglalkozik, és új, az UAV-k számára lehetséges pályageometriákat mutatott be. Az UAV automatikus repülésszabályozásának kérdéseivel Szabolcsi a [3] cikkében foglalkozott behatóan, míg a [4] 1 főiskolai tanár, PhD, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülő Tanszék, bekesi.laszlo@uni-nke.hu egyetemi docens, PhD, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülő Tanszék, bekesi.bertold@uni-nke.hu 3 Lektorálta: Dr. Szegedi Péter okl. mk. alezredes, egyetemi docens, Nemzeti Közszolgálati Egyetem Katonai Repülő Tanszék, szegedi.peter@uni-nke.hu 7

2 cikkében az UAV repülésszabályozó rendszerének LQ-alapú tervezésével foglalkozott: egy új alkalmazást mutatott be MATLAB környezetben. Az UAV pályakövető repülésszabályozó rendszerének tervezési kérdéseivel Szabolcsi a [5] cikkében foglalkozott, ahol különféle determinisztikus repülési pályaszakaszok követési kérdéseit vizsgálta a szerző. A [6] cikkben Szabolcsi LQ-alapú optimális szabályozót tervezett egy UAV részére, és vizsgálta annak alapjel követési tulajdonságait. A repülés környezete sohasem ideális, sohasem nyugodt. Szabolcsi [1] cikkében részletesen vizsgálta a légköri turbulencia modelleket, és sztochasztikus idősorokat hozott létre az UAV repülésszabályozásának számítógépes környezetben történő vizsgálatára, valamint megvizsgálta az UAV fedélzeti szenzorzajok spektrumait, és javaslatot tett a sztochasztikus idősorok gyakorlati alkalmazására. 1.1 A légijárművek felosztása 1.REPÜLÉSELMÉLETI ALAPOK 1. ábra Légijárművek csoportosítása 4 Az aerodinamika az áramló közeg törvényszerűségeivel és az áramlásba helyezett testekre ható erőkkel foglalkozó tudomány. A relatív sebesség a meghatározó, azaz mindegy, hogy a test áll és a közeg mozog (szélcsatorna); vagy a közeg áll és a test mozog (repülőgép repülése). Az áramlási viszonyok és a keletkező erő megegyeznek. A továbbiakban az első változatot használjuk (megfordíthatóság elve). Az áramlás szemléltetésére elsősorban az áramvonalakat (. ábra) és ezek összességét az áramképet (3. ábra), áramfelületet (4. ábra) és az áramcsövet (5. ábra) használjuk. Áramvonal: a 4 8

3 sebességvektorok burkológörbéje egy adott időpillanatban. Áramfelület: tetszőleges térgörbéből kiinduló áramvonalak összessége.. ábra Áramvonalak 5 3. ábra Áramkép 6 4. ábra Áramfelület 7 5. ábra Áramcső 8 Áramcső: Zárt görbére (ami nem áramvonal) illeszkedő áramvonalak összessége. Ennek palástján nem lép ki, vagy be anyag, mert nincs ilyen irányú sebességkomponens. 1. Az áramlástan három alaptörvénye Folytonosság (continuitás) egyenlete; Bernoulli tétele; Impulzus tétel A folytonosság egyenlete Az anyagmegmaradás törvényét fejezi ki áramló közegre [14]. Vegyünk egy áramcsövet (6. ábra):

4 A két keresztmetszet között nem lehet: forrás (közeg bevezetés); nyelő (közeg elvezetés). 6. ábra Áramcső 9 Tömegáram: Adott keresztmetszeten másodpercenként átáramló közeg tömege. m sec v 1 1 A v 1 A áll. Ha a sűrűség állandó (ρ = áll.) az előző egyenletünk így egyszerűsödik: [kg/m 3 ] (1) Q sec v 1 A v 1 A áll. [m 3 /sec], () az a térfogatáram. Az előzőekből következik: szűkülő csőben (konfúzor) a sebesség nő; bővülő csőben (diffúzor ) a sebesség csökken. (Hangsebesség felett a ρ erősen csökken, így pont fordítva: bővülő Laval-csőben lehet hangsebesség fölé gyorsítani az áramlást) Bernoulli egyenlet Az energia megmaradás törvényét fejezi ki áramló súrlódásmentes közegre [14]. A két keresztmetszet között nem lehet energia betáplálás vagy elvétel. Egységnyi térfogatú közegnek a munkavégző képessége lehet: belső energiából, itt a közeg nyomásából. A nyomás nem más, mint az egységnyi térfogatú közeg belső energiából származó munkavégző képessége. ( N N m Joule Pa ); 3 3 m m m helyzeti energiából. Ha V = 1 m 3, akkor m = ρ V = ρ, így E h m g h g h mozgási energiából. Itt is V = 1m 3 esetén m = ρ (3) E m 1 m v v (4) 9 10

5 7. ábra Bernoulli egyenlethez 10 Az energia-megmaradás törvénye értelmében bármelyik keresztmetszetben a térfogategység összmunkavégző képessége azonos. Legyen ρ = áll. (v < 500 km/h) Levegőnél a közeg sűrűsége miatt a p1 g h1 v1 p g h g h v -tag elhanyagolható, és így (5) ahol: p v pössz p v áll p össz statikus nyomás; dinamikus nyomás (amelyet q-val is jelöljük: össznyomás. p st q p össz áll. q v ); (6) (7) Ahol a sebesség nő, ott a statikus nyomás csökken és fordítva. Torlópont (stagnition point): az a pont, ahol az áramlás v = 0-ra lefékeződik. 8. ábra Torlópont

6 Ezt kihasználva működnek a sebességmérők, amelyek az össznyomás és a statikus nyomás különbségét, azaz nyomáskülönbséget mérnek, de a skálát sebességre kalibrálják [7] Impulzus tétel Felhasználható a légcsavar vonóerő, a forgószárny vonóerő, a sugárhajtómű tolóerő, a rakéta tolóerő meghatározására akkor is, ha csak egy úgynevezett ellenőrző felület mentén ismerjük a nyomás (p) és a sebesség (v) változását [14, 17]. Merev testekre: ahol: m v F Δv I F impulzus vektor; a közegre ható erő; a sebesség változása. d v d m v m a m d t d t Ugyanakkora nagyságú, de ellentétes értelmű erő hat a közegről arra az elemre, ami gyorsította. (Pl.: Sugárhajtómű tolóereje (lásd 9. ábra)) d I d t (8) 1.3 Az aerodinamikai erők keletkezése 9. ábra Sugárhajtómű tolóereje 1 Két okból származhatnak: a közeg belső súrlódásából (súrlódási ellenállás); nyomás-különbségből (alakellenállás, felhajtóerő). A felhajtóerő L (lift) az eredő légerő zavartalan áramlás irányára merőleges komponense. Az ellenállási erő D (drag) az eredő légerő zavartalan áramlás irányú, mozgást akadályozó öszszetevője. Tapasztalat és a dimenzióanalízis alapján minden aerodinamikai erő arányos: a dinamikus nyomással; a felülettel (A vagy S), ami lehet homlokfelület, súrolt felület vagy alaprajzi felület. 1 1

7 10. ábra A szárnyprofilra ható aerodinamikai erők 13 A kísérletek azt bizonyítják, hogy a felhajtóerő a repülési sebességtől, a levegő sűrűségétől, az áramlásba helyezett test alakjától és méretétől, valamint az áramlásbeli helyzetétől függ. Nézzük meg, hogyan? x L( lift) c v y S z (9) Írjuk fel a dimenzió-egyenletet, alapmennyiségként választva a tömeget (M), a hosszúságot (L), és az időt (T), figyelembe véve, hogy az erő: így: kg m N s ; sűrűség: kg 3 m 3 x 1 y z M L L T L ; sebesség: m s ; felület: M LT (10) m. M LT M x L 3x y z T y (11) Ahonnan az azonos mennyiségek kitevőit egyenlővé téve egymással kapjuk: 1 x 1 3x y z y x 1 y z 1 (1) A kapott eredményeket visszahelyettesítve a felhajtóerő képletébe, kapjuk: L( lift) c v S (13) L( lift) v S cl, ahol a cl (14) c Vezessük be az előző képletbe a dinamikus nyomást

8 Felhajtóerő: Ellenállási erő: Eredő légerő: ahol: cl cd cr S L v S c L (15) D v S c D (16) R v felhajtóerő-tényező; ellenállási-erőtényező; eredő légerő-tényező; a szárny alaprajzi felülete. S (Az előző erőtényezők mértékegység nélküli arányossági tényezők, aerodinamikai jellemzők). A felhajtóerő vizsgálata előtt tekintsük át a szárnyprofilok (11. ábra) és a szárnyak (1. ábra) fő geometriai jellemzőit! c R (17) 11. ábra Szárnyprofil geometriai méretei 14 Szárnyprofil a repülőgép szimmetriasíkjával párhuzamos szárny szelvény. Húr az orrpontot és a kilépőélt összekötő egyenes. Hossza a húrhossz (c), ehhez viszonyítunk minden méretet. Középvonal A profilba írható érintőkörök középpontjait összekötő vonal. Íveltség d (camber) a húr és középvonal közötti legnagyobb távolság. Profilvastagság a beírható legnagyobb kör átmérője t (tickness). Kilépő-élszög kilépő élnél az érintők által bezárt szög (τ). Orrgörbületi sugár Rorr. A profilokat aerodinamikai intézetek adják meg táblázatos formában a mért aerodinamikai jellemzőkkel együtt [1][9]

9 1.4 A felhajtóerő keletkezése Síkáramlást vizsgálunk, AR = 1. ábra Szárny geometriai méretei ábra Síklap felhajtó ereje 16 Állásszög () a zavartalan áramlás és a húr által bezárt szög

10 a) Ívelt felületen 14. ábra Felhajtóerő tényező az állásszög függvényében síklapnál 17 Az ilyen felületen, már = 0 állásszög esetén is keletkezik felhajtóerő, mert felül gyorsul az áramlás a nyomás pedig csökken, alul lassul az áramlás, ezért a nyomás növekszik. c L 0 v d c c L cl 0 c L 0 Az ábrából: ahol: 15. ábra Felhajtóerő tényező az állásszög függvényében ívelt felületen 18 d d c tg d L 0 c L 0 (18) c c a zérus felhajtóerő irány, vagyis negatív állásszöggel kell megfújni a felületet, c L 0 hogy ne keletkezzen rajta felhajtóerő

11 b) Profilozott felületen Szolnoki Tudományos Közlemények XVII. Itt a profil alsó és felső oldala közötti nyomáskülönbség, ami a felhajtóerőt eredményezi és az állásszögön kívül függ a profil alakjától is. Magyarázata a folytonosság és a Bernoulli-tétel alapján: = 0, felül domború alul sík profil (14. ábra). 16. ábra Szárnymetszet körüláramlása 19 A felső oldalon kisebb lesz a nyomás, mint alul és a nyomáskülönbséget szorozva a felülettel kapjuk a felhajtóerőt. A nyomáseloszlás változása az állásszög függvényében: 19 17

12 17. ábra Nyomáseloszlás változások az állásszög függvényében

13 A Cl = f (), függvény: 18. ábra C l = f (), függvény szimmetrikus és aszimmetrikus szárnymetszet esetén 1 Kritikus állásszög: ennél az állásszögnél az áramlás leválik a szárny felső oldalán és a szárny alsó nagyobb nyomású oldaláról a felső oldalra áramlik a közeg, a nyomáskülönbség csökken és ezért a felhajtóerő nem nő tovább az állásszög () növelésekor. A kritikus állásszöghöz tartozó felhajtóerő tényezőt maximális felhajtóerő tényezőnek (C L max) nevezzük [7]. kr nál a felhajtóerő tényező lecsökken, átesik a profil és az áramlásleválás miatt erősen megnő a profilellenállás. Kb. 0,9 CL max ig lineáris a Cl = f (), függvény. Az átesés jellege (éles, fokozatos) függ a profil íveltségétől és az orrgörbületi sugártól. Nagy orrgörbületi sugár esetén fokozatos az átesés [17]. A felhajtóerő tényező számszerű értékelésére alkalmas, ha a felső és alsó oldalon lévő nyomásokat úgynevezett nyomástényezőként ábrázoljuk. p p p v Itt a p0 a zavartalan áramlás statikus nyomása. 0 (19) 1 19

14 19. ábra Nyomástényező Szárnyprofilok jellemző aerodinamikai görbéi, amelyek az aerodinamikai intézetek adnak meg: CL = f(), felhajtóerő tényező; CDpr = f(), profil-ellenállási erőtényező; Cm0, CmAC, nyomatéki tényező. a) CL = f(), felhajtóerő tényező 0. ábra Felhajtóerő tényező változása különböző Reynolds-számok esetén 3 C L 0 d, pl. %-os íveltség esetén CL 0,5. Az egyenes szakasz meredeksége CL tg AR 0 a 0 3 0

15 Az a0 értékei: elméleti, π (mint a síklapnál); gyakorlati, 5,6 6,1; lamináris profil, 6,3. A meredekség ismeretében felírható a CL és közötti kapcsolat, ha az állásszöget nem a húrtól, hanem a zérus felhajtóerő iránytól mérjük (aerodinamikai húr) [16]. 1. ábra Felhajtóerő tényező változása az állásszög függvényében 4 b) CDpr = f(), profil-ellenállási erőtényező. ábra Profil-ellenállási erőtényező változása az állásszög függvényében Az állásszög növekedésekor a lamináris turbulens határréteg átváltási pontja előre mozog, egyre nagyobb lesz a turbulens határréteg [15] (0. ábra). 4 1

16 1.5 Véges szárnyak aerodinamikája 3. ábra Lamináris és turbulens határréteg 5 Eddig a profil körüli áramlással és az ebből származó erőkkel foglalkoztunk. Ez AR = karcsúságnak és síkáramlásnak felel meg (értelemszerűen ez c = áll. húrhosszat jelentett). A valós szárnyak a mérsékelt sebességtartományban (v < 500 km/h) AR = 6 0 karcsúsággal rendelkeznek és a szárny véges volta miatt megváltoznak a körüláramlási viszonyok. Vegyünk egy téglalapalakú véges szárnyat és vizsgáljuk meg a különbségeket. A szárnyvégi nyomáskiegyenlítődés miatt térbeli lesz a szárny körüláramlása. A sebességnek lesz y irányú komponense is. Nagy szárnykarcsúságnál (pl.: vitorlázó repülőgép) csak a szárnyvégen érződik, a szárnytőhöz közel síkáramlás van [10][17]. 4. ábra Szárnyvégi feláramlás 6 Megjelenik az indukált ellenállás, melynek oka az, hogy a felhajtóerő az indukált sebesség miatt megdől hátrafelé és lesz egy mozgást akadályozó összetevője Di. A szárny síkján a szárnyvégi örvény miatt a levegő felülről lefelé áramlik át, ami csökkenti a szelvények effektív állásszögét. A felhajtóerő az eredő sebességre lesz merőleges. 5 6

17 5. ábra Indukált ellenállás 7 Itt: eff g i a hatásos állásszög; a geometriai állásszög; az indukált sebesség miatti állásszög csökkenés. Adott CL létrehozásához i vel nagyobb geometriai állásszög szükséges [18]. 6. ábra Felhajtóerő tényező változása az állásszög függvényében különböző szárnykarcsúságok esetén 8 Véges szárny ellenállási erőtényezője: C Dszárny C D pr C Di C D pr CL AR (0) 7 8 3

18 . Pilóta nélküli légi járművek jellemzése, felosztásuk Az előző fejezetben megvizsgáltuk a repüléselméleti alapokat a merevszárnyú légi járművekre. Ebben a fejezetben áttekintjük az UAV-kat egyfajta sajátos csoportosítás alapján, melyek segítségével tudjuk rendszerezni, elhelyezni, egymással összehasonlítani, elemezni az egyes rendszereket. Az 1. táblázatban egy-egy jelenleg rendszerben vagy fejlesztés alatt álló típusokat kategóriák szerint szemlélteti. Az UAV-kat feloszthatjuk a következők szerint [][3]: felépítés (merev, forgószárnyas és hibrid eszközök); felhasználás módja (egyszeri és többszöri); meghajtás módja (dugattyús, gázturbinás, és elektromotoros); irányítás módja (távirányítású, programvezérelt és kombinált vezérlésű); indítás módja (földi- és légi indítású); visszatérés módja (leszállással, ejtőernyővel, elfogó hálóval); repülési jellemzők (sebesség, magasság, hatósugár, repülési időtartam szerint); rendeltetés (alkalmazás) alapján. Magukat az UAV-kat nem lehet csak egy-egy paraméterük alapján értékelni, a mélyebb megismerésükhöz az analízis elengedhetetlen, és csak ezek után kerülhet sor a felhasználó oldaláról a szintetizált végkövetkeztetések levonására. 4

19 Megnevezés Rövidítés Típusok HARCÁSZATI UAV K Nano Black Hornet, Nano Hummingbird, DelFly I, Nanos Micro (MAV) istar, MITE, Cyclope, Dragon Slayer, SmartPlanes, Novadem, Elytre - Sirehna, Mikado, EADS, Nighthawk, Remanta - ONERA, Wasp III, Ari, Irkut- M, MD4-00, Carolo P50, Carolo C40, IZI, Swiper, Gator, Ku-Buzz, Black Widow, MicroStar, Microbat, FanCopter, QuattroCopter, Mosquito, Hornet Mini MINI SensorCopter, Copter 1, Tracker, SkyLark I, HoverEye, Colugo, M60, Puma, Skorpio, Aladin, I-Copter II, Dragon Eye, Raven, Javelin, BackPack, Desert Hawk, Pointer, RoboCopter, RPH, YH300SL, R-Max Kis hatótávolságú CR RMaxII, Luna, Camcopter, CR, SkyLark II, SkyBlade II, Silver Fox, X- Vision, Exdrone, SurveyCopter, MinO, SkyTote, SpyThere, Mini- Vanguard Rövid hatótávolságú SR Vulture MK II, S-100, Sojka III, Fulmar, GoldenEye 50, Phoenix, Pchela, Crecerelle, Sentry, Crecerelle EW, Sniper, Finder, Pioneer, Dragon Warrior, Sender, Mirach 6, RPG III, Neptune, Aerostar Közepes hatótávolságú MR Shadow 00, Shadow 400, Sperwer, Ranger, Fire Scout, KZO, Hunter, Eagle Eye, Orka, Ezycopter, Night Intruder, Seeker I, Hermes 180, Searcher I, Hetel-M, Eagle Eye Közepes hatótávolságú megnövelt repülési időtartamú MRE Kis repülési magasságú áthatoló Kis repülési magasságú LALE hosszú időtartamú Közepes repülési magasságú hosszú időtartamú MALE STRATÉGIAI UAV K Nagy magasságú hosszú HALE időtartamú Pilóta nélküli harci UCAV légijármű SPECIÁLIS FELADATÚ UAV K Watchkeeper, Sperwer B, E-Hunter, Seeker II, Falco, Shadow 600, Searcher II, Hermes 450S, Dragonfly LADP Carapas, CL89, Nibbio, Mirach 150, Surveyor 600 ScanEagle, Aerosonde Mk II, Aerosonde Mk III, Libellule Predator A, Eagle 1, Altus, Hermes 1500, Heron, I.GNAT, A-160 Hummingbird, Bateleur, Heron TP, Altair, Global Observer, Predator B, Snark EuroHawk, Global Hawk, Theseus, Helios Harci LETH Taifun, LOCAAS, Harpy Zavaró DEC Flyrt, Chukar, Nulka, ITALD Corax, Sharc, Filur, Sky-X, neuron, X-45A, X-46, X-47A, X-47B, Barrakuda, Taranis, Skat 1. táblázat Az egyes kategóriákba tartozó UAV-k jellegzetesebb típusai 9 9 Forrás: Szerkesztette Dr. Békési Bertold (MS Word) a [] irodalom alapján 5

20 7. ábra Az UAV-k nemzetközi elterjedése 011 decemberéig (76 ország) [7][11] Megjegyzés: A sötétebb színnel jelzett országok rendelkeznek UAV-kal. 30 A továbbiakban csak a repülési paraméterek oldaláról vizsgáljuk meg az UAV-kat a terjedelmi korlátok miatt..1 REPÜLÉSI JELLEMZŐK Repülési jellemzőik alapján az UAV-k: sebességük, magasságuk, hatósugaruk, repülési időtartamuk szerint csoportosíthatóak. Több jellemzőt is meg lehetne ennél a csoportosításnál említeni, de csak azokat emeljük ki, amelyek a különböző feladatok végrehajtásában elsődleges fontosságúak. Természetesen ezek a paraméterek egymással igen szoros kapcsolatban vannak..1.1 Repülési sebesség Az UAV-k között csak hangsebesség alatti sebességtartományban repülő eszközök vannak, így ennek megfelelően lehet a csoportosítást kialakítani. Kis sebességűek: Ebbe a kategóriába a km/óra repülési sebességű UAV-k tartoznak. A VTOL mindegyike, a hagyományos UAV-k közel 80%-a ezen sebességhatáron belül bármilyen feladat végrehajtására alkalmas, amely különösen kedvező a terepfelderítésre, célfelderítésre és célmegjelölésre. Hátránya viszont, hogy a kis sebesség miatt aránylag hosszú ideig tartózkodik egy adott földi telepítésű légvédelmi eszköz tűzhatásának körzetében. Levegőből történő megsemmisítésük elsősorban helikopterekkel vagy kis sebességű felfegyverzett repülőgépekkel történhet, mivel a nagy megközelítési sebesség miatt ez vadászrepülőgépekkel korlátozottan lehetséges [3]. Nagy sebességűek: Ebbe a kategóriába a km/óra sebességhatárok között repülő eszközök tartoznak. Nem nagy számban de léteznek ilyen típusok is. Leggyakoribb feladatuk a közepes és nagy magasságon végrehajtott harcászati, vagy hadműveleti felderítés. Többségükben programvezérlésű DRON-ok de akadnak ebben a kategóriában is 30 Map of Countries That Acquired UAVs by December 011 kép. url: ( ) 6

21 RPV-k. A nagy repülési sebesség eredményeként rövid idő alatt képesek nagy területről (általában valós idejű) felderítési adatot szolgáltatni, továbbá védettebbek a földi légvédelmi eszközök (elsősorban a légvédelmi tüzérség) tüzétől, mivel azok tűzhatáskörzete feletti magasságtartományban tevékenykednek. Ellenben eredményesen leküzdhetőek földi telepítésű légvédelmi rakétaeszközökkel és vadászrepülőgépekkel [3]..1. Repülési magasság Ez a csoportosítás nem a maximális elérhető magassági plafon szerint csoportosít, hanem a feladat végrehajtás szempontjából az úgynevezett szolgálati magasság szerint történik. Az Utasítás a repülések végrehajtása (URV 9) szabályzat szerint a repülések magasság szerinti felosztása a következő: földközeli (15 00 m); kis ( m); közepes ( m); nagy ( m); sztratoszféra (1 000 m felett). Az UAV-k ezek közül a földközeli magasságtartományt igen ritkán használják, mindezek mellett az ilyen szerkezetek repülése szempontjából nem sok különbség van a kis magasságban repülő szerkezetektől. A részletesebb jellemzéssel a [3] szakirodalom foglalkozik..1.3 Hatósugár Rövid hatósugarú UAV-k Ebbe a kategóriába a maximum 50 km hatósugarú eszközök tartoznak, benne elsősorban a haditengerészet VTOL és a könnyű kategóriájú UAV-i. Ezeket olyan harcászati egységek igénylik, mint a szárazföldi csapatok- a tengerészgyalogság századai, zászlóaljai, dandárjai, amelyeknek szükségük van a km mélységű tevékenységi terület közvetlen megfigyelésére Kis hatósugarú UAV-k Ezek az eszközök a szárazföldi csapatokat hadosztály szinttől hadtest szintig támogatják, ugyanakkor rendszerben állnak a haditengerészet és a tengerészgyalogság MAGTF (Marine Air-Ground Task Force - tengerészgyalogság légi-földi alkalmi harci köteléke) erőinél. Feladatuk az ellenség tevékenységének felderítése maximum 150 km mélységig. Ebbe a kategóriába tartozó eszközök a fedélzeti berendezések széles skáláját hordozzák, így képesek a felderítésen túl, REH, híradó, és csapásmérő feladatok ellátására is. 7

22 Pioneer Phoenix Observer Scan Eagle Sprite A Sprite B R Max Teljes tömeg [kg] Szárny fesztáv [m] 5,11 5,5,4 3,10 1,60 1,60 3,115 Szárny felület [m ] Forgószárny lapát felület [m ] 3,05 3,48 1,75 0,6 0, 0, 0,5 7,6 Szárny terhelés [N/m ] Forgószárny lapát terhelés [N/m ] Hajtómű teljesítmény [kw] ,5 1,1 5,5x 5,5x 15,4 Fel- és leszállási sebesség [km/h] 17* 110* 65* 80* Felszállási felhajtóerő tényező C L 1,0 1,0 1,0 1,0 0,5 0,5 Maximális sebesség [km/h] * 7 Gazdaságos sebesség [km/h] Optimális sebesség [km/h] 130* 150* 7* 85* * 153*. táblázat Néhány jellemzően kis hatótávolságú UAV műszaki adata 31 (* Tervezett) Közepes hatósugarú UAV-k A maximum 650 km hatósugarú légi vagy földi indítású UAV-k tartoznak ebbe a kategóriába. Felhasználhatóak célok felderítésére és azonosítására, valamint a csapások eredményességének a meghatározására bármilyen időjárási viszonyok között, éjjel és nappal, erősen oltalmazott terület felett is. Számos különböző működő és fejlesztés alatt álló merevszárnyú és forgószárnyas konfiguráció van jelenleg a világ minden táján, és ezen rendszerek nagy része elsősorban felderítő és tüzérségi tűztámogató ellenőrzési feladatokat látnak el. A merevszárnyú repülőgépek ebben a kategóriában általában már kerekes futóművel szállnak fel és le futópályákon vagy felszállópályákon. Kivételt képez a Ranger típus (30. ábra), amelynél lehetőség van a földi rámpás felszállásra. A függőleges fel- és leszállásra alkalmas légijármű típusok ebbe a kategóriába sorolhatók, melyek műveletei közé tartozik, az aknák felderítése. Megkülönböztetünk közepes hatótávolságú, valamint közepes magasságú hosszú időtartamú rendszereket. A merev szárnyú kategória jellemző típusai: Hunter RQ-5A (IAI, Malat és a Northrop Grumman, USA); Seeker II (Denel Aerospace Systems, Dél-Afrika); Ranger (RUAG Aerospace, Svájc); Shadow 600 (AAI Corp., USA). A Hunter, a fejlesztések során egy második motort kapott, amely a repülőgép elejére építettek. Ezért a korábban, az orrban elhelyezett infravörös érzékelő és az optikai kamera rendszerek a forgatható toronyba kerültek. [13]. 31 Szerkesztette: Dr. Békési Bertold (MS Word) - Reg Austin: Unmanned Aircraft Systems UAVS Design, Development and Deployment. John Wiley & Sons Ltd Figure 4.1 page 64. és Mark Daly: IHS Jane's All the World's Aircraft: Unmanned page 113 (ISBN ) 8

23 8. ábra Az IAI Malat Hunter Heavy Tactical 3 9. ábra Denel Aerospace Seeker II. 33 Bár a Hunter A modellt még mindig széles körben használják a közepes hatótávolságú szerepe miatt. Fejlődését jól mutatja a 3. táblázatban a B és E [6] modellek megnövekedett repülési időtartama és magassági képességei [13]. Hunter típusok Teljes tömeg (kg) Szárny fesztávolság (m) Max. Repülési időtartam (óra) Utazósebesség (km/h) Repülési magasság (m) RQ5A 76 8, MQ5B , MQ5C E-Hunter , táblázat A Hunter típusok összehasonlítása 34 A repülőgép hatósugarát ugyanakkor nem terjesztették ki, viszonylag lassú az utazósebessége és kommunikációs rendszer hatósugara is korlátozott (15 vagy 00 km), így egy második repülőgépet is szükséges alkalmazni rádióátjátszóként. A csapásmérő képesség terén azonban bővült a C modell, így már képes rakétákat és egyéb konténereket (pl. felderítő) szállítani a szárnyalatti tartókon [13][19]. 3 Hunter Heavy Tactical kép. url: ( ) 33 Denel Aerospace Seeker II. kép. url: ( ) 34 Szerkesztette: Dr. Békési Bertold (MS Word) - Mark Daly: IHS Jane's All the World's Aircraft: Unmanned page (ISBN ) 9

24 A 30. és a 31. ábrán a merev szárnyú UAV-k másik két tagja látható: 30. ábra Ranger ábra Shadow MQ-5B Hunter Seeker E Ranger Shadow 600 Teljes tömeg [kg] Motor teljesítmény [kw] x 50,7 37,3 31,5 38,8 Sebesség [km/h] Hatósugár [km] Repülési időtartam [óra] Hasznos teher [kg] táblázat A Hunter, a Seeker, a Ranger és a Shadow közepes-hatótávolságú UAV típusok összehasonlítása Nagy hatósugarú UAV-k Több mint 650 km-es hatósugarú, általában légi indítású eszközök tartoznak ebbe a kategóriába. Ilyenek a TASS rendszerek (Target and Sourveillance System felderítő és megfigyelő rendszer), melyek elláthatnak ABV (atom-biológiai-vegyi) feladatokat is. A legújabb fejlesztések között olyan nagy hatósugarú, több napig is levegőben tartózkodó repülőeszköz is megtalálható, amely békeidőben megfigyelő és riasztó, míg háborúban nagyterületű harctéri felderítő feladatot látna el [3]. Az eredeti Predator A konstrukció megépítésének az volt a célja, hogy nagy hatótávolságú felderítő feladatokat hajtson végre. A Predator A nem rendelkezett fegyverzettel, így hamar nyilvánvalóvá vált, hogy az UAV a felderítésen kívül további harc feladatok ellátására nem volt alkalmas. Egy azonnali beavatkozás végrehajtásához kellett kifejleszteni a Predator B típust, amely már két darab Hellfire rakétát is kapott és műveletek sora igazolta az átalakítás helyességét, sikerét Irakban és Pakisztánban. Ezután létrehoztak egy új modifikációt (Reaper néven), amely már négy darab Hellfire rakéta függesztésére és indítására is alkalmas A Hellfire rakéta kínálta csapásmérési lehetőséget alapvetően a közepes-, valamint a nagy hatótávolságú, hosszú élettartamú merevszárnyú pilóta nélküli repülőgépekre tervezték. A fejlesztés jelenleg is folyik a forgószárnyas UAV-k átalakítására. A projekt neve Boeing/Frontier Systems Hummingbird. Az Egyesült Államok Különleges Műveleti Parancsnoksága (SOCOM 38 ) azt tervezi, hogy felügyeleti és harci alkalmazás céljából beszerez 0 darab olyan Hummingbird rendszert, 35 Ranger kép. url: ( ) 36 Shadow 600 kép. url: ( ) 37 Szerkesztette: Dr. Békési Bertold (MS Word) - Mark Daly: IHS Jane's All the World's Aircraft: Unmanned page 69-71, , , (ISBN ) 38 SOCOM Special Operations Command Különleges Műveleti Parancsnokság 30

25 amely 30 órás folyamatos repülésre képes [13]..1.4 Repülési időtartam Rövid repülési idejű UAV-k Ebbe a kategóriába a maximum 1 óra repülési idejű eszközök tartoznak. Feladatuk a közeli harcászati mélységben lévő célok felderítése és azokról adatok szolgáltatása Közepes repülési idejű UAV-k Ide az 1 6 órai időtartamú repülésre képes eszközök tartoznak. Az UAV-k nagy része ebbe a kategóriába tartozik, melyek rendszerint a közepes hatósugarú eszközök, de általában ilyen repülési időtartamúak a VTOL rendszerek is Hosszú repülési idejű UAV-k Ezek 6 órától több napig repülni képes UAV-k (6. táblázat), melyek igen sok felderítési adatot képesek folyamatosan biztosítani egy adott területről. Nagyon jól alkalmazhatóak a hadtest ill. ennél magasabb szintű szervezetek felderítési adatokkal történő ellátására. Ezen csoport legjellemzőbb tagjai a Northrop Grumman Global Hawk (3. ábra) nagy magasságú, hosszú időtartamú UAV-ja és a General Atomics Predator (33. ábra), közepes magasságú, hosszú időtartamú légijárműve (5. táblázat). Mindkét repülőgép hagyományos sárkányszerkezeti konfigurációval rendelkezik. A hajtóművet mindkét típuson a törzs hátsó részében helyezték el, a Global Hawk esetében a gázturbinát annak felső részén, a Predator B esetében pedig a légcsavarral együtt pontosan a végén. Ezen UAV-k feladata a nagy hatótávolságú felderítés, valamint műveleti hadszíntéren, harcászati alkalmazás. A hasznos teher elhelyezésénél fontos szempont, hogy annak működőképességét meg kell őriznie, a repülőgépek, esetenként 4 órát meghaladó repülési ideje alatt [13]. 3. ábra Global Hawk ábra Predator B (MQ-9 Reaper) Global Hawk kép. url: /Day10/pix011013globalhawkWP.JPG ( ) 40 Predator B (MQ-9 Reaper) kép. url: ( ) 31

26 Northrop Grumman Global Hawk RQ-4B (Block 40) General Atomics Predator B (MQ-9 Reaper) Szárnyfesztávolság [m] 39,9 0,1 Hossz [m] 14,5 10,97 Teljes tömeg [kg] Max. repülési időtartam [óra] 36 3 Max. magasság [m] Max. sebesség [km/h] Hasznos teher [kg] Hatótávolság [km] táblázat Hosszú repülési időtartamú, nagy hatótávolságú légi járművek adatai 41 Típusok QinetiQ Zephyr Solar Electric (010) QinetiQ Zephyr Solar Electric (008) Boeing Condor QinetiQ Zephyr Solar Electric (007) IAI Heron AC Propulsion Solar Electric MQ-1 Predator GNAT-750 TAM-5 Aerosonde TAI Anka Repülési időtartam 336 óra perc 8 óra 37 perc 58 óra 11 perc 54 óra 5 óra 48 óra 11 perc 40 óra 5 perc 40 óra 38 óra 5 perc 38 óra 48 perc 4 óra 6. táblázat Hosszú repülési idejű UAV-k 4 ÖSSZEFOGLALÓ Az UAV-k fejlődésében nagyrészt a katonai szektor által mutatott érdeklődés játszott elsődleges szerepet. Napjaink katonai UAV-s alkalmazásai jórészt a merevszárnyas robotrepülőket részesíti előnyben (Predator, Global Hawk), míg a forgószárnyas UAV-knak jórészt kommunikációs és felderítő szerep jut, ugyanakkor ebben a két feladatkörben is jelentős potenciál rejlik. Az UAV kategóriák osztályozásának célja általában az, hogy valamilyen kritériumok szerint rendezett és egységes képet nyújtson a további vizsgálatokhoz, valamint hasznos információkat adjon az adott tárgyban. Mivel a pilóta nélküli légijármű rendszerek széles körű feladatellátásra alkalmasak, egységes szempontok alapján való osztályozásukat nehéz elkészíteni. Ezen kívül egyre nagyobb törekvés mutatkozik a többfunkciós alkalmazásra is, ami még jobban bonyolítja a rendeltetés szerinti osztályozást. 41 Szerkesztette: Dr. Békési Bertold (MS Word) - Mark Daly: IHS Jane's All the World's Aircraft: Unmanned page 60-65, (ISBN ) 4 Szerkesztette: Dr. Békési Bertold (MS Word) - Growth Opportunity in Global UAV Market Published: March ( ) 3

27 Az ismertetett cikk az Adatintegráció alprogramján belül A pilóta nélküli légijárművek alkalmazásának légiközlekedés-biztonsági aspektusai kiemelt kutatási területén valósult meg. TÁMOP-4..1.B-11//KMR Kritikus infrastruktúra védelmi kutatások A projekt az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósul meg. The project was realised through the assistance of the European Union, with the co-financing of the European Social Fund. FELHASZNÁLT IRODALOM [1] ANDERSON, JOHN DAVID, JR. Fundamentals of Aerodynamics ISBN 0-07-Y [] BÉKÉSI BERTOLD Pilóta nélküli légijármű típusok sárkányszerkezeti megoldásai. Műszaki Tudomány az Észak-kelet Magyarországi Régióban 013, Debreceni Akadémiai Bizottság Műszaki Szakbizottsága, Debrecen, 013. pp (ISBN: ) [3] DR. BÉKÉSI BERTOLD, DR. PALIK MÁTYÁS, SOMOSI VILMOS, DR. WÜHRL TIBOR Pilóta nélküli légijárművek: kategorizálás, fedélzeti hardver besorolás. Kutatási jelentés. Szolnok Könyvtári nytsz.: E8489 [4] Bunkóczi Sándor Dudás Zoltán: Hogyan tovább: pilótával vagy nélküle? Nemzetvédelmi Egyetemi Közlemények, 003. VII. évfolyam,. szám o. ( ) [5] Heimer György: Magyarok is próbálkoztak: új, halálos fegyver, a drón. ( ) [6] Hunter RQ-5A / MQ-5B/C UAV, United States of America ( ) [7] Mapping Drone Proliferation: UAVs in 76 Countries ( ) [8] Mark Daly: IHS Jane's All the World's Aircraft: Unmanned (ISBN ) [9] В. Г. МИКЕЛАДЗЕ, В. М. ТИТОВ Основные геометрические и аэродимаческие характеристики самолетов и крылатых ракет. Машиностроение, Москва, [10] L. M. MILNE-TOMSON Theoretical aerodynamics, Dover Publication Inc ISBN X [11] Nonproliferation Agencies Could Improve Information Sharing and End-Use Monitoring on Unmanned Aerial Vehicle Exports. GAO July 01. Page ( ) [1] DR. PALIK MÁTYÁS A pilóta nélküli légijárművek hazai szabályozói környezete fejlesztésére irányuló K+F projekt bemutatása. Repüléstudományi Konferencia 01, Repüléstudományi Közlemények, Szolnok, 01/ Különszám, [13] PAPP ISTVÁN Pilóta nélküli légijármű típusok jellemzése. Repüléstudományi Közlemények 013. Szolnok, 013/ szám. pp. (53-68) HU ISSN X [14] DR. POKORÁDI LÁSZLÓ Aerodinamika I. Ideális közeg általános aerodinamikája, Szolnoki Repülőtiszti Főiskola 199. [15] DR. POKORÁDI LÁSZLÓ Aerodinamika II. Súrlódásos és az összenyomható közeg áramlása, Szolnoki Repülőtiszti Főiskola 199. [16] DR. POKORÁDI LÁSZLÓ Aerodinamika III. Ideális közeg két- és háromméretű áramlása, Szolnoki Repülőtiszti Főiskola 199. [17] Д. М. ПРИЦКЕР, Г. И. САХАРОВ Аэродинамика. Машиностроение, Москва,

28 [18] DR. RÁCZ ELEMÉR Repülőgépek. Tankönyvkiadó, Budapest, [19] REG AUSTIN: Unmanned Aircraft Systems UAVS Design, Development and Deployment. John Wiley & Sons Ltd [0] SZABOLCSI RÓBERT UAV Flight Path Conceptual Design. Knowledge Based Organization Proceedings (ISSN: ) 1: pp (010). [1] SZABOLCSI RÓBERT Stochastic Noises Affecting Dynamic Performances of the Automatic Flight Control Systems, REVIEW OF THE AIR FORCE ACADEMY (ISSN: ) 1/009: pp (009). [] SZABOLCSI RÓBERT Extra-Cheap Solutions Applied for Non-Reusable Unmanned Aerial Vehicle Technologies. CD-ROM Proceedings of the 7th International Scientific Conference, ISBN , 9-30 September 010, Budapest, Hungary. [3] SZABOLCSI RÓBERT The Developing Military Robotics. Proceedings of the 13th International Conference of Scientific Research and Education in the Air Force, AFASES 011, ISSN , pp( ), 6 8 May 011, Brasov, Romania. [4] SZABOLCSI RÓBERT UAV Controller Synthesis Using LQ-Based Design Methods. Proc. of the 13th International Conference of Scientific Research and Education in the Air Force, AFASES May 011, Brasov, Romania, ISSN , pp(15-156). [5] SZABOLCSI RÓBERT Solution of the Flight Path Tracking Problems in UAV Automatic Flight Control Systems. The 19th International Conference "The Knowledge-Based Organization 013": Conference Proceedings 3: Applied Technical Sciences and Advanced Military Technologies" June 013, Sibiu, Romania, ISBN , pp( ). [6] SZABOLCSI RÓBERT LQ-Based Algorithms Applied in Solution of the UAV Flight Path Tracking Problems. The 19th International Conference "The Knowledge-Based Organization 013": Conference Proceedings 3: Applied Technical Sciences and Advanced Military Technologies" June 013, Sibiu, Romania, ISBN , pp(396-40). [7] SZELESTEY GYULA Repüléselmélet. Kézirat. 34