Наші дослідження в галузі БПЛА

Наша нова розробка!

Відомо, що за минулі 80 років потужні характеристики 2-тактних двигунів були серйозно покращені – питома потужність окремих зразків зросла в 3-4 і більше разів. Відповідно, значно покращилися показники економічності, за якими 2-тактний двигун впритул наблизився до 4-тактного.

Разом з тим, незважаючи на те, що системи керування двигунами стали повністю електронними, у конструкції силової установки БПЛА залишився стародавній елемент, який практично не зазнав жодних змін – це повітряний гвинт постійного кроку. Фактично він так і залишився дерев’яним, хоча традиційні матеріали давно вже замінені на сучасні набагато стабільніші та міцніші.

Але саме гвинт сьогодні є одним із елементів, що гальмують не лише БПЛА на швидкості близько 150 км/год, але й увесь розвиток даної технології. І електроніка не допоможе. А що допоможе? Ми провели дослідження і знайшли…

Як значно збільшити швидкість БПЛА із поршневим двигуном…

Наш лікнеп по пульсуючих повітряно-реактивних двигунах

Ми тут подумали і вирішили запиляти невеликий лекторій на тему «Коли Земля була ще тепленькою, і по ній ходили крилаті реактивні мамонти та реактивні пульсуючі динозаври», а точніше, на тему історії авіації. Паралельно з нашим лекторієм на Youtube.

Просто ми, як би це сказати пом’якше, помітили, що деякі товариші-всезнайки настільки добре знають, що таке пульсуючий двигун, що практично нічого не знають. Але з розумним виглядом кажуть. А їх ще й слухає дозвільний народ. Саме тому лекторій і знадобився.

Дуже, треба сказати, пізнавальний лекторій, як то кажуть, залишайтеся з нами, нудно не буде. Насправді, давайте подивимося,…

Що таке пульсуючий повітряно-реактивний двигун, з чим його їдять і як з ним боротися…

Наш супер-проект століття – програма Pulsejet-Sim: https://pulsejet-sim.com

Нам завжди говорили, що процес горіння палива та течії газів у пульсуючому повітряно-реактивному двигуні такий складний і так заплутаний, що його взагалі ніяк не розрахувати. Потім, щоправда, окремі дуже великі вчені сказали, що так – цей процес настільки складний, що його можна моделювати, але тільки за допомогою… найскладніших 3-D програм. А інакше ніяк не вийде. Але оскільки такі програми доступні лише цим найбільшим вченим, вони тим самим лише підтвердили, що всі й так давно знають – моделювати в пульсувальному двигуні справді нічого не можна.

Що ж ми маємо у результаті? А те, що без моделювання нічого й аж ніяк не виходить. Тобто ні – воно виходить, але треба надто багато витратити нержавіючої сталі, часу, шліфувальних кругів на різання та зварювальних електродів чи дроту на зварювання, щоб вийшло. Чи вартує проста труба таких серйозних вкладень? Тим не менш, досі такий шлях і був найпоширенішим, головним чином, у ентузіастів-зварювальників. Ріж, вари, ріж знову і знову вари – невже саме цей шлях і далі буде єдино можливим і правильним для проектування двигунів, що пульсують?

Ми – не повірили. І взагалі кажучи, дуже важко повірити, що в 21 столітті є якась загадкова труба, для якої ще немає готової розрахункової моделі і не написано жодної готової програми. Чому не написано – комусь грошей не дали, скільки він хотів, хто не зміг чи не захотів напружуватись, бо був упевнений, що це не можна, а хтось вирішив, що легше різати та варити, ніж думати та рахувати – вже навіть не цікаво в цьому розбиратися. Ми просто сіли і за пару тижнів написали модель та програму моделювання робочого циклу пульсуючого двигуна. Яку потім взяли та виклали на спеціально створеному для цього сайті. І тепер ця програма може запустити будь-хто. І не просто запустити, а навіть перевірити, чи працює його двигун із заданими параметрами, а якщо працює, то як – добре чи не дуже. Причому навіть на своєму власному телефоні!

Чи не вірите? Спробуйте самі…

Дослідити, підібрати параметри та сконструювати свій власний  ПуПРД…

Khrulev A., Muntyan V. (2025). Mathematical model and computer program development for online modeling of pulse jet engine working cycle, parameters and characteristics. Drone Systems and Applications, 2025, Just-In. DOI: https://doi.org/10.1139/dsa-2025-0027

У відомому канадському журналі “Drone Systems and Applications” публіковано нашу фундаментальну статтю “Mathematical model and computer program development for on-line modeling of pulse jet engine working cycle, parameters and characteristics”. Стаття дуже докладно описує виведення розрахункових рівнянь нашої математичної моделі, а також розробку та влаштування програми Pulsejet-Sim. Вихід такої статті – це одночасно апробація в науковій спільноті та свого роду визнання нашої роботи: перед опублікуванням статтю кілька разів перевіряли дуже авторитетні фахівці з авіаційних двигунів, а після їх надзвичайно корисних зауважень нам довелося навіть внести деякі виправлення до моделі та програми. Однак найважливіше те, що стаття фактично є підручником або посібником з моделювання пульсуючого повітряно-реактивного двигуна, відповідаючи на запитання “що?”, “як?” і “чому?”.

Подивитися, як створити математичну модель пульсуючого двигуна та перенести її в сучасну комп’ютерну програму…

Khrulev A. (2023). Modeling of engine with periodic workflow using dimensionless similarity criteria and piston analogy method. World of scientific research, 2023, Issue 23, Opole, Poland, 24 October 2023. Aviliable at: https://www.economy-confer.com.ua/full-article/4861/

У цьому дослідженні був обраний простий метод поршневої аналогії (або метод газового поршня) і застосований до простого клапанного пульсуючого повітряно-реактивного двигуна (ПуПРД) для отримання загальних закономірностей. Суть методу полягає в тому, що камера згоряння двигуна представляється в нульмерному формулюванні так само, як це робиться при термодинамічний опис внутрішньоциліндрового процесу двигуна внутрішнього згоряння, тобто з рівномірно розподіленими за обсягом миттєвими параметрами газу. Перебіг газу в резонансній трубі в 1 наближенні розглядається як коливальний рух газового стовпа. Інакше кажучи, двигун представляється не як труба (як і звичайних методах), бо як резонатор Гельмгольца чи механічна коливальна система.

Ці припущення дозволили скласти математичну модель із рівнянь безперервності, імпульсу та енергії. Це система диференціальних рівнянь 1-го порядку, щодо миттєвих параметрів газу (як функцій часу) – тиску, температури в камері згоряння та швидкості газу в резонансній трубі, з урахуванням зон течії, що утворилися.

При розробці моделі також було встановлено, що якщо виведення розрахункових рівнянь робити з використанням безрозмірних змінних (щодо атмосферного тиску, температури та швидкості звуку), то можуть бути виявлені деякі раніше невідомі закономірності. В результаті отримані безрозмірні критерії подібності пульсуючого повітряно-реактивного двигуна, що включають комплексний параметр та коефіцієнт площі. Отримані критеріальні залежності були перевірені на даних відомих двигунів і дали задовільну збіжність у широкому діапазоні їх розмірів за безрозмірною тягою, цикловою частотою та питомою витратою палива.

Подивитися, як можна зробити математичну модель ПуПРД…

Khrulev, A. (2023). Determination of gas parameters in resonant pipes and channels of engines with a periodic workflow using the piston analogy method. Eastern-European Journal of Enterprise Technologies, 5 (7 (125)), 50–59. DOI: https://doi.org/10.15587/1729-4061.2023.288520

У цьому роботі моделюється процес течії газу резонансної трубі ПуПРД. Аналіз різних моделей течії та порівняння відомих даних показали, що залишаються не вирішені до кінця проблеми правильного вибору принципів побудови замкнутих 0-мірних моделей робочого циклу. Відповідно до цього виникає питання розмірності моделей окремих елементів двигунів, включаючи і модель резонансної труби, які необхідно включити в загальну модель циклу, особливо, на початковому етапі її розробки.

Для вирішення виявлених проблем удосконалено математичну модель течії повітря, побудовану на базі аналогії з “рідким” поршнем. На відміну від існуючих, модель поршневої аналогії дозволяє розраховувати миттєву швидкість, опосередковану довжиною труби, за допомогою чисельного рішення диференціального рівняння для швидкості.

Для перевірки розробленої моделі обрано альтернативну кінцево-різницеву 1-мірну газодинамічну модель, за допомогою якої виконано тестове математичне моделювання течії повітря в трубі. На підставі отриманих даних проведено порівняльний аналіз точності та достовірності моделі поршневої аналогії. Встановлено, що поршнева модель дозволяє знайти швидкість течії в трубі з точністю до 5% для перепаду тиску, що змінюється за синусоїдальним законом. Знайдено допустимі межі зміни частоти коливань та довжини труби, при яких поршнева модель має мінімальну помилку порівняно з 1-мірною моделлю.

За результатами дослідження зроблено висновок у тому, що з правильному обліку існуючих обмежень поршнева модель дає результати, близькі до тих, які забезпечують складніші моделі з вищою розмірністю. Це вказує на можливість застосування поршневої моделі елементів типу труб у складі 0-мірної термодинамічної моделі ПуПРД як на наближену альтернативу традиційним 1-мірним моделям течії.

Подивитися, як працює резонансна труба ПуПРД…

Khrulev, A. (2024). Technical condition assessment and modelling of reed valves in vehicle engine intake systems. Communications. University of Zilina, 27 (1), B41-B52. DOI: https://doi.org/10.26552/com.C.2025.006

У цій роботі розглянуті проста квазістаціонарна модель впускного пелюсткового клапана ПуПРД, призначена для замикання 0-мірних термодинамічних моделей повного циклу, та альтернативна динамічна модель, за допомогою якої виконано контрольне математичне моделювання руху пелюстки клапана. При цьому метою дослідження була оцінка ефективності застосування простої моделі пелюсткового клапана як частини 0-мірних замкнутих термодинамічних моделей робочого циклу ПуПРД або як самостійної моделі при дослідженні причин несправностей.

Для досягнення поставленої мети розглянуто модель робочого циклу двигуна, виявлено вплив впускного клапана на робочий процес через витрату повітря як параметр, яким можна проводити порівняння моделей клапана, розроблені моделі пелюсткового клапана, виконано математичне моделювання руху пелюстки. На підставі отриманих даних проведено порівняльний аналіз точності та достовірності квазістаціонарної та динамічної моделей пелюсткового клапана. Встановлено, що квазістаціонарна модель дозволяє знайти витрату повітря через пелюстковий клапан з точністю до 5-6% для перепаду тиску, що змінюється за синусоїдальним законом у разі, якщо безрозмірна частота та/або число Струхаля не виходять за межі діапазону допустимих значень 0,2-0 ,3, у яких квазистаціонарна модель має мінімальну помилку проти динамічної моделлю.

Отримані дані підтвердили, що при правильному обліку наявних обмежень квазістаціонарна модель дає результати, близькі до тих, що забезпечують більш складні динамічні моделі, у тому числі з більшою розмірністю. Це вказує на можливість застосування квазістаціонарної моделі для елементів типу пелюсткових клапанів як наближеної альтернативи складнішим динамічним моделям, що особливо важливо при створенні та попередньому налагодженні 0-мірних термодинамічних моделей ПуПРД.

Подивитися, як працює пелюстковий клапан у клапанному ПуПРД…

Khrulev A. (2023) Analysis of possibility of using commercial micro turbojet engines for high-speed small-sized operational-tactical UAVS. Aerospace Engineering and Technology, No. 4, special issue 2 (190), pp. 5-18. DOI: https://doi.org/10.32620/aktt.2023.4sup2.01

У цій роботі розглянуті технологічні успіхи, що дозволили до 90-х років минулого століття створити серійні комерційні мікро-ТРД з тягою до 1 кН, проте зазначено, що широкого поширення двигуни цього типу в класі високошвидкісних безпілотних літальних апаратів масою до 200 кг поки не набули.Проте відомо, що компанії військово-промислового сектора періодично показують нові розробки як окремих реактивних малорозмірних БПЛА, так і мікроТРД для них. Тому застосування мікро-ТРД продовжує розглядатися як перспективне, і дослідженню цих двигунів присвячено велику кількість робіт.

Незважаючи на це, в наявних дослідженнях нерідко спостерігається спрощений підхід, коли мікроТРД розглядається ізольовано від його можливого авіаційного застосування, або коли питання аеродинаміки БПЛА досліджуються у відриві від двигуна та його характеристик. Це може призвести до вибору неоптимальних параметрів та неправильних обмежень області застосування мікро-ТРД. Для усунення зазначених проблем з метою оцінки ефективності застосування серійних комерційних мікроТРД на високошвидкісних БПЛА була використана стандартна програма газодинамічного розрахунку газотурбінних двигунів GasTurb14, за допомогою якої проведено газодинамічні розрахунки, отримано конструктивну схему та виконано математичне моделювання характеристик мікроТРД.

На підставі отриманих даних виконано аналіз умов та ефективності застосування розглянутого типу двигунів на високошвидкісних БПЛА, визначено можливі виробники і моделі двигунів, що випускаються ними, а також їх комплектація. Виявлено, що для БПЛА класу, що розглядається, двигун повинен мати ступінь підвищення тиску в компресорі в діапазоні 4,2-4,7, а польотний робочий режим мікро-ТРД доцільно вибрати на частоті обертання 92-95% від максимальної. Встановлено також, що БПЛА з мікро-ТРД, порівняно з поршневими двигунами, легко забезпечують ту ж дальність польоту при тій же відносній масі палива за рахунок щонайменше втричі вищої швидкості. В результаті застосування мікроТРД виявляється більш ефективно при дальності польоту понад 300 км, а при швидкості польоту понад 150 м/с (540 км/год) мікроТРД забезпечує істотну перевагу перед поршневим двигуном для цілого ряду оперативно-тактичних завдань.

Подивитися, як правильно підбирати турбореактивний двигун для ударного БПЛА…

Khrulev, A. (2023). Analysis of pneumatic catapult launch system parameters, taking into account engine and UAV characteristics. Advanced UAV, 3 (1), pp. 10-24. Aviliable at: https://publish.mersin.edu.tr/index.php/uav/article/view/1045

У цій роботі зазначено, що незважаючи на значні успіхи у розробці сучасних безпілотних літальних апаратів (БПЛА), нині для них не використовуються універсальні пускові комплекси. Фактично кожен проект БПЛА вимагає своєї власної пускової установки, що у багатьох випадках є неефективним. Особливо це стосується порівняно важких тактичних та оперативно-тактичних БПЛА масою від 50 кг та більше, для яких застосовуються переважно пневматичні пускові системи. Для оцінки характеристик пускових установок БПЛА застосовують прості методи на рівні аналізу діючих сил, проте вони не дають можливості правильно вибрати тип та параметри катапульти для конкретних завдань. За відсутності необхідних методик це призводить до конструктивних помилок, які значно звужують область застосування пускової установки.

Для усунення зазначених проблем розроблено математичну модель пневматичної катапульти, складено та чисельно вирішено диференціальні рівняння руху та зміни газодинамічних параметрів елементів конструкції, виконано аналіз характеристик, обґрунтовано вибір конструктивної схеми та основних параметрів пневматичної катапульти. Шляхом моделювання показано, що для ефективного функціонування пускової установки не потрібно ніякого спеціального ущільнення поршня пневмоциліндра, виток повітря через зазор є контрольованими внаслідок малого часу процесу навіть при високих робочих тисках. Крім цього, визначена допустима мінімальна висота точки кріплення троса на візку над роликом блоку, нижче за яку різко збільшуються навантаження на трос і поршень.

В результаті розроблена модель підтвердила універсальність застосування пневматичної катапульти схеми для оперативних і оперативно-тактичних БПЛА злітною масою від 50 до 250 кг, причому такий широкий діапазон забезпечується тільки регулюванням тиску повітря в ресивері і недоступний в системах інших типів. У той же час, якщо підвищення тиску буде обмежено вимогами безпеки, можливість подальшого збільшення злітної маси БПЛА в схемі катапульти, що розглядається, збережуться шляхом збільшення діаметра пневмоциліндра.

Подивитися, як правильно моделювати старт БПЛА з пневматичної катапульти…

Хрулєв О. та ін. Малорозмірний газотурбінний двигун. Авторське свідоцтво СРСР №995563, F02 C 6/00, 20.10. 1980.
https://engine-expert.com/…/1980avt_5-1.pdf

Унікальна розробка так званого роторного ТРД тих далеких часів, коли ніяких мікро-ТРД не було й близько. А оскільки основною проблемою в їх створенні бачилася проблема зазорів (і витоків) між лопатками, що обертаються, і нерухомим корпусом, проект координально вирішував цю проблему — ніяких зазорів просто не було за рахунок того, що всі лопатки намертво кріпилися до корпусу (який і обертався).

При дослідженні з’ясувалося, що в камері згоряння утворюється дуже цікавий вихор, що дозволяє при впорскуванні палива в його зону отримати стійке горіння в малому обсязі за рахунок дуже великої довжини закрученого потоку (що неможливо в звичайних камерах згоряння).

Ще однією перевагою схеми виявилася відсутність необхідності в лопатках компресора і турбіни, що спрямовують (напрямляють, соплові) – їх функції брав на себе вихор, що утворюється при обертанні ротора.

На жаль (чи на щастя), цей проект так і не був реалізований через суперечку про пріоритет із керівництвом одного дуже великого моторного КБ, яке випускало дуже великі двигуни для великих советских винищувачів. А потім, у 90-х роках, з’явилися мікро-ТРД, які ми всі знаємо, і актуальність цієї розробки (начебто) відпала. І даремно, тому що дана схема могла дати недосяжні для сучасних мікро-ТРД параметри.

Подивитися, як виглядав мікро-ТРД у ті часи, коли ніяких мікро-ТРД не було і близько…