Авіаційні двигуни для безпілотних літальних апаратів

Як відомо, сьогодні у більшості провідних армій світу широко застосовуються малорозмірні безпілотні літальні апарати (БПЛА). Конструкції їх досягли останніми роками небаченої раніше досконалості — так, тривалість польоту деяких зразків, які використовуються для повітряної розвідки, вже наближається до доби безперервного польоту. Використовувані для наведення БПЛА забезпечують немислиму за старих часів точність попадання ракет — до 1 метра, а дозвіл відеоапаратури дозволяє розглянути на землі найдрібніші предмети, тоді як виявити і знищити такий літальний апарат дуже важко, а іноді й просто неможливо. завдяки своїм малим розмірам БПЛА практично невидимий і нечутний із землі навіть за допомогою найдосконаліших радіолокаційних засобів. Є й ще безліч інших різноманітних завдань, які вирішуються даним видом авіаційної техніки, причому не лише військових.

Досвід війн і локальних конфліктів, що сталися останніми роками, вже показав, що тільки за допомогою бойової авіації звичайного типу (винищувачі, штурмовики та бомбардувальники) неможливо вирішити цілу низку серйозних бойових завдань. Це, мабуть, приведе в найближчому майбутньому (і вже призводить) до широкого впровадження та застосування безпілотних ЛА.

Розробка БПЛА різних схем і типів почалася понад 35 років тому, і роботи з цього напряму досягли значної інтенсивності вже до початку 80-х років минулого століття. Ця робота велася не лише за кордоном, а й у СРСР, де особливо значний імпульс цим розробкам був наданий після Першої ліванської війни 1982 р., коли ізраїльські БПЛА відіграли значну роль у черговому розгромі арабсько-радянських військ у долині Бекаа. У світі ці роботи продовжилися цілком успішно, тоді як економічний крах СРСР став серйозним гальмом для тих розробок, які були виконані на той час.

Однак до кінця 70-х років у СРСР роботи зі створення малорозмірних БПЛА розвідувального призначення, оснащених вельми передовою на той час електронною та відеоапаратурою, вже йшли повним ходом. БПЛА даного типу як створювалися на папері й у металі, а й проходили випробування на полігонах, де оцінювалися здібності роботи всіх систем і навіть перевірялися можливості виявлення і поразки цих апаратів найсучаснішими засобами протиповітряної оборони (які, до речі, тоді показали свою недостатню ефективність боротьби з цим типом авіаційної техніки).

Малорозмірні ТРД

Чим малорозмірний БПЛА відрізняється від звичайного повнорозмірного літака? Очевидно, не лише відсутністю пілота та необхідністю застосування складних електронних систем управління. Однією з основних проблем такого літального апарату є двигун. Тому що для апарату вагою кілька сотень кілограм, і особливо, кілька десятків, не потрібні тонни тяги — тут необхідний мініатюрний двигун, тяга якого складе всього десяток-другий кіло. Або потужність — із десяток-другий кінських сил.

При простоті (ну, що такого складного — зробити двигун розміром менше або більше?) завдання зі створення будь-якого малорозмірного двигуна, ґрунтуючись на наявному досвіді повнорозмірних конструкцій, надзвичайно важка для практичного рішення. Якщо йдеться про силову установку з двигуном внутрішнього згоряння та повітряним гвинтом, то придатних для авіаційного застосування аналогів потрібної потужності просто не знайти. З іншого боку, намагатися зменшити в десятки разів повнорозмірні авіаційні ДВС — це просто дохла справа. У ті роки, коли розгорталися роботи з даної тематики (у тому числі, в Московському авіаційному інституті), найближчими та відповідними здавалися авіамодельні двигуни. вони були найбільш високофорсованими і мали малу питому вагу, саме це й потрібно малорозмірної безпілотної авіації.

На жаль, спроби збільшити масштаб у так добре відпрацьованих мікроконструкцій навіть у 5-10 разів виявилися марними — ті перевірені конструкторські рішення, які відмінно працювали в розмірі мікро, виявилися абсолютно непрацездатними в макро. Зрештою, певного поширення набула оппозитна 2-тактна схема — до 4-тактних моторів тоді ще не доросли, а опозитний 2-тактник давав необхідні 20-30 к.с. і за інших рівних умов не найбільший рівень вібрацій, вкрай небажаних для бортових телекамер, що використовуються в той час.

Для низки можливих завдань відпрацьовувалися і реактивні двигуни. А тут справа була ще гірша — жодних аналогів чи прототипів взагалі не було. Сьогодні є мікро-ТРД для авіамоделей, а тоді найменший турбореактивний двигун можна було зробити, наприклад, з турбостартера (він застосовується для запуску високих ТРД). Але у нього виходить близько 50 кг тяги, що надто багато для апаратів із вагою менше 200-250 кг. Та й який із допоміжного агрегату двигун? Запускати інші він може, а сам надто тяжкий для самостійної роботи...

А яка найбільша проблема в мікро-ТРД? Це зазори між робочими лопатками та корпусом. Коли двигун великий, зазори відносно малі, а це визначає хороші ККД компресора та турбіни, отже – і тягу двигуна. Але варто тільки почати зменшувати розміри, як зазори беруть своє — менше їх не зробити, інакше лопатки зачіпатимуть за корпус при підвищенні обертів та нагріванні. а якщо зробити нормальними, то внаслідок неминучих витоків через такі проміжки серйозно падає ККД. І не виходить жодної тяги...

Ось і виникла ідея — а як взагалі обійтися без зазорів? Тобто зробити корпус та робочі колеса за одне ціле? Так виникла ідея роторного ТРД. Ідея виявилася вельми оригінальною – жодних аналогів ніде у світі тоді не було. Суть ідеї гранично проста (див. схему) — ротор стоїть на 2-х підшипниках, але колеса компресора та турбіни з'єднані не валом по внутрішньому діаметру, а барабаном по зовнішньому. Між колесами утворюється порожнина – камера згоряння. Повітря, виходячи з компресора, рухається по спіралі, при згорянні воно зберігає спіральний рух і так входить у турбіну.

На описану схему двигуна та його камеру згоряння були отримані свідоцтва на винахід. Цікаво, що одне з найвідоміших на той час рухових КБ довго відстоювало свій пріоритет на дану схему двигуна, але зрештою програло. На жаль, до реального провадження досвідченого зразка справа з різних причин не дійшла, хоча документація була підготовлена. Ймовірно, замість суперечки з КБ було б краще об'єднатися для спільної роботи, але можливості та час для цього втратили...

Малорозмірні пульсуючі ПРД

Ще одним напрямком у ті роки стало використання реактивних двигунів інших схем — у тому числі, відомого пульсуючого повітряно-реактивного двигуна (ПуПРД). Сумну популярність цей тип двигуна здобув тому, що стояв на літаках-снарядах V-1 (Фау-1), якими німці обстрілювали Лондон у 1944-45 роках. Німецький безпілотний "літак-снаряд" (крилата ракета) "Фау-1" фірми Фізелер (Fieseler Fi-103) був фактично першим у світі бойовим безпілотним літальним апаратом, який масово застосовувався під час Другої світової війни.

Повнорозмірний ПуПРД вперше був розроблений у Німеччині наприкінці 30-х рр. німецьким ученим-аеродинаміком Паулем Шмідтом виходячи з схеми, запропонованої ще 1913 р. французьким конструктором Лоріном. Промисловий зразок цього двигуна AS109-014 створила фірма «Аргус» у 1938 р. Для основної силової установки безпілотного літака-снаряда одноразового використання двигун підходив майже ідеально: його проста і технологічна конструкція забезпечувала низьку вартість виробництва, а як паливо міг використовуватися звичайний авіаційний бензин. Конструктивно двигун AS109-014 являв собою виготовлену з листової сталі трубу змінного перерізу, що складається з головної частини з дифузором та вхідною клапанною решіткою, камери згоряння та вихлопної труби (сопла). Протягом однієї секунди в такому двигуні відбувалося 40-45 пульсуючих циклів згоряння палива, при цьому він розвивав тягу до 300 кгс, достатню для сполучення літака-снаряду Фау-1 масою 2160 кг швидкості 600-650 км/год.

Після війни трофейні зразки двигунів і літаків були привезені до Москви і ретельно вивчалися. На авіазаводі №51 розпочали виробництво копій, а у КБ В.Челомея розробили низку вдосконалених зразків. Радянські вчені Б.Стечкін та Є.Щетінков навіть створили теорію та основи газодинамічного розрахунку двигунів даного типу. Проте далі за досвідчені партії справа не пішла — військових не задовольнили характеристики точності поразки цілей у розроблених комплексів. Претензії були і до двигуна — його підвищена витрата палива не дозволяла досягти великої дальності та тривалості польоту. Проблема також була в невеликій швидкості польоту, хоча останні дослідні зразки вдосконалених апаратів КБ В.Челомея зі здвоєними ПуПРД змогли досягти 960 км/год. Ну, і сильний шум та вібрації працюючого ПуПРД теж не сприяли його впровадженню в авіацію.

З такими ж проблемами зіткнулися і в США, де також досліджувалися трофейні зразки V-1 та створювалися їх удосконалені аналоги. В результаті до початку 50-х років усі роботи з двигуна даного типу поступово згорнули і в СРСР, і в США.

Однак цей тип двигуна не канув у лету. Численні інженери та дослідники продовжували і продовжують досі вивчення процесів та створення різних конструкцій ПуПРД. І на те є причини. Якщо розглянути можливу сферу застосування того чи іншого двигуна, то легко помітити, що вона залежить від тих завдань, які повинен виконати літальний апарат. Наприклад, там, де не потрібна дуже велика швидкість та тривалість польоту, ПуПРД цілком здатний їх забезпечити. Тому періодично до цього типу двигуна інтерес з'являвся знову і знову. Так сталося і до кінця 70-х років, коли почалися роботи з малорозмірним безпілотним ЛА.

При виконанні робіт поступово вдалося суттєво вдосконалити теорію робочого процесу та скласти розрахункову програму для оптимізації параметрів двигуна даного типу (у ті часи використовувалися стаціонарні ЕОМ із введенням параметрів із перфокарт). В результаті теоретичного та експериментального відпрацювання процесів була обрана найкраща геометрія камери та вхідного пристрою, що і послужило основою для дослідної конструкції.

Однак не все так просто — у конкретній задачі стояло не тільки зробити сам двигун, але і його систему запуску, причому автономну та здатну запускати двигун автоматично в польоті. Відповідно до цього в конструкції з'явився невеликий балон стисненого до 100 бар повітря, повітряний кран із приводом від кермової машинки, паливний бак з електромагнітним клапаном, балоном для газу та регулятором тиску наддуву, а також система запалювання зі спеціальною надмініатюрною котушкою та свічкою поверхневого розряду.

В якості газу, що використовується для наддуву паливного бака, для простоти та малих габаритів застосували скраплений пропан, хоча це зажадало розділити бак на бензинову та газову порожнини герметичною гумовою мембраною (щоб виключити розчинення пропану в бензині). При подачі команди на запуск рульова машинка звільняла запірну чеку штока повітряного крана, тиском стисненого повітря в балоні відкривалася його подача в камеру згоряння, при цьому шток натискав на кінцевий вимикач, що включав електромагнітний паливний клапан і систему запалювання — цього було цілком достатньо для надійного пуску.

Вийшла дуже компактна конструкція, що мала непогані питомі параметри (віднесені до її маси), що дозволило продовжити роботи. Для цього силова установка була побудована у кількох примірниках, після чого пройшла численні стендові та льотні випробування. Двигун був скомпанований у зборі з усіма агрегатами (див. фото) і встановлений на спеціально сконструйованому літальному апараті, що розкладається. Апарат заправлявся в касету (варіант системи ударних БПЛА по 4 шт. в касеті — приблизно за 30 років до аналогічних проектів DAPRA), після скидання з великої висоти виходив з касети, розкривався і автоматично переводився в горизонтальний політ, після чого здійснювався автоматичний запуск двигуна і політ за заданою програмою.

Під час відпрацювання системи на аеродромі МАІ в Алфер'єво в 1982 році були проведені пробні скидання апарату з висоти близько 100 м, яку забезпечував підйом за допомогою метеорологічної кулі-зонда. За результатами скидів силова установка показала виняткову надійність — успішними були всі 100% запусків двигуна в повітрі.

Сьогодні важко сказати, у що могли б вилитися всі ці роботи, якби вони не затихли в середині 80-х. Але цілком імовірно, що ми дивилися зараз на деякі сучасні іноземні безпілотники дещо іншими очима. Для нас ці роботи виявилися сходинкою до ДВС — якщо замість камери згоряння ПуПРД поставити циліндр із поршнем, то всі процеси будуть дуже схожі...

Сучасний стан питання

У різний час ми робили деякі дослідницькі роботи, результати яких опубліковані та представлені у наших статтях з тематики БПЛА. Це:

1. Повний та найбільш докладний опис нашої математичної моделі та програми для онлайн-моделювання пульсуючого повітряно-реактивного двигуна.
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, 48 p. DOI: https://doi.org/10.1139/dsa-2025-0027

2. Короткий опис нашої математичної моделі та програми моделювання пульсуючого повітряно-реактивного двигуна.
Хрулєв О.Е., Мунтян В.В. (2025). Розробка універсальної математичної моделі та комп'ютерної програми для онлайн моделювання клапанного та безклапанного пульсуючих повітряно-реактивних двигунів. Aerospace Technic and Technology No.4, sup.2, 2025, pp. 6-29. DOI: https://doi.org/10.32620/aktt.2025.4sup2

3. Моделювання двигуна з періодичним робочим процесом з використанням безрозмірних критеріїв подібності та методу поршневої аналогії.
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/

4. Моделювання течії газу в резонансних трубах та каналах двигунів з періодичним робочим процесом методом поршневої аналогії.
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

5. Особливості математичного моделювання пелюсткового клапана в системах впускання двигунів з періодичним робочим процесом.
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

6. Аналіз можливості використання комерційних мікротурбореактивних двигунів для високошвидкісних малогабаритних оперативно-тактичних БПЛА.
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

7. Аналіз параметрів системи пневматичного катапультного старту з урахуванням характеристик двигуна та 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://ab-engine.com/smi_paper.html

Ну, і що ж із усього цього роЯ вийшло?

Вся ця робота дозволила в якийсь момент трохи розім'ятися і створити серйозну програму Pulsejet-sim для онлайн-моделювання параметрів та характеристик пульсуючих повітряно-реактивних двигунів.

Насправді, ця програма побудована таким чином, що робочий процес двигуна вважається на сервері, для чого не потрібно ні серйозного комп'ютера, ні завантаження на нього програми — носій просто передає дані на сервер і отримує готові результати. А сервер — це не домашній комп'ютер, це 128 паралельних процесорів!

Використання таких ресурсів дозволяє, з одного боку, проводити найскладніші розрахунки (десятки тисяч точок за часом) за час не більше 2 секунд, а з іншого — легко робити це навіть по телефону! Уся наука у Вашому смартфоні, 100%!

А що можна змоделювати, який двигун? Так будь-який, клапанний та безклапанний. З будь-якими розмірами. В результаті моделювання виходять такі характеристики, яких ніхто не має. Наприклад, діаграми зміни миттєвого тиску, температури, швидкості газу в циклі. І навіть коливання пелюсток клапана. А ще можна переглянути індикаторну діаграму пульсуючого двигуна (знаєте ще місце, де таку можна отримати?). І навіть висотно-швидкісні характеристики (де ще ви отримаєте такі?). І проводити параметричні дослідження щодо впливу окремих розмірів на параметри. А також збирати будь-які діаграми разом.

Не вірите? Ну, а якщо хочете самі спробувати, ...:

ТОДІ ВАМ СЮДИ >>>

Інші наші роботи в авіації...