Warum sind Militärdrohnen so seltsam geformt?

Der walförmige vordere Rumpf bedeckt eine Parabolantenne für eine Datenverbindung mit hoher Bandbreite. Die Betreiber wollen die Aufklärungsdaten in Echtzeit empfangen, und indem sie der Antenne den besten Platz im Flugzeug geben, wird sie in der Lage sein, sich mit Kommunikationssatelliten zu verbinden, selbst wenn sie sich knapp über dem Horizont befinden.

Global Hawk Schnittzeichnung ( Bildquelle )

Das V-Leitwerk des Predator ist ein Erbe seiner Ursprünge als Navy-Drohne, die gefaltet werden konnte, um in ein Torpedorohr zu passen. Lesen Sie alles darüber in dieser Antwort . Wenn Sie weitere Informationen zu den Vorteilen eines umgekehrten V-Leitwerks wünschen, lesen Sie unbedingt auch die Antwort von KeithS.

Beim Global Hawk wurde das V-Leitwerk gewählt, um den Motor für eine bessere IR-Abschirmung von unten über dem Rumpf zu montieren. Die beiden Leitwerksflächen schirmen zudem den Auspuff seitlich ab, ohne die Aerodynamik negativ zu beeinflussen.

Die Konfiguration der Aerosonde wurde gewählt, nachdem Tad McGeer 1990 anhand des RC-Modells im Maßstab 1:5 des Perseus UAV von Aurora erfahren hatte, dass ein Heckpropeller das Flugzeug so stabilisieren würde , dass es praktisch unkontrollierbar wurde. Ein Druckpropeller ist effizienter als ein Traktorpropeller, was auch die Propellerposition am Predator erklärt.

Wenn Ihnen auffällt, wie viele der UAVs V-Leitwerke haben: Dadurch können weniger Komponenten (Oberflächen, Anschlüsse, Aktuatoren) verwendet werden, und da alle computergesteuert bewegt werden, besteht das Problem eines mechanischen Mischers nicht. Auch die geringere Dämpfung von V-Leitwerken ist gut zu tolerieren, da das FCS viel schneller und angemessener auf Störungen reagieren kann als jeder menschliche Pilot. Die mit V-Leitwerken mögliche geringere Manövrierfähigkeit ist ebenfalls kein Problem - Aufklärungs-UAVs fliegen meist gerade und eben.

Die Flügel mit hohem Seitenverhältnis tragen dazu bei, die Reichweite und insbesondere die Flugzeit von Beobachtungsdrohnen zu verlängern. Ähnlich wie bei Segelflugzeugen bietet der lange und schlanke Flügel den geringsten Luftwiderstand für einen bestimmten Auftrieb bei Unterschallgeschwindigkeit.

Letztendlich ist jedes Detail bewusst gewählt und gut erklärbar. Es gibt keine Verschwörung, UAVs anders aussehen zu lassen als Cessnas.

Der Hauptgrund, warum UAVs so aussehen, ist, dass sie keinen Menschen tragen müssen oder die Lebenserhaltungs- und Avionikdisplays, die der Mensch benötigen würde. Die Konstruktionen basieren daher auf dem, was das Flugzeug benötigt, hauptsächlich Kommunikations- und Beobachtungs- / Aufklärungsausrüstung zusätzlich zu den Standardmaterialien, die jedes Kampfflugzeug benötigt (Treibstoff, Waffen, Antrieb, Auftrieb / Steuerflächen). Die Verwendung eines V-Hecks in praktisch allen dient der Reduzierung des Luftwiderstands. Das Flugzeug muss nicht so manövrierfähig sein wie ein bemannter Jäger, daher ist ein Doppelheck mit separaten, sich vollständig bewegenden Aufzügen überflüssig, und der geringere Luftwiderstand erhöht die Flugzeit für mehr Reichweite oder Herumlungern.

Eine wichtige Konstruktionsüberlegung in jedem Flugzeug ist die Gewichtsbalance. Die 172, ein ziemlich konventionelles Flugzeugdesign, ist auf ein hohes Maß an Flexibilität in ihrer Nutzlast und Verteilung ausgelegt; Der hohe Flügel hält den Schwerpunkt aus Stabilitätsgründen unterhalb des Auftriebszentrums, und aus dem gleichen Grund befinden sich Cockpit und Ladefläche unter dem Flügel, sodass Änderungen des Schwerpunkts keine so drastische Änderung des Fahrverhaltens verursachen.

In einem unbemannten Flugzeug ist die Gewichtsverteilung ziemlich statisch; Jegliche Artillerie befindet sich direkt unter den Flügeln und damit im Zentrum des Auftriebs (der Kraftstoff wird ebenfalls ähnlich platziert), während sich der Inhalt des Rumpfes neben der Kraftstoffladung zwischen den Flügen kaum ändert. Das erlaubt dem Flugzeugkonstrukteur, die Form der Funktion folgen zu lassen; Die Vorderseite des Flugzeugs enthält den größten Teil der Avionik und Kommunikation und gleicht das Antriebssystem hinten mit dem Treibstoff in der Mitte aus. Die relative Größe und Form dieser drei Elemente liegt im Ermessen des Designers, und dann werden die Flügel einfach am oder leicht hinter dem Gleichgewichtspunkt platziert.

Der RQ-1/MQ-1 Predator sieht wahrscheinlich am seltsamsten aus, da er aus Gewichts- und Luftwiderstandsgründen nicht nur ein V-Heck hat, sondern auch das Heck umgekehrt ist:

Das umgekehrte V-Leitwerk hat mehrere Vorteile in einem Flugzeug von der Größe des Predators und mit der Komplexität des gesamten Flugsystems:

• Eine unter dem Schwerpunkt platzierte Ruderoberfläche, wie beim Predator, rollt das Flugzeug in Richtung der Gierrichtung anstatt davon weg, wie es ein oben montiertes Ruder tun würde, was koordinierte Kurvenfahrten nur mit dem Ruder ermöglicht.
• Dieses „rollende Ruder“-Verhalten ist auch so ziemlich alles, was der RQ-1/MQ-1 in Bezug auf die Rollsteuerung benötigt, sodass die Ruderflächen die einzigen Steuerflächen im Flugzeug sein können, was das Steuerungslayout des Flugzeugs dramatisch vereinfacht. Theoretisch ermöglicht das Fehlen von Querrudern, dass die Flügel leicht entfernt oder gefaltet werden können, aber der MQ-1 hat Waffenmasten mit Zündschaltkreisen, die dies erschweren. Größere Drohnen mit längeren Flügeln haben ein höheres Trägheitsmoment in der Rollachse, mehr als die Ruder alleine überwinden könnten, daher haben diese Konstruktionen Querruder (entweder flügelverzerrt oder klappbar), wodurch das V-Leitwerk für eine bessere Bodenfreiheit aufrecht stehen kann Landung.
• Ein Seitenwind auf einem umgekehrten V-Leitwerk bewirkt, dass sich das Flugzeug nach oben neigt und in den Wind rollt, anstatt sich mit einem aufrechten V-Leitwerk nach unten zu neigen und davon wegzurollen. Angesichts der hohen Kommunikationslatenz zwischen Nevada und Kandahar ist dies ein Vorteil, da das Flugzeug normalerweise über viel Platz zum Fliegen verfügt, während der Pilot die Störung bemerkt und darauf reagiert, aber nur so lange nach unten fliegen kann, bis es ausgeht Luft. Auch hier haben größere Flugzeuge höhere MOIs und daher sind Störungen geringer.
• Das umgekehrte Leitwerk überdeckt ein wenig des Motorgeräuschs des Flugzeugs im Flug aus bestimmten Vorwärtswinkeln. Nicht viel, aber jedes bisschen hilft, wenn Sie versuchen, sich zu verstecken.
• Schließlich schützt das umgekehrte Heck den teureren Propeller, wenn der Pilot mit dem hinteren Ende am Boden kratzt. Der größere Reaper hat mehr Bodenfreiheit, um die Waffenmasten zu ermöglichen, und kann daher bei der Landung mehr aufflackern, ohne die Stütze einzubeziehen.

Der RQ-2 Global Hawk sieht eigentlich gar nicht so weit hergeholt aus; es hat eine gewisse Ähnlichkeit mit dem A-10 Warthog:

Die beiden Flugzeuge haben sehr unterschiedliche Missionsprofile (die Global Hawk ist als Ersatz für die U-2 zur Überwachung und Aufklärung in großer Höhe gedacht, während die A-10 ein ehrwürdiges panzerbrechendes Luftunterstützungsflugzeug ist), aber es gibt einige gemeinsame Designelemente , wie der hohe Motor, der von den Heckflächen verdeckt wird, um die IR-Signatur zu reduzieren, und die großen niedrigen Flügel, die viel Auftrieb erzeugen (für eine hohe Decke im Fall des GH, für Nutzlast und Überlebensfähigkeit im Fall der A-10).

Was zwischen den beiden nicht ähnlich ist, sind die Programmkosten; Die ursprünglichen A-10As kosteten in den 70er Jahren nur 450.000 US- Dollar pro Stück, und mit neuen Flügeln und einem Glascockpit-Upgrade kosten die A-10Cs immer noch nur 11 Millionen US-Dollar pro Rahmen . Die Stückkosten des Global Hawk, einschließlich Forschung und Entwicklung, machen das Programm mit 222 Millionen US -Dollar pro Einheit zum bisher teuersten Kleinflugzeug und übertreffen damit die „Kosten spielen keine Rolle“ F-22 (182 Millionen US- Dollar ).

Andere Drohnen sind viel kostengünstiger; Der Predator kostet jeweils nur 4 Millionen US- Dollar, während der größere und anspruchsvollere Reaper 16 Millionen US-Dollar kostet. Eines zu verlieren tut immer noch weh, und die USAF hat viel verloren, hauptsächlich durch Bedienungsfehler (die Kommunikationslatenz, die damit verbunden ist, eines dieser Programme von einer Bodenstation auf einer halben Welt entfernt fernzusteuern, ist beträchtlich), aber die Gesamtkosten dieser Programme sind immer noch ein Hungerlohn im Vergleich zu jeder bemannten Flugzeugzelle, die heute im Einsatz ist, mit einem drastisch reduzierten Verhältnis von Wartung zu Flugstunden und Gesamtkosten pro Flugstunde. Die A-10 ist erneut das billigste bemannte Kampfflugzeug im Einsatz und kostet etwa $18.000 pro Flugstunde für den Betrieb (kein Wort darüber, was dieser Preis beinhaltet; wahrscheinlich eine Kombination aus Treibstoff, Pilotengehältern, Teilen, Wartung und Kampfmitteln). Die Predator kostet nur 3.600 Dollar pro Flugstunde, die Reaper etwa 4.800 Dollar . Auch hier ist der Betrieb des Global Hawk-Programms ziemlich teuer (etwa 49.000 US- Dollar pro Flugstunde), und das ist ein wichtiger Grund, warum die U-2 Dragon Ladies, die Global Hawk ersetzen sollte, immer noch fliegen (die U-2 kostet nur etwa 30.000 US -Dollar). eine Flugstunde).

Wer sagt, dass sie seltsam geformt sind? Vielleicht ist die 172 komisch ...

Die kurze Antwort ist, dass es das beste Design für die Mission und die spezifische Anwendung ist. Die 172 wurde entwickelt, um Menschen zu befördern und junge Piloten auszubilden, daher spiegeln ihre Eigenschaften wider, dass sie gut zu dieser Mission passen. Drohnen werden benötigt, um Computer und Überwachungsausrüstung und oft eine Waffennutzlast zu transportieren, und ganz speziell keine Menschen. Drohnen können eine andere Form haben als ein GA-Flugzeug, da die Ergonomie des Piloten keine Rolle spielt. Für das, was es wert ist, gibt es Flugzeuge, die wie die von Ihnen erwähnte Drohne geformt sind.

Die Bonanza hatte einen langen Lauf mit dem V-Heck-Design: ( Quelle )

Der neue Cirrus Jet hat ein V-Leitwerk und eine Bubble-Flugzeugzelle, ähnlich wie die von Ihnen abgebildeten Drohnen: ( Quelle )

Fazit ist, dass Flugzeuge für bestimmte Anwendungen ausgelegt sind und einige Flugzeugzellenaspekte sich besser für eine bestimmte Mission eignen als andere. Flugzeuge spiegeln diese Einschränkungen gegenüber dem Aussehen zu 100 % wider.

Nebenbemerkung: Eine niedrige Geschwindigkeit ist für eine gute Aufklärung keinesfalls erforderlich. Die SR-71, die wohl eines der erfolgreichsten Spionageflugzeuge war, führte aus 80000 Fuß bei Mach 3 zahlreiche Aufklärungsarbeiten ohne Probleme durch .

Ein weiterer Faktor: Cessnas sind wie praktisch alle bemannten Flugzeuge darauf optimiert, ans Ziel zu kommen.

Militärische Drohnen interessieren sich jedoch mehr für die Verweildauer über dem Interessengebiet als dafür, wie schnell sie dort ankommen. Dadurch ergibt sich eine ganz andere Optimierung als bei bemannten Luftfahrzeugen.

Sie haben auch eine ganz andere Auffassung von Sicherheit.

Sie haben ein Flugzeug, das 500.000 $ kostet. Es gibt eine Sicherheitsmaßnahme, die eine Chance von 5 % hat, die Flugzeugzelle über ihre erwartete Lebensdauer zu retten, die aber 50.000 US- Dollar kostet . In einem bemannten Flugzeug wird das mit ziemlicher Sicherheit geschehen. Auf einer Drohne würde es in den meisten Fällen keinen Sinn machen.

Bei einmotorigen Drückern mit Überdachung könnte ein Pilot, wenn er aus einem bemannten Flugzeug aussteigt, die Stütze oder den Einlass am Heck des Flugzeugs treffen. Dies erfordert entweder spezielle Vorkehrungen zum Auswerfen, wie das Herausfallen aus dem Boden oder der Seite des Flugzeugs, oder die Installation eines Schleudersitzes, der stark genug ist, um sicherzustellen, dass der Pilot den Propeller freigibt. Dies alles fügt Gewicht und Kosten hinzu. Viele Piloten mögen diese Idee nicht.

Eine unbemannte Drohne hat kein solches Problem, Flugzeugdesigner können Designs frei wählen, ohne zu überlegen, wie ein Mensch daraus herauskommt.

Ein großer Teil des Grundes für den blasenförmigen Kopf ist der reduzierte Luftwiderstand. Der Bereich verbirgt zwar eine Parabolantenne, aber das könnte mit vielen Formen gemacht werden. Diese Form ist so ausgelegt, dass sie die kleinstmögliche flache Oberfläche hat, damit die Luft reibungslos über die Vorderseite des Flugzeugs strömen kann, anstatt durch Auftreffen auf eine flache Oberfläche gestört und turbulent zu werden. Dies führt zu einem geringeren Luftwiderstand und einer längeren Flugzeit pro Gallone Kraftstoff.

Cessnas und ähnliche Flugzeuge haben eine Windschutzscheibe, die im Grunde eine große flache Platte ist, gegen die der Wind prallen kann, und obwohl sie sich hervorragend zum Durchsehen eignen, fügen sie dem Flugzeug tatsächlich einen ziemlichen Luftwiderstand hinzu. Die geplante Mission der Cessna macht dies jedoch akzeptabel.

Wenn Sie sich die vordere Unterseite einer typischen einmotorigen Cessna ansehen, werden Sie feststellen, dass sie schwarz und ölig von Abgasen und Ölrückständen ist.

Bei Aufklärungs-UAVs führt das Platzieren eines Motors an der Nase (obwohl es einige Beispiele gibt - IAI Hunter zum Beispiel) dazu, dass sich während des Betriebs Motorrückstände auf optischen Nutzlastlinsen ansammeln und die Nutzlastleistung beeinträchtigen.

Dies ist die Hauptüberlegung für die Platzierung von (Kolben-)Motoren am Heck von Aufklärungs-UAVs.

Hohe Seitenverhältnisse werden für Aufklärungsaktivitäten wie Lockheed Martin U3 bereitgestellt, die ein Seitenverhältnis von 15 hatten, aber bei diesem bemannten Flugzeugtyp sollte der Pilot sehr gut ausgebildet sein