В современном мире распространено использование беспилотных летательных аппаратов на радиоуправлении. Наиболее известными «беспилотниками» являются квадрокоптеры. К сожалению их использование ограниченно как по времени, так и по массе перевозимого груза. Мы рассматриваем гибридную силовую установку, которая расширит сферы применения квадрокоптеров.
Ключевые слова: «беспилотник», летательный аппарат, мультикоптер, квадрокоптер, винт, двигатель, гибридная силовая установка.
В современном мире наряду с пилотируемыми летательными аппаратами (ЛА) все чаще используются беспилотные ЛА (БПЛА). Что же такое «беспилотник»?
Беспилотный летательный аппарат («беспилотник» или «дрон») — это летательный аппарат без экипажа на борту, использующий аэродинамический принцип подъемной силы крыла или винта, оснащенный двигателем и имеющий полезную нагрузку и продолжительность полета, достаточные для выполнения специальных задач гражданского и военного назначения.
БПЛА активно развиваются, что обусловлено их относительно небольшой стоимостью, малыми габаритами, отсутствием экипажа и многим другим. Прежде всего «беспилотники» способны выполнять задачи, которые не в состоянии выполнить пилотируемые ЛА. Такие задачи можно разделить на два вида — гражданские и военные. К гражданским относятся видео и фотосъемка вблизи объекта, почта, а к военным — ударные операции и операции разведки.
Тема «беспилотников» наиболее широко рассматривается на Западе. В Германии и Англии разрабатываются новые БПЛА, при этом их финансирование непрерывно растет.
Существуют различные классификации «беспилотников», но нас интересует группа БПЛА самолетного и вертолетного типа, к которой относится мультикоптер.
Чем же фактически является муьтикоптер?
Данное устройство представляет собой беспилотный летательный аппарат, аэродинамическая схема которого состоит из четного числа винтов и такого же числа двигателей, чаще всего их четыре. От количества винтов зависит название мультикоптера (квадрокоптер, октокоптер и т.д.).
Кроме винтов, предусмотрена специальная плата, которую часто называют «мозги», обеспечивающая управление ЛА и учитывающая различные факторы при полете (положение ЛА, внешние воздействия и др.).
В исследовательской работе мы рассматриваем квадрокоптер (см. рис.1). Он имеет простую конструкцию, которая славится прекрасными характеристиками, такими как грузоподъемность и надежность.
Рис. 1. Изображение квадрокоптера
Квадрокоптер — это прежде всего дистанционно пилотируемый летательный аппарат (ДПЛА), имеющий четырех винтовую схему. Каждый винт приводится в движение собственным электрическим двигателем. Одна половина винтов вращается по часовой стрелке, а другая — против. При этом уравнивается реактивный и вращательный моменты, а необходимость в рулевом винте пропадает. Скорость полета данного ЛА меняется путем изменения вращения лопастей винтов.
Такой мультикоптер является вертолетом на дистанционном управлении, пилотируемый оператором с помощью радиоустройств. В отличие от вертолетов стандартной (одновинтовой) схемы квадрокоптер обладает высокой надежностью. Он не содержит лишние движущие элементы и обладает малой массой. Кроме того, коптер неприхотлив в эксплуатации, поэтому его полет возможен в любую погоду. И с финансовой стороны он выгоднее, чем вертолеты и самолеты «беспилотники», стандартной конфигурации.
Несмотря на перечисленные достоинства, квадрокоптеры до сих пор не используются масштабно. Почему? А причины всего две. Первая и наиболее важная причина — это малая продолжительность полета, которая составляет 45-60 минут. Вторая причина — небольшая грузоподъемность.
Данные причины выявляют главную проблему, заключающуюся в неэффективности силовой установки, а именно, большой вес аккумуляторных батарей и их малая электроемкость. Данная проблема значительно сокращает возможности в использовании квадракоптеров, их работу и применение.
Развитие компьютерных технологий и широкое распространение электронных компонентов способствуют возникновению новых идей в решении главной проблемы при разработке коптеров.
Анализ попыток решения показывает, что исследователи преобразовывают силовую установку, а именно рассматривают различные источники получения дополнительной энергии.
Одни ученые обратились к использованию естественных источников энергии — к солнцу. При этом имелась попытка использования солнечного источника электропитания. К сожалению, квадрокоптеры имеют малую площадь для размещения кремниевых элементов питания, которые являются главным элементов при использовании такой энергии. В результате исследователи определили, что использование солнечной энергии квадрокоптерами невозможно.
Другие ученые попытались решить проблему используя энергию, полученную путем химических реакций. Речь идет о водороде, который выделяется в результате реакции с простой водой борогидрида натрия под воздействием катализатора и теплоты. Полученный газ поступает на анод — топливный элемент. На платиновом катализаторе водород диссоциирует и теряет электроны, которые и создают электрический ток, необходимый для работы силовой установки. Длительность полета при этом зависит от запаса борогидрида натрия на борту.
Мы предлагаем пойти по иному пути — внедрение новой силовой установки, использующей энергию топлива и энергию АКБ. Такая установка называется гибридной (ГСУ). Она позволит увеличить не только время полета, но и полезную нагрузку ДПЛА.
Термин «гибридная» представляет собой работающие в паре двигатель внутреннего сгорания (ДВС) и электромотор. Такая установка характерна в автомобильной промышленности и применяется с 20-го века. Для авиастроения ГСУ является новой и нераспространенной.
Из чего же состоит ГСУ квадрокоптера?
Гибридная силовая установка представлена в Приложении А и включает:
бензиновый двигатель внутреннего сгорания;
электромотор;
винты;
топливный бак;
генератор;
аккумуляторные батареи.
К достоинствам ГСУ можно отнести то, что ДВС более эффективен и предоставляет необходимую дополнительную энергию.
К недостаткам же относим утяжеление конструкции ДПЛА.
Подводя итог, мы считаем, что внедрение гибридной силовой установки может сопутствовать открытию новых возможностей коптеров, их использование в различных сферах жизни, увеличение времени полета.
Беспилотные системы, способные продолжительное время находиться в воздухе, будут хорошим инструментом в военной и гражданской областях.
Литература:
- Афанасьев, П.П. Беспилотные летательные аппараты. Основы устройства и функционирования./ П.П. Афанасьев, И.С. Голубев, В.Н. Новиков и др. — 2-е изд., перераб.–М.:2008.-656с.
- Ганин, С.М. Беспилотные летательные аппараты/С.М.Ганин, А.В.Карпенко и др.- СПб:1999.-160с.
- wikipedia.org: свободная энциклопедия [Электронный ресурс]. — М.: Режим доступа: http://ru. wikipedia.org., доступ свободный. — (дата обращения 22.10.2015)
