Беспилотная авиационная система "Гибридокоптер"

Краткое описание идеи Гибридокоптера Тренд развития беспилотной авиации постепенно разворачивается в сторону БАС со взлетной массой более 30кг. БВС мультироторного типа в полете «опирается» только на несущие винты, что диктует высокие требования к эффективности винтомоторных групп (ВМГ). Этот показатель в зависимости от типа винта, нагруженности винта, места установки винта в компоновочном решении летательного аппарата и ряда других факторов в среднем меняется от 6 до 12 кгс/кВт. Возможны значения и 4 кгс/кВт для самых малых ВМГ и более 12 кгс/кВт при недогруженной ВМГ. При удельных мощностях ВМГ на единицу массы 1-2кВт/кг получается снимать в среднем 15кгс подъемной тяги на 1 кг массы ВМГ, таким образом, масса ВМГ от общей взлетной массы составляет порядка 7-10%. При удельных мощностях ВМГ (электрический мотор + винт) на единицу массы 1-2кВт/кг, если принять, что опорный источник энергии (силовая АКБ или двигатель на УВТ с топливом и сопутствующими компонентами) весит 50% взлетной массы, то для обеспечения возможности взлета удельная мощность такого источника должна быть не менее 0.2-0,25 кВт/кг, если же речь идет о массивной полезной нагрузке, то этот параметр возрастает еще в 2 раза, до 0.5кВт/кг. Анализ существующих аккумуляторных батарей показывает, что наибольшую популярность имеют LiPo аккумулятор ввиду их большой удельной мощности. Эти аккумуляторы без повреждений и значительного снижения ресурса могут быть разряжены токами до 20С – где С – емкость аккумулятора в Ач, Такие режимы соответствуют удельной мощности 3-7кВт/кг (несколько секунд может доходить до 12кВт/кг). Этот показатель с запасом перекрывает требования по удельной мощности опорного источника энергии для БВС мультироторного типа. К сожалению, высокие токи разрядки не позволяют добиться высоких показателей в энергоемкости и эта величина для аккумуляторов БВС мультироторного типа составляет 150-200Втч/кг, хотя лучшие образцы LiIon способны показать до 270 Втч/кг, но они имеют значительно более низкие токи разрядки и не предназначены для использования всей емкости в короткое время (несколько десятков минут – среднее время полета БВС мультироторного типа на АКБ). Использование углеводородного топлива на борту БВС диктует замедление развития характеристик АКБ, (значительно поднять удельную к массе энергоемкость элементов в ближайшей перспективе не видится возможным), в то же время энергоемкость бензина, керосина, дизельного топлива составляет примерно 12кВтч/кг, что более чем в 60 раз больше, чем у АКБ. Удельная энергоемкость напрямую влияет на продолжительность полета. Таким образом, при прочих равных, в пределе преимущество можно искать уже если тепловой КПД опорного источника энергии более 1,7%, а это даже паровой котел низкого давления обеспечивает, но нужно помнить о необходимой удельной мощности. Существующая удельная энергоемкость АКБ позволяет БВС мультироторного типа провисеть в воздухе 35-45 мин в идеальных условиях, но в реальных условиях, это значение 25-35мин. Неоспоримым преимуществом углеводородного топлива является скорость зарядки. Если для АКБ 80% это минимум 15мин, а 100% 40 мин., то для топлива это время на два порядка меньше. Анализ распределенной гибридной силовой установки последовательной схемы для БВС мультироторного типа показывает, что преимущество в длительности полета появляется при удельной мощности опорного источника энергии от 300Вт/кг при околонулевой полезной нагрузке и уже 590Вт/кг при полезной нагрузке 20% от взлетной массы. Таким образом, удельная мощность источника энергии напрямую влияет на грузоподъемность – массу полезной нагрузки БВС. Анализ показывает, что многие ДВС 4-х тактные не могут быть использованы в качестве опорного источника энергии на борту БВС мультироторного типа ввиду малой мощности к единице массы. На границе находятся ДВС 2-х тактные – на завышенных оборотах и с малым ресурсов они способны поднять в воздух БВС мультироторного типа. Например, по аналитическим оценкам ДВС объемом 63 см3 с удельной мощностью 0,43кВт/кг в схеме СУ последовательного гибрида позволяет поднять в воздух БВС мультироторного типа со взлетной массой 14кг, из которых масса полезной нагрузки 1,3 кг. Именно в такой конфигурации наступает паритет АКБ и данной модели ДВС по длительности полета. Если же ПН постепенно замещать дополнительной массой увеличивая ёмкость АКБ, то время полета увеличится только до 45 мин., максимум. Если же замещение происходит топливом, то время увеличивается уже до 105 мин., что более чем в 2.3 раза больше. Если же уходить от границы БВС с малыми массами полезных нагрузок, то лидерами оказываются турбовальные газотурбинные двигатели (ГТД) с генератором на свободной турбине. Например, ГТД с удельной мощностью 3,71 кВт/кг позволяет поднять в воздух БВС мультироторного типа массой 92 кг, при этом масса полезной нагрузки в этом случае достигает 34кг при паритете с сопоставимой по энергоемкости АКБ. И если эти 34 кг замещать дополнительными АКБ, то длительность полета увеличивается до 45мин, если же замещение проводить топливом, то длительность увеличивается до 134 мин., что в 3 раза больше, чем на АКБ. По результату анализа различных моделей двигателей можно оценить пограничную мощность СУ БВС мультироторного типа, ниже которой преимущество у АКБ, а выше у углеводородного топлива с двигателем для преобразования химической энергии топлива в электрическую энергию на борту БВС. Эта величина находится в границах 3-5кВт. Граница условная, оценена только для БВС мультироторного типа. Применение двигателей ниже этой мощности не целесообразно, из-за низкой топливной эффективности, низкой удельной мощности, низкого ресурса, малой допустимой массы ПН. Применение АКБ выше это мощности значительно ограничивает БВС по длительности полета, что становится явным недостатком с увеличением взлетной массы БВС. Например, ТВД PBS «T100» позволяет поднять в воздух БВС мультироторного типа со взлетной массой до 1300кг. Паритет с АКБ весом 180кг наступает на 11-ой минуте полета, при этом масса ПН 520кг. Если постепенно ПН заменять топливом, то, благодаря высокой топливной эффективности в 15,3 кВтч/кг у данного двигателя, продолжительность полета может увеличиться до 9 раз (45 мин. на АКБ против 400мин. на топливе). В связи с вышеуказанными выкладками цель проекта – создать БАС квадрокоптерного типа с гибридной силовой установкой в качестве источника питания. Общая взлетная масса БАС проектируется в районе 100 кг. Масса полезной нагрузки от 1 до 50 кг, в зависимости от массы загружаемого топлива.