ОБОСНОВАНИЕ ВЫБОРА ИСТОЧНИКА ПИТАНИЯ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

АННОТАЦИЯ

В данной работе проведена классификация военных БПЛА, изложены основные параметры и характеристики источников питания для беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрены достоинства и недостатки источников питания и их электрические характеристики. Предложен вариант применения аккумуляторной батареи.

Ключевые слова: классификация, источник питания, разработка, параметры, характеристики, БПЛА, полимерный, мощность, номинальное напряжение.

Беспилотные летательные аппараты в последние годы стали быстро развивающимся направлением авиационной техники. Их номенклатура и количество непрерывно растут. Это связано с использованием новых технологий в авиастроении, разработкой особо прочных конструкционных материалов, легких и экономичных двигателей, миниатюризацией бортового оборудования при повышении его технических характеристик, а также появлением глобальных систем навигации, связи и управления. Проектирование БПЛА в настоящее время является одним из наиболее перспективных научных направлений.

В данный период проведения ВСО происходит массовое применение БПЛА различных типов и назначения, имеющих малую радиолокационную заметность и выполняющих полеты во всем диапазоне высот (от предельно малых до больших). БПЛА военного назначения классифицируются по предназначению, глубине применения и строению планера. Классификация военных БПЛА приведена на рис. 1 [5].

Рисунок 1. Классификация военных БПЛА

Основная часть БПЛА оснащена электродвигателями и двигателями внутреннего сгорания. Дальность же полета беспилотного аппарата, оснащённого двигателями внутреннего сгорания, ограничена емкостью топливного бака, а оснащённых электрической силовой установкой, ограничивается еще дополнительно несколькими параметрами такими как вес силовой установки, и вес источника питания. И соответственно при увеличении объема топлива увеличивается общий вес летательного аппарата, что в свою очередь снижает дальность полета. При длительном полете БПЛА, АКБ не обеспечивают достаточную мощность для питания бортовых систем управления и приборов. В дополнение к этому, для подзарядки аккумуляторов необходимо дополнительное время и оборудование.

Электрические двигатели используются в конструкциях дронтов, обладающих максимальной взлётной массой менее 25 кг. Электрические двигатели мини БПЛА имеют следующе преимущества такие как снижение стоимости, устранение тепловой сигнатуры, уменьшение звукового следа, отсутствие выхлопных газов. И одной из важнейших задач является разработка (установка) новых источников энергии с большой энергоемкостью, меньшими габаритами и надежной работоспособностью.

Современные литий-полимерные батареи дают относительно небольшую удельную энергию, ограничивая срок нахождения аппарата в воздухе временем не более 60 минут.

Эффективность двигательной установки БПЛА во многом зависит от типа установки:

• аккумуляторный КПД более 70%,
• КПД топливного элемента — около 45%,
• КПД двигателя внутреннего сгорания — около 40%.

Соответственно, напрашивается вывод — использование только батарейных движителей. Именно поэтому более 95% современных конструкций БПЛА действуют на энергии батарей — литий-полимерных (Li-Po) или литий-ионных (Li-Ion).

Скорей всего, в ближайшем будущем станут доступны более совершенные виды батарей, с более высокой плотностью энергии таких как литий-тионил-хлоридных батареях (Li-SOCl2), обладающих вдвое большей удельной массой, чем Li-Po [4].

Эти конструкции остаются пока что крайне дорогостоящими, но с развитием технологий цены должны стать в ближайшем будущем ниже.

Проблема же увеличения длительности автономной работы БПЛА (использующих Li аккумуляторы) пока остается. Самым простым вариантом для увеличения среднего времени полета, является поиск более совершенного источника питания или разработки системы оперативной подзарядки аккумулятора. Более подробно остановимся на первом варианте поиск более совершенного источника питания.

Рассмотрим основные виды аккумуляторов [2]. Из приведенных в таблице 1 результатов, каждый тип батареи имеет свои преимущества и недостатки.

Анализ характеристик и параметров существующих источников питания, проводился с целью выбора и оценки источника питания для электрической силовой установкой.

Таблица 1.

Технические характеристики источников питания.

В настоящее время литий-ионные аккумуляторные батареи получили широкое распространение в мире. Они обладают лучшими показателями по сравнению с кислотными и щелочными батареями: энергетическая плотность в 1,5 – 2 раза выше, высокие нагрузочные характеристики, не требующие проведения контрольно-тренировочных циклов, высокое напряжение на элементе, малый саморазряд.

К преимуществам литий-ионных батарей можно отнести и хорошую экологическую безопасность по сравнению с аккумуляторами на основе свинца или кадмия. Аккумуляторы литий-ионного типа обладают большой плотностью энергии и поэтому при маленьком размере и легком весе обеспечивают в 2-4 раза большую емкость по сравнению со свинцово-кислотными аккумуляторами. Основным достоинством литий-ионных батарей является их высокая скорость полной 100% перезарядки в течение одного двух часов [2].

Современные литий-полимерные аккумуляторы обеспечивают удельные характеристики, сравнимые с характеристиками литий-ионных аккумуляторов. Благодаря отсутствию жидкого электролита они более безопасны в использовании, чем перезаряжаемые литиевые источники тока. Li-pol аккумуляторы компактны и могут быть выполнены в любой конфигурации. Их контейнер может быть выполнен из металлизированного полимера.

Рабочие плотности тока, однако, незначительны, и электрические характеристики Li-pol аккумуляторов заметно ухудшаются при понижении температуры из-за кристаллизации полимера. Учитывая, что уже реально показаны возможности создания литий-полимерных аккумуляторов в широком диапазоне емкостей, и тот факт, что при всех стандартных тестах на безопасность использования (перезаряд, форсированный разряд, короткое замыкание, вибрация, раздавливание и протыкание гвоздем) Li-pol аккумуляторы имеют существенно более высокие показатели по сравнению с литий-ионными аккумуляторами с жидким электролитом [4].

В сравнении с литий-ионные литий-полимерные аккумуляторы обладают большим преимуществами такими как:

• увеличение длительности полёта;
• удельная энергоёмкость до 280 Вт ⋅ ч/кг;
• безопасность в полёте;
• нет риска возгорания аккумулятора;
• малый вес аккумулятора (17 Ач/ 3,7 В/ 245 гр.));
• экологичность;
• стабильность работы при высоких нагрузках;
• токи разряда до 140A

Но есть и недостатки такие как:

• недопустим полный разряд;
• источник питания необходимо разряжать с определенной периодичностью до нуля;
• не рекомендуется перегревать;
• хранить при температуре 15⁰С - 20⁰С;
• на аккумулятор не должны попадать прямые лучи солнца;
• постоянный контроль температуры [3].

 Краткий список моделей литиевых (Li-Pol) аккумуляторов для беспилотных летательных аппаратов представлен в таблице 2.

Таблица 2.

Литиевые (Li-Pol) аккумуляторы для беспилотных летательных аппаратов

Друге два типа аккумуляторных батарей свинцово - кислотные и никель-металлогидридные пока рассматривать не будем в виду их малой эффективности в применении БПЛА из-за их большой массы и соответственно удельной энергоемкости.

Исходя из выше изложенных характеристик и параметров аккумуляторов, а также требований, предъявляемых к БПЛА, можно придти к выводу, что литий-ионные аккумуляторные батареи, можно рассматривать в первую очередь для использования в качестве источника питания для всех БПЛА.

Список литературы:

1. Commercial Batteries Power Unmanned Aerial Vehicles [Электронный ресурс] - URL:https://www.designworldonline.com/commercial-batteries-power-unmanned-aerial-vehicles.
2. Типы аккумуляторных батарей [Электронный ресурс] - URL:https://bestenergy.com.ua/support/battery/414-vidy-i-tipy-akkumulyatornykh-batarej-v-podrobnostyakh#battery-info-Lithium-ion.
3. Информационный сайт об аккумуляторах. [Электронный ресурс] - URL:https://akbzona.ru/ litievye/litij-polimernyj-akkumulyator.
4. Соболев В., Соколов М., Родин М. Литий-тионилхлоридные источники питания // Компоненты и технологии. - 2010. - № 7. - С. 124…126.
5. Информационный бюллетень «Противодействие БПЛА и «Джихад-мобилям» противника» / под ред. Ю-Б.Б.Евкурова - М. Министерство Обороны Российской Федерации. -2020. – 70 с.