ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЛИНИЙ ЭЛЕКТРОПЕРЕДАЧИ ДЛЯ БЕСПРОВОДНОЙ ЗАРЯДКИ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

АННОТАЦИЯ

Статья представляет обзор на теоретическое решение проблемы автономности БЛА (беспилотных летательных аппаратов), а именно дронов (квадрокоптеры, октокоптеры и т.д.). В ней рассматривается возможность использования потерь линий электропередач (ЛЭП) для подзарядки БЛА.

Ключевые слова: воздушные линии электропередач, беспилотные летательные аппараты, электромагнитная индукция.

Беспилотные летательные аппараты (БЛА) приобрели весьма широкое распространение в связи с новыми разработками в этой области и активно применяются в настоящее время как в военной, так и в гражданской сферах, благодаря своей высокой эффективности и многофункциональности [1]. Однако, наряду с прогрессом в области беспилотных технологий, их удешевлением и повышением КПД предоставляемых на современном рынке моделей, возникают и новые вызовы. Одной из наиболее острых проблем, стоящих перед разработчиками БЛА, является проблема, связанная с низкой ёмкостью аккумуляторов, использующихся в современных моделях дронов [2]. Несмотря на значительные достижения в области батарейных технологий, емкость и длительность работы аккумуляторов остаются ограниченными факторами, существенно снижающими эффективность и дальность полетов беспилотных аппаратов. При этом более мощные варианты аккумуляторов не подходят ввиду различных параметров, например, таких, как вес и размер, не позволяющие добиться необходимой компактности и снижающих полезную нагрузку летательного аппарата. В данной статье рассматривается решение проблемы, связанной с аккумуляторами в контексте развития БЛА, а также предложим возможное решения данной проблемы.

Несмотря на наличие у беспилотных летательных аппаратов широкого спектра предоставляемых возможностей и функциональности, они имеют существенный недостаток – малая ёмкость аккумулятора, устанавливаемого на используемые в настоящее время модели [3]. Максимальное время полета на полностью заряженном аккумуляторе у квадрокоптера составляет около 20-25 минут, в зависимости от модели. При этом следует учитывать, что часть этого времени должна быть потрачена на возвращение на базу или к оператору для подзарядки, иначе дрон приходиться возвращать вручную, отправляя за ним человека или другую технику. Мы предлагаем обойти эту проблему за счет использования электромагнитной индукции [4].

Принцип электромагнитной индукции Фарадея – это фундаментальный закон в физике, сформулированный Майклом Фарадеем в 1831 году. Основная идея заключается в том, что при изменении магнитного потока через проводник в результате движения магнита или изменения магнитного поля внутри катушки происходит возникновение электрической ЭДС (электродвижущей силы) в этом проводнике.

Электромагнитные волны от линий электропередач, в зависимости от их напряжения, могут распространятся на сотни метров. Однако важно понимать, что такой способ зарядки может сжечь заряжаемое устройство при неаккуратном позиционировании.

Для того чтобы вычислить силу электромагнитного поля (ЭМП) на расстоянии от проводов ЛЭП (линии электропередачи), необходимо знать параметры ЛЭП, такие как сила тока, протекающего через провода, и расположение проводов. Без этих данных невозможно точно определить силу электромагнитного поля на расстоянии 5 метров от проводов. Однако, можно вычислить магнитное поле, создаваемое током, используя формулу Био-Савара-Лапласа:

Где:

B - магнитное поле в точке, где находится наблюдатель (на расстоянии (r_0) от провода).

μ_0-магнитная постоянная.

r - расстояние от дифференциального элемента провода до точки наблюдения.

j- плотность тока в пространстве.

Эта формула используется для вычисления магнитного поля вблизи проводов ЛЭП. Однако, для определения электрического поля и, соответственно, силы электромагнитного поля, необходима дополнительная информация о конфигурации системы и параметрах окружающей среды.

Итак, для того, чтобы использовать ЛЭП для зарядки беспилотных аппаратов можно использовать тот же принцип, который применяется в беспроводных зарядных устройствах для телефонов. Необходимы для этого:

1. Воздушные линии электропередач переменного тока (ВЛ).
2. Катушка на дроне, способная принимать электромагнитные поля, создаваемые при потерях ВЛ.
3. Преобразователь постоянного тока (ППТ).

Изменяющееся магнитное поле создает в помещенном в него проводнике электрический ток. В дрон помещается катушка, при пролёте которой вблизи линии электропередач начинает течь переменный ток. Остается только преобразовать его в постоянный и подать на аккумулятор.

Многие недостатки беспроводной зарядки возникают именно из-за особенностей электромагнитной индукции:

1. В связи с большим расстоянием до заряжаемого устройства, напряженность магнитного поля достаточно сильно падает, также возможны помехи.

2. Магнитная индукция способна возникнуть в любом проводнике, поэтому металлические детали подвержены этому явлению не меньше катушки и могут сильно нагреться или выйти из строя. Для телефонов существует ряд решений этой проблемы, но они работают с переменным успехом.

3. КПД подобного способа зарядки невысок, и составляет ~75% в теоретических выкладках, реальные замеры для телефонов показывают более низкие результаты.

Список литературы:

1. Ковалёв М.А., Овакимян Д.Н. Беспилотные летательные аппараты вертикального взлёта: сборка, настройка и программирование [Электронный ресурс] / Ставропольский государственный аграрный университет. – Ставрополь, 2023. – 256 с. – Режим доступа: https://repo.ssau.ru/bitstream/Uchebnye-izdaniya/Bespilotnye-letatelnye-apparaty-vertikalnogo-vzleta-sborka-nastroika-i-programmirovanie-107946/1/978-5-7883-2025-0_2023.pdf?ysclid=mbjs8iaygv807900009 (дата обращения: 27.04.2024).
2. Фетисов В. С., Неугодникова Л. М. Беспилотные авиационные системы: терминология, классификация, структура [Электронный ресурс] / Издательство Лань. – Москва, 2023. – Режим доступа: https://www.litres.ru/book/vladimir-stanislavov/bespilotnye-aviacionnye-sistemy-terminologiya-klassif-71045137/ (дата обращения: 05.06.2025).
3. Яценко В. С. Твой первый квадрокоптер: теория и практика [Электронный ресурс] / Издательство ЛитРес. – 2022. – Режим доступа: https://www.litres.ru/book/valeriy-stanislavovich-yacenko/tvoy-pervyy-kvadrokopter-teoriya-i-praktika-19236249/ (дата обращения: 27.04.2024).
4. Осташев В. Б. Электромагнетизм II [Электронный ресурс] / В. Б. Осташев. – Санкт-Петербург, 2023. – Режим доступа: http://ostashevvb.spb.ru/Download/[05]%20%D0%AD%D0%BB%D0%B5%D0%BA%D1%82%D1%80%D0%BE%D0%BC%D0%B0%D0%B3%D0%BD%D0%B5%D1%82%D0%B8%D0%B7%D0%BC%20II.pdf (дата обращения: 05.06.2025).