УСТРОЙСТВО ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ И ДАЛЬНОСТИ ПОЛЕТА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Полезная модель относится к области авиационной техники, а именно к беспилотным летательным аппаратам (БЛА) и комплексам авианаблюдения для дистанционного видео- и фотозондирования поверхности Земли, мониторинга техногенных и природных объектов, ретрансляции радио- и оптических сигналов, скрытного наблюдения и при бесконтактном отборе мощности от воздушных линий электропередач высокого напряжения (ВЛ) и может быть использована как устройство вторичного электропитания, а также для подзарядки аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов.
В настоящее время конструкторскими бюро и предприятиями промышленности разрабатывается и выпускается большое количество БЛА разнообразных типов и классов, например, построенных по самолетной схеме, по вертолетной схеме или, в частности, многороторных мультикоптеров различного назначения. Преимуществом обладают конструкции БЛА, позволяющие обеспечить достаточные для решения задач применения грузоподъемность, безопасность и продолжительность полета.
Укажем, что подавляющее большинство (более 95%) малогабаритных БЛА коммерческого назначения в качестве источника питания используют аккумуляторные батареи, обладающие высокой плотностью энергии на килограмм массы, например, литий-полимерные (Li-Po), литий-ионные (Li-Ion), литий-оксидные (Li-Air), литий-серные (Li-S) и др. Однако простое добавление аккумуляторных батарей в конструкцию БЛА не приведет к увеличению дальности и времени полета и полезной грузоподъемности.
3
2
Для достижения более высокой полезной грузоподъемности и более продолжительного времени полета также необходимо у бортового источника энергии учитывать удельную энергию - то есть, количество мощности [Вт·ч] на единицу массы [кг] и количество мощности [Вт·ч] на единицу объема [дм]. Поэтому приведение указанной задачи только к бортовому источнику энергии будет неправомерным, так как вся система (бортовой источник энергии и двигательный комплекс) влияет на летные характеристики БЛА. Бортовой источник с высокой плотностью энергии (например, различные виды жидкого топлива - этанол, керосин и др. или водород (Н), солнечные элементы, СВЧ и лазерная зарядка) не даст преимуществ в увеличении продолжительности полета, если при этом двигательный комплекс БЛА (например, топливные элементы, двигатели внутреннего сгорания различного типа) имеют значительные массогабаритные характеристики. При этом коэффициенты эффективности двигательных комплексов БЛА также различаются весьма значительно - аккумуляторные батареи и бортовой электродвигатель в среднем преобразуют порядка 70% энергии в движение БЛА, топливные элементы обеспечивают не более 40…44%, а двигатели внутреннего сгорания различных типов в среднем 35…39%. Поэтому следующим важным фактором, влияющим на выбор бортового источника энергии, является цель полета. Поясним, что имеющиеся на сегодняшний день разнообразные источники энергии БЛА и их гибридное использование имеют свои индивидуальные преимущества, выбираемые потребителем для эффективного выполнения цели полета.
Известен комплекс авианаблюдения [см. патент РФ №2015067, 1994 г.], содержащий БЛА с автономным электроприводом, передвижной контейнер и систему дистанционного управления. БЛА выполнены в виде вертикально взлетающих платформ с четырьмя жестко закрепленными двигателями с воздушными винтами и снабжены системой автоматической посадки.
Недостатком описанного выше комплекса авианаблюдения является недостаточная устойчивость аппарата в режиме "висение" и высокие массогабаритные показатели, определяющие низкие грузоподъемность и продолжительность полета.
Известен беспилотный летательный аппарат, включающий в себя центральную платформу, на концах осей, вторые концы которых жестко закреплены на ней и ориентированы относительно ее центра, жестко закреплены электродвигатели с воздушными винтами с контролируемой частотой вращения. Диаметрально расположенные двигатели имеют встречное направление вращения. Электродвигатели связаны с аккумуляторной батареей и маршрутной вычислительной системой, мобильным пультом управления и контроля, системой видеонаблюдения и приемником GPS-навигации [см. патент РФ №2518440 от 2012 г.].
Недостатком данного устройства является то, что чисто механическое увеличение количества винтомоторных групп, требует пропорционального увеличения емкости аккумуляторных батарей, что приводит к пропорциональному увеличению их массы и в результате продолжительность и дальность полета могут в конечном результате и не увеличиться, а также недостатком данного устройства является и то, что повышение грузоподъемности приводит к уменьшению продолжительности полета, либо наоборот.
Известен способ бесконтактного отбора мощности от трехфазной линии передачи высокого напряжения [см. патент РФ №2476967 от 2013 г.]. Устройство содержит одноцепные опоры каждая с поперечной траверсой, на которых через высоковольтные изоляторы подвешены фазные провода трехфазной линии, первичный преобразователь с выходными зажимами, которые присоединены к входным зажимам преобразователя-регулятора напряжения, к выходным зажимам которого подключена нагрузка, при этом первичный преобразователь выполнен в виде плоской металлической сетки, лежащей на земле, с которой осуществляется отбор мощности.
Недостатком данного способа является стационарное исполнение и значительная масса конструкции устройства.
Из уровня техники известен малоразмерный беспилотный летательный аппарат для диагностики высоковольтных электроустановок [см. патент РФ №149070 от 2014 г.]. Беспилотный летательный аппарат (БЛА) для диагностики высоковольтных электроустановок содержит портативный компьютер, систему автоматического пилотирования БЛА и измерительную аппаратуру, при этом система автоматического пилотирования БЛА содержит устройство автоматического пилотирования, блок навигации и датчики измерения напряженности магнитного поля, причем портативный компьютер соединен с устройством автоматического пилотирования, блоком навигации, датчиками измерения напряженности магнитного поля, измерительной аппаратурой, а также с удаленным устройством радиоуправления. БЛА дополнительно содержит вращающиеся элементы, систему магнитных антенн, аккумуляторную батарею и подзаряжающее устройство, при этом подзаряжающее устройство содержит последовательно соединенные накопитель электроэнергии и систему снабжения БЛА электроэнергией, которая соединена с портативным компьютером и аккумуляторной батареей, а система магнитных антенн встроена во вращающиеся элементы и соединена гальванической связью с накопителем электроэнергии и магнитной связью с высоковольтной электроустановкой.
Недостатком устройства является малая габаритная мощность антенн, установленных на вращающихся элементах БЛА, также недостатком является способ регулирования отбираемой мощности путем изменения расстояния от БЛА до линии электропередач. Размещение магнитных антенн во вращающихся элементах БЛА увеличивает их момент инерции и повышает расход энергии на поддержание полета.
Известен малоразмерный беспилотный летательный аппарат для диагностики высоковольтных электроустановок [см. патент РФ №149071 от 2014 г.]. Беспилотный летательный аппарат (БЛА) для диагностики высоковольтных электроустановок содержит портативный компьютер, систему автоматического пилотирования БЛА и измерительную аппаратуру, при этом система автоматического пилотирования БЛА содержит устройство автоматического пилотирования, блок навигации и датчики измерения напряженности электрического поля, причем портативный компьютер соединен с устройством автоматического пилотирования, блоком навигации, датчиками измерения напряженности электрического поля, измерительной аппаратурой, а также с удаленным устройством радиоуправления. БЛА дополнительно содержит систему электрических антенн, аккумуляторную батарею и подзаряжающее устройство, при этом подзаряжающее устройство содержит последовательно соединенные накопитель электроэнергии и систему снабжения БЛА электроэнергией, которая соединена с портативным компьютером и аккумуляторной батареей, а система электрических антенн соединена гальванической связью с накопителем электроэнергии и электрической связью с высоковольтной ЛЭП.
Недостатком устройства является малая габаритная мощность антенн, установленных на законцовках крыльев или на вращающихся элементах БЛА и способ регулирования отбираемой мощности путем изменения расстояния от БЛА до линии электропередач. Размещение магнитных антенн во вращающихся элементах БЛА увеличивает их момент инерции и повышает расход энергии на поддержание полета.
Наиболее близким аналогом к заявляемому устройству и принятым за прототип, является устройство бесконтактного отбора мощности от линий электропередач высокого напряжения на летательном аппарате [см. патент РФ №165295 от 2015 г.]. Устройство содержит систему антенн, преобразователь, устройство управления и накопитель электроэнергии. Система антенн выполнена в виде стационарной рамочной антенны, закрепленной на корпусе летательного аппарата и регулирующей рамочной антенны. Корпус летательного аппарата представляет собой каркас стационарной рамочной антенны. Регулирующая рамочная антенна закреплена на корпусе летательного аппарата посредством карданового подвеса с возможностью ее пространственной ориентации относительно стационарной рамочной антенны. Кардановый подвес регулировочной рамочной антенны выполнен в виде трех рамок, соединенных приводами управления.
Недостатком устройства является его значительные массогабаритные характеристики и сложность, обусловленные, в том числе применением трехстепенного карданова подвеса с приводами управления для установки регулировочной рамочной антенны на БЛА.
Технической задачей предлагаемого устройства является создание устройства для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА специального устройства отбора мощности малых массогабаритных характеристик от ВЛ во время полета БЛА.
Технический результат заявленной полезной модели заключается в увеличении продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА специального устройства отбора мощности от ВЛ во время полета БЛА малых массогабаритных характеристик.
Заявленный технический результат, а именно увеличение продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата путем использования на борту БЛА специального устройства отбора мощности малых массогабаритных характеристик во время полета БЛА, достигается за счет того, что в устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата, содержащее устройство управления и накопитель электроэнергии, дополнительно введены устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач и приемник потребителя электрической энергии, при этом выход устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач соединен с входом приемника потребителя электрической энергии, состоящим из многослойной плоской разомкнутой обмотки, соответственно последовательно соединенной, счетчика потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемого выпрямителя, модуля плавного подключения нагрузки, регулируемого преобразователя напряжения и дополнительного аккумулятора, а выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен с счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем, выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки, выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения, к выходу которого подключен аккумулятор, причем многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на верхней и нижней частях консолей крыла и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла и внутри консолей крыла по их продольной оси для увеличения индуктивности установлены изолированные пластины плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава.
В качестве БЛА авторы рассматривают беспилотный летательный аппарат, конструкция которого основана на самолетной схеме.
Заявленное техническое решение поясняется чертежами. Детали, признаки, а также преимущества настоящей полезной модели следуют из нижеследующего описания вариантов реализации заявленного устройства с использованием чертежей, на которых показано:
фиг. 1 - блок-схема заявляемого устройства; фиг.2 - форма изолированных пластин плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава, установленных внутри консолей крыла по их продольной оси для увеличения индуктивности.
На фиг. 1 цифрами обозначены следующие позиции:
1 - устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач; 2 - приемник потребителя электрической энергии; 3 - многослойная плоская разомкнутая соответственно последовательно соединенная обмотка; 4 - счетчик потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемый выпрямитель; 5 - модуль плавного включения нагрузки; 6 - регулируемый преобразователь напряжения; 7 - аккумулятор (накопитель электроэнергии).
Устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата содержит установленные на БЛА устройство обнаружения высоковольтных линий электропередач (1) и приемник потребителя электрической энергии (2), при этом выход устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач (1) соединен с входом приемника потребителя электрической энергии (2), состоящим из многослойной плоской разомкнутой обмотки (3), соответственно последовательно соединенной, счетчика потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемого выпрямителя (4), модуля плавного подключения нагрузки (5), регулируемого преобразователя напряжения (6) и дополнительного аккумулятора (7), а выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен с счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем (4), выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки (5), выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения (6), к выходу которого подключен аккумулятор (7), причем многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на верхней и нижней частях консолей крыла и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла и внутри консолей крыла по их продольной оси для увеличения индуктивности установлены изолированные пластины плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава.
Устройство для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата функционирует следующим образом. Перед стартом БЛА в его устройство управления вводятся данные о местонахождении и характеристиках высоковольтных ЛЭП, располагающихся в зоне выполнения полета. При снижении заряда аккумуляторных батарей БЛА во время полета до определенного уровня БЛА выполняет полет к ближайшей ВЛ. По сигналам устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач (1), установленного на его борту, БЛА обнаруживает ВЛ и затем совершает многократный пролет на высоте ближайшего к нему провода ВЛ на расстоянии 5…10 (м) от него параллельно ему на расстояние, например, 600…800 (м) и обратно, выполняя при этом подзарядку аккумуляторных батарей.
При этом в качестве устройства обнаружения высоковольтных линий электропередач (1) может быть использована, например, разработка авторов [см. патент (ПМ) РФ №150934, 2014 г. Устройство для предупреждения столкновения вертолета с высоковольтными линиями электропередач].
В электромагнитном поле воздушной линии электропередач высокого напряжения приемник потребителя электрической энергии (2), состоящий из многослойной плоской разомкнутой обмотки (3), соответственно последовательно соединенной, является разомкнутым проводником, напряжение на концах которого равно ЭДС взаимоиндукции. При этом - поскольку многослойная плоская разомкнутая последовательно соединенная обмотка размещена на верхней и нижней частях консолей крыла БЛА и выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, а форма обмотки представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла и внутри консолей крыла по их продольной оси для увеличения индуктивности установлены изолированные пластины плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава, то это повышает эффективность преобразования бесконтактного отбора электрической энергии ЛЭП для зарядки аккумуляторных батарей БЛА.
При этом выход многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки соединен с счетчиком потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемым выпрямителем (4), выход которого соединен с модулем плавного включения нагрузки (5), выход которого подключен к регулируемому преобразователю напряжения (6), к выходу которого подключен аккумулятор (7).
В работах авторов [В.K. Sivyakov, А.А. Skripkin, D.B. Sivyakov. Detection of the Air High-Voltage Power Lines by Electric and Magnetic Fields of the Industrial Frequency. "Russian Aeronautics", №3, 2015, Allerton Press, USA;
B.K. Sivyakov, A.A. Skripkin, A.A., D.B. Sivyakov. Magnetic and Electric Fields of High Voltage Air Power Lines of Industrial Frequency.
Advanced Engineering Forum, ISSN: 2234-99IX, Vol.36, pp.23-27; doi:10.4028/www.scientific.net/AEF.36.23; © 2020 Trans Tech Publications Ltd, Switzerland; Скрипкин Α.Α., Аврясова О.С, Емельянов С.Д. Магнитное поле высоковольтной воздушной линии электропередач на большом расстоянии от линии. // Техническая электродинамика и электроника: Сб. научн. тр. - Саратов, СГТУ, 2013. - с. 32-36; Сивяков Б.К., Скрипкин А.А. Аврясова О.С. Анализ возможности обнаружения воздушных высоковольтных линий электропередач по создаваемому магнитному полю. Сб. научн. тр. - Саратов, СГТУ, 2013. - с. 41-45 и др.] приведены полученные величины индукции магнитных полей разнообразных типов ЛЭП на различных расстояниях от них. В зависимости от величины напряжений, текущей нагрузки и тока в ВЛ - (110 kV, 220 kV, 500 kV) на расстояниях 5…10 (м) до ВЛ величина индукции магнитного поля составляет примерно В=(600…9000) nTl.
При выполнении плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки многослойной, которая размещена на верхней и нижней частях консолей крыла БЛА; она выполнена тонкопленочной путем напыления слоя токопроводящего материала, например, меди, графена и т.д., толщиной 3…5 (мкм) на прочную изолирующую пленку, например, из полиэтилена высокого давления, толщиной 15…20 (мкм). При этом количество слоев обмоток может достигать нескольких десятков, например, 80…120 и т.д.
Внутри консолей крыла БЛА по их продольной оси для увеличения индуктивности установлены изолированные пластины плоской магнитной системы из аэрогеля (пенометалла) на основе железо-никелевого сплава, обладающего высокой магнитной проницаемостью и одновременно малой плотностью и массой.
2
Они выполняют функцию сердечника с высокой магнитной проницаемостью (величина относительной магнитной проницаемости железа (Fe) μ=5800; при этом в случае 99.95% чистого железа (Fe), отожженного в водороде (Н), величина магнитной проницаемости достигает μ=200000), что в итоге многократно увеличивает индуктивность многослойной разомкнутой тонкопленочной обмотки, размещенной на консолях крыла БЛА.
3
Поясним, что структура, состоящая из никеля, железа, алюминия, цинка, бронзы, латуни, их сплавов и др. и содержащая большое количество наполненных газом пор - называется пенометалл (металлическая пена). Как правило, примерно 75…95% ее объема составляют пустоты. Материал обладает уникально малым весом - некоторые виды пенометаллов настолько легки, обладают плотностью менее 1 (г/см), что плавают на поверхности воды. При этом прочность такой пены в несколько раз превышает прочность традиционного металла.
2
3
Пенометаллы имеют также следующие термофизические и механические свойства: очень низкая масса (плотность 5…25% от плотности твердых макрочастиц, в зависимости от способа производства); большая поверхность обмена (250…10000 м/м); относительно высокая проницаемость; относительно высокая эффективная теплопроводность (5…30 Вт/(м⋅K); высокая устойчивость к резким перепадам температур, высоким давлениям, высоким температурам, влаге, износу и термоциклированию; хорошая амортизация механических воздействий и шумопоглощающие свойства и др., при этом как размер пор, так и пористость можно варьировать при их производстве. Например, металлическая пена на основе никеля - пеноникель, а также никеля-железа, разрабатываемая, в частности, российской компанией "Новомет-Пермь", обладает экстремально высокой сообщающейся пористостью, достигающей 96% и другими экстраординарными свойствами. Пенометалл - металлическую пену с открытыми ячейками также называют металлической губкой.
3
Кроме того, применяемый технологический процесс Alporas Shinko Wire Co. Ltd. (Осака, Япония) позволяет получать блоки аэрогеля -пенометалла с пористостью 89…93%, при этом его плотность составляет 0,069…0,54 (г/см). Литые блоки имеют размеры 450×2050×650 (мм) и весят примерно 160 (кг). Далее полученные литые блоки разрезают на листы требуемой толщины и механически обрабатывают до придания им необходимых размеров.
Известно, что в обмотке при действии переменного магнитного поля возникает ЭДС взаимоиндукции, определяемая по соотношению:
e=-dψ/dt; где: ψ - потокосцепление переменного магнитного поля с витками обмотки.
БЛА обнаруживает ВЛ и затем совершает многократный пролет на высоте ближайшего к нему провода ВЛ на расстоянии 5…10 (м) от него параллельно ему на расстояние, например, 600…800 (м) и обратно, выполняя при этом подзарядку аккумуляторных батарей.
Форма многослойной плоской разомкнутой последовательно соединенной обмотки, которая размещена на верхней и нижней частях консолей крыла БЛА, представляет собой спиральную кривую, полностью заполняющую поверхность консолей крыла. Исходя из реальных геометрических размеров консолей крыла БЛА и величины напыленного слоя токопроводящего материала, например, меди, графена и т.д., шириной 2…4 (мкм), длина  напыленного проводника одного слоя обмотки может составлять несколько сотен метров, что при средней скорости пролета БЛА, достигающей 20…30 (м/сек), на высоте 5…10 (м) над ЛЭП параллельно ей на расстояние, например, 600…800 (м) и обратно, для осуществления зарядки аккумуляторных батарей БЛА позволяет получить с выхода обмотки в среднем напряжение 6…12 V для дополнительной зарядки аккумуляторных батарей БЛА, обеспечивающее увеличение продолжительности и дальности полета БЛА.
Счетчик потребляемой от высоковольтной линии электроэнергии и неуправляемый выпрямитель (4) является известным устройством и может быть реализован, например, на основе микросхем CC/CV-контроллеров компании STMicroelectronics, (Switzerland), в частности, микросхемах серии TSM101x и с помощью диодного моста DO-214AB на диодах с барьером Шоттки.
Модуль плавного подключения нагрузки (5) является известным устройством, реализуется, как правило, на полевом транзисторе, в качестве него может быть использован, например, модуль RP273M.
Регулируемый преобразователь напряжения (6) предназначен для понижения/повышения постоянного напряжения, является известным устройством, в качестве которого может быть использован модуль XL6009.
В качестве аккумуляторных батарей (7) - накопителей энергии, обладающих высокой плотностью энергии на килограмм массы, могут быть использованы, например, литий-полимерные (Li-Po), литий-ионные (Li-Ion), литий-оксидные (Li-Air), литий-серные (Li-S) аккумуляторы и др.
Проведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественным всем признакам заявленной беспроводной зарядной системы, отсутствуют, поэтому полезная модель соответствует условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипов признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявленного изобретения на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию патентоспособности "изобретательский уровень".