УСТРОЙСТВО ПОДЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
UAV BATTERY CHARGER

Изобретение относится к области электротехники и авиационной техники, и может быть использовано для подзарядки аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов (БЛА) в процессе полета.
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.
Известна система подзарядки аккумулятора электрического беспилотного летательного аппарата (см. патент РФ №2523420 по кл. МПК H02J 7/00, опубл. 20.07.2014 г.), содержащая зарядную станцию, на которой расположена матрица плоских дежурных электродов, электрически связанных с соответствующими анализаторами-коммутаторами, источник питания, плюсовой и минусовой выводы которого соединены с соответствующими выводами анализаторов-коммутаторов, а также навигационный маяк. На борту БЛА находятся: навигационное устройство, аккумулятор, положительный и отрицательный выводы которого электрически соединены с бортовыми электродами. БЛА выполнены в виде вертикально взлетающих платформ с четырьмя жестко закрепленными двигателями с воздушными винтами и снабжены системой автоматической посадки.
Недостатком описанной выше системы является недостаточная устойчивость аппарата в режиме «висения» и высокие массогабаритные показатели, определяющие низкие грузоподъемность и продолжительность полета.
Известна также система подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (см. патент РФ №2657866 по кл. МПК H02J 7/00, опубл. 18.06.2018 г.), содержащая бортовые электроды, навигационное устройство и зарядную станцию, которая расположена на горизонтальной площадке и содержит навигационный маяк и матрицу с электродами, источник питания, при этом источник питания для подзарядки аккумулятора БЛА выполнен в виде блока электролитических конденсаторов или ионисторов, выходящие клеммы которого подсоединены к электродам матрицы, кроме этого, в электрической схеме питания предусмотрено устройство контроля зарядки аккумулятора.
Недостатком устройства является его стационарность, то есть, увеличение продолжительности и дальности полета БЛА будет зависеть от наличия такой системы в зоне выполнения полетов БЛА, что не всегда реализуемо.
Наиболее близким к заявляемому устройству и принятым за прототип, является устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (патент РФ №212660 по кл. МПК B60L 53/20, опуб. 02.08.2022 г.); содержащее источник питания в виде ионистора и бортовые электроды, а также блок моноэлектрета, имеющего положительный заряд, блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, пороговое устройство и ионистор с блоком управления, при этом вход блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, соединен с кромкой крыла беспилотного летательного аппарата, а выход блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд и выход блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, соединены с входом порогового устройства, выход которого соединен с входом ионистора с блоком управления.
Недостатком устройства является ограниченное время его использования на борту БЛА, обусловленное начальной величиной положительного заряда моноэлектрета, полученного при старте БЛА из-за постоянного уменьшения его заряда в полете при подзарядке аккумуляторных батарей БЛА и невозможности его увеличения в условиях полета для требуемой подзарядки, что ограничивает как время полета БЛА, так и его дальность действия.
Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка устройства подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата, позволяющего увеличить режим эксплуатации без отклонения от маршрута следования и принудительной дополнительной зарядки моноэлектрета на станции.
Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение продолжительности и дальности полета БЛА.
Для достижения технического результата устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата, содержащее пороговое устройство, источник питания в виде ионистора и бортовые электроды, выполненные в виде двух блоков моноэлектрета, один из которых имеет положительный заряд, а второй отрицательный заряд, блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, снабжен выходом для подключения к крылу беспилотного летательного аппарата, блоки моноэлектретов соединены со входом порогового устройства, выход которого соединен со входом ионистора, содержащим блок управления, согласно изобретению, дополнительно содержит размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, на поверхности листа обшивки расположен слой оксида алюминия толщиной 20-50 мкм, обработанного парами цезия с толщиной не менее 1 мкм, при этом блоки моноэлектретов расположены внутри крыла самолета.
В качестве БЛА авторы рассматривают беспилотный летательный аппарат, конструкция которого основана на самолетной схеме, в котором в качестве двигателя использован электрический двигатель, например, бесколлекторного типа и аккумуляторные батареи (АКБ) - накопитель энергии.
Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами где представлено.
на фиг. 1 конструкция заявляемого устройства;
на фиг. 2 типовая схема совместного использования ионистора с блоком управления с аккумуляторной батареей БЛА.
На фиг. 1 цифрами обозначены следующие позиции:
1 - консоль крыла,
2 - блок моноэлектрета, имеющего положительный заряд,
3 - блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд,
4 - пороговое устройство,
5 - ионистор с блоком управления,
6 - лист обшивки, электрически изолированный от остальных элементов конструкции,
2
3
2
7 - тонкий слой (20-50 мкм) оксида алюминия (AlO), обработанного парами цезия (CsO) с толщиной порядка 1 (мкм),
8 - вход блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд,
9 - вход блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд.
На фиг. 2 приведена одна из типовых схем включения ионистора - суперконденсатора (для совместного использования, в том числе, подзарядки во время полета) с аккумуляторной батареей БЛА.
На фиг. 2 обозначено:
U подключение к основному источнику питания АКБ БЛА;
диод VD1 предотвращающий утечку заряда ионистора при отсутствии напряжения питания; резистор R1 для ограничения тока зарядки ионистора и исключения перегрузки основного источника питания во время включения напряжения;
С1 - резервный источник питания на базе ионистора;
Rn - сопротивление нагрузки.
Устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата содержит установленные в крыле самолета два блока моноэлектретов: блок моноэлектрета, имеющего положительный заряд 2 и блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3. Устройство содержит пороговое устройство 4, ионистор 5 с блоком управления, лист обшивки 6, электрически изолированный от остальных элементов конструкции, размещенный на консоли 1 крыла БЛА. Вход 9 блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3, соединен с кромкой крыла беспилотного летательного аппарата, а вход 8 блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд 2, соединен со специальным электрически изолированным от остальных элементов конструкции листом обшивки 6, размещенным на консоли крыла 1. Выходы блоков моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3 и положительный заряд 2, соединены с входом порогового устройства 4, выход которого соединен с входом ионистора с блоком управления 5.
Устройство работает следующим образом.
Заряд статического электричества, накапливающийся на БЛА, пропорционален величине аэродинамического сопротивления, то есть, в первую очередь, площади аэродинамического лобового сопротивления конструкции, скорости полета и плотности воздуха, зависящей от высоты полета. Во время полета БЛА за счет трения о воздух постоянно наблюдается трибоэлектрический эффект - набор электростатического заряда у аэродинамических элементов конструкции, в первую очередь - кромки крыла. При этом накапливается отрицательный заряд величиной в среднем 200…300 мкКл, повышающий электростатический потенциал до 200…300 kV, а электрическая емкость может достигать значений около 1nF. При полете аэродинамические элементы конструкции БЛА "выбивают" электроны из набегающего потока воздуха - из молекул составляющих его газов. Образовавшийся из-за трибоэлектрического эффекта отрицательный или положительный заряд протекает по внешнему лакокрасочному покрытию и пластику, увеличивая напряжение и способен вызвать пробой изоляционного покрытия до металла, лежащего под ним или перетечь на металлические крепежные детали или конструкции и стать частью заряда своеобразного "конденсатора", которым и является БЛА. Захваченные электроны отталкиваются друг от друга и накапливаются на оконечностях консолей крыла и рулевых поверхностей БЛА. При этом если не использовать накопленный захваченный заряд, величина статического напряжения повышается до уровня короны, т.е. коронного разряда. В зависимости от скорости и высоты полета при достижении величины статического напряжения порядка 12 kV окружающий воздух начинает ионизироваться и затем происходит разряд конденсатора, которым является корпус БЛА. После этого электростатический потенциал падает, и подобный цикл начинается и вновь повторяется во время полета.
При снижении заряда аккумуляторных батарей БЛА во время полета до определенного уровня с помощью порогового устройства 4 осуществляется дополнительная подзарядка суперконденсатора - ионистора с блоком управления 5, который затем периодически подключается к аккумуляторным батареям БЛА (U), повышая заряд АКБ БЛА, увеличивая тем самым продолжительность и дальность полета БЛА.
Отметим, что время набора электростатического потенциала большой величины (сотни мкКл) у летательных аппаратов и БЛА различных типов достаточно небольшое; так, например, у вертолета, источником образования статического заряда у которого является двигатель и воздушный винт, в режиме зависания на малой высоте над землей на высоте 18…20 м максимальный электростатический потенциал набирается в среднем за 25…27 сек [Двигательная электризация летательных аппаратов как источник радиопомех / А.А. Варфоломеев, М.Е. Гущин, С.В. Коробков [и др.] // Письма в Журнал технической физики. - 2015. - Т. 41. - №1. - с. 28-35.].
Для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата на консолях крыла размещен специальный электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки 6, на котором во время полета БЛА образуется положительный электростатический заряд. По своей геометрической форме лист обшивки 6 соответствует типовому листу обшивки на консоли крыла БЛА - для сохранения прежних аэродинамических параметров крыла.
2
3
2
Специальный электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки 6, на котором во время полета БЛА образуется положительный электростатический заряд, может быть выполнен из аналогичного алюминиевого сплава, из которого выполнены другие листы обшивки БЛА, на поверхность которого нанесен тонкий слой (20…50 мкм) оксида алюминия (AlO), обработанного парами цезия (CsO) с толщиной порядка 1 (мкм). Поскольку во время полета БЛА за счет трения о воздух постоянно наблюдается трибоэлектрический эффект - набор электростатического заряда у аэродинамических элементов конструкции, в первую очередь - кромки крыла, то также и за счет эмиссии диэлектрического слоя - эффекта Молтера возникает интенсивная вторичная электронная эмиссия в слое алюминия. Это приводит к образованию положительного заряда на поверхности специального электрически изолированного от остальных элементов конструкции листа обшивки 6, что способствует постоянной "подзарядки" блока моноэлектрета 2, имеющего положительный заряд во время полета [Физические явления и эффекты в технических системах: учеб. пособие / В.Л. Бурковский, Ю.Н. Глотова, Д.А. Ефремов, А.В. Романов. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет". 2007. 247 с.].
Электрическая изоляция от остальных элементов конструкции БЛА специального листе обшивки 6 может быть осуществлена путем его размещения на токонепроводящей изолированной подложке, например, из силикона на консолях крыла.
2
3
2
Выбором геометрических размеров специального электрически изолированного от остальных элементов конструкции листа обшивки 6, на поверхности которого нанесен тонкий слой (20…50 мкм) оксида алюминия (AlO), обработанного парами цезия (CsO) с толщиной порядка 1 (мкм); а также параметрами нанесенного на него слоя оксида алюминия, обработанного парами цезия можно обеспечить желаемую величину положительного электростатического заряда, образующегося на нем во время полета БЛА для "подзарядки" блока моноэлектрета 2, имеющего положительный заряд во время полета.
Блоки моноэлектрета 2 и 3 представляют собой изоляционный корпус, внутри которого расположена тонкая моноэлектретная пленка, свернутая в рулон.
Принципиальным отличием новых электретов является то, что их получают не из готовых термопластичных полимеров, а из олигомерных термореактивных смол (эпоксидных, фенолформальдегидных или полиэфирных). Важной особенностью изготовления таких электретов является то, что поляризация происходит в процессе отверждения олигомерной смолы на подложке: металлической или полимерной (см., например, патент РФ №2298245 по кл. H01G 7/02, опуб. 27.04.2007 г.).
-8
-4
2
Величина основной характеристики электретов - поверхностной плотности зарядов σ (10…10 Кл/м) - определяется главным образом разностью потенциалов сторон электрета и зависит от химической природы наполнителя (Марценюк, В.В. Полимерные электреты на основе реактопластов / В.В. Марценюк // Тенденции развития науки и образования. - 2021. - №78-2. - С. 56-59. - DOI 10.18411/trnio-10-2021-54).
3
3
3
3
В качестве примера неорганических электретных материалов можно назвать тикондовую керамику (на основе MgTiO, SrTiO, CaTiO, BaTO и др.). Однако наиболее широкое применение в электретных устройствах находят полимерные пленки. Подходящими материалами служат такие полимеры, как политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилфторид, поливинилиденфторид и др.
С течением времени заряд электретов изменяется обычно более быстро в первые часы после окончания электризации и относительно медленно - в последующий период.
Постепенная деградация электретного состояния обусловлена освобождением заряженных частиц, захваченных ловушками, разрушением остаточной поляризации, а также нейтрализацией объемных зарядов за счет некоторой электропроводности диэлектрика.
эл
Если при электризации полярных органических диэлектриков напряженность электрического поля Е менее 5 MV/м, то в большинстве случаев результирующий эффект по знаку соответствует гетерозаряду, который монотонно спадает со временем. В полях с напряженностью поля более 10 MV/м становятся возможными пробои в воздушном зазоре, а также инжекция с прилегающих металлических электродов. Результатом этих процессов является образование устойчивого гомозаряда в приповерхностных слоях электрета, слабо изменяющегося при хранении и эксплуатации диэлектрика. Возможен и промежуточный вариант, когда сразу после электризации материала преобладает гетерозаряд, но спустя некоторое время происходит частичное разупорядочение диполей, сопровождающееся инверсией знака, измеряемой поверхностной плотности заряда, т.е. начальный гетерозаряд трансформируется в стабильный гомозаряд. Стабильность заряда у большинства электретов повышается при их нагревании в процессе электризации. Моноэлектретные пленки оказываются наиболее стабильными и в условиях повышенной влажности. Период времени, в течение которого поверхностная плотность заряда уменьшается в "е" раз, принимают за время жизни электрета. Расчетное время жизни для электретов из ПТФЭ составляет не менее 200 лет. Для других диэлектриков оно может составлять от нескольких месяцев до десятков лет и зависит не только от свойств материала, но и от условий хранения электрета. Время жизни электрета быстро уменьшается с повышением температуры и влажности окружающей среды. Температурное изменение подчиняется закону Аррениуса.
3
2
-4
2
Релаксация электретного состояния может происходить и вследствие адсорбции ионов поверхностью диэлектрика из окружающей атмосферы. Однако, если атмосферный объем, в котором хранится электрет, достаточно мал, процессами внешней релаксации практически можно пренебречь. Например, полагая, что все ионы, образующиеся в нормальных условиях в 1 см воздуха, осаждаются на участке поверхности электрета площадью 1 см, то при начальной поверхностной плотности σ=10 Кл/м время, необходимое для полной компенсации электретного заряда, составит около 200 лет.
Пороговые устройства 4, называемые также компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию [И.А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 г.]. Например, на выходе порогового элемента формируется сигнал какого-либо логического уровня, если входной аналоговый сигнал по своему значению меньше определенного напряжения, если же он больше, то на выходе порогового устройства формируется сигнал противоположного логического уровня, подаваемый на ионистор.
В качестве моноэлектрета, используемого в блоках 2, 3, могут быть использованы электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И.О. Волков, Д.Р. Тур, А.И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 2002. Т. 44. №5. С. 882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, Т.А et al. Thermodynamic properties of poly [bis (trifluoroethoxy) phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K // J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol.95, P. 229-234 URL: https://doi.org/10.1007/sl0973-008-9038-7], например, прямоугольной формы размером 0,5×0,3 м и толщиной 100…300 мкм, свернутые в рулон, что позволяет размещение блоков 1, 2 в том числе - внутри консолей крыла БЛА.
Пороговое устройство 4 может быть выполнено, например, по схеме пороговых устройств на ОПТ или ПОПТ, где пороговое напряжение задается внутренним/внешним базовым делителем ОПТ [Дьяконов, В.П. Однопереходные транзисторы и их аналоги. Теория и применение [Электронный ресурс] / В.П. Дьяконов. - Электрон, текстовые данные. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010. - 240 с. URL: https://ozlib.com/1073921/tehnika/odnoperehodnye_tranzistory_i_ih_analogi_teoriya_i_primenenie].
В качестве ионисторов могут быть использованы, например, типовые суперконденсаторы и гибридные конденсаторы от производителя VINATech (Корея). VINATech выпускает широкую номенклатуру одиночных суперконденсаторов Ну-Сар EDLC, одиночных гибридных конденсаторов Ну-Сар P-EDLC, а также их сборок, имеющих, в том числе, выходное напряжения в диапазоне U=3…48 V и емкость С=60…3000 F.
В качестве аккумуляторных батарей на борту БЛА - 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 изобретение соответствует условию патентоспособности "новизна".
Результаты поиска известных решений в данной и смежной областях техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа 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.
Таким образом, предложенное устройство обеспечивает надежную и быструю подзарядку бортового аккумулятора БЛА, преобразующего положительный и отрицательный электростатический заряд элементов конструкции БЛА, образующийся во время его полета вследствие трения о воздух элементов его конструкции в напряжение подзарядки бортового источника питания, увеличивая продолжительность и дальность полета БЛА.
Данная система может быть использована и для подзарядки других технических средств (например, самолеты, вертолеты, дирижабли, сателлоиды - спутники на высотах линии Кармана - нижней границы космоса и др.).