Беспилотный летательный аппарат
UNMANNED AERIAL VEHICLE

Изобретение относится к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА) и предназначено для мониторинга больших пространств и поверхности земли, а также протяженных систем: газовых трубопроводов, магистралей, автодорог, водных транспортных маршрутов, а также к выполнению специальных миссий связанных как с мониторингом, так и доставкой грузов, устройств, продуктов, например, при оказании гуманитарной помощи.
В настоящее время широкое применение для этих целей нашли беспилотные летательные аппараты, работающие либо на органическом топливе (двигатели внутреннего сгорания), либо на электрической тяге, в которых в качестве источника энергии применяют либо литий-ионные (литий-полимерные) батареи, либо солнечные батареи, либо топливные элементы с водородом. Применяют и их сочетание. (См., например патент РФ №2462397)
Основным критерием при равенстве или сопоставимости других параметров (прежде всего вес беспилотного аппарата) является продолжительность его полета. Это требует создание высокоэффективных систем преобразования энергии и компактных с высоким удельным содержанием энергии устройств, обеспечивающих большую продолжительность полета.
Анализ существующих разработок показывает, что одним из наиболее перспективных направлений при создании беспилотных аппаратов является системы их энергообеспечения на основе топливных элементов с энергоносителем - водородом. На настоящий момент водород для топливных элементов хранят в композитных баллонах с давлением 300 атм. Разрабатываются баллоны на 700 атм. Предложен способ наиболее компактного хранения водорода в капиллярных структурах с возможностью создания плотности водорода превышающую плотность жидкого водорода. Но все эти способы обеспечения полета беспилотных аппаратов имеют существенный недостаток - они постоянно тратят энергию (топливо) независимо от выполняемой задачи. Даже прибыв, например, в месте мониторинга беспилотный аппарат продолжает тратить энергию для поддержания полета и высоты.
Известен патент РФ на ПМ №138371 от 19.11.2013 г., в котором описан беспилотный летательный аппарат компактно сконструированный, имеющий складываемые крылья и складываемый винт тяги. Внутри беспилотного летательного аппарата находится баллончик со сжатым газом, который легче воздуха. Для вертикального взлета легкий газ из баллончика через специальный клапан, находящийся на поверхности корпуса беспилотного летательного аппарата, надувает шар, который создает подъемную силу. Клапан при необходимости может отсоединяться как от беспилотного летательного аппарата, так и от шара. В этом патенте реализуется только одна функция легкого газа - создание подъемной силы.
Наиболее близким является патент №2600556 21.05.2015 г., в котором представлен беспилотный летательный аппарат с подъемной силой использующей силу Архимеда за счет изменения плотности газа в специальной емкости внутри БПЛА. Изменение плотности газа осуществляется путем подогрева воздуха специальными нагревателями, либо заполнением емкости более легким газом. Источником энергии являются аккумулятор или солнечные батареи. Материал специальной емкости с газом используется воздухонепроницаемый материал, что ограничивает его при применении водорода или гелия, которые обладают высокой проникающей способностью и за счет диффузии удаляются из емкости.
К недостаткам этого аппарата необходимо отнести нагреватели для подогрева газа, потребляющие электроэнергию. Газ для создания подъемной силы используется только для целей создания подъемной силы Архимеда. Емкость для создания подъемной силы находится внутри БПЛА, что накладывает ограничения на ее размеры и, следовательно, на создание величины подъемной силы.
Технической проблемой, решаемой предлагаемым изобретением, является максимальное использование возможностей запаса водорода, что позволит расширить как функциональные возможности БПЛА: вертикальный взлет и посадку, зависание на требуемой высоте в точке назначения, практически без расхода водорода, так и обеспечение необходимого содержания водорода, который не ухудшает весовые характеристики летательного аппарата, а наоборот создает подъемную силу.
Техническим результатом является увеличение продолжительности полета летательного аппарата, а также отсутствие площадки и специальных устройств для его запуска и посадки.
Для достижения технического результата предложен беспилотный летательный аппарат, содержащий, по меньшей мере, корпус-фюзеляж, силовую установку, емкость с водородом, при этом он содержит основную емкость с водородом, расположенную вне корпуса-фюзеляжа и соединенную с последовательно соединенными компрессором, дополнительной емкостью с водородом и топливными элементами, установленными внутри корпуса.
Кроме того,
- основная емкость с водородом разделена на секции водородонепроницаемыми перегородками, каждая из которых соединена с малой емкостью через компрессор.
- основная емкость с водородом выполнена с возможностью изменения формы.
Схема такого летательного аппарата представлена на фигуре 1, где показан вариант выполнения БПЛА с расположением основной емкости с разделением на секции с водородом вне корпуса-фюзеляжа летательного аппарата.
На фигуре 1 не показана общая компоновка БПЛА, которая в стандартном исполнении содержит жесткий фюзеляж с крыльями, систему управления, электродвигатель, винт обеспечивающий тягу летательного аппарата, фиг. 2.
Позициями обозначены:
1. Корпус-фюзеляж летательного аппарата.
2. Основная емкость с водородом с расположением вне корпуса-фюзеляжа летательного аппарата;
3. Компрессор.
4. Дополнительная емкость с водородом при повышенном давлении, с системой редуцирования давления водорода, подаваемого на топливные элементы;
5. Топливные элементы.
Предложенная конструкция позволяет использовать запас водорода на летательном аппарате в трех направлениях. Первое - как топливо для топливных элементов, второе - как легкий газ для удержания этого аппарата на заданной высоте в зоне мониторинга, третье - для обеспечения вертикального подъема и спуска летательного аппарата. Достигается это следующим образом.
Для обеспечения вертикального взлета и подъемной силы, удерживающей летательный аппарат на требуемой высоте, он изначально должен содержать основную емкость с водородом 2 (далее - емкость 2).
Емкость 2 с водородом удерживающая БПЛА на заданной высоте может иметь, как шарообразную форму, так и другую с улучшенными аэродинамическими характеристиками, «летающее крыло», параплан, сигарообразный баллон, тора и другие.
Оболочка емкости 2 выполнена из эластичного водородо- и воздухонепроницаемого материала, что позволит преобразовывать ее в форму с минимальным аэродинамическим сопротивлением, например, путем прижатия оболочки к фюзеляжу.
Это позволяет лучше сочетать, как поддержание летательного аппарата на заданной высоте, так и маневрирование в пространстве за счет тяги винта. Заполнение и извлечение водорода из этой емкости 2 с подачей его в топливные элементы 5 осуществляется компрессором 3.
Емкость 2 можно разделять на герметичные секции для предотвращения полной потери водорода в случае его повреждения. В этом случае водород подается в каждую секцию отдельно.
На фигуре не показаны клапаны, запорно-регулирующая аппаратура, редуктор водорода стандартного исполнения, установленные на соединительных магистралях и выбираемые в зависимости от параметров конструкции.
Данная конструкция имеет следующие преимущества:
- летательный аппарат имеет возможность вертикального взлета и посадки без создания подъемной тяги с помощью винта;
- летательный аппарат не требует тяжелого аккумулятора водорода на борту; (Так аккумулятор на борту летательного аппарата, содержащий 150 кг водорода и с 15% массовыми в нем водорода будет весить 1000 кг. В этом случае при установке такого аккумулятора вес летательного аппарата увеличивается на 1000 кг. В случае, если мы эти 150 кг водорода помещаем в емкость 2, то на высоте 10000 м при атмосферном давлении, соответствующем этой высоте, эти 150 кг водорода будут создавать подъемную силу не менее 1500 кг. Таким образом, в первом варианте аккумулятор увеличивает вес летательного аппарата, а во втором варианте с большой емкостью 2 такое же количество водорода не увеличивает вес летательного аппарата, а наоборот создает подъемную силу. Силы действуют в противоположных направлениях, разница сил в воздействии на летательный аппарат составляет 2500 кг. Во втором случае полезная нагрузка (полезный вес, который можно взять на борт летательного аппарата) увеличивается на 2500 кг.
- при заправке емкости 2 водородом для обеспечения подъемной силы давление водорода находится на уровне одной атмосферы или выше. Такое давление особенно необходимо при использовании в качестве оболочки емкости 2 выполненной из многослойного полимерного материала со слоями из алюминиевой фольги. Алюминиевая фольга не пропускает водород. Избыточное давление нужно для натяжения оболочки емкости 2. При подъеме летательного аппарата на высоту, например, 1000 м и более, когда атмосферное давление снижается, для обеспечения большей подъемной силы при сохранении натяжения оболочки давление водорода необходимо снижать. Поэтому этот избыток водорода может использоваться для обеспечения полета к заданной цели. Если этот «избыток» водорода большой, то часть водорода может компрессором 3 из емкости с водородом 2 закачиваться в дополнительную емкость 4 (далее, емкость 4) и затем подаваться на топливные элементы 5. Кроме этого, емкость с водородом вне летательного аппарата 2 может быть соединена с летательным аппаратом 1 разъемными соединениями (на фигуре не показаны) и может при необходимости отсоединяться. При этом предварительно водород из него компрессором 3 перекачивается в емкость 4. Другим вариантом этого решения является не отсоединение емкости с водородом 2 от летательного аппарата, а преобразование ее оболочки в форму с минимальным аэродинамическим сопротивлением, например, путем прижатия оболочки к фюзеляжу или компактного размещения этой оболочки внутри летательного аппарата 1.
Летательный аппарат, долетев до точки назначения, зависает на требуемой высоте в зоне мониторинга, используя подъемную силу емкости с водородом, вне летательного аппарата 2. Расход водорода в зоне мониторинга требуется только для коррекции положения летательного аппарата на заданной высоте, в то время как для летательных аппаратов без емкости с водородом, вне летательного аппарата, например, в варианте хранения водорода в баллонах высокого давления, требуется постоянный расход водорода для обеспечения его полета и его удержания на заданной высоте. После выполнения процесса мониторинга водород из емкости с водородом 2 компрессором 3 скачивается и подается в емкость 4, что не приводит к потерям водорода.
Компрессор 3 выполняет две функции:
- подает водород из емкости 4 в емкость 2 для регулирования подъемной силы,
- подает водород из емкости 2 в емкость 4 для регулирования подъемной силы и преобразования оболочки емкости 2 в форму с минимальным аэродинамическим сопротивлением.
В качестве материала для оболочки емкости 2 с водородом можно использовать многослойный материала, имеющий, как высокопрочные слои, так и слой (или слои), предотвращающий проникновение водорода через него, например, алюминиевую фольгу (фольгированные материалы). Технология создания многослойных пленок с алюминиевой фольгой широко применяется, например, в пищевой промышленности.
3
3
3
3
3
Рассмотрим в качестве примера беспилотный летательный аппарат весом в 1500 кг. Рассчитаем объем водорода, необходимый для поддержания БПЛА для мониторинга на высоте 10000 м. Плотность воздуха по справочным данным 0,414 кг/м, температура воздуха -50°С, давление 26500 Па. В соответствии с термодинамическими расчетами плотность водорода при этих температуре и давлении равна 0,028,56 кг/м. Разница плотностей воздуха и водорода при указанном давлении и температуре на этой высоте равна 0,385 кг/м, Для удержания веса беспилотного летательного аппарата весом 1500 кг на высоте 10000 м потребуется объем с водородом 3896 м, диаметр основной емкости выполненной, например, в виде шара, равен 19,5 м, практически 20 м (4186,5 м). Это вполне приемлемые размеры для беспилотного аппарата с таким весом. Такой «аккумулятор водорода» (с диаметром 20 м) будет содержать 120 кг водорода. Такой «аккумулятор водорода» в виде «сигары» будет иметь размеры: диаметр - 20 м, длина - 13-15 м.
3
Рассмотрим какое весовое количество водорода будет содержаться в 4186,5 м при различных температурах заправки и нормальном атмосферном давлении - 1 атм, соответствующим различным сезонам и нормальном атмосферном давлении - 1 атм. а также какая подъемная сила соответствует таким заправкам.
3
1. При температуре -20°С и 1 атм. Плотность водорода 94,96 г/м, вес водорода 397,55 кг. Вес воздуха в этом объеме 5573 кг. Подъемная сила - 5175,45 кг.
3
2. При температуре -10°С и 1 атм. Плотность водорода 91,35 г/м, вес водорода 382,445 кг. Вес воздуха в этом объеме 5360 кг. Подъемная сила - 4977,6 кг.
3
3. При температуре 0°С и 1 атм. Плотность водорода 88 г/м, вес водорода 368,844 кг. Вес воздуха в этом объеме 5163,746 кг. Подъемная сила - 4795 кг.
Варьируя, например, увеличивая давление водорода в объеме можно увеличить его содержание (запасы) при этом снизив подъемную силу. Из представленных расчетов видно, что, например, для первого варианта заправки подъемная сила, при содержании водорода 397,55 кг, составляет 5175,45 кг, а требуется несколько больше 1500 кг (разница в требуемой силе и создаваемой 5175,45-1500=3675,45 кг), то можно значительно увеличить запас водорода компенсируя подъемную силу до требуемых значений.
Таким образом, изменяя давление заправки водорода, можно изменять содержание водорода в емкости 2 для создания подъемной силы летательного аппарата и увеличения продолжительности полета.
Данная конструкция позволит решить такие задачи как вертикальные взлет и посадка, увеличение подъемной силы, увеличение запаса водорода на борту, снижение расхода водорода при длительном зависании летательного аппарата на заданной высоте в точке назначения, что улучшает летные характеристики БПЛА.