СИСТЕМА ДЛЯ УВЕЛИЧЕНИЯ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ И ДАЛЬНОСТИ ПОЛЕТА МУЛЬТИКОПТЕРА
SYSTEM FOR INCREASING DURATION AND DISTANCE OF MULTI-COPTER FLIGHT

Область техники
Изобретение относится к области авиации, а именно к летательным аппаратам (ЛА) вертикального взлета и посадки - мультикоптерам с увеличенной продолжительностью и дальностью полета.
Уровень техники
Из уровня техники известны ЛА, которые включают ДВС соединенным с генератором и электродвигатели несущих винтов (см., например, публикации заявок на изобретения: DE 102011103572, DE 102008014404 и WO 2011/144690).
Из уровня техники известен ЛА (см. заявку US 2015012154 на изобретение, опубл. 08.01.2015, Заявитель: VOLO GMBH E [DE]).
ЛА содержит 16 горизонтально расположенных электродвигателей с пропеллерами, кабину пилота и аккумуляторную батарею. Винты неподвижно закреплены на осях электродвигателей. Каждому винту присвоен индивидуальный электрический двигатель, преобразователь энергии в виде ДВС с генератором, по меньшей мере один накопитель энергии в виде батареи или суперконденсатора. Для достижения более длительного времени полета ДВС с генератором или другой энергии конвертора при необходимости может быть представлен в виде так называемого расширителя диапазона, который перезаряжает аккумуляторы энергии во время полета.
В отличие от известных технических решений в заявленной системе не требуется генератор электроэнергии, а также не требуется механическая передача, в нашем случае ДВС и электродвигатели можно ставить на один привод. Роль генератора выполняет сам тяговый электродвигатель.
Из уровня техники известен гибридный самолет (см. патент РФ RU 2589532 на изобретение, Патентообладатель: СИМЕНС АКЦИЕНГЕЗЕЛЛЬШАФТ (DE), опубл. 10.07.2016).
Самолет имеет ДВС, с помощью которого обеспечивается возможность создания приводной мощности для привода пропеллера самолета. ДВС предусмотрен не в качестве механического привода для пропеллера, а в качестве составляющей части блока генерирования энергии, который кроме ДВС содержит еще соединенный с ним с помощью вала электрический генератор. Пропеллер предусмотрен в качестве составляющей части блока создания тяги, который содержит кроме пропеллера также электродвигатель. Для обеспечения возможности работы электродвигателя блок создания тяги и блок генерирования энергии электрически соединены друг с другом. Дополнительно возможно во время полета еще заряжать аккумулятор с помощью ДВС.
В отличие от известного технического решения в заявленной системе не требуется генератор электроэнергии, а также не требуется механическая передача, в нашем случае двигатели можно ставить на один вал. Электродвигатель выполняет роль как разгона пропеллера, генератора, так и рекуперативного тормоза для ДВС.
Из уровня техники известен ЛА С ГИБРИДНЫМ ПИТАНИЕМ ЭНЕРГИЕЙ (см. патент РФ RU 2497723 на изобретение, Патентообладатель: СНЕКМА (FR), опубл. 10.11.2013).
ЛА с гибридным питанием энергией содержит:
- средства внутреннего сгорания для создания тяги,
- средства питания энергией средств создания тяги,
- множество прямых преобразователей световой энергии в электрическую энергию;
- средства сравнения электрической энергии, производимой упомянутыми преобразователями, с единовременным потреблением упомянутого электрического оборудования;
- средства для отбора избыточной электрической энергии и
- средства для подачи в упомянутые средства создания тяги дополнительной энергии за счет упомянутой избыточной электрической энергии при ее наличии.
Недостатком известного технического решения является маленькая удельная тяга за счет наличия выделенных преобразователей энергии.
Раскрытие сущности изобретения
Техническим результатом заявленного изобретения является:
- увеличение продолжительности и дальности полета мультикоптера за счет снижения массогабаритных показателей и поступления тяги от ДВС напрямую к работающим электродвигателям;
- уменьшение веса за счет отсутствия генератора (функции генератора выполняет каждый электродвигатель мультикоптера в режиме рекуперации);
- резервирование (увеличение) тяги на каждом несущем винте за счет возможности одновременного включения ДВС и электродвигателя несущего винта (исходя из того, что двигатели выбираются примерно равными по мощности, можно получить вплоть до 200% тяги в течение продолжительного времени. Так же, если электронный регулятор хода (ESC) имеет функцию перегрузки, можно получить более 200% тяги на некоторое время);
- возможность ВМГ вырабатывать энергию электродвигателям во время полета мультикоптера для зарядки АКБ.
Технический результат достигается тем, что система для увеличения продолжительности и дальности полета мультикоптера включает:
- N - независимо работающих электродвигателей несущих винтов;
- N - электронных регуляторов хода (ESC);
- N - независимо работающих двигателей внутреннего сгорания (ДВС) либо один ДВС с системой независимого распределения тяги на N электродвигателей;
- N - пропорционально-интегрально-дифференцирующих регуляторов (ПИД-регуляторов);
- N - контроллеров;
- M - аккумуляторных батарей (АКБ);
- бортовой летный компьютер;
- датчики,
где N - целое число, ≥3;
M - целое число, ≥1;
при этом количество электродвигателей несущих винтов равно количеству электронных регуляторов хода (ESC), равно количеству ДВС, равно количеству контроллеров и равно количеству ПИД-регуляторов;
- N - независимо работающие ДВС функционально соединены обратной связью с N - электродвигателями несущих винтов;
- N электронные регуляторы хода (ESC) функционально соединены обратной связью с N электродвигателями несущих винтов, N - контроллерами и М - АКБ соответственно;
- выходы N контроллеров соединены со входами N - PID-регуляторов;
- выходы N - PID-регуляторов соединены со входами N - ДВС;
- вход-выход N контроллеров соединен с входом-выходом бортового летного компьютера, на который подаются сигналы от датчиков.
Краткое описание чертежей
Признаки и сущность заявленного изобретения поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом фиг. 1, где показан пример реализации системы для увеличения продолжительности и дальности полета мультикоптера.
На фиг. 1 обозначено следующее:
1 - N - электродвигателей несущих винтов;
2 - N - электронных регуляторов хода (ESC);
3 - М - аккумуляторных батарей (АКБ);
4 - N - двигателей внутреннего сгорания (ДВС);
5 - N - пропорционально-интегрально-дифференцирующих регуляторов (ПИД-регуляторов);
6 - N - контроллеров;
7 - бортовой летный компьютер;
8 - датчики.
Осуществление изобретения
Бортовой летный компьютер (7) выполнен с возможностью:
- управления электродвигателями несущих винтов (1) и ДВС (4);
- по поступившему сигналу ошибки (при возникновении аварийной - нештатной ситуации) или показаниям от контроллеров (6) и/или высокочувствительных датчиков (8) по заданной программе перед стартом определяет соответствующую неисправность, рассчитывает необходимую тягу индивидуально для каждого независимо работающего электродвигателя несущего винта (1) и ДВС (4), выдает команду (сигнал) управления на равномерное перераспределение и увеличение, в случае необходимости, тяги к электродвигателям несущих винтов (1), увеличивая при этом скорость их работы.
ДВС (4) выполнены с возможностью:
- обеспечения требуемой мощностью каждого независимого электродвигателя несущего винта (1) (для создания тяги);
- подзарядки аккумуляторной батареи (батарей) (3) во время полета при его разрядке.
Контроллеры (6) выполнены с возможностью:
- управления параметрами электродвигателей несущих винтов (1) и ДВС (4);
- автоматического контроля за тягой путем подачи управляющих сигналов (команд) электродвигателям несущих винтов (1) и ДВС (4), используя данные от высокочувствительных датчиков (8);
- управления скоростями вращения каждого отдельного независимого несущего винта;
- контроля соответствия заданному режиму работы;
- обеспечения синхронной работы электродвигателей несущих винтов (1).
Пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (ПИД-регулятор) (5) - устройство в управляющем контуре с обратной связью, для формирования управляющего сигнала с целью получения необходимых точности и качества переходного процесса.
Электронный регулятор хода (ESC) (2) - для управления оборотами электродвигателя, позволяет плавно варьировать электрическую мощность, подаваемую на электродвигатель.
Бортовой летный компьютер (7) отправляет данные о необходимой тяге, и необходимой электроэнергии N-му контроллеру (6), который обрабатывает этот запрос, и в соответствии с этим запросом устанавливает необходимую мощность двигателей внутреннего сгорания (ДВС) (4) и электродвигателей несущих винтов (1).
Этот этап проходит следующим образом: сначала отправляются данные на электронные регуляторы хода (ESC) (2) (электродвигатель (1) полностью компенсирует разницу предыдущего состояния и нового). Сразу после этого отправляются данные на N-й пропорционально-интегрально-дифференцирующий регулятор (PID-регулятор) (5), который изменяет мощность двигателя внутреннего сгорания (ДВС) (4). В результате меняется ток двигателя, электронный регулятор хода (ESC) (2) это определяет и отправляет данные о токе, оборотах, а также других параметрах винтомоторной группы на N-й контроллер (6), который проверяет соответствие с запрашиваемыми параметрами, если достигли - ничего не предпринимаем, если не достигли - повторяем процедуру.
Одним из преимуществ является то что основным параметром является тяга винтомоторной группы, который устанавливается сразу же после получения данных, что показывает отличные динамические характеристики. Меняются лишь сила и направление тока в цепи ESC-АКБ, которые в свою очередь довольно быстро стабилизируются.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить: аналоги с совокупностью существенных признаков, тождественных и идентичных существенным признакам заявленной «Системы увеличения продолжительности и дальности полета мультикоптера», отсутствуют, что указывает на соответствие заявленной системы условию патентоспособности «новизна».
Результаты поиска известных решений с целью выявления существенных признаков, совпадающих с отличительными от аналогов существенными признаками заявленной системы, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники, а также не установлена известность влияния отличительных существенных признаков на указанный авторами технический результат. Следовательно, заявленное изобретение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».
Несмотря на то, что заявленное изобретение показано и описано со ссылкой на его определенные предпочтительные варианты осуществления, специалистам в данной области техники будет понятно, что различные изменения по форме и содержанию могут быть сделаны в нем без отклонения от сущности и объема изобретения, которые определены прилагаемой формулой изобретения с учетом описания и фиг. 1.
На данный момент изготовлен опытный образец и успешно проведены испытания мультикоптера.