СИСТЕМА ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ ПРИВЯЗНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
ELECTRICAL SUPPLY SYSTEM FOR TETHERED AIRCRAFT

Изобретение относится к электротехнике, в частности к устройству для передачи электрической энергии на воздушный беспилотный летательный аппарат.
Известен способ электроснабжения привязного аэростата и устройство для его осуществления (RU 2449927 С2, 10.05.2012), заключающийся в том, что в положении привязного аэростата «на высоте» при пропадании наземного электропитания одновременно с переходом электропитания комплекса бортового электрооборудования на питание от бортовой аккумуляторной батареи формируют управляющий сигнал, который передают на комплекс бортового электрооборудования для его переключения в режим пониженного энергопотребления. В положении привязного аэростата «на земле» обеспечивают электропитание комплекса бортового электрооборудования от наземного источника питания, преобразуя его напряжение в напряжение постоянного тока, соответствующее рабочему напряжению комплекса бортового электрооборудования. Устройство содержит размещенные на наземном объекте источник электроэнергии, блок защитно-коммутационной аппаратуры, первый преобразователь, лебедку с размещенным на ее барабане канат-кабелем, размещенные на упомянутом аэростате второй преобразователь и аккумуляторную батарею, являющуюся резервным источником питания комплекса бортового электрооборудования. Второй преобразователь снабжен дополнительным силовым входом, датчиком выходного напряжения и управляющим выходом. Первый преобразователь снабжен дополнительным преобразовательным блоком, имеющим силовой выход с кабелем наземного питания. При этом в положении привязного аэростата «на земле» выходной конец кабеля наземного питания подключен к дополнительному силовому входу второго преобразователя. Выход упомянутого датчика напряжения через упомянутый управляющий выход подключен к управляющим входам комплекса бортового электрооборудования.
Недостатком этого известного технического решения можно считать недопустимый нагрев токопроводящих жил частично намотанного слоя канат - кабеля на барабане лебедки при передаче напряжения постоянного тока высокого уровня от первого преобразователя на аэростат, а также из-за возрастания потребляемого тока.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому, является принятое автором за прототип способ и устройство электроснабжения летательного аппарата (варианты) (RU 2554723 С2, 13.05.2013). Один из вариантов этого технического решения включает в себя привязной воздушный летательный аппарат с удерживающим тросом и источник питания, источник питания расположен на земле и содержит повышающий преобразователь напряжения для повышения напряжения 12…380 В до 0,1…10 кВ, 1…25 кГц, линию электропередачи или кабель, совмещающий функции удерживающего троса, и понижающий преобразователь на борту воздушного летательного аппарата с напряжением на выходе 12…380 В для питания бортового электрооборудования с зарядным устройством и блоком аккумуляторных батарей, при этом источник питания с повышающим преобразователем напряжения подключен к линии электропередачи или кабелю, встроенному в удерживающий трос, к которому подключен понижающий преобразователь, установленный на летательном аппарате для питания бортового электрооборудования и заряда бортовых аккумуляторных батарей.
Недостатком этого технического решения можно считать низкое эффективное энергоснабжение из-за непостоянства стабильности выходного напряжения бортового понижающего преобразователя, осуществляющего питание бортового электрооборудования с зарядным устройством и блоком аккумуляторных батарей, при увеличении тока в цепи питания нагрузки, а также сложность процедуры смотки/размотки кабеля, встроенного в удерживающий трос.
Техническим результатом предлагаемой системы электроснабжения является повышение эффективности в электроснабжении летательного аппарата и упрощение линии электропередачи.
Технический результат достигается тем, что в систему электроснабжения привязного летательного аппарата, содержащую наземный источник питания, нагрузку в виде бортовой сетевой аппаратуры и электродвигателей летательного аппарата, расположенные на борту летательного аппарата преобразователь и аккумуляторную батарею, введены металлический удерживатель на высоте летательного аппарата, выполненный в виде телескопической антенны с возможностью передачи энергии с земли на преобразователь, расположенные на борту летательного аппарата распределитель напряжения, блок стабилизации с управляющим ШИМ-контроллером, усилитель, формирователь сигнала ошибки, наземный источник питания выполнен в виде СВЧ-генератора, причем выход СВЧ-генератора соединен с клеммой ввода энергии удерживателя, клемма вывода энергии удерживателя подключен к входу преобразователя, выход последнего через усилитель соединен с клеммой аккумуляторной батарей и входом распределителя напряжения, первый выход которого подключен к бортовой сетевой аппаратуре, а второй выход соединен с первым входом блока стабилизации с управляющим ШИМ-контроллером, выход блока стабилизации с управляющим ШИМ-контроллером соединен с электродвигателями летательного аппарата и входом формирователя сигнала ошибки, выход последнего подключен к второму входу блока стабилизации с управляющим ШИМ-контроллером.
Сущность заявляемого изобретения, характеризуемого совокупностью указанных выше признаков, состоит в том, что на основе использования металлического удерживателя на высоте летательного аппарата с возможностью передачи сверхвысокочастотной энергии последующим ее преобразованием, можно обеспечить эффективность в электроснабжении летательного аппарата и упрощение линии электропередачи.
Наличие в заявляемом устройстве совокупности перечисленных существующих признаков, позволяет решить задачу электроснабжения летательного аппарата посредством использования металлического удерживателя с возможностью передачи сверхвысокочастотной энергии последующим преобразованием, т.е. обеспечить повышение эффективности в электроснабжении летательного аппарата и упрощение линии электропередачи.
На чертеже приведена функциональная схема системы электроснабжения привязного летательного аппарата.
Система электроснабжения привязного летательного аппарата содержит СВЧ генератор 1, металлический удерживатель 2, преобразователь 3, усилитель 4, аккумуляторную батарею 5, распределитель напряжения 6, бортовую сетевую аппаратуру 7, блок стабилизации с управляющим ШИМ-контроллером 8, электродвигатели летательного аппарата 9 и формирователь сигнала ошибки 10.
Предлагаемая система электроснабжения работает следующим образом. Раму (шасси) беспилотного летательного аппарата (по центру) со всеми его оборудованиями жестко закрепляют на наконечнике металлического удерживателя 2, закрепленного противоположенным наконечнику концом на специальной платформе, расположенной на земле. Для запуска летательного аппарата выходное напряжение блока стабилизации 8, поступающее от распределителя напряжения 6, запитанного аккумуляторной батарей 5, подают на электродвигатели 9. Благодаря этому, за счет вращения пропеллеров, аппарат поднимается вверх. Одновременно с этим, учитывая, что в рассматриваемом случае металлический удерживатель выполнен в виде телескопической антенны и имеет раздвижную систему металлических трубок с одинаковой длиной, то выдвигаемая трубка с закрепленным не ее наконечнике летательным аппаратом будет выдвигаться вместе аппаратом, т.е. летательный аппарат будет подниматься плавно вверх вместе выдвигаемых трубок металлического удерживателя. Длина (количество раздвижных металлических трубок) металлического удерживателя выбирается в зависимости от нужной высоты для поднятия летательного аппарата. Здесь следует указать, что в системе трубок телескопической антенны у каждой наружной трубки внутренний диаметр равняется внешнему диаметру внутренней выдвигаемой трубки.
В данном случае металлический удерживатель, ввиду его конструкции, связанной с некоторым трением выдвигаемых трубок, обеспечивающим электрический контакт между трубками и сохраняющим необходимую длину каждого элемента, можно использовать в качестве круглого волновода для канализации СВЧ энергии от СВЧ генератора 1 (наземный источник питания) до преобразователя 3, расположенного на раме летательного аппарата. В силу этого, поступающая СВЧ энергия (СВЧ-колебания) по внутренней полости удерживателя на преобразователь (детектор), далее, согласно работе предлагаемой системы электроснабжения, преобразуется в последнем и его выходное постоянное напряжения после усиления в усилителе 4 падется на клеммы аккумулятора для его подзарядки и на вход распределителя напряжения. Для исключения перезарядки аккумулятора можно временно отключить питание к нему. Для этого аккумулятор можно снабдить измерителем напряжения, являющимся одним из блоков бортовой сетевой аппаратуры 7, и показывающим состояние аккумулятора как по недозарядке, так и по перезарядке. Отсюда заключаем, что при недозарядке аккумулятора следует подать напряжение, а при перезарядке прервать подачу напряжения. Напряжения с первого и второго выходов распределителя одновременно поступают на бортовую сетевую аппаратуру и через блок стабилизации на электродвигатели соответственно.
В ряде случаев так, например, при ветровых нагрузках на работу пропеллеров летательного аппарата, возможно увеличение тока нагрузки и как следствие, падение напряжения на выходе блока стабилизации с управляющим ШИМ-контроллером, приводящее к нарушению работы летательного аппарата в целом. Для стабилизации выходного напряжения блока стабилизации, в предлагаемом техническом решении, используется формирователь сигнала ошибки 10, в котором после подачи на его вход напряжения с выхода блока стабилизации, образуется разность между опорным напряжением, например, 50 В и текущим входным напряжением формирователя сигнала ошибки. Разностное напряжение с выхода этого формирователя сигнала ошибки далее подается на второй вход блока стабилизации (вход контроллера). В этом блоке, представляющем собой импульсный блок питания, управляющий ЩИМ-контроллер моделирует среднее значение напряжения за счет изменения ширины импульсов на основании разностного сигнала с цепи обратной связи. Другими словами ШИМ-контроллер в данном случае управляет напряжением на втором выходе распределителя, поступающем на первый вход блока стабилизации, методом изменения скважности импульсов постоянной частоты. При этом разность двух этих постоянных напряжений может оказаться как со знаком плюса, так со знаком минуса. В результате все это даст возможность произвести оптимальное регулирование величины выходной мощности блока стабилизации, предназначенной для питания электродвигателей летательного аппарата.
В предлагаемой системе электроснабжения, бортовая сетевая аппаратура помимо вышеуказанного вольтметра должна включать в себя и другие блоки, например, видеокамеру, приемопередающую антенну и. т., которые дадут возможность дистанционно с земли управлять всеми манипуляциями, связанными с функционированием привязного летательного аппарата при полете, спуске и взлете. Кроме того, частоту СВЧ-колебаний следует выбирать в зависимости от внутреннего диаметра конечной трубки системы трубок.
Таким образом, в предлагаемом техническом решении на базе металлического удерживателя на высоте летательного аппарата с возможностью передачи сверхвысокочастотной энергии последующим ее преобразованием, можно обеспечить эффективность в электроснабжении летательного аппарата и упрощение линии электропередачи.