ТЕРМОЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ ГЕНЕРАТОРНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ
THERMOELECTRIC GENERATOR UNIT FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES

Изобретение относится к области прямого преобразования тепловой энергии в электрическую, в частности к конструкции термоэлектрической генераторной установки для подзарядки аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов.
Известен беспилотный комплекс, содержащий беспилотный летательный аппарат вертикального взлета и посадки мультироторного типа, оснащенный блоком управления и электродвигателями с воздушными винтами, а также литий-ионными аккумуляторными батареями [Патент RU 2726390 С2, МПК В64С 27/08, A61J 1/05, А61В 50/31].
Недостатком данного устройства является низкая дальность и продолжительность полета из-за ограниченной емкости аккумуляторных батарей и невозможности их подзарядки в процессе полета.
Наиболее близким к заявленному устройству является термоэлектрический генератор, содержащий термоэлементы с горячими и холодными спаями и выполненный из параллельно соединенных термоэлектрических генераторов, включающий полупроводниковые термоэлектрические батареи с холодными и горячими спаями, охлаждаемыми холодными и нагреваемыми горячими радиаторами термоэлектрических батарей [Патент RU 96709 U1, МПК H02N 10/00, 10.08.2010].
Однако рассмотренное устройство не может обеспечить автономную подзарядку аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов во время полета, поскольку имеет большие габариты и вес, так как нагрев горячих спаев и охлаждение холодных осуществляется проточной водой опреснителя морской воды.
Технической задачей изобретения является оборудование беспилотного летательного аппарата мультироторного типа термоэлектрической генераторной установкой с целью повышения продолжительности и дальности полета путем дополнительной подзарядки аккумуляторных батарей, а также питания электроприборов полезной нагрузки.
Для решения указанной технической задачи предлагается термоэлектрическая генераторная установка, состоящая из термоэлектрического генератора, блока управления, регулятора напряжения, вспомогательных элементов и предусматривающая емкость для топлива (например, сжиженного газа); электромагнитный клапан подачи топлива к горелке, осуществляющий подачу топлива из топливного баллона к жиклеру горелки, содержащему катализатор для поддержания устойчивого, постоянного горения; дроссель; горелку, имеющую устройство поджига, обеспечивающее с помощью свечи зажигания воспламенение горючей смеси, образующейся путем смешивания топлива с воздухом, поступающим через вентиляционные окна горелки. Внутри горелки установлены термопарные элементы, соединенные между собой последовательно в сегменты, а сегменты соединены между собой параллельно. При этом горелка выполнена в виде двустенного стакана, оборудованного продувочными окнами в торцевой части с целью уменьшения нагрева от пламени горелки холодных спаев термопар за счет теплопроводности. Внутренний цилиндр камеры сгорания горелки изготавливается из диэлектрического материала, и с внутренней стороны покрывается светоотражающим материалом обеспечивающим снижение теплопередачи к холодному спаю термопары излучением. Для снижения теплопередачи способом теплопроводности в конструкции горелки предусмотрены продувочные окна, циркуляция воздуха через которые осуществляется за счет эжекции (передачи кинетической энергии движения), создаваемой реактивным потоком отработавших газов горелки. Управление работой, предлагаемого термоэлектрического генератора осуществляется блоком управления беспилотного летательного аппарата, а обеспечение требуемых параметров тока происходит за счет работы регулятора напряжения.
Данное устройство способно при малом удельном весе (весе на единицу развиваемой мощности) обеспечивать надежную автономную подзарядку аккумуляторных батарей беспилотных летательных аппаратов.
Заявляемое устройство изображено на фиг. 1 - беспилотный летательный аппарат с термоэлектрической генераторной установкой; на фиг. 2 - термоэлектрический генератор; на фиг. 3 - сегмент термоэлектрической генераторной установки; на фиг 4 - функциональная схема установки.
На фиг. 1 изображен беспилотный летательный аппарат, включающий следующие элементы: 1 - блок управления, 2 - термоэлектрический генератор, 3 - беспилотный летательный аппарат, 4 - электродвигатель, 5 - воздушный винт.
На фиг. 2 изображен термоэлектрический генератор 2, содержащий: 6 - топливный баллон, 7 - электромагнитный клапан, 8 - дроссель (регулятор производительности), 9 - свеча зажигания, 10 - жиклер с катализатором, 11 - вентиляционное окно, 12 - внешний цилиндр, 13 - горячий спай термопарного элемента, 14 - внутренний цилиндр (камера сгорания) горелки, 15 - продувочное окно, 17 - холодный спай термопарного элемента, 18 - горелка.
На фиг. 3 изображено размещение термоэлектрического сегмента генераторной установки в нутрии горелки (вид с боку), содержащее: 9 - свечу зажигания, 16 - контактные выводы, 10 - жиклер с катализатором, 11- вентиляционные окна, 13 - горячий спай термопарного элемента, 17 - холодный спай термопарного элемента.
На фиг. 4 представлена функциональная схема термоэлектрической генераторной установки, включающая: 1 - блок управления, 6 - топливный баллон, 7 - электромагнитный клапан, 8 - дроссель, 9 - свеча зажигания, 18 - горелка, 19 - чувствительный элемент (например, стабилитрон), 20 - коммутатор (например, транзисторный), 21 - аккумуляторная батарея.
Термоэлектрическая генераторная установка для беспилотных летательных аппаратов содержит: беспилотный летательный аппарат мультироторного типа 3 с блоком управления 1 и расположенными по краям электродвигателями 4 с воздушными винтами 5. Снизу при помощи крепления фиксируется термоэлектрический генератор 2, включающий в себя горелку 18 с внешним 12 и внутренним 14 цилиндрами, электромагнитный клапан 7, срабатывающий для пропускания топлива от топливного баллона 6 через дроссель 8 к жиклеру с катализатором 10 горелки, свечу зажигания 9 для поджига горючей смеси, продувочные окна 15, обеспечивающие процесс эжекции при охлаждении средней части термопар с целью поддержания необходимой разности температур между горячими 13 и холодными 17 спаями термопар, вентиляционные окна, служащие для подачи воздуха с целью образования горючей смеси кислорода воздуха с топливом.
Устройство работает следующим образом.
Для обеспечения большой дальности и продолжительности полета, а также в других случаях, требующих дополнительной электрической энергии, оператор управления подстыковывает к беспилотному летательному аппарату (БпЛА) съемный энергетический модуль, представляющий собой термоэлектрический генератор, проверяет степень заряженности аккумуляторных батарей 21 и производит калибровку навигационного оборудования, подстыковывает полезную нагрузку в соответствии с выполняемой задачей. Далее оператор закладывает маршрут полета в систему автоматического управления и отправляет БпЛА к пункту назначения. При разряде аккумуляторных батарей 21 в процессе совершения полета оператору на пульт дистанционного управления поступает сообщение о разряде аккумуляторов до определенного уровня. В этом случае для обеспечения необходимой продолжительности полета оператор с помощью пульта дистанционного управления подает сигнал на запуск дополнительного энергетического модуля (термоэлектрической генераторной установки), который воспринимается блоком управления 1, подающим команды на исполнительные элементы устройства. При этом первоначальный сигнал подается на электромагнитный клапан 7, осуществляющий подачу топлива из топливного баллона 6 через дроссель 8 к жиклеру с катализатором 10 горелки 18, после чего блоком управления 1 подается сигнал на свечу зажигания 9, осуществляющую поджиг образующейся в результате смешивания газообразного топлива с кислородом воздуха горючей смеси. Таким образом, осуществляется нагрев горячих спаев 13 термопар, соединенных последовательно в сегменты для обеспечения необходимого напряжения, а выводы сегментов соединены параллельно для обеспечения необходимой для питания потребителей силы тока. За счет создаваемой разности температур между горячим 13 и холодным 17 спаями происходит прямое преобразование тепловой энергии в электрическую, которая через регулятор напряжения, состоящий из элементов 19 и 20 подается к аккумуляторной батарее 21 для ее заряда. При этом термоэлектрическая генераторная установка оборудуется двумя контурами регулирования напряжения. Первый контур обеспечивает заданную температуру горячих спаев 13 путем изменения подачи горючей смеси в горелку 18 с помощью дросселя (регулятора производительности) 8. В случае понижения напряжения дроссель увеличивает пропускное сечение для увеличения количества подаваемого топлива в горелку, за счет чего увеличится объем сгораемого топлива и температура горячих спаев 13, что вызывает повышение выдаваемого термоэлектрическими сегментами напряжения электрического тока. Второй контур обеспечивает непосредственное регулирование напряжения, выдаваемого термоэлектрическим генератором. В случае увеличения напряжения выше заданных параметров чувствительный элемент 19 (например, стабилитрон) открывается и подает сигнал на коммутатор 20 (например, транзисторный), который в свою очередь, разрывает цепь заряда аккумуляторной батареи 21. При снижении напряжения до заданного уровня, чувствительный элемент срабатывает (закрывается), и коммутатор 20 возобновляет подачу электрического тока в цепь заряда аккумуляторной батареи 21. Таким образом, в процессе полета происходит подзарядка аккумуляторной батареи 21 и питание электроприборов БпЛА.
Изготовление устройства возможно из комплектующих элементов серийно выпускаемых промышленностью.