СПОСОБ БЕСПРОВОДНОЙ ПЕРЕДАЧИ ЭНЕРГИИ С ОДНОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА НА ДРУГОЙ
METHOD FOR WIRELESS TRANSMISSION OF ENERGY FROM ONE UNMANNED AERIAL VEHICLE TO ANOTHER

Изобретение относится к области авиации, в частности к способу беспроводной передачи энергии на беспилотный летательный аппарат.
Для повышения скрытности работы беспилотного летательного аппарата (БЛА) в условиях оптического и радиолокационного наблюдения уменьшают его размеры. Однако при этом длительность и, соответственно, дальность автономной работы БЛА сокращается. Требуется перелет к источнику энергии.
Для исключения перелета используют способы повышения дальности полета путем передачи энергии непосредственно на БЛА.
Известен способ передачи энергии на БЛА с помощью проводов [1]. Недостатком такого способа является повышение мощности двигателя. Причем при неизменной массе БЛА для компенсации массы проводов мощность двигателя должна увеличиваться с увеличением дальности и высоты полета.
Уменьшение мощности двигателя может быть достигнуто при использовании в качестве канала передачи энергии оптоволоконного кабеля [2]. Основным недостатком данного способа является ограничение дальности полета длиной кабеля.
Наиболее близким к заявляемому способу является беспроводной способ передачи энергии на БЛА, описанный в [3] и реализованный в серийных изделиях фирмы PowerLight (ранее - LaserMotive). Способ заключается в следующем. На земле формируют лазерный луч, облучают им установленный на БЛА фотоприемник. Фотоприемник преобразует энергию лазерного луча в электрическую, которая расходуется на зарядку аккумулятора или/и непосредственно питание двигателя и другого бортового оборудования.
Способ имеет следующие недостатки. Во-первых, вследствие рассеяния лазерного луча для повышения дальности полета БЛА требуется значительная мощность лазера. Во-вторых, рассеяние луча на больших дальностях требует значительной площади фотоприемника БЛА. В-третьих, для реализации описанного способа необходима прямая видимость между лазером и БЛА.
Целью изобретения является повышение дальности полета БЛА, питаемого от лазерного луча, при снижении мощности лазера и уменьшении площади фотоприемника, в том числе в условиях отсутствия прямой видимости между лазером и БЛА.
Технический результат заключается в повышении автономности и гибкости управления.
Указанный результат достигается тем, что используют множество БЛА (не менее двух). На каждом БЛА устанавливают фокусирующую оптическую систему, при прохождении через которую диаметр лазерного луча уменьшается. Множество БЛА размещают цепью таким образом, что они образуют канал передачи энергии. При этом для каждого БЛА в цепи, кроме последнего, возможно как наведение луча на фотоприемник для использования энергии луча для подзарядки, так и наведение луча на фокусирующую систему для передачи энергии далее.
Последний в цепи БЛА для упрощения и удешевления конструкции может не иметь фокусирующей системы. Для экономии энергии первые в цепи БЛА могут не иметь фотоприемника, а использовать другие источники энергии. Близкое размещение фотоприемника и фокусирующей оптической системы на БЛА при достаточном удалении позволяет ориентировать пятно лазерного луча одновременно на фотоприемнике (для питания БЛА) и оптической системе (для передачи энергии далее). Либо фокусирующая оптическая система отводит (отражает) часть энергии на фотоприемник. Фотоприемник может быть конструктивно совмещен с фокусирующей оптической системой. Для контроля прохождения луча беспилотные летательные аппараты формируют сигналы обратной связи.
В предложенном способе передачи энергии с помощью множества БЛА за счет периодической фокусировки лазерного луча обеспечивается его меньшее рассеивание. Этим достигаются более высокая дальность передачи энергии и возможность уменьшения площади фотоприемника на каждом БЛА. При наличии препятствий в условиях отсутствия прямой видимости между лазером и БЛА способ позволяет реализовать передачу энергии по криволинейной траектории (фиг.).
На фигуре представлен пример огибания лазерным лучом препятствий, реализуемый предложенным способом.
Сущность изобретения заключается в следующем. Множество БЛА с размещенными на них фокусирующими системами образуют цепь, по которой передается энергия лазерного луча. Для передачи энергии по цепи лазер наводит луч на фокусирующую систему БЛА, находящегося первым в цепочке. БЛА ориентирует фокусирующую систему относительно луча так, чтобы энергетический максимум луча оказался в ее центре. Для этого фокусирующая система, выполненная в виде системы линз и зеркал, на входе по краям оборудована фотодатчиками. Далее БЛА ориентирует зеркала фокусирующей системы так, чтобы перенаправить луч в сторону второго в цепи БЛА. Второй БЛА при облучении лазером ориентирует фокусирующую систему в направлении следующего БЛА и так далее до последнего БЛА. Последний БЛА наводит на лазерный луч фотоприемник.
Для возможности первичного наведения лазерного луча на БЛА на этапе его захвата возможно формирование широкого луча. Факт отсутствия луча или его захвата сообщается на источник излучения по обратной связи, реализованной по радиоканалу. Оптимальное расположение множества БЛА достигается также путем информационного обмена по радиоканалу.
ВХ
Л
атм
фс
фп
Дальность полета БЛА, расположенного последним в цепи, зависит от подводимой к нему мощности. В свою очередь, подводимая мощность Р определяется, исходя из выходной мощности лазера Р, затухания в атмосфере L на каждом отрезке пути лазерного луча (всего k отрезков), затухания при прохождении через фокусирующую систему L и потерь в фотоприемнике L:
Из выражения (1) можно определить количество отрезков пути лазерного луча k. Количество БЛА на один больше k.
Для осуществления изобретения могут быть использованы узлы и материалы, аналогичные использованным в изделиях фирмы PowerLight. Дополнительно используется фокусирующая система, построенная на принципах геометрической оптики и включающая в себя одну и более линзы.
Расчет размеров линз может быть выполнен по формулам геометрической оптики [4] для линз плоско-выпуклого и вогнуто-выпуклого типов:
При использовании двух линз и выборе в качестве материала линз кварцевого стекла с показателем преломления n=1,46 расчет по выражениям (2), (3) дает габаритные размеры фокусирующей системы не более 0,2 м × 0,05 м × 0,05 м. При этом масса фокусирующей системы составит приблизительно 0,05 кг, что позволяет беспрепятственно разместить ее на малогабаритном БЛА.
Система радиоуправления может быть построена на основе как исходного интерфейса управления БЛА, так и дополнительных радиопередающих устройств.
Источники информации
1. Патент РФ 2441809 С2 МПК В64С 39/02. Способ управления беспилотным привязным летательным аппаратом и беспилотный авиационный комплекс.
2. Патент WO 2013052178 A3 МПК G01C 3/08. An aerial platform system, and related methods.
3. Патент US 20170047790 A1 МПК H02J 50/30. Energy efficient vehicle with integrated power beaming.
4. Ходгсон H., Вебер X. Лазерные резонаторы и распространение пучков. Основы понятия и прикладные аспекты / пер. с англ. к.ф.-м.н. С.А. Борзиловского; под науч. ред. С.Г. Струц. - М.: ДМК Пресс, 2017. - 744 с.