На чем летает беспилотник топливо

Рой дронов и ударные «Охотники»: как российские БПЛА работают в стаях

Крупнейшая американская авиакомпания протестировала новый беспилотный танкер. В ходе демонстрационного полета дрон дозаправил в воздухе палубный истребитель F-35. Самолет приблизился к беспилотнику, пристыковался к его штанге, после чего оператор дал команду на подачу топлива. Дозаправка прошла на высоте 3 километров. Как уверяют разработчики, в перспективе подобные дроны можно будет использовать и для проведения разведывательных операций. Без роботов и беспилотных систем сегодня не обходится практически ни одна армия мира. Какие задачи решают дроны, разработанные специально для спецназа? Как действует гибридный авиаполк? И что за «Охотник» защищает российский истребитель пятого поколения Су-57? Об этом рассказывает программа «Загадки человечества» с Олегом Шишкиным на РЕН ТВ.

Зачем дроны нужны в армии?

В университете Южной Калифорнии в США ученые оттачивают алгоритмы управления роем из 25 дронов. Группа скоординированных беспилотников способна действовать как единое целое и выполнять сложнейшие синхронизированные маневры.

«Стрекоза»

На военно-техническом форуме «Армия-2021» российские разработчики продемонстрировали возможности мини-дронов, созданных для спецподразделений. Сверхмалый беспилотник-шпион «Стрекоза» позволяет тщательно осмотреть помещения прежде, чем туда войдет отряд спецназа.

«Боевое крыло»

Компактный летательный аппарат «Боевое крыло» можно использовать не только для разведки, но и для поражения вражеских солдат и даже небронированной техники. Беспилотник способен действовать по принципу дрона-камикадзе, который пикирует на цель и уничтожает ее вместе с собой.

На что способен рой беспилотников?

Небольшие по размеру летательные аппараты практически неуязвимы для обычных средств ПВО. Они могут объединяться в группы, подолгу барражировать в воздухе и атаковать цель со всех сторон.

Установка выпускает в небо целый рой беспилотников, которые взаимодействуют друг с другом для решения боевых задач. Такие мини-дроны в США получили название «Саранча».

Американские истребители F-18 выпускают дроны прямо в воздухе. В США прошли испытания крупнейшего в истории роя беспилотников, предназначенных для радиоэлектронного и огневого подавления систем ПВО. В небо одновременно выпустили 103 миниатюрных дрона. Они окружают условную цель и по команде оператора атакуют ее.

«Охотник»

Один Су-57 может взаимодействовать сразу с несколькими «Охотниками». Они обеспечивают пилота разведданными, а при необходимости поражают средства ПВО противника. Звено истребителей и ударных беспилотников называют гибридным авиаполком.

По данным разработчиков, беспилотники «Охотник» снабжены системой искусственного интеллекта и могут самостоятельно выслеживать и атаковать цели даже в случае потери связи с оператором.

Заменят ли дроны военных летчиков?

На авиасалоне «МАКС-2021» представили прототип новейшего российского истребителя Су-75 Checkmate. Летные испытания начнут не раньше 2023 года. Тактико-технические характеристики истребителя разработчики пока держат в секрете, но военные эксперты не сомневаются в одном: Су-75 сможет взаимодействовать со всеми типами боевых беспилотников.

О невероятных событиях истории и современности, об удивительных изобретениях и явлениях вы можете узнать в программе «Загадки человечества» с Олегом Шишкиным на РЕН ТВ.

Источник

Типы беспилотных летательных аппаратов. Обзор.

В этом обзоре рассмотрены различные типы беспилотных летательных аппаратов. Рассмотрены как модели, представленные на рынке, так и те которые являются просто концепциями, показывающими тенденции в развитие беспилотной техники. Особое внимание уделено беспилотной технике, используемой в армии США и в армии России.

По разнообразию конструкции существует 4 основных типа беспилотных летательных аппаратов:

Мультироторные – мультикоптерные дроны

Сегмент рынка таких устройств многообразен, это и многороторные дроны для профессионального использования, такие как аэрофотосъемка, цена которых может варьироваться от 500 до 3000 долларов США. Но есть много моделей для хобби, таких как любительские гонки на дронах или досуговые полеты, в диапазоне цен от 50 до 400 USD. Из всех типов дронов, мультикоптерные дроны являются самыми простыми в изготовлении и самыми дешевыми.

Преимущества: вертикальный взлет, возможность зависать над объектом.

Квадрокоптер DJI «Mavic Pro Platinum».

Так же, многороторные дроны очень дешевы, так любой человек с зарплатой может купить приличный квадрокоптер. Управление полетом, к примеру, на квадрокоптере, не требует специальной подготовки. Вы просто берете его на открытую площадку и управляете его полетом, осваивая руководство и управление квадрокоптером прямо на ходу.

Гексакоптер «Yuneec Typhoon H Professional»

Октокоптер DJI «Agras MG-1P»

Беспилотники с неподвижным крылом

Беспилотные летательные аппараты с неподвижным крылом полностью отличаются по конструкции от аппаратов с несколькими роторами. Для полета, и создания подъемной силы они используют «крыло», как его используют обычные самолеты. Эти беспилотники не могут зависать на месте в воздухе, борясь с гравитацией. Вместо этого они могут двигаться вперед по заданному курсу идо тех пор, пока позволяет их источник энергии.

Беспилотник с неподвижным крылом.

Беспилотник с неподвижным крылом «Phoenix 2» компании Sentera

Большинство беспилотных летательных аппаратов с неподвижным крылом имеют среднее время полета в пару часов. Дроны с газовым двигателем могут летать до 16 часов и выше. Благодаря более высокому времени полета и топливной экономичности беспилотные летательные аппараты с неподвижным крылом идеально подходят для дальних операций (будь то картографирование или наблюдение). Но они не могут быть использованы для аэрофотосъемки, где беспилотник должен оставаться неподвижным в воздухе в течение определенного периода времени.

Беспилотник с неподвижным крылом компании FeiyuTech

Другими недостатками беспилотных летательных аппаратов с неподвижным крылом являются более высокие затраты на обучение персонала навыкам управления, необходимым для полета. Не так-то просто поднять в воздух беспилотник с неподвижным крылом. Чтобы запустить и поднять беспилотник с неподвижным крылом в воздух, требуется либо специальная «взлетная полоса», либо пусковая установка в виде катапульты. Чтобы благополучно посадить аппарат обратно на землю, также потребуется взлетно-посадочная полоса, парашют или сеть.

Однороторный дрон – беспилотный вертолет

Однороторные дроны очень похожи по конструкции и на настоящие вертолеты. В отличие от многороторного дрона, у одноготорного дрона есть один большой ведущий винт плюс небольшой по размеру винт на хвосте, чтобы контролировать курс. Однороторные дроны гораздо эффективнее, чем многороторные версии. Они имеют более высокое время полета и могут даже приводиться в действие двигателями внутреннего сгорания.

Однороторный дрон

В аэродинамике, чем меньше число винтов, тем меньше общее вращение объекта. И это главная причина, почему квадрокоптеры (4 винта) более стабильны, чем октоптеры (8 винтов). В этом смысле однороторные дроны гораздо эффективнее многороторных дронов.

Беспилотный вертолет компании Airbus VSR700 с дизельным двигателем

Но есть и недостатки у однороторных дронов. Эти машины из-за более сложной конструкции имеют высокую стоимость и эксплуатационные затраты. Также они требуют специальной подготовки персонала для управления. Большие размеры лопастей несущего винта представляют опасность. Были зафиксированы несчастные случаи нанесения смертельных травм винтом радиоуправляемого вертолета. К примеру, многороторные дроны, ещё никогда не участвовали в смертельных авариях, хотя шрам на теле человека от винта многороторного дрона получить вполне вероятно.

Беспилотный вертолет компании Veronte Helicopter

Гибридные дроны

Пример гибрида. Квадрокоптер «Vtol» с неподвижным крылом

Пример проектируемого гибрида. БПЛА «X PlusOne»

Разрабатываемый компанией Airbus гибридный беспилотник «Zelator-28» может использоваться для доставки грузов и выполнения разнообразных миссий. Для вертикального маневрирования дрон использует четыре Т-образных двигателя U11s с максимальной тягой 7,5 кг. А для горизонтального перемещения мощный Т-образный двигатель U12 21×33 с пропеллерной системой с максимальной тягой 11 кг.

Пример проектируемого гибрида. БПЛА Airbus «Zelator-28»

Беспилотники армии США

Одним из основных поставщиков БПЛА, как гражданского, так и военного назначения для США является компания AeroVironment. Семейство БПЛА включает модели Wasp («Оса»), Raven («Ворон») и Puma («Пума») в весовом диапазоне от 5,5 до 6,5 килограмма. Все аппараты в полевых условиях переносятся в рюкзаке, собираются за считаные минуты и запускаются с рук.

БПЛА Wasp III («Оса») — имеет размах крыльев 73,5 см, весит 454 г и несет электро-оптические цветные камеры, направленные вперёд и в стороны плюс дополнительную модульную нагрузку оптических или инфракрасных сенсоров. Имеет дальностью действия до 5 км от передатчика и максимальное время нахождения в воздухе до 45 минут.

БПЛА Wasp III («Оса»)

Лётно-технические характеристики БПЛА RQ-11 Raven («Ворон»)

БПЛА Raven («Ворон»)

БПЛА RQ-11 Raven («Ворон»)

БПЛА Puma («Пума»)

БПЛА MQ-1 Predator («Хищник»)

Лётно-технические характеристики БПЛА MQ-9 Reaper («Жнец»)

БПЛА MQ-9 Reaper («Жнец») БПЛА MQ-9 Reaper («Жнец»)

Конечно в военной технике много беспилотных аппаратов имеющих привычные для нас очертания авиационной техники. Так американский самолет X-47B – полноценный БПЛА.

X-47B — многоцелевой ударный БПЛА производства компании Northrop Grumman. Беспилотник способен совершать взлёт и посадку, а также выполнять некоторые задачи без вмешательства оператора, используя возможности бортового компьютера.

БПЛА X-47B производит в полете дозаправку

Беспилотники армии России

Конечно самым известным беспилотником эпохи СССР является советский многоразовой орбитальный корабль-ракетоплан «Буран», совершивший беспилотный полет и посадку. Но этот беспилотник, давно затерялся во времени, и современное Российское авиастроение БПЛА ориентируется сейчас на передовой западный опыт.

Беспилотники всегда позиционировались как изделия двойного назначения, поэтому, в отсутствии российских производителей, особо серьезно стоит вопрос приобретения предприятиями нашей страны высокотехнологичных компонентов из западных стран, особенно в условиях постоянных санкций. Для решения вопроса вооружения армии современной техникой, в 2009 году Россия заключила с израильской компанией Israel Aerospace Industries (IAI) контракт на покупку беспилотных летательных аппаратов. А для уменьшения отставания в производстве беспилотной техники, в 2010 году российская компания «Оборонпром», входящая в состав госкорпорации «Ростехнологии», подписала с той же израильской компанией IAI контракт, по которому в России будет создано совместное предприятие по сборке беспилотных летательных аппаратов. По контракту израильская сторона поставляет комплектующие для сборки беспилотников и производит сервисное обслуживание изготовленных беспилотников. Стоимость контракта составила 400 миллионов долларов.

БПЛА «Форпост» аналог Израильского дрона Searcher

Но в стране производятся не только зарубежные аналоги. В середине 2012 года на предприятии «Специальный технологический центр» началось серийное производство комплекса воздушной разведки и наблюдения на беспилотном летательном аппарате «Орлан-10».

БПЛА «Орлан-10»

В Российской армии разнообразен ассортимент беспилотных аппаратов малого веса, применяемых для сбора разведывательных данных на местности.

Первенцем был БПЛА «Застава» – прототип БПЛА IAI Bird Eye 400 израильского производства – спроектированный на ОАО «Уральский завод гражданской авиации». Конструкция устройства была адаптирована под выполнение военных задач и оптимизирована в техническом плане, что обеспечило устройству высокие эксплуатационные характеристики. Но большую популярностью БПЛА «Застава» не получило, на сегодняшний день, используется лишь несколько единиц данной техники.

Силовую часть БПЛА «Застава» представляет электрический двигатель, который способен поддерживать полёт устройства до одного часа, при этом, максимальная скорость перемещения составляет 100 км\ч.

БПЛА «Застава»

Российский многофункциональный БПЛА модели «Гранат-4» обладает компактной конструкцией фюзеляжа. При длине в 2 метра 60 сантиметров, размахе крыльев 3 метра 20 сантиметров, при массе в 30 килограмм, модель очень простота в эксплуатации.

Лётно-технические характеристики БПЛА «Гранат-4»

БПЛА «Гранат-4»

С начала 2016 года отмечается использование в Сирии семидесяти российских беспилотных летательных аппаратов, в числе которых:

БПЛА «Форпост», БПЛА «Орлан» 10, БПЛА «Элерон-3», БПЛА «Пчела-1Т»,

БПЛА «Дозор-100», БПЛА «Орион».

Лётно-технические характеристики БПЛА «Дозор-100»

БПЛА «Дозор-100», производства АО «Кронштадт»

Лётно-технические характеристики БПЛА «Орион»

БПЛА «Орион», производства АО «Кронштадт»

«ВРТ-300» – российский многоцелевой беспилотный летательный аппарат двойного назначения, разработанный холдингом «Вертолёты России». Беспилотник первые был представлен на «МАКС-2017». Несмотря на высокотехнологичность этот летательный аппарат оказался недорогим. Планируется запуск серийного производства для активного применения дрона в гражданских сферах.

Лётно-технические характеристики БПЛА «ВРТ-300»

БПЛА «ВРТ-300»

Хотя по своим характеристикам некоторые БПЛА армии России уступают зарубежным аналогам. Развитие отрасли БПЛА в России идет нарастающими темпами. И есть уверенность, что в этой области, как в военной авиации, ракетостроении, танкостроении, Россия будет на первом месте.

Все фотографии к обзору взяты из открытых интернет-источников.

Источник

Беспилотные летательные аппараты на топливных элементах

Главная страница » Беспилотные летательные аппараты на топливных элементах

Интерес современной авиационной промышленности обращён к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). И такая тенденция прослеживается не только в направлении военных целей, но и в области коммерческой гражданской авиации. Для коммерческого использования видится актуальным моментом, чтобы беспилотные летательные аппараты обеспечивали длительное время полёта и быструю дозаправку. Ожидается в ближайшие несколько лет пополнение коммерческого рынка беспилотными летательными аппаратами от 250000 рабочих аппаратов в 2017 году, до 2 500 000 экземпляров к периоду 2021 года. Такая тенденция направляет специалистов на поиски эффективных источников питания БПЛА. И как отмечается, топливные элементы (ТЭ) беспилотных летательных аппаратов рассматриваются одним из приоритетных вариантов.

Питательная среда беспилотных летательных аппаратов

Независимо от двигателей внутреннего сгорания (поршневых, турбореактивных, турбовальных), применяемых в основном для беспилотников большого и среднего размера, таких как:

электрические двигатели или гибридные бензин-электрические (например, «Eagle Hero VTOL») используются в конструкциях мини дронов, обладающих максимальной взлётной массой менее 25 кг. Электрические двигатели мини БПЛА потенциально обещают снижение стоимости, устранение тепловой сигнатуры, уменьшение звукового следа, отсутствие выхлопных газов.

Современные литий-полимерные батареи дают относительно небольшую удельную энергию, ограничивая срок нахождения аппарата в воздухе временем не более 60 минут. Следовательно, попытки комбинировать батареи и топливные элементы в гибридных питающих установках видятся вполне объяснимым желанием.

Дроны некоммерческого пользования обычно приводятся в движение электрическими двигателями, получающими питание от аккумуляторных батарей. Однако всё чаще используются микроструйные и микротурбинные моторы. Военные структуры внимательно следят за разработками микротурбинного двигателя. Но этот тип движителей не удовлетворяет требованиям малых БПЛА, учитывая время полёта.

Эффективность двигательной установки БПЛА во многом зависит от типа установки:

Соответственно, напрашивается вывод — использование только батарейных движителей. Именно поэтому более 95% современных коммерческих конструкций БПЛА действуют на энергии батарей — литий-полимерных (Li-Po) или литий-ионных (Li-Ion).

Однако источник энергии, а также тип движителя, обеспечивающего лётные характеристики, находятся в прямой зависимости от всей системы. Следовательно, добавление батарей в систему не увеличивает время полёта и полезную нагрузку. Единственный способ нарастить временной отрезок – это повысить качество накопления энергии. Другими словами – нарастить удельную массу (Вт/кг) и объёмную удельную энергию (Вт/дм 3 ) батарей.

Массовая удельная энергия движителей разных БПЛА

Наилучшие значения удельной массы представлены жидким или сильно сжатым водородом. Эти значения намного лучше, чем для жидких углеводородных смесей:

Этим опять же подтверждается концепция, когда среди различных методов накопления электрической энергии, топливные элементы видятся лучшим решением. График, показывающий удельную энергию (электрическую) различных технологий хранения, включая топливные элементы, представлен на картинке ниже.

График удельной энергии: А – удельная мощность (Вт/кг); В – удельная энергия (Вт/ч/кг); 1 – ионисторы; 2 – литий-ион; 3 – никель-металл-гидрид; 4 – топливный элемент; 5 — свинец

Направление развития современных силовых установок БПЛА — использование гибридных систем, состоящих из батарей и топливных элементов. Обычно это комбинация батарей с высокой удельной энергией и водородных топливных элементов. Водородное топливо допустимо хранить на борту беспилотного летательного аппарата в баллонах под давлением или в виде химических соединений.

Существует также другая, более сложная замкнутая топливная система. В этом варианте водород вырабатывается непосредственно на борту дрона электролизёром с использованием электрической энергии от фотоэлектрических элементов. Правда, решение пока что находится на экспериментальной стадии.

Наиболее часто источниками энергии для беспилотников выступают Li-Po и Li-Ion аккумуляторы. Вероятно, в ближайшем будущем станут доступны более совершенные виды батарей, с более высокой плотностью энергии. Так, проводятся интенсивные исследовательские работы на литий-тионил-хлоридных батареях (Li-SOCl2), обладающих вдвое большей удельной массой, чем Li-Po.

Эти конструкции остаются пока что крайне дорогостоящими, но с развитием технологий цены обещают установиться на более доступный уровень. Можно привести также пример литий-воздушной (Li-air) или литий-серной батареи (Li-S), которые, как ожидается, смогут обеспечить плотность энергии ещё большую, увеличенную примерно в 7–10 раз.

Типы топливных элементов

Электроэнергию топливных элементов обычно получают из водорода и кислорода в результате электрохимической реакции. Реакция экзотермическая, дающая побочный эффект — воду. В топливном элементе химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию. Традиционное производство электроэнергии сопровождается поэтапным процессом преобразования энергии:

Существуют типы топливных элементов, не требующих водорода в качестве топлива. Эти элементы видятся интересными, но ограниченными под использование в движительных системах беспилотных летательных аппаратов. Можно условно разделить топливные элементы на категории, принимая во внимание, например:

Также в некоторых случаях возникают проблемы с продуктами электрохимической реакции топливного элемента (СО, сульфиды, галогениды), которые рассматриваются как загрязнение.

В случае мобильных приложений основным типом топливных элементов является протонообменная мембрана (PEM), называемая также полимерно-электролитно-мембранным топливным элементом (PEMFC), работающим на чистом водороде.

Этот вид топливных элементов обладает лучшими свойствами с точки зрения использования в беспилотных летательных аппаратах. Однако некоторые другие типы топливных элементов также интенсивно исследуются производителями БПЛА.

Таблица сравнения ТЭ по типу исполнения

допированный фосфорной кислотойВодородCO110 — 18050 — 60ТвердооксидныйТвердый иттрий-стабилизированный

цирконий (YSZ)Углеводородное

пропан)Сульфиды800 — 100055 — 65Расплавленный карбонатЖидкихе щелочные карбонаты

(Li2CO3, Na2со3, К2СО3)

(LiAlO2)МетанСульфиды, галогениды

сера600 — 70055 — 65Фосфорная кислотаКонцентрированная жидкостьВодородCO, H2S160 — 22036 — 45

Обычно применяются мембраны на основе PFSA (перфторсульфокислоты) с торговым наименованием «Nafion», выпускаемые «DuPont». Мембраны PEM являются наиболее подходящими по причине высокой гибкости. Преимущества топливных элементов PEM с точки зрения транспортных применений, среди прочего:

Анализируя различные виды топливных элементов, можно констатировать: потенциальная возможность применения топливных элементов для тяги беспилотных летательных аппаратов зависит от уровня технологической зрелости и баланса преимуществ и недостатков.

Перспективные конструкции ТЭ для беспилотников

Из представленных топливных элементов, наиболее перспективными являются:

Одним из наиболее перспективных вариантов выступает щелочной топливный элемент (AFC), но использование этого типа ограничено специальными применениями, например, космической программой НАСА. В случае твердооксидного ТЭ гибкость более обширна. Несмотря на высокую рабочую температуру, проведено несколько испытаний этого источника энергии для тяги беспилотных летательных аппаратов.

Возможность использования углеводородного топлива очень привлекательна, но всё ещё очень сложна в реализации. Прямой углеродный топливный элемент обладает более высоким электрическим КПД — 70–90%, но в настоящее время является источником энергии только под стационарные применения.

Другими факторами потенциального использования топливных элементов для приводов беспилотных летательных аппаратов являются:

Очень важным, особенно для военных применений, видится быстрый запуск и динамическое реагирование на спрос энергии. Здесь лучшая производительность представлена устройством типа LTPEM, благодаря низкотемпературной работе. Особое внимание следует уделить трём типам топливных элементов, которые в настоящее время применяются или испытываются в качестве источника энергии беспилотных летательных аппаратов:

Тихая работа топливных элементов и низкое тепловыделение (низкая акустическая и тепловая трассировка) являются очень желательной характеристикой. Такая характеристика делает этот источник тяги БПЛА выгодным по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и хорошо приспособленным к скрытой природе беспилотных летательных аппаратов.

Силовые установки являются относительно сложными, содержат:

Электроникой обеспечивается надлежащий заряд батареи и оптимальное использование энергии для максимальной эффективности электрических двигателей винтов и продолжительности полета БПЛА.

На современном уровне технологического состояния отсутствие буферных батарей представляется невозможным по соображениям безопасности. Здесь следует упомянуть в основном Li-Po, Zinc-Air, Li-Air батареи.

Сравнение пяти различных силовых установок БПЛА, представленных на рисунке 3, показывает, что силовая установка PEMFC на сжатом водороде обладает наибольшим потенциалом выносливости и дальности полёта беспилотного аппарата.

Принципы работы топливных элементов

Схемы ТЭ вырабатывают электричество непосредственно из химической энергии с использованием электрохимической реакции. Эффективность такого преобразования выше или на уровне наиболее эффективных двигателей внутреннего сгорания.

Рабочее напряжение и ток зависят от количества элементов батареи. Максимальный ток определяется площадью поперечного сечения каждого элемента, определяющего способность накопления энергии батареи топливных элементов. Для правильной работы топливного стёка требуется вспомогательное оборудование, так называемый «баланс завода», и это оборудование делает конструкцию более сложной и утяжелённой.

Название каждой разновидности ТЭ происходит от источника водорода и типа электролита, который используется. Топливным элементом используется химическая энергия от внешних источников — водорода и кислорода, взятых обычно из окружающего воздуха.

Внутри топливного элемента горения нет — окисление водорода осуществляется электрохимическим способом, когда атомы водорода вступают в реакцию с атомами кислорода, образуя воду. Во время этого процесса освобождённые электроны, протекающие через внешнюю цепь, создают электрический ток. Размерность ТЭ допускает, как миниатюрное исполнение на производство нескольких ватт мощности, так и габаритное исполнение под производство мегаватт мощности.

Структурная схема установки: 1 – водород; 2 – кислород; 3 – топливная ячейка (PEM); 4 – контроллер; 5 – преобразующая электроника; 6 – мотор постоянного тока; 7 – вал мотора; 8 — пропеллер

Все топливные элементы состоят из двух электродов, разделенных твёрдым или жидким электролитом, несущим электрически заряженные частицы. Для ускорения реакций, на электродах часто используется катализатор.

Эффективность силовой установки БПЛА на топливных элементах

Приблизительные значения, включая также эффективность различных топливных элементов, применяемых в беспилотных летательных аппаратах, показаны в таблице 2. Видно, что свойства топливных элементов в области эффективности относительно высоки. Однако если принять во внимание эффективность всей системы движения беспилотного летательного аппарата, результаты отмечаются на уровне существенно худшем.

Таблица: свойства ТЭ, используемых в конструкциях современных БПЛА

В целом, как и в «классических» системах, содержащих двигатель внутреннего сгорания, движитель топливного элемента имеет сравнительно низкий общий КПД.

Принимая во внимание полную цепочку преобразования энергии, общая эффективность достигает 25–30%, как это показано на рисунке 8. Однако на этом уровне двигательная установка является многообещающей благодаря упомянутым характеристикам, таким как, например, низкий акустический и тепловой след БПЛА.

Водород в настоящее время является основным топливом для БПЛА, работающих на топливных элементах, но низкая плотность водорода при стандартных условиях (0,089 кг / м3) влияет на вопросы эффективного хранения, что является существенной проблемой для БПЛА;

Способы хранения водорода

Наиболее естественным способом хранения водорода является сжатие. Этот метод требует использования относительно легких композитных бутылок, выдерживающих давление около 70–80 МПа. Другими альтернативными методами являются хранение водорода в сжиженном состоянии, требующее, однако, криостатических сосудов и выделения водорода из химических соединений. Например, водный раствор NaBH4;

Следующие важные вопросы топливных элементов требуют решения:

Управление водой особенно связано с PEM, построенным из сульфатированных фторполимерных мембран (например, типа «Nafion»). Хорошая гидратация является условием правильной работы этих мембран. Высушенная мембрана обладает высоким электрическим сопротивлением, что приводит к большим потерям и тепловыделению. Это причина, почему применяется увлажнение газов, участвующих в химической реакции в топливных элементах;

Беспилотные летательные аппараты, работающие на водородных топливных элементах, имеют преимущество перед дронами, приводимыми в действие батареями. Для первых длительность полёта ограничена только подачей водорода, но необходимость периодической дозаправки всё еще остается актуальной.

Методы хранения топлива влияют на возможности дронов заправляться, что особенно важно для военных применений, где в полевых условиях быстрая дозаправка может иметь важное значение в успехе миссии. Сравнение выбранных методов хранения водорода представлено в таблице 3, где данные по физическим свойствам хранимого водорода не включают объем и массу бака и всей топливной системы.

Пример использования ТЭ на малых БПЛА

Типичным примером современных эффективных систем подачи на основе сжатого водорода может быть топливный элемент H1 мощностью 1800 Вт, разработанный китайскими специалистами. Эта система топливных элементов предназначена для беспилотных летательных аппаратов с длительным сроком службы и применяется, в частности, к мультикоптеру HyDrone 1550 MMC. Согласно заявлению производителя, топливный элемент H1 позволяет профессиональным беспилотникам оставаться в воздухе до 150 минут.

Набор «H1» — система топливных элементов — реально работающий тандем (ТЭ + баллон с водородом), который используется в конструкции беспилотного летательного аппарата

Представленная на картинке разработка включает в состав несколько основных элементов:

Блок топливных элементов состоит из 60 графитовых пластин, охлаждаемых четырьмя управляемыми вентиляторами. Система хранения состоит из баллона сжатого водорода с оборудованием — воздушным клапаном и датчиком высокого давления. Система управления состоит из двух электромагнитных клапанов, датчика низкого давления, радиоприёмника и персонального компьютера.

Специалисты MMC заявляют о времени действия этой системы до 1000 часов, а также относительно защиты от низкого ( 37 МПа) давления водорода. Комплект топливных элементов вместе с баком сжатого водорода показан на рисунке 11. Выбранные параметры системы H1-топливный элемент MMC представлены в таблице 4.

Выводы на современные беспилотные летательные аппараты

Большое внимание, уделяемое топливным элементам как источнику движения будущих беспилотных летательных аппаратов, оправдано результатами работ, проводимых научно-исследовательскими центрами авиационной промышленности. Большой интерес и финансовые затраты, которые несут авиационные гиганты – «Boeing» или «Lockheed Martin», ведущие исследования в сотрудничестве с НАСА и DARPA, кажутся симптоматичными.

Испытания проводятся обычно на существующих ранее проверенных беспилотных летательных аппаратах, оснащенных экспериментальной технологией топливных элементов. Многие фирмы, основанные специально для производства беспилотных летательных аппаратов, вносят свой вклад в развитие их двигательных установок, включая топливные элементы.

Тенденция к использованию гибридных силовых установок, состоящих из топливных элементов и батарей или топливных элементов и тепловых двигателей (не упомянутых в этой статье), носит временный характер. Ограничения по времени — до тех пор, пока не будут разработаны надёжные системы топливных элементов.

Отмечается ряд проблем, связанных с применением топливных ячеек для питания дронов, требующих решение:

При помощи информации: PK

КРАТКИЙ БРИФИНГ

Источник