ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Уразбахтин Р.Р.

Студент,

Уфимский Государственный Авиационный Технический Университет

ДВИГАТЕЛИ ДЛЯ БЕСПИЛОТНЫХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ

Аннотация

В данной статье объясняется преимущество использования электродвигателей на беспилотных летательных аппаратах перед использованием двигателей внутреннего сгорания. Также в статье указываются особенности конструирования силовой установки, состоящей из электродвигателей, для беспилотных летательных аппаратов, функционирующих на высотах около восемнадцати тысяч метров, и рассматриваются преимущества и недостатки бесколлекторных электродвигателей, которые на сегодняшний день чаще всего применяются на беспилотных летательных аппаратах.

Ключевые слова: беспилотные летательные аппараты, электродвигатели, силовая установка, бесколлекторные электродвигатели.

Urazbakhtin R.R.

Student,

Ufa State Aviation Technical University

ENGINES FOR UNMANNED AERIAL VEHICLES

Abstract

This article explains the advantage of using electric motors for unmanned aerial vehicles before the use of internal combustion engines. The article also identifies the features of construction of the propulsion system consisting of electric motors for unmanned aerial vehicles, operating at altitudes of about eighteen thousand meters, and discusses the advantages and disadvantages of brushless motors, which today are most often used on unmanned aerial vehicles.

Keywords: unmanned aerial vehicles, electric motors, propulsion system, brushless motors.

На данный момент остается актуальной проблема создания беспилотного летательного аппарата (БПЛА) без двигателя внутреннего сгорания, который обладал бы аналогичными техническими характеристиками, при этом превосходя свой аналог по некоторым параметрам. Такой аппарат должен соответствовать высоким требованиям маневренности, скорости полета и надежности.

Существующие образцы такого рода БПЛА несовершенны. Их основными недостатками являются:

1. низкая скорость полета;
2. сложная система управления полетом;
3. высота полета около 8-12 тысяч метров;
4. небольшой вес полезной нагрузки, устанавливаемой на БПЛА.

В настоящее время приведенные выше проблемы можно решить, если для БПЛА правильно подобрать электродвигатели и систему управления электродвигателями.

Применение электродвигателей на БПЛА обусловлено рядом причин. Во-первых, у современных электродвигателей высокий коэффициент полезного действия (в случае применения бесколлекторного двигателя фактически может достигать 95%). Во-вторых, электродвигатели весят значительно меньше, чем аналогичные по характеристикам двигатели внутреннего сгорания. Более того, к электродвигателю не требуется подводить топливо для обеспечения его функционирования. Это расширяет возможности конструирования БПЛА, ведь не требуется предусматривать размещение в корпусе БПЛА топливопроводов. Стоит отметить, что электродвигатель и система его питания (аккумуляторная батарея) менее взрывоопасна, чем аналогичная система с двигателем внутреннего сгорания. В-третьих, электродвигатели практически не испускают теплового излучения, поэтому БПЛА с электродвигателями трудно обнаружить тепловым радаром. Это расширяет возможности его применения в разведывательных целях.

В большинстве случаев предполагается, что БПЛА будет функционировать на высоте около 18000 тысяч метров, для того чтобы исключить возможность взаимодействия БПЛА с судами гражданской авиации. В результате испытаний одного из современных БПЛА были выявлены некоторые особенности полета данного аппарата на рассматриваемых высотах.

Изначально компания ARCA предполагала оснащать свои БПЛА AirStrato двумя электрическими двигателями. В ходе испытаний были сделаны выводы о недостаточной мощности применяемой силовой установки. В дальнейшем прототип получил четыре электродвигателя, что также оказалось недостаточным для функционирования на высоте 18 тысяч метров. Последний опытный образец БПЛА, а после него и другие модификации родственных БПЛА, получили силовую установку с шестью электродвигателями. В настоящее время БПЛА этой фирмы Explorer и Pioneer, практически готовые к серийному производству, планируется оснащать шестью электродвигателями Robbe 8085/10, которые предусмотрено расположить у задней кромки крыла. На этих двигателях устанавливаются толкающие винты.

По данным, полученным в результате испытаний прототипов БПЛА AirStrato, причиной для доработок силовой установки стала специфика работы воздушных винтов на больших высотах. Мощность электрических двигателей, установленных на опытных образцах, не зависит от высоты полета БПЛА. При полете на высоте до 9 тысяч метров воздушные винты сохраняют свою эффективность. То есть, фактические характеристики БПЛА на высотах до 9 тысяч метров совпадают с расчетными характеристиками. При дальнейшем увеличении высоты эффективность винтов заметно падает. Таким образом, для обеспечения требуемых характеристик при полете на высоте, близкой к максимально возможной, БПЛА должен оснащаться большим количеством электродвигателей с толкающими винтами.

БПЛА, в которых в качестве силовой установки используются электродвигатели, питающиеся от аккумуляторов, являются перспективной разработкой с точки зрения экологии. Объясняется это тем, что при функционировании таких БПЛА не происходит вредных выбросов в атмосферу, обусловленных сгоранием топлива.

Преимущество использования электродвигателей на БПЛА заключается также в том, что существует возможность обеспечить питание электродвигателей за счет энергии, накапливаемой солнечными батареями. На данный момент в пример такого БПЛА можно привести БПЛА «Сова», разработанный компанией «Тайбер». Построенные по подобной схеме БПЛА в дальнейшем смогут совершать полеты, длительность которых будет ограничена лишь техническим состоянием БПЛА.

Стоит обратить внимание на то, что если у БПЛА электродвигатели располагаются на крыльях возможно применение технологии «гибкое крыло». Особенностью такой технологии является то, что на крыле отсутствую привычные механизмы, отвечающие за изменение направления полета БПЛА и контроль скорости полета БПЛА. Маневрирование и изменение скорости БПЛА (например, при посадке) осуществляется за счет изменения геометрии крыла. Преимущество данной технологии заключается в том, что при маневрировании или изменении скорости крыло сохраняет обтекаемую форму. Применение технологии «гибкое крыло» трудноосуществимо при использовании двигателей внутреннего сгорания, ведь при установке двигателей внутреннего сгорания на крыле необходимо обеспечить к ним подвод топлива. При использовании «гибкого крыла» подвести топливо к двигателю, расположенному на крыле, практически не осуществимая задача. Если в таком случае использовать электродвигатель, работающий за счет того, что на него по проводам подается электрический ток от аккумулятора, трудностей для использования «гибкого крыла» не будет.

Стоит остановиться на том, какие конкретно электродвигатели применяются на современных БПЛА.

В применении на БПЛА широкое распространение получили бесколлекторные электродвигатели. Бесколлекторные электродвигатели также называют вентильными.

Конструктивно бесколлекторный двигатель состоит из ротора с постоянными магнитами и статора с обмотками. Стоит отметить, что в коллекторном двигателе обмотки находятся на роторе. Поэтому, далее в тексте ротор – элемент электродвигателя с постоянными магнитами, статор –элемент двигателя, на котором располагаются обмотки. Управление бесколлекторным электродвигателем на БПЛА осуществляется за счет электронного регулятора.

Использование бесколлекторного электродвигателя на БПЛА обусловлено рядом причин. В конструкции бесколлекторного электродвигателя отсутствует коллектор, за счет чего конструкция электродвигателя существенно упрощается. В связи с этим бесколлекторный электродвигатель также обладает меньшими весом и размером, чем аналогичный электродвигатель с коллектором. У бесколлекторного электродвигателя выше коэффициент полезного действия и показатель мощности на килограмм собственного веса, чем у электродвигателя с коллектором. Более того у бесколлекторного электродвигателя шире диапазон скорости вращения винтов, что обеспечивает более широкие возможности для пилотирования БПЛА и соответственно обуславливает расширение характеристик БПЛА. Немаловажно для БПЛА то, что фактически бесколлекторные электродвигатели греются меньше, чем электродвигатели с коллекторами. Бесколлекторные электродвигатели практически не создают радиопомех и соответственно практически не влияют на функционирование бортового оборудования.

Преимуществом бесколлекторного электродвигателя также является то, что он может быть намного меньших размеров, чем электродвигатель с коллектором, потому что возможно применение мощных и небольших неодимовых магнитов на роторе.

Единственным недостатком бесколлекторного электродвигателя считают сложный дорогостоящий электронный блок управления (электронный регулятор), за счет которого происходит управление количеством оборотов двигателя.

За счет того, что у бесколлекторного электродвигателя высокий коэффициент полезного действия, достигается большая продолжительность полёта БПЛА. Высокие значения крутящего момента бесколлекторного электродвигателя позволяют отказаться от использования редуктора и обеспечивают возможность использования непосредственного соединения двигателя и пропеллера, что способствует уменьшению веса БПЛА и соответственно позволяет устанавливать на БПЛА больше дополнительного оборудования.

Как было сказано ранее, бесколлекторные электродвигатели не имеют коллектора, точнее щеточно-коллекторного узла, в котором щетки и пластины коллектора непрерывно размыкаются, что вызывает искрение, приводящее к потерям и создающее радиопомехи. Коэффициент полезного действия бесколлекторных электродвигателей выше, чем у электродвигателей с коллектором потому, что в электродвигателе с коллектором щётки постоянно трутся о коллектор, изнашиваются и подгорают, ухудшая токопропускную способность щеточно-коллекторного узла, что влечёт за собой уменьшение мощности двигателя. Стоит отметить, что часть мощности электродвигателя с коллектором тратится на преодоление трения между щётками и коллектором. Отсутствие щеточно-коллекторного узла у бесколлекторного двигателя позволяет  на практике достичь значения коэффициента полезного действия 95%. Отсутствие щёток и коллектора упрощают обслуживание двигателя, в связи с тем что отсутствует необходимость периодически менять щётки и чистить коллектор используемого электродвигателя. Ресурс бесколлекторного двигателя в основном зависит от подшипников ротора. За счет этого достигается высокая надёжность двигателя.

На сегодняшний день существует большое количество бесколлекторных электродвигателей, поэтому существует возможность подобрать электродвигатель для данного БПЛА, соответствующий желаемым характеристикам БПЛА. То есть бесколлекторный электродвигатель для БПЛА подбирается исходя из предполагаемых массы БПЛА, скорости полета, длительности полета, энергопотребления бесколлекторного электродвигателя и размеров бесколлекторного электродвигателя (обуславливаются конструкцией БПЛА).

Итак, в настоящее время ведется разработка БПЛА, которые смогут выполнять определенные задачи, не представляя при этом опасности для жизни человека. На этих БПЛА разумна установка бесколлекторных электродвигателей, потому что они во многом превосходят существующие двигатели внутреннего сгорания с аналогичными характеристиками. Более того, бесколлекторные электродвигатели расширяют возможности для дальнейшего проектирования БПЛА и позволяют создавать БПЛА, способные функционировать на желаемых высотах желаемое количество времени.

Список литературы / References

1. Уразбахтин Р. Р. Беспилотные летательные аппараты на солнечных батареях / Р. Р. Уразбахтин // Электротехнические комплексы и системы. – 2016. – С. 85–88.
2. Микеров А. Г. Управляемые вентильные двигатели малой мощности: Учебное пособие / А. Г. Микеров. – Санкт-Петербург : СПбГЭТУ, 1997. – 64 с.
3. Полковников В. А. Электропривод летательных аппаратов : учебное пособие для авиационных вузов / В. А. Полковников, Б. И. Петров, С. Е. Рывкин. – 3-е изд. – Москва: МАИ, 2009. – 304 с.
4. Кацман М. М. Электрические машины / М. М. Кацман. – 2-е изд. — М.: Высшая школа, 1990. — 463 с.
5. Рэндал У. Биард Малые беспилотные летательные аппараты: теория и практика / У. Биард Рэндал, У. МакЛэйн Тимоти. — Москва: Техносфера, 2015. — 312 с.
6. ARCA Space Corporation [Электронный ресурс] – URL: http://www.arcaspace.com/ (дата обращения: 20.01.2017).
7. Defence Blog [Электронный ресурс] – URL: http://defence-blog.com/ (дата обращения: 21.01.2017).
8. Проект беспилотных летательных аппаратов ARCA AirStrato (Румыния/США) [Электронный ресурс] – URL: https://topwar.ru/74192-proekt-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov-arca-airstrato-rumyniya-ssha.html (дата обращения: 21.01.2017).

Список литературы на английском языке / References in English

1. Urazbakhtin R. R. Bespilotnye letatel'nye apparaty na solnechnyh batarejah [Unmanned aerial vehicles working on the solar cells] / R. R. Urazbakhtin // Jelektrotehnicheskie kompleksy i sistemy [Electrotechnical complexes and systems]. – 2016. №8. P. 85–88. [in Russian]
2. Mikerov A. G. Upravljaemye ventil'nye dvigateli maloj moshhnosti: Uchebnoe posobie [Managed PMM low power: a tutorial] / A. G. Mikerov. – Sankt-Peterburg : SPbGJeTU, 1997. – 64 p. [in Russian]
3. Polkovnikov V. A. Jelektroprivod letatel'nyh apparatov : uchebnoe posobie dlja aviacionnyh vuzov [Electric aircraft : a textbook for aviation universities] / V. A. Polkovnikov, B. I. Petrov, S. E. Ryvkin. – 3rd edition. – Moskva: MAI, 2009. – 304 p. [in Russian]
4. Kacman M. M. Jelektricheskie mashiny [Electrical machines] / M. M. Kacman. – 2nd edition. — M.: Vysshaja shkola, 1990. — 463 p. [in Russian]
5. Rjendal U. Biard Malye bespilotnye letatel'nye apparaty: teorija i praktika [Small unmanned aerial vehicles: theory and practice] / U. Biard Rjendal, U. MakLjejn Timoti. — Moskva: Tehnosfera, 2015. — 312 p. [in Russian]
6. ARCA Space Corporation [Electronic resource] – URL: http://www.arcaspace.com/ (accessed: 20.01.2017).
7. Defence Blog [Electronic resource] – URL: http://defence-blog.com/ (accessed: 21.01.2017).
8. Proekt bespilotnyh letatel'nyh apparatov ARCA AirStrato (Rumynija/SShA) [The project unmanned aerial vehicles AirStrato ARCA (Romania/USA)] [Electronic resource] – URL: https://topwar.ru/74192-proekt-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov-arca-airstrato-rumyniya-ssha.html (accessed: 21.01.2017). [in Russian]