Чтобы расширить границы летных характеристик дронов, батареи должны стать меньше и легче. В случае показателей удельной мощности, похоже, что мы уже достигли определенного предела. Литий-полимерные (Li-Po) и литий-ионные (Li-ion) элементы батареи стали очень маленькими и доступными, в основном благодаря индустрии мобильных телефонов. Это привело к их широкому применению, и сегодня справедливо будет сказать, что подавляющее большинство коммерческих беспилотников в качестве источника питания используют батареи (~ 96%).

Но простое добавление батарей в систему не приведет к увеличению времени полета и полезной грузоподъемности, которую вы ищете. Что теперь? С учетом нынешнего состояния конкретных видов энергии, есть несколько вещей, которые необходимо учитывать для достижения более высокой полезной грузоподъемности и более продолжительного времени полета:

Удельная энергия на массу (количество мощности [Втч] на единицу массы [кг]) и удельная энергия на объем (количество мощности [Втч] на единицу объема [л]).

Сведение этой задачи только к источнику энергии было бы неправильным, так как вся система (источник энергии + двигательный комплекс) влияет на летные характеристики. Источник с чрезвычайно высокой плотностью энергии (например, керосин или H2) не поможет, если двигательный комплекс (например, турбина или топливный элемент) очень тяжелый и перевешивает сэкономленную энергию.

Коэффициенты эффективности двигательных комплексов также сильно различаются: в то время как система с питанием от батареи преобразует 73% энергии в движение, топливный элемент обеспечивает 44%, а двигатель внутреннего сгорания - только 39%.

Другим фактором, влияющим на выбор источника энергии, является предполагаемая миссия. Должен ли будет дрон летать на очень большие расстояния или перевозить грузы большой массы? Собирается ли дрон летать в ограниченном радиусе или дальше и над облаками? Эти вопросы оказывают сильное влияние на принятие решения об источнике энергии, поскольку они подразумевают очень разные варианты работы.

Принятие во внимание двигательного комплекса, миссии и необходимости увеличения плотности энергии возвращают нас к источникам энергии. Приведенный ниже график в двойном логарифмическом масштабе показывает удельные плотности энергии на источник.

Источники Энергии Дронов

Батареи

Да, снова батареи. Хорошая вещь в батареях это их инфраструктура: их можно заряжать где угодно, в большинстве случаев их можно транспортировать без ограничений, ничего не проливается и не воспламеняется, а «дозаправка» осуществляется легко, путем замены блоков батарей.

Литий-полимерные (Li-Po) и литий-ионные (Li-ion) батареи являются наиболее распространенными источниками энергии для дронов, но это не означает, что путешествие заканчивается здесь. Литий-тионил-хлоридные батареи (Li-SOCl2) обещают в 2 раза более высокую плотность энергии на килограмм по сравнению с литий-полимерными батареями, а плотность энергии литий-оксидных батарей (Li-air) обещает быть почти в 7 раз выше. Тем не менее, они не являются широко доступными, что связано с определенными расценками. Литий-серные батареи (Li-S) могут заменить литий-ионные элементы по причине их более высокой плотности энергии (коэффициент 1,8) и снижения затрат от использования серы.

Водородные Топливные Элементы

Эти топливные элементы поразительны: нет прямого загрязнения, нет звука, и они питаются от чрезвычайно мощного источника: H2. Сравнивая жидкий Н2 с плотностью энергии [Вт/кг] Li-Po-батареи, мы видим, что коэффициент между ними составляет 150! Уже одной этой причины достаточно, чтобы вывести на рынок беспилотные летательные аппараты на водородном топливе.

Одной из компаний, стремящихся воспользоваться этими возможностями, является Protonex, дочерняя компания Ballard Power Systems- разработчика топливных элементов, находящегося в Барнаби. Недавно они передали свои топливные элементы с протонообменной мембраной (PEM) Insitu – дочерней компании американского аэрокосмического гиганта Boeing, которая производит долговечные беспилотные летательные аппараты военного и промышленного класса, например, «Phantom Eye» или «ScanEagle». ,

Объединение H3 dynamics и HES Energy Systems, которое является сотрудничеством между ST Aerospace, DSO, HES Energy Systems и FSTD Singapore, привело к техническому прорыву в системах, работающих на твердом водороде. Поэтому компания H3 Dynamics, разработчик робототехнических технологий, объявила о выпуске «Hywings», запускаемого вручную беспилотника, способного выдерживать 10-часовую продолжительность полета и дальность до 500 км.

Hycopter от Horizon Unmanned Systemдостигает четырех часов полета без полезной нагрузки и 2,5 часа полета с полезной нагрузкой весом в 2 фунта. Этот беспилотник использует свою «полую» структуру для хранения энергии в форме водорода вместо воздуха, полностью исключая вес запасов энергии.

MicroMulticopter Aero Technology, Co. Ltd.. (MMC) занимается коммерциализацией водородных топливных элементов для дронов, называемых «топливными элементами H-1». Кроме того, «HyDrone 1550» - это первый в мире беспилотник на водородной основе, разработанный и изготовленный компанией MMC.

Корейская компания Hylium Industries, Inc.разрабатывает беспилотники с 4-часовым временем полета; модель «H2Quad-1000» от находящейся в Монреале EnergyOr достигает 2 часов полета с полезной нагрузкой весом в 1 кг.

Intelligent Energy также продает беспилотники на топливных элементах и ​​заявляет: «Системы топливных элементов с воздушным охлаждением Intelligent Energy работают на водороде и окружающем воздухе, чтобы производить чистый постоянный ток в простом, экономичном, прочном и легком корпусе. Они имеют более высокое отношение энергии к массе, чем системы на батарейках, и могут заправляться за несколько минут ».

Metro skyways Ltd, дочерняя компания Urban Aeronautics, объявила в апреле 2017 года, что компания разрабатывает четырехместную, работающую на водороде, летающую машину VTOL, под названием «CityHawk».

Бензин, Керосин, Метанол, Этанол, СНГ(пропан)

Есть много хорошо зарекомендовавших себя бензиновых решений, и некоторые из них с замечательными летными характеристиками. Беспилотник «Penguin C» от UAV Factory может пролететь более 20 часов на одном полном баке бензина, а «CAMCOPTER S-100» от Siebel - 6 часов.

Еще одним преимуществом, когда речь идет о выносливости, является то, что БПЛА работающие на бензине с течением времени полета теряют вес, делая платформу легче и, следовательно, увеличивая дальность полета.

Прелесть этого источника энергии заключается в сочетании высокой удельной энергии на массу [Вт/кг] и высокой удельной энергии на объем [Вт/л]. По сравнению с литий-полимерными батареями, бензин в 48 раз увеличивает массовую плотность и в 13 раз объемную плотность энергии. Кроме того, двигатели внутреннего сгорания характеризуются прочностью, небольшим размером, легким весом и имеют хороший удельный расход топлива.

Газоэлектрические Гибриды

Яркими примерами являются гибридные газоэлектрические двигатели от Pegasus Aeronautics, базирующейсяся в Ватерлоо, Онтарио, или YEAIR из Берлина, Германия. Оба сочетают в себе быструю реакцию электродвигателя с преимуществами полета на бензине.

Солнечная Энергия

В последние годы солнечные элементы повысили свою эффективность с 10% до почти 46% и достигли коэффициента мощности около 175 Вт/м2. Для снабжения беспилотника исключительно солнечной энергией требуется большая поверхность, например, верхняя часть крыла. Такие крылья смогут очень хорошо работать в качестве элемента увеличения дальности полета для многороторных дронов.

OpenRobotix Labs разрабатывает воздушный марсоход, а также они также создали «XSOL-E1» - квадрокоптер на солнечной энергии. Представитель компании отметил, что время полета «зависит от многих факторов, но, как правило, мы можем продлить 15-минутный полет до 40–45 минут, используя технологию Solar Assist».

«Zephyr» от Airbus - это высотный псевдоспутник (HAPS), который своим потенциалом заполняет пробел между возможностями спутников и беспилотников. Он работает исключительно на солнечной энергии и летает над уровнем облаков и коммерческим воздушным движением, достигая уровня высоты до 70000 футов. Проект «Solar Eagle» от Boeing был отменен в 2012 году.

Технологические компании Силиконовой долины изучают потенциал беспилотников на солнечной энергии: компания Facebook добилась ощутимых результатов со своим «Aquila» HALE-БЛА, который она использует, чтобы доставить Wi-Fi в сельские районы, а Google X сделал шаг в сторону «солнца» с помощью своего теперь, теперь уже не функционирующего Titan.

Солнечные гибриды

Солнечные Гибриды (солнечная батарея + обычная батарея) достигают удивительной выносливости. Alta Devices и PowerOasis объявили, что «сотрудничают в целях разработки первого в мире эталонного проекта, использующего интегрированные системм питания от солнечных батарей и литий-ионных батарей для небольших беспилотников». Модель архитектуры будет ориентирована на 2-4 метра (6,5-13 футов) в размахе беспилотника с использованием литий-ионных батарей 5s-7s. Дата релиза дизайна модели - конец 2017 года.

Привязные системы предоставляют «неограниченное» время полета в небольшом радиусе, что идеально подходит для наблюдения и разведки. Система троса «T1» от MMC поддерживает большинство дронов, таких как «TDrone 1200» от MMC, «Matrice 600» от DJI, «S1000»от DJI, «Typhoon H» от Yuneec, «Falcon 8+»от Intel, Микродроны «md4-1000» и много других. Есть похожие проекты от Bluevigil, Elistair, Drone Aviation Corp и SPH Engineering.

Супер/Ультра-конденсаторы

Вознесет ли графен на новые высоты SuperCaps? В феврале 2015 года General Electrics спонсировала исследовательские работы в области суперконденсаторов. Первичные энергоресурсы, такие как двигатели внутреннего сгорания, топливные элементы и батареи, хорошо работают в качестве непрерывного источника малой мощности, но не могут эффективно справляться с пиковыми потребностями в энергии или восстанавливать энергию, поскольку они разряжаются и медленно перезаряжаются. Суперконденсаторы обеспечивают быстрые выбросы энергии при пиковых потребностях в ней, а затем быстро накапливают энергию и захватывают избыточную мощность, которая в противном случае была бы потеряна.

Кажется, что конденсаторы сильно отстают от батарей в отношении плотности энергии, но они являются отличным средством для улучшения гибких газоэлектрических гибридных конфигураций.

Лазер

Компания Laser Motive разработала технологию силовой связи БПЛА, в которой беспилотники оснащены приемником-преобразователем лазерного пучка в энергию. В 2012 году Локхид Мартин при содействии Laser Motive представил беспилотник «Stalker», который непрерывно летал 48 часов с использованием лазерной системы зарядки. Том Кунс, руководитель программы Stalker, сказал: подобная система подзарядки «земля-воздух» позволяет нам обеспечивать практически неограниченную продолжительность полета, чтобы расширять и расширять профили миссии, которые может выполнять движок Stalker».

Немецкие Ascending Technologies вместе с Laser Motive подтвердили эффективность этой технологии еще в 2010 году на небольшом беспилотном квадрокоптере, полетом в течение 12 часов.

Подведение итогов

Все источники энергии беспилотных летательных аппаратов имеют свои индивидуальные преимущества, делающие специфической полезность каждой миссии. Гибридные решения (источник энергии двигательный комплекс) соответствуют переходу к более чистым видам энергиям. Сегодня разумным шагом будет отобрать лучшее из двух миров, поскольку гибриды позволяют компенсировать недостатки каждой технологии. Более того, такое решение позволит увидеть, куда движутся другие отрасли (например, автомобильная), поскольку они являются хорошими «тиражниками», когда речь заходит о будущем снижении затрат благодаря массовому производству и наличию инфраструктуры.

На российском рынке представлены несколько производителей топливных элементов, одна из них компания BMPower (Москва).

Компания стала работать на рынке с 2017 года и реализовала уже более 20 пилотных и коммерческих проектов. Один из них – первый в мире водородный вертолет (30кг взлетная масса, полезная нагрузка до 5кг) с временем полета до трех часов. Отличительной чертой продукта компании BMPowerявляются топливные элементы, способные работать в экстремальных условиях до -40С. Сейчас у компании широкая сеть технологических партнеров в разных странах мира – Великобритания, Израиль, США, Бразилия. В декабре 2018 BMPower принимала участие в международном конкурсе IPIEC-GLOBAL 2018 и заняла двенадцатое место среди 300 компаний участников и третье место в интернет-голосовании.

Источник:  по материалам  https://www.droneii.com/