CC BY
432
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070 Список используемой литературы:
1. Северин Н.Н., Радоуцкий В.Ю., Ковалева Е.Г., Литвин М.В. Общая характеристика системы профессиональной подготовки сотрудников ГПС МЧС России // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2011. №2. С.179-183.
2. Северин Н.Н., Дамаев Е.В. Педагогическая технология формирования профессионализма у сотрудников ГПС МЧС России // Ученые записки университета им. П.Ф. Лесгафта. 2011. № 10 (80). С. 166-170.
3. Федеральный закон от 27 июля 2006 №149 - ФЗ “Об информации, информационных технологиях и о защите информации ” Собрание законодательства Российской Федерации 2006. №12 ст. 134.
4. Шаптала В.Г., Радоуцкий В.Ю., Шаптала В.В. Системы информационной поддержки принятия управленческих решений при ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций органами управления ВУЗа // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012.№ 4. С. 188-191.
5. Система СПО ИАП с встроенным программным модулем “Сбора информации о состоянии безопасности объектов надзора по результатам надзорной деятельности в области гражданской обороны и защиты населения и территорий от чрезвычайных ситуаций техногенного характера” // Отчет НИР / Новосибирский филиал НИИ ВДПО. Новосибирск. 2009.
6. Тонкие клиенты и терминальные технологии - экономичные решения для бизнеса. Режим доступа: http://tonk.com.ua
7. “Норма: Терминальные решения.” Режим доступа: http://www.norma-ts.ru
8. Ковалева Е.Г., Радоуцкий В.Ю., Северин Н.Н. Концептуальные основы, определяющие эффективное функционирование системы профессиональной подготовки сотрудников ГПС МЧС России // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2012. №1. С. 190-194.
9. Административный регламент Министерства Российской Федерации по делам гражданской обороны, чрезвычайным ситуациям и ликвидации последствий стихийных бедствий исполнения государственной функции по надзору за выполнением требований пожарной безопасности, утвержденный приказом МЧС России от 28.06.2012г. №375.
© В.Ю. Радоуцкий, Н.Н. Северин, Д.И. Васюткина, 2015
УДК 629.7.03
Е.Н.Савельев
научный руководитель, Институт «Геогипропроект», г. Алматы, Казахстан
Н.Р.Суюндуков научный сотрудник, Институт «Геогипропроект», г. Алматы, Казахстан
Д.Ш.Ахмедов
директор,
Институт космической техники и технологий, г. Алматы, Казахстан
АНАЛИЗ РАБОТ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯ ГИБРИДНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ И ВЫБОР ОПТИМАЛЬНОЙ СТРУКТУРНОЙ СХЕМЫ ГИБРИДНОГО ДВИГАТЕЛЯ ДЛЯ
МУЛЬТКОПТЕРОВ
Аннотация
В статье проведен анализ работ в области создания гибридных двигателей для мультикоптеров. На основании анализа, исходя из поставленной задачи увеличения времени полета мультикоптера, наиболее
91
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070
эффективной схемой для применения в мультикоптерах, является последовательно-параллельная конфигурация гибридного двигателя.
Ключевые слова
Г ибридный двигатель, гибридные-электрические двигательные системы, мультикоптер, беспилотный летательный аппарат, двигатель внутреннего сгорания, электродвигатель.
По данным ведущей международной ассоциации беспилотных систем UVS International [ 1], малоразмерные беспилотные летательные аппараты (БПЛА) производят в 52 странах мира.
За последние 3-4 года большое распространение получили мультикоптерные или многороторные БПЛА (далее - мультикоптеры) вертолетного типа классов «мини», «микро» и «нано». Такой аппарат имеет достаточно низкую стоимость и представляет собой дистанционно управляемую интеллектуальную робототехническую систему в виде летающей платформы, как правило, с четным количеством (4 и более) бесколлекторных двигателей с пропеллерами и полезной нагрузкой на борту весом 3 -5 кг. Мультикоптеры очень хорошо управляемы и имеют высокую маневренность, что чрезвычайно важно при проведении фотосъемок зданий, сооружений, промышленных объектов и др.
Одним из основных применений беспилотных летательных аппаратов типа мультикоптер: квадрокоптер, гексокоптер, октокоптер и пр. (рисунок 1), являются различные виды наблюдений с высоты (дистанционное зондирование Земли, чрезвычайные ситуации, мониторинг техногенных и природных объектов, ретрансляция сигналов и пр.). Во многих случаях требуется скрытное наблюдение.
Рисунок 1 - Съемки поверхности Земли с гектокоптера
Наряду с отличными маневровыми характеристиками и высокой интеллектуальностью мультикоптеры имеют один существенный недостаток - малое время полета, составляющее 20-25 минут на одном литий-ионном или литий-полимерном аккумуляторе. Добавление дополнительных аккумуляторов позволяет увеличить время полета до 40 минут, однако при этом уменьшается вес полезной нагрузки. Поэтому одной из основных проблем работы мультикоптеров является необходимость существенного увеличения времени полета до 1,5-2 часов. Это связано с тем, что из-за низкой удельной энергетической плотности аккумуляторов, не превышающих 100 Вт*ч/кг [2], мультикоптеры ограничены в производительности и длительности времени полета. Учитывая, что БПЛА мультикоптерного типа уже сейчас имеют широкое распространение, решение обозначенной проблемы имеет большую востребованность.
Одним из направлений решения данного вопроса является создание гибридного двигателя, который сочетал бы в себе достоинства ДВС, связанные с большей по сравнению с аккумуляторами, энергетической эффективностью, и достоинства электрогенераторов и аккумуляторов, позволяющих подавать электрическую энергию и эффективно управлять электромоторами мультикоптеров.
Анализ литературных источников и Интернет ресурсов показал, что на сегодняшний день не существует готовых решений по гибридным электрическим двигателям для мультикоптеров.
92
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070
Однако в последние годы появились работы, связанные с проектированием и разработкой гибридных электрических двигателей для беспилотных летательных аппаратов самолетного типа. Рассмотрим основные из них.
Как отмечено в [3], в последние годы, направление развития беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) стало значительным актуальным сегментом мировой индустрии беспилотной авиации. Популярность использования БПЛА нарастает и в военных, и гражданских секторах в виде разнообразных приложений, от разведки и наблюдения задач для военных, так и для использования в гражданских целях, таких как облегчение задач передачи данных и мониторинга. Эффективное использование энергии на БПЛА имеет важное значение для его функционирования, оперативности, времени лета и других конкретных требований. В рассматриваемой работе представлено развитие параллельной гибридной-электрической системы для небольшого БПЛА. Имитационная модель БПЛА была разработана в среде MATLAB Simulink, используя программную систему AeroSim Blockset. Имитационные модели гибридного двигателя были спроектированы и построены в среде MATLAB Simulink. Было показано, что с помощью моделирования движения БПЛА с моделируемой гибридной двигательной системы показано, что такая система способна достичь существенной экономии топлива по сравнению использованием только ДВС. Эти компоненты образуют основу для дальнейшего развития полной имитационной модели гибридного электрического двигателя БПЛА.
В данной статье [4] описывается процедура проектирования беспилотного летательного аппарата (БПЛА), поставляемой с коммерческий AEROPACK гибридной системой, состоящей из батареи топливных элементов и аккумуляторных батарей. Во время предварительных испытаний были исследованы следующие характеристики гибридной системы: вольт-амперные зависимости, устойчивость характеристик для различных погрузок и H2 источников ( под давлением баллонов или химического источника H2), взаимодействие между стеком топлива и аккумулятора в системе подачи и потребления топлива водорода двигательной установки как функции нагрузки. Было показано, что при непрерывной загрузке ток до 5,56,0 А, выведенный из системы AEROPACK исходит из батареи топливных элементов, только при более высоких нагрузках он дополняется от аккумуляторной батареи. Эти тесты позволили определить термический КПД батареи топливных элементов и оценить ожидаемое время полета с различными источниками H2. Композитный баллон высокого давления оказался полезным только в течение коротких испытательных полетов БПЛА, в то время как более длинные миссии требуют использования картриджа химического топлива. Предварительные испытания двигательной установки (энергоблока винт-двигатель-гибрид) были сделаны в лаборатории наземных объектов. К сожалению, впервые испытанный гибридный двигатель (Хакер С50 13XL бесщеточный) оказался слишком большим и мощным для прототипа БПЛА. В статье также описан поиск более подходящего электродвигателя с меньшей мощностью и меньшими размерами для дальнейшего использования в БПЛА. Представлены результаты испытательных полетов прототипа БПЛА, оснащенного гибридной системы AEROPACK.
В работе [5] рассматривается одно из основных применений беспилотных летательных аппаратов - наблюдение. Низкая высота самолетов наблюдения позволяет использовать датчик легкой полезной нагрузки в небольшом планере. Это снижает эксплуатационные расходы. Наблюдение часто должно быть проведено тайно, возможность тихого полета позволяет использовать самолеты на низкой высоте. Электрические двигательные системы работают значительно тише, чем двигатели внутреннего сгорания. Из-за низкой удельной энергии батарей они ограничены в производительности и длительности полета. Гибридные-электрические двигательные системы сочетают в себе преимущества обеих систем, демонстрируя высокую производительность и достаточно высокую длительную полета. Поэтому они очень хорошо подходят для миссий наблюдения. Существующие методы проектирования самолетов с гибридной -электрической силовой установки не удовлетворяют трем основным требованиям для предварительных методов проектирования: точность, высокая вычислительная эффективность и общая применимость. Таким образом, первая цель данного исследования является внедрение метода для проектирования малого беспилотного гибридных электрических самолетов, которые будут соответствовать выше отмеченным требованиям. Сутью метода является методика расчета двигательной системы. Он встроен в процессе
93
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070
дизайн-масштабирования самолета. Интегрированные модели компонентов двигательной системы обеспечивают точность при использовании постоянных переменных. Постоянные переменные позволяют более точно прогнозировать эффективность использования энергии. Кроме того, метод позволяет использовать заменяющие модели компонентов. Эти модели получены из баз данных коммерческих программных продуктов. Это означает, что функции регрессии предпочтительнее интерполяции. Заменяющие модели сформулированы непрерывно и в основу базы данных легло полное пространство требований. Факториальная схема оптимизации применена к методике расчета двигательной системы. Второй целью данного исследования является анализ гибридных электрических двигательных систем. Идентификация основных характеристик может быть использована для разумного рассмотрения гибридных электрических БПЛА в процессе проектирования. Отмечается, что для микро БПЛА самой тяжелой массой устройства является масса батареи.
В данной работе [6] рассмотрены вопросы использования БПЛА при работах в зонах разрушительных стихийных бедствий. Как отмечено, БПЛА будут идеальными аппаратами для функции поиска. Таким образом, пилотируемые транспортные средства могут стать приоритетными для оказания первой помощи и, в конечном счете, спасения жизней. Одной из главных проблем использования БПЛА в области поиска и спасения (ОПС) является нехватка дальности полета на длинной дистанции, которая резко снижает эффективность использования БПЛА. Дирижабли хорошо подходит для ОПС миссий, поскольку они могут летать и поддерживать высоту, не потребляя энергию, и могут легко спускаться для упаковки и транспортировки. Это исследование фокусируется на увеличении полета мелких беспилотных дирижаблей на основе совершенствования планирования проектирования инфраструктуры и траектории полета.
В первой части работы рассмотрено проектирование дирижабля с использованием двух гибридных электродвигателей. Гибридная конструкция состоит из 4х-тактного бензинового двигателя, бесщеточного электрогенератора постоянного тока, и винта регулируемого шага. В результате показано, что эта конструкция может производить достаточное количество механической и электрической энергии, чтобы поддержать 72 часов полета по сравнению с 1-4 часов типичного полета с использованием аккумуляторов. В целом, предложенная гибридная энергетическая установка имеет увеличение плотности энергии 600% от энергии чисто электрической конфигурации.
Во второй части работы разработана модель расхода топлива на основе функции комплексных многоцелевых расходов с использованием пространственно переменных векторных полей ветра, полученные на базе динамического анализа на цифровых картах возвышений. Функция расходов оптимизирована для времени, энергии и предотвращения столкновений с использованием волнового фронта, чтобы произвести возможные траектории, которые подчиняются дифференциальным ограничениям платформы дирижабля. Моделируемые траектории в том числе 1) данные переменной скорости транспортного средства, 2) переменный ветер векторного поля (ВФВВ), и 3) высокие разрешения сетки позволяют потреблять в среднем на 50% меньше энергии по сравнению с запланированными траекториями. В целом, это исследование рассматривает ограничения продолжительности полета БПЛА и обеспечивает новое решение для беспилотного дирижабля для ОПС-наблюдения.
Г ибридные электрические двигательные системы с двумя или более источниками энергии имеют много преимуществ по сравнению с обычными двигателями внутреннего сгорания [7]. Наиболее признанные его преимущества: низкое загрязнение, низкий уровень шума, а также снижение
тепловыделения. Применение гибридной электрической установки для транспортных средств влечет за собой повышение эффективности использования энергии и снижение загрязнения окружающей среды. В армии, гибридные беспилотные летательные аппараты (БЛА), могут быть эффективно использованы, потому что они обладают способностью длительного времени полета, повышения эффективности операции. В работе рассмотрены модели четырех гибридных двигательных систем. Для этих четырех моделей построены и представлены три прототипа конфигураций вторичного вала.
Как отмечено в работе [8], параллельные гибридные электрические двигательные системы будет отвечать военным потребностям путем объединения преимуществ углеводородов и систем электроэнергии.
94
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070
Были проанализированы три различные системные параллельные гибридные электрические конструкции, каждая с тремя уникальными профилями разряда аккумуляторов, и сравнивались между собой с использованием ограниченной статической композиции на основе оптимизации традиционных уравнений конструкции самолета. Каждая система в сочетании с двигателем внутреннего сгорания на крейсерской скорости с электродвигателем была рассчитана на скорость и дальность. Были рассмотрены девять гибридных вариаций, наблюдения и рекогносцировки профилей миссии для беспилотной авиационной системы (БАС) с максимальной взлетной массой брутто 13,6 кг (30,0 фунтов). Подробный анализ определил, что наиболее подходящей конструкцией для базовой миссии является конфигурация «clutchstart». Гибридная конструкция позволила увеличить грузоподъемность на 1,225 кг (2,701 фунтов), обеспечивая экономию топлива на 30,5% по сравнению с БПЛА аналогичных размеров, использующий только двигатель внутреннего сгорания.
Силовая установка гибридного электрического двигателя определяется как комбинация двигателя внутреннего сгорания и электродвигателя. Есть несколько возможностей объединения компонентов. Рассмотрим основные три конфигурации гибридных двигателей, используемые в различных приложениях: последовательная конфигурация, параллельная конфигурация и последовательно -параллельная конфигурация [9, 10].
В последовательной гибридной конфигурации, как показано на рисунке 2, топливо, поступая в ДВС, позволяет преобразовать энергию топлива в механическую энергию вращения выходного коленчатого вала двигателя внутреннего сгорания.
Рисунок 2 - Последовательная конфигурации гибридного двигателя
Эта механическая энергия преобразуется в электрическую энергию с помощью электрогенератора. Энергия, вырабатываемая электрогенератором, поступает в аккумулятор, от которого энергия через контроллер мощности поступает непосредственно на электродвигатели, приводящие в движение винты мультикоптера. В силу того, что в данной конфигурации идет последовательное преобразование энергии, сама конфигурация и получила название последовательная конфигурация гибридного двигателя.
Преимуществом последовательной конфигурации является простота конструкции. В качестве недостатка следует отметить, что гибридный двигатель в такой конфигурации плохо управляем, и оптимальный режим работы ДВС с оборотами, соответствующими эффективной мощности, не всегда оптимален с точки зрения работы всего мультикоптера.
Параллельная гибридная конфигурация, схематически представленная на рисунке 3, характеризуется двумя параллельными путями поступления энергии на электродвигатели мультикоптера. С одной стороны, энергия может поступать на электродвигатели с аккумулятора, и при нехватке энергии от аккумулятора, дополнительная энергия может поступать от электрогенератора. Кроме того, при разрядке аккумулятора, основная энергия может начать поступать от электрогенератора, работу которого обеспечивает ДВС. В силу возможности параллельного поступления энергии, данную конфигурацию называют параллельной. К
95
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070
недостаткам следует отнести, что аккумулятор не имеет возможности при необходимости подзаряжаться от электрогенератора.
Рисунок 3 -Параллельная конфигурация гибридного двигателя
Рисунок 4 - Последовательная конфигурация гибридного двигателя
Последовательно-параллельная конфигурация, также известная как power-split конфигурация, представляет собой комбинацию из предыдущих двух конфигураций, описанных выше. Как показано на рисунке 4, данная конфигурация позволяет параллельно с обеспечением электроэнергией электродвигателей от электрогенератора, подзаряжать и аккумулятор, что позволяет распределять нагрузку от аккумулятора и электрогенератра более эффективно независимо от текущей потребности тяги. При этом последовательно-параллельная структура гибридного двигателя сохраняет все преимущества как параллельной, так и последовательной схем.
Таким образом, исходя из поставленной задачи, т.е. увеличения времени полета мультикоптера, наиболее эффективной схемой для применения в мультикоптерах, является последовательно-параллельная конфигурация гибридного двигателя.
Список использованной литературы:
1. UVS International «Remotely piloted systems: Promoting International Cooperation&Coordination», 2014 [В Интернете]. Available: http://www.uvs-international.org/. [Дата обращения: 15 July 2015].
2. Юрий Филипповский. Мобильное питание. 30 января 2009 года. [В Интернете]. Available: http://old.computerra.ru/terralab/mobilis/398700/?print=Y. [Дата обращения: 16 September 2015].
3. Jane Yu-Chun Hung, Luis Felipe Gonzalez. Design, simulation and analysis of a parallel hybrid electric propulsion system for unmanned aerial vehicles. Australian Research Centre for Aerospace Automation (ARCAA), Queensland University of Technology. ICAS 2012. 28TH International congress of the aeronautical sciences. 2012, 7 p.
96
МЕЖДУНАРОДНЫЙ НАУЧНЫЙ ЖУРНАЛ «ИННОВАЦИОННАЯ НАУКА» №9/2015 ISSN 2410-6070
4. Magdalena Dudek, Piotr Tomczyk, Piotr Wygonik, Mariusz Korkosz, Piotr Bogusz, Bartlomiej Lis. Hybrid Fuel Cell - Battery System as a Main Power Unit for Small Unmanned Aerial Vehicles (UAV). International Journal of electrochemical science (www.electrochemsci.org), 8 (2013) 8442 - 8463, 22 p.
5. Joachim Schomann. Hybrid-Electric Propulsion Systems for Small Unmanned Aircraft. Vollstandiger Abdruck der von der Fakultat fur Maschinenwesen der Technischen Universitat Munchen zur Erlangung des akademischen Grades eines Doktor-Ingenieurs (Dr.-Ing.) genehmigten Dissertation. Die Dissertation wurde am 12.12.2013 bei der Technischen Universitat Munchen eingereicht und durch die Fakultat fur Maschinenwesen am 11.07.2014 angenommen. 2013, 178 s.
6. Steven Recoskie. Autonomous Hybrid Powered Long Ranged Airship for Surveillance and Guidance. Thesis submitted to the Faculty of Graduate and Postdoctoral Studies in partial fullment of the requirements for the Doctorate in Philosophy in Mechanical Engineering. Ottawa-Carleton Institute for Mechanical and Aerospace Engineering University of Ottawa. Ottawa, Canada, 2014. 176 p.
7. Junghsen Lieh, Eric Spahr, Alireza Behbahani, John Hoying. Design of Hybrid Propulsion Systems for Unmanned Aerial Vehicles. Wright State University, Dayton, Ohio 45435 USA and Air Force Research Laboratory, Wright-Patterson AFB, OH, 45433, USA. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 31 July - 03 August 2011, San Diego, California. 14 p.
8. Ryan M. Hiserote. Analysis of hybrid-electric propulsion system designs for small unmanned aircraft systems. Thesis. Presented to the Faculty Department of Aeronautics and Astronautics Graduate School of Engineering and Management, Air Force Institute of Technology, Air University, Air Education and Training Command, In Partial Fulfillment of the Requirements for the Degree of Master of Science in Aeronautical Engineering. March 2010. 148 p.
9. Junghsen Lieh, Eric Spahr, Alireza Behbahani, John Hoying. Design of Hybrid Propulsion Systems for Unmanned Aerial Vehicles. Wright State University, Dayton, Ohio 45435 USA and Air Force Research Laboratory, Wright-Patterson AFB, OH, 45433, USA. 47th AIAA/ASME/SAE/ASEE Joint Propulsion Conference & Exhibit 31 July - 03 August 2011, San Diego, California. 14 p.;
10. Assanis A., Delagrammatikes G., Fellini R., Filipi Z., Liedtke J., Michelena N., Papalambros P., Reyes D., Rosenbaum D., Sales A., and Sanena M., “Optimization Approach to Hybrid Electric Propulsion System Design,” Mechanisms, structures and Machines, 27(4), pp. 393-421, 1999
© Е.Н.Савельев, Н.Р.Суюндуков, Д.Ш.Ахмедов, 2015
УДК 331.45
А.В.Стариков
эксперт по промышленной безопасности Центр лицензионных экспертиз «ЦЕЛЭКС» г. Самара, Российская Федерация У.А.Хлесткова эксперт по промышленной безопасности Центр лицензионных экспертиз «ЦЕЛЭКС» г. Самара, Российская Федерация
КОМПЛЕКСНЫЕ КРИТЕРИИ ОЦЕНКИ ЭФФЕКТИВНОСТИ СЛОЖНЫХ СИСТЕМ ОРГАНИЗАЦИОННОГО УПРАВЛЕНИЯ ОХРАНОЙ ТРУДА И ПРОМЫШЛЕННОЙ
БЕЗОПАСНОСТЬЮ
Аннотация
В статье анализируются комплексные критерии оценки эффективности, которая является важным элементом разработки проектных и плановых решений. Это позволяет определить уровень прогрессивности действующей структуры, разрабатываемых проектов или плановых мероприятий и проводится с целью выбора
97
