CC BY
399
Халютин С.П., Жмуров Б.В. АЛГОРИТМ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СОСТАВА И ПАРАМЕТРОВ ПЕРВИЧНЫХ ИСТОЧНИКОВ ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ БПЛА
В работе рассматривается методика определения оптимального состава и параметров первичного источника электроэнергии (номинальная мощность электромеханического генератора и емкость химической батареи аккумуляторов) на основе учета графиков потребления мощности и требований к массогабаритным показателям с целью повышения эффективности процесса разработки и проектных решений в области создания перспективных систем электроснабжения малоразмерных беспилотных летательных аппаратов
Проектирование и производство беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) является одним из наиболее перспективных направлений развития современной авиации. Повышенный интерес к созданию беспилотных машин во многих странах мира обусловливается развитием мониторинговых систем, в рамках которых и планируется широкое использование беспилотных авиационных комплексов, оснащенных средствами аппаратного контроля оптического и радиочастотного диапазонов, ретранслирующей аппаратурой и другим спецоборудованием.
Система электроснабжения (СЭС) БПЛА должна обеспечивать всех потребителей электрической энергией заданного вида и качества на протяжении всего полета и времени подготовки, а также для различных режимов работы комплекса бортового оборудования.
Надежность СЭС, качество электроэнергии в системе и её технико-эксплуатационные показатели решающим образом влияют на выполнение задачи, безопасность полета и сроки подготовки авиационной техники [4].
Выбор структуры и параметров электроэнергетической системы в значительной степени обусловлен решаемыми БПЛА задачами, количеством требуемой мощности и временем, в течение которого эту мощность необходимо поставлять потребителям, то есть требуемой полной энергией. Хотя системы энергопотребления обычно описываются в терминах средней мощности, пиковая мощность также оказывает влияние на облик ЭЭК [1].
Многообразие типов источников ЭЭ, индивидуальность свойств и существующие трудности их выбора для конкретной СЭС БПЛА, стремление сочетать достоинства источников питания разных типов предопределяет возможность и необходимость создания комплекса источников электрической энергии, составленного из набора такого сочетания нескольких типов источников, которое в целом обладало бы необходимыми достоинствами и допустимыми недостатками. Причем под типами источников электроэнергии подразумеваются как источники одной физической природы, так и разной [2].
Так как в системах с комбинированными источниками могут применяться разнородные по физическому принципу действия источники, то они должны допускать электромагнитную совместимость работы, безопасность обслуживания, обеспечивать раздельную работу, что повышает надежность и гибкость управления.
Принцип комбинирования источников электроэнергии при проектировании СЭС беспилотного аппарата можно сформулировать следующим образом: из ряда имеющихся в распоряжении источников ЭЭ подбирается такая комбинация, чтобы сумма их мощностей обеспечивала потребители электроэнергией в каждый момент времени, а суммарная запасенная энергия была достаточной для обеспечения потребителей в течение требуемого времени по режимам работы. В тоже время совокупность технико-экономических характеристик их комбинаций не должна превышать заданные пределы [2].
Требуемая мощность ЭЭ для приемников в настоящее время определяется по, так называемым, циклограммам нагрузки или графикам нагрузки. Это табличная или графическая зависимость требуемой суммарной мощности всех бортовых приемников ЭЭ данного типа от этапа полета. Типовой вариант графика нагрузки представлен на рис. 1.
Рис. 1 Типовая циклограмма потребления мощности
Классическая методика выбора первичного источника ЭЭ при проектировании СЭС пилотируемых ЛА предполагает определение участка с максимальной требуемой мощностью, которая и устанавливает номинальную мощность источника, а аккумуляторная батарея является аварийным источником и её ёмкость рассчитывается исходя из требований аварийного режима полета [1].
К СЭС БПЛА могут быть предъявлены более низкие требования по надежности (отсутствие экипажа, низкая стоимость, высокий предполагаемый отход на боевые потери), но в то же время более жесткие требования по массе и объему (длительный режим полета, максимум полезной нагрузки). Если в системах электроснабжения таких аппаратов использовать аккумуляторную батарею как резервный источник ЭЭ, обеспечивающий дополнительную выходную мощность в режимах повышенной нагрузки (компенсация пиковых мощностей потребления), то появляется возможность применения на борту электромеханического генератора с меньшей установленной мощностью, что в итоге приведет к снижению массогабаритных показателей системы генерирования электроэнергии. КПД генератора, в свою очередь, существенно зависит от его режима работы. В процессе проектирования и изготовления электромашинных преобразователей выполняется условие, при котором, коэффициент полезного действия принимает максимальное значение при работе в номинальном режиме, а в недогруженном режиме и при перегрузке снижается,
Рн
t
причем, весьма значительно. Исходя из этого, может быть определена задача определения рациональных параметров комбинированных источников ЭЭ для беспилотных летательных аппаратов.
Следует отметить, что в данной работе рассматривается только два типа источников - электромеханические (генераторы) и электрохимические (аккумуляторные батареи). Однако предлагаемая методика может быть применена и для более общего класса СЭС автономных ЛА, в которых могут применяться топливные элементы, МГД- генераторы, солнечные батареи, ядерные установки. Для учета массоэнергетических характеристик новых типов источников ЭЭ необходимо доработать соответствующим образом алгоритм формирования критерия оптимизации.
Если такую формулировку принять за основу, то принцип комбинирования, выраженный в символах, запишется следующим образом. Варьируя типами источников (при их фиксированном количестве) и распределением мощности между составляющими комбинацию источников, необходимо обеспечить выполнение следующих условий [3]:
n
2х- = P х- - 0 i et1,n]
n
2 j ^ bj, j et1, m]
i=1
2(xtik)-W* iet1,n\ket1,1]
(i)
£
/=1
где х - мощность ИЭЭ /-го типа, / е[1,п] ; Р - суммарная мощность системы; а- - величина технико-экономического показателя /-го типа, / е[1,п] для у - ой технико-экономической характеристики, у Е [1,т] ; Ьу - значения ограничений, наложенных на технико-экономические характеристики; ^ - суммарная требуемая энергия всех потребителей ЭЭ; — к -й интервал времени, на котором работает / -й источник.
Условие (1) выполняется также и для одного источника, как частного случая комбинации, когда п = 1 .
При фиксированных значениях Р , ау , Ьу , п , т система (1) может быть несовместима (не иметь
решений) и совместима, но неопределенна (иметь множество решений). В частном случае решение может быть единственным.
Значения коэффициентов ау зависят от типа и технического совершенства источников, требуемого
времени автономного функционирования, режимов работы и других параметров.
При фиксированном п и типах источников задача сводится к распределению мощности между составляющими комбинацию источниками при учете суммарной запасенной электроэнергии всеми источниками. Однако иногда, например в случае 2-х типов источников - генератора и аккумуляторной батареи, нельзя ориентироваться на мощность АБ, для которой критичным является запасенная емкость, в то же время как для генератора основной расчетной характеристикой является номинальная мощность, а запас энергии определяется запасом топлива основного движителя. Как правило, при проектировании СЭС делается допущение о неограниченном запасе входной механической энергии генератора ввиду малой ее доли от общего потребления.
Система (1) может иметь множество решений, для получения однозначности ответа необходимо вводить дополнительные условия в виде критериев оптимизации. В силу различия свойств источников ЭЭ параметры, которые характеризуют эффективность источников (к.п.д. генератора, коэффициент отдачи по емкости АБ и массогабаритные характеристики генератора и АБ), различные показатели предлагается свести к одному обобщенному функционалу, который использовался в качестве критерия оптимизации системы генерирования на этапе проектирования:
£ = К1-^п.+ К2• 1- ^тах . (2)
Щ V)
1 - индекс соответствующий типу источника (генератор и АБ);
К1 и К 2 - весовые коэффициенты. Эти коэффициенты должны определяться исходя из более общих
задач проектирования ЛА, для чего может использоваться метод экспертных оценок. Выбор аддитивной формы свертки частных показателей обусловлен очевидным стремлением на этапе эскизного проектирования и обоснования технических решений выбрать систему генерирования с максимальной отдачей по мощности при минимальных массогабаритных показателях. В общем случае количество слагаемых частных показателей может быть расширено и включать такие параметры, как удельную мощность, надежность, долговечность, срок службы и ресурс, совершенство конструкции и т.д.
Алгоритм решения задачи рационального распределения параметров источников ЭЭ различной физической природы (суммарной мощности Р^ генераторов и суммарной емкости 2^ аккумуляторных батарей) может быть представлен следующим образом:
1 шаг. В качестве исходных данных на основе анализа выполняемых задач, количества и мощности ПЭЭ, их циклограммы нагрузки определяется типовая циклограмма потребления мощности (рис. 1) на борту БПЛА, включающая в себя характерные этапы полета и выполнения боевой задачи.
2 шаг. Задаются максимально возможные для данного класса БПЛА время выполнения боевой задачи /^ = ^тах и максимальная потребляемая мощность основной (специальной) нагрузки Рн = РНтак из всех
возможных вариантов боевого применения данного типа БПЛА. Для этих значений строится конкретная циклограмма потребления ЭЭ исходя из типовой.
Шаг 3. Для заданных значений /^ = /^п^ и Рн =РНтах осуществляется перебор возможных вариантов
значений номинальной мощности генератора Рг_ от минимального до значения, соответствующего максимальной мощности в построенной циклограмме.
Для каждого значения номинальной мощности генератора Рг_ :
i=1
n
Шаг 3.1. Рассчитывается требуемая емкость аккумуляторной батареи, в зависимости от требуемой мощности нагрузки на всех участках полета Ру :
д =уРу~Р
2тр ¿а у ^ г
где и - номинальное напряжение аккумуляторной батареи.
В целях обеспечения безопасности полетов вводится ограничение минимальной емкости аккумуляторной батареи, которая согласно требованиям к пилотируемым ЛА, обеспечивает в аварийном режиме работы СЭС завершение полета (в течении 3 0 минут) и выполнение посадки
а™=РЦ + ^ (0,5+^) ,
где р - требуемая потребляемая мощность на этапе посадки БПЛА, ^ - длительность этапа по-
садки;
Шаг 3.2. Определяется ориентировочная конструктивная масса тг , объем Уг и к.п.д. щг генератора соответствующие номинальной мощности по эмпирическим формулам [3]:
тг = 3,7(0,11 + 0,8920’62)(-0,06 +1,06^)-0,62“ (0,8567 + 0,1433^) ;
иг = 34,2-10-2 (0,3641 + 0,6359^)-(-0,0021и3 + 0,0175и2 - 0,0129и + 0,279б)(-6,05923 + 21,7962 * - 26,497^ +11,748) щг = (-0,2478РШ2 + 4,2466РШ + 76,2927) + ^ (0,4572РШ2 -7,5774РШ + 35,03851) + г2 (-0,1989РШ3 + 3,2023РШ +15,2161)
где 2п = - относительная частота вращения; = Р/Р^ - относительная мощность;
= и/иб - относительное линейное напряжение;
Шаг 3.3. Производится расчет зависимости кпд от отдаваемой мощности генератора на каждом этапе полета определяется среднее значение:
щ = ¿1 * Р2 + к 2 * р + к3
где у = 1..к - номер этапа полета;
(Щ + ЩЧ + ■■■ + Щк )
к1,к2,к3 - коэффициенты аппроксимации зависимости щ = Щ(Р)
Щс,
¿У
Шаг 3.4. Рассчитывается конструктивная масса т^ , объем , коэффициент использования
аккумуляторной батареи для полученной емкости:
' ^12 ; УАБ = к22 ;
где к , к , к - коэффициенты аппроксимирующей функции, определяемые типом аккумуляторной батареи.
Шаг 3.5. Определяется значение критерия оптимизации 5 для выбр
анного соотношения
2п
(2)
Шаг 4. Строятся зависимости 5 = 5 (р) и 2 = 2 (Р) по результатам перебора Ру .
Шаг 5. Для каждой зависимости 5 = 5(Ру) выбирается максимальное значение 5^^ . Фиксируются зна-
чения Ру и 2тр для 5 = 5тах .
Шаг 6. Для набора сочетаний значений мощности специальной нагрузки и суммарного времени полета
Рш и , соответствующих всем возможным вариантам выполнения боевых задач повторяются шаги с 1
по 5 и по результатам расчетов строится семейство характеристик 5 = 5 (Ру ) и 2ТР = 2ТР (Р ) .
Шаг 7. Сроятся зависимости номинальной мощности генератора и емкости аккумуляторной батареи от
суммарного времени полета и значения мощности специальной нагрузки.
На рис. 2-4 представлены результаты расчетов для семейства характеристик 5 = 5 (Р) , при раз-
личном суммарном времени полета и видов специальной нагрузки, определяемых мощностью на этапе боевого применения.
Рн=600 Вт (_ х.. Г 1 Т 1 Рн=900 Вт | | | Рн=1200Вт
1 1 1 1 1 1
Рн=1 .'00 1 1
Р н=2000 Вт ^ 1 1 1
500
1000
Рг, Вт
2000
т
и
Рис.2 Зависимость критерия оптимизации от мощности генератора при суммарном времени полета 1
час
Рис.3 Зависимость критерия оптимизации от мощности генератора при суммарном времени полета 2 часа
Рис.4 Зависимость критерия оптимизации от мощности генератора при суммарном времени полета 4 часа
Для удобства практического применения в инженерных расчетах при проектировании СЭС БПЛА можно использовать номограммы зависимостей номинальной мощности генератора и емкости аккумуляторной батареи от суммарного времени полета для характерных значений мощности специальной нагрузки, а также от мощности специальной нагрузки при выбранных значениях суммарного времени полета (рис. 5 - 8) .
Рис.5 Номограмма зависимости номинальной мощности генератора от мощности специальной нагрузки для различных вариантов продолжительности полета
40
ЙАЕ.
Ач
1—1 1 1 1 1 1 1 1 1 (г=3ч _] іг=4ч
1 1 _| 12=2ч | ~ії=?ч і І^ич_| (г=1ч і 1
і А 1 ““^5
І 1 У 1 1 1 1
20-------------------------------------
10
?00
1000
1500
Рн. Вт 2500
Рис.6 Номограмма зависимости емкости аккумуляторной батареи от мощности специальной нагрузки для различных вариантов продолжительности полета
Вт
Вт
о Н------1------1------\-----1------\------1
О 1 2 3 4 £,Ч 6
Рис.7 Номограмма зависимости номинальной мощности генератора
от продолжительности полета для типовых значений мощности специальной нагрузки
О 1 2 3 4 t,ч б
Рис.8 Номограмма зависимости емкости аккумуляторной батареи от продолжительности полета для типовых значений мощности специальной нагрузки
Полученные номограммы могут быть использованы для задания исходных данных второго этапа проектирования - синтеза структуры бортовой электрической сети (БЭС) БПЛА. Полученные значения мощности генератора и емкости аккумуляторной батареи задаются в качестве суммарного параметра для нескольких источников одной физической природы. Количество необходимых источников и схема их подключения определяется в результате синтеза БЭС.
Предложенный алгоритм определения состава и параметров первичных источников ЭЭ для беспилотных летательных аппаратов может быть внедрен в автоматизированную систему проектирования и в результате повысить эффективность как процесса разработки, так и самих проектных решений в ходе их реализации.
ЛИТЕРАТУРА
1. Власов Г.Д. Проектирование систем электроснабжения летательных аппаратов. - М.: Машиностроение, 1967. - 412 с.
2. Капелько К.В. Основы проектирования, разработки и испытаний систем автономного электроснабжения. Часть 1 Основы построения систем автономного электроснабжения. Учебное пособие - М.; ВА им. Ф.Э. Дзержинского, 1995. - 156с.
3. Лазарев И.А. Информация и безопасность композиционная технология информационного моделирования сложных объектов принятия решения. - М.: Московский городской центр научно-технической информации, 1997.-336с.
4. Электрооборудование летательных аппаратов, том 1: учебник для вузов / С.А. Грузков [и др.]; ред. С.А. Грузков; МИЭ. // М.: МИЭ, 2005.
