Альтернативная гибридная силовая установка системы привода воздушного винта беспилотного самолета Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

УДК 629.7.038

АЛЬТЕРНАТИВНАЯ ГИБРИДНАЯ СИЛОВАЯ УСТАНОВКА СИСТЕМЫ ПРИВОДА ВОЗДУШНОГО ВИНТА БЕСПИЛОТНОГО САМОЛЕТА

А. Г. Зосимов, А. Н. Емельянов, Д. А. Идиятулин

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Е-mail: shuma1977@mail.ru

В работе рассмотрено альтернативное решение компоновки гибридной системы привода воздушного винта беспилотных самолетов по одновальной схеме. Предложенная компоновка позволяет без значительных затрат: увеличить полезную мощность силовой установки беспилотного летательного аппарата (БПЛА), увеличить взлетную массу БПЛА, значительно увеличить полетное время БПЛА, сократить затраты и время на обслуживание БПЛА, повысить рентабельность эксплуатации БПЛА.

Ключевые слова: бесколлекторный электродвигатель, беспилотный летательный аппарат, гибридная силовая установка, двигатель внутреннего сгорания, воздушный винт.

ALTERNATIVE HYBRID POWER SYSTEM LEADS PROPELLER DRONES

А. G. Zosimov, A. N. Emelyanov, D. A. Idiyatulin

Reshetnev Siberian State Aerospace University 31, Krasnoyarsky Rabochy Av., Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation Е-mail: shuma1977@mail.ru

In the alternative arrangement discussed hybrid drive system propeller unmanned aircraft by a single shaft circuit. The proposed arrangement allows without significant cost: increase the usable capacity of the power unit of the unmanned aerial vehicle (UAV), to increase the take-off weight of the UAV, to significantly increase the flight time of the UAV, to reduce costs and time for the UAV service, increase profitability UAV operation.

Keywords: brushless motor, unmanned aerial vehicle, hybrid power system, internal-combustion engine, propeller.

Улучшение летно-технических характеристик БПЛА, методом усовершенствования силовой установки является актуальной задачей.

Целью данной работой является разработка одного из вариантов компоновки гибридной силовой установки (ГСУ) по двух вальной соосной схеме для беспилотного летательного аппарата (рис. 1).

Рис. 1. Расположение ГСУ на беспилотном самолете с толкающим винтом

Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2017. Том 2

Данная ГСУ позволяет совмещать в себе два типа преобразования одного вида энергии в другой, суммировать механическую энергию через кинематическую передачу и отдавать большую часть механической энергии на воздушный винт летательного аппарата. Предлагаемая компоновка ГСУ представлена на Рис. 2. Конструктивно данная ГСУ разделена между собой на два раздельных модуля:

- электродвигатель с колоколом сцепления и электромагнитной муфтой;

- двигатель внутреннего сгорания (ДВС) с кареткой сцепления.

бесколлекторный электродвигатель

электромагнитная муфта

колокол сцепления

Рис. 2. Конструктивное расположение основных элементов ГСУ

Электродвигатель выполняет функцию преобразования электрической энергии в механическую. ДВС выполняет функцию преобразования химической энергии нитротоплива в механическую. Суммирование механических энергий вала электродвигателя и вала ДВС происходит с помощью центробежного кулачкового сцепления. Рис. 3.

Электромагнитная муфта (ЭММ) предназначена для срабатывания сцепления под действием электромагнитных сил. При подаче напряжения на обмотку электромагнитной муфты, кулачки (колодки) сцепления под воздействием электромагнитного поля перемещаются от центра к внешней стороне до момента полного прижатия их к колоколу сцепления [1-3].

а) общий вид

б) фронтальный вид

Рис. 3. Центробежное кулачковое сцепление с электромагнитной муфтой в режиме привода (электромагнитная муфта изображена без намоточного провода)

Анализируя достоинства и недостатки электродвигателя и ДВС можно выявить несколько аспектов, по которым данные двигатели могут полноценно компенсировать свои недостатки с помощью использования метода синхронной работы в ГСУ.

Таблица 1

Примеры компенсации недостатков при использовании режимов синхронной работы

Недостаток модуля ГСУ Метод компенсации недостатка

Нелинейная тяга электродвигателя при расходовании емкости аккумулятора Постоянная тяга ДВС, независимо от количества запаса топлива

При расходовании емкости аккумулятора полетная масса БПЛА не изменяется При расходовании топлива полетная масса БПЛА уменьшается

ДВС не имеет собственной системы запуска Электродигатель работает в режиме запуска ДВС с использованием ЭММ

Для создания оптимальных характеристик данной системы, установленной на БПЛА, можно выделить пять режимов работы:

1-й режим предназначен для вращения воздушного винта с помощью электродвигателя. Питание электродвигателя осуществляется от аккумуляторных батарей. Режим в частности применим для полетов БПЛА, связанных с бесшумной скрытной разведкой.

2-й режим предназначен для вращения воздушного винта с помощью ДВС через сцепление и вал электродвигателя. В этом режиме питание электродвигателя не осуществляется. Это режим является основными и применим для перелета БПЛА с точки взлета до зоны выполнения разведывательных задач и обратно.

3-й режим предназначен для вращения воздушного винта с помощью ДВС через сцепление и вал электродвигателя. При этом электродвигатель выполняет функцию генератора электроэнергии для пополнения заряда аккумуляторных батарей.

4-й режим предназначен для запуска ДВС от электродвигателя через сцепление с включением электромагнитной муфты.

5-й режим предназначен для получения максимальной мощности ГСУ и применим на взлетных режимах БПЛА. В данном режиме одновременно используются максимальные мощности электродвигателя и ДВС.

Вывод: Предложенная компоновка позволяет без значительных затрат: увеличить полезную мощность силовой установки беспилотного летательного аппарата (БПЛА), увеличить взлетную массу БПЛА, значительно увеличить полетное время БПЛА, сократить затраты и время на обслуживание БПЛА, повысить рентабельность эксплуатации БПЛА.

После решения ряда теоретических задач, можно предположить, что электродвигатель и ДВС могут совместно работать без снижения коэффициента полезного действия в ГСУ и без значительных затрат существенно улучшить летно-технические характеристики БПЛА.

Библиографические ссылки

1. [Электронный ресурс]. URL: http://rcsearch.ru/hobbyking/i22036/

2. [Электронный ресурс]. URL: http://zala.aero

3. Электронная книга «Теоретические основы электротехники» [Электронный ресурс]. URL: http://www.for-stydents.ru/obschaya-elektrotehnika/uchebniki/teoreticheskie-osnovy-elektrote hniki.html

© Зосимов А. Г., Емельянов А. Н., Идиятулин Д. А., 2017