CC BY
19
ИСПОЛЬЗОВАНИЕ ЭЛЕМЕНТОВ С ВЫСОКОЙ ЕМКОСТЬЮ ПО ВОДОРОДУ ДЛЯ ЭНЕРГООБЕСПЕЧЕНИЯ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ
АППАРАТОВ
Ю.Н. Шалимов, научный руководитель лаборатории, д.т.н., профессор, Воронежский государственный технический университет,
г. Воронеж
С.А. Соколов, генеральный директор, ООО «ДИОДОСВЕТ», г. Воронеж, Митар Лутовац, академик, профессор, д-р, Университет «Унион Никола Тесла» г. Белград, Сербия, факультет менеджмента г. Херцег-Нови, Черногория
И.В. Адианов, инженер, Воронежское акционерное самолётостроительное общество,
г. Воронеж
Об эффективности применения водорода в качестве топлива для ракетно-космической техники и летальных аппаратов мы уже неоднократно писали в предыдущих публикациях (ссылка на материалы конф. ТИВАТ 2015). В этой статье хотелось бы коснуться темы беспилотных летательных аппаратов (БПЛА). В мае 2015 года сообщалось, что в России создана программа по развитию беспилотников, рассчитанная на 2016-2025 годы. Силовые ведомства России получат сотни беспилотных аппаратов отечественного производства. На закупку БПЛА для армии планируется израсходовать почти 320 млрд. рублей до 2020 года.
Эта тема становится все более актуальна в связи с обострением международной обстановки и множественным применением БПЛА в современных военных конфликтах (Иран, Афганистан, Грузия, Украина, Сирия). Причем БПЛА в современных войнах, применяются с обеих сторон - как экстремистскими организациями, так и регулярными армиями, им противоборствующими. Лидерами в боевом применении БПЛА и, как следствие, в отработке их платформ, на сегодня являются США и Израиль. На третье место в мире стремительно ворвался Китай, оснастив своей беспилотной авиационной техникой несколько крупных стран Ближнего Востока, не имеющих возможности приобретать БПЛА стран-лидеров по экономическим или политическим соображениям.
Россия, еще несколько лет назад, имевшая серьезное отставание в этой области, в настоящее время, по словам Заместителя Министра Обороны РФ Ю.Борисова, ликвидировала этот отрыв и, по некоторым направлениям, имеет технические решения, превосходящие современный мировой уровень, включая БПЛА, которые решают свои задачи на тактическом, оперативном и стратегическом звене задач.
Однако, текущие сложные геополитические условия требуют решения новых технических проблем, диктуемых современным рисунком ведения войн. В том числе и беспилотная техника обретает новый круг требований.
Меняется сам подход к созданию БПЛА. Эволюция его будет идти совсем иначе и зависеть от несколько иных технологических решений. Отсутствие кабины с пилотом позволяет не учитывать при проектировании БПЛА целый ряд ограничений по тепловой нагрузке и защите человека от вредных СВЧ и радиационных излучений, тепловых и гравитационных нагрузок. БПЛА может испытывать кратковременные перегрузки до 20g, что несовместимо с требованиями к пребыванию человека на борту.
Так, в летательном аппарате человек включен в управление. За время принятии им решения, летательный аппарат преодолевает несколько сотен метров. В случае с БПЛА большинство таких решений будет приниматься в автоматическом режиме за время, исчисляемое миллисекундами, и зависеть от качества и скорости сбора-передачи полетной информации, мощности вычислительной техники, пропускной способности и устойчивости сетей и, естественно, от качественной подготовкой наземных операторов.
Использование современной радиооптической фазированной антенной решетки (РОФАР), требует размещения по всей поверхности БПЛА элементов антенных систем на основе фотонных кристаллов ее составляющих. Соответственно, с этих поверхностей можно будет излучать большую мощность при высоком КПД, сводя к нулю преимущества стеллс-технологий летательных аппаратов противника. РОФАР обладает и еще одним крайне важным для БПЛА свойством - она может длительное время находиться в воздухе без обслуживания, т.е. БПЛА может работать без посадки по несколько суток. Возможности такой РЛС не регламентируются ничем, кроме мощности энергетических установок носителя (рис 1).
Рис. 1. Перспективный российский БПЛА проекта «Корсар»
Помимо этого, в России создается технология обработки потоков гиперспектральных данных. В основе технологии - уникальные характеристики спектрального излучения, которые имеет каждый объект или материал. По этим характеристикам такая аппаратура может однозначно идентифицировать, что находится в поле ее зрения, независимо от попыток противодействия противника.
Ко всему сказанному стоить добавить и тот факт, что если до сих пор использование БПЛА происходило в относительно «чистом» небе, то современное развитие систем противодействия требуют превращать современный БПЛА в малозаметный, высокооснащенный и, как следствие, крайне энергозатратный объект.
Таким образом, сформулируем основное техническое противоречие: значительное уменьшение заметности (габаритов, шумности, тепловыделения) БПЛА при резком увеличении его энергоемкости.
Все перечисленное диктует новые требования к энергетической начинке современных БПЛА. На первый план выходит использование водорода, в два раза превосходящего нефтепродукты по удельной энергоемкости.
Идея, использовать водород в качестве топлива для БПЛА не нова и успешно применятся на практике как в малогабаритных БПЛА (рис. 2), так и в истинных гигантах среди них (рис. 3).
Рис. 2. БПЛА «Stalker» корпорации Lockheed Martin, работающий на водородном топливном
элементе с протонообменной мембраной
Рис. 3. БПЛА корпорации Boeing «Phantom Eye» на сжиженном водороде. Размах крыльев 76,25 м. Пустой вес 3390 кг
Также отметим факт успешного применения ВКС РФ в Сирии БПЛА марки «Инспектор-402», работающего на водородном топливе, благодаря чему он бесшумен и не оставляет тепловые следы (рис. 4).
Рис. 4. Российский БПЛА «Инспектор - 402»
Водород во всех этих летательных аппаратах может использоваться как рабочее тело или горючее в гибридных силовых установках тяжелых и сверхтяжелых БПЛА или в качестве топлива для элементов с ионообменной мембраной для малых БПЛА.
Однако, использование сжиженного и компримированного водорода в БПЛА во-первых небезопасно, во-вторых проигрывает по массогабаритным характеристикам гидридному способу хранения и использования водорода, в частности использованию для этих целей гидрида алюминия.
В современных источниках указывается на несовпадение расчетного содержания водорода в гидридах алюминия к получаемому в реальных условиях. Наша гипотеза позволяет снять это противоречие. Основываясь на факте мгновенного образования пленки оксида алюминия на поверхности чистого металла, мы доказываем, что использование прессованного порошкового гидрида алюминия для хранения водорода значительно проигрывает способу электролитического получения и накачки топливного элемента. К тому же получение алюминиевой фольги для таких топливных элементов должно осуществляться в едином цикле с выплавкой алюминия из расплава в среде инертных газов во избежание любого контакта с кислородом воздуха.
Список использованной литературы
1. http://nampuom-pycu.livejournal.com/162060.html#/162060.html.
2. http://army-news.ru/2016/01 /malorazmernye-bla-stanovyatsya-neotemlemoj-chastyu-polya-boya/.
3. https://www.singularityweblog.com/phantom-eye-boeing-hydrogen-drone/; http: //www.airwar.ru/enc/bpl a/phantomeye .html.
4. http://zonwar.ru/news/news_50.html.
