CC BY
142
The problem of substantiation and selection of a rational structure and concept of thrust control laws for a four-rotor tiltrotor propeller-engine group is formulated, ensuring the implementation of a flight mode transition from a helicopter to an airplane with entering into horizontal flight at a given time speed with a given speed while fulfilling the restrictions on the value of the vertical speed and energy costs. Tiltrotor structure disign and the mathematical model of its movement are presented. A heuristic approach to the design of control laws for thrust vectors is proposed. Its feature is the integration of the programmed control of the angles of rotation of the thrust vectors and the PID control of their values. The parameters of these controls in the simulation process based on the minimized functional. The results of modeling the processes of changing the linear speeds of the tiltrotor, the angles of its pitch and attack, as well as the thrust developed by the engines of the propeller-driven group are presented. These results confirmed the effectiveness of the proposed structures and control systems of the tiltrotor, ensuring the fulfillment of the requirements for the transient regime.
Key words: tiltrotor, motion control, mathematical model, heuristic approach, thrust vector
control.
Chernomorsky Alexander Isaevich, candidate of technical sciences, docent, chernomorscky@,yandex. ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI,
Kuris Eduard Davydovich, candidate of technical sciences, Senior Researcher, ekuris@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI,
Lelkov Konstantin Sergeevich, engineer, pec-orange@mail.ru, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI,
Petrukhin Vladimir Andreevich, engineer, riksorge@me. com, Russia, Moscow, Moscow Aviation Institute (National Research University), MAI,
Krugov Anton Aleksandrovich, candidate of technical sciences, head of department, anton_krugov@mail. ru, Russia, Zhukovsky, Central Aerohydrodynamic Institute named after Professor N. Ye. Zhukovsky ("TsAGI")
УДК 629.7.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-44-51
МОДЕЛЬ БПЛА НА СОЛНЕЧНОЙ ЭНЕРГИИ
П.А. Назаренко, В.И. Сатарова, Л.В. Макарова
Разработка экологически безопасных, энергонезависимых альтернативных источников энергии является одним из ключевых направлений в авиационной промышленности. Они позволяют заменить традиционные источники питания с целью уменьшения негативного воздействия на природу, а также их работа является возобновляемой и устойчивой. Одно из возможных решений - солнечная энергия. Летательные аппараты на солнечных батареях рассматриваются как ключевое решение для уменьшения последствий экологически небезопасных источников энергии.
Ключевые слова: солнечная энергия, БПЛА, инсоляция, кремниевые пластины, аккумуляторы, топливные элементы, тонкопленочные технологии, ионисторы, фотоэлектрические элементы.
Принцип работы БПЛА на солнечной энергии. Основной принцип работы лежит в том, что солнечными батареями покрываются определенные области БПЛА, обычно крыло и хвостовое оперение. Под воздействием облучения поверхности солнечным светом, то есть инсоляции, элементы батареи преобразуют солнечное излучение в электрическую энергию. Объем производимой энергии зависит от множества факторов, но главным образом - от природных. Например, время года, время суток, погодные условия и т.д. Реле электрического питания выполнено на печатной плате, содержащей программируемый микрочип. Система
управления и распределения питания на печатной плате обеспечивает получение максимального количества энергии от солнечных элементов. Полученная мощность в основном используется для приведения в движение и для питания бортовой электроники. Затем избыточная мощность используется для зарядки аккумулятора. Когда солнечной энергии мало или совсем нет, аккумулятор становится источником энергии.
Необходимо учитывать, что технологическое усовершенствование системы энергопитания требует пересмотра конструкции БПЛА, то есть разработка и использование солнечных элементов или батарей позволяет повысить эффективность и характеристики БПЛА, добиться лучшего энергосбережения и управления. Также при изменении конструкции БПЛА можно использовать прочные легкие материалы, что приведет к повышению грузоподъемности, летных характеристик и долговечности летательного аппарата.
1.Технологии для БПЛА на солнечной энергии. Технологии источников энергии. Прямое преобразование солнечного света в электричество в фотоэлектрических (РУ элементах является одной из трех основных активных солнечных технологий, две другие — это концентрация солнечной энергии (СБР) и солнечные тепловые коллекторы для отопления и охлаждения (БИС). Фотоэлектрическая технология широко известна как метод выработки электроэнергии с использованием солнечных панелей, состоящих из нескольких солнечных элементов, для преобразования энергии солнца в поток электронов. Солнечные элементы, содержащие фотоэлектрический материал, производят постоянный ток из солнечного света, который можно использовать для питания оборудования или для зарядки аккумулятора.
Возможно использование следующих основных классов солнечных элементов: тонкопленочные, одинарные и множественные. Их принцип выработки энергии теоретически одинаков, но отличается материалом и изготовлением. Материалы, используемые для фотоэлектрических систем, включают монокристаллический кремний, поликристаллический кремний, аморфный кремний, теллурид кадмия и селенид меди-индия-галлия. В развитии солнечных элементов можно выделить две тенденции: снижение производственных затрат и повышение эффективности преобразования энергии, которые делают солнечную энергию намного более доступной. Описание классов фотоэлементов выглядит следующим образом:
1) кристаллические кремниевые пластины (е-Бг). Пластины из кристаллического кремния (Бг) являются наиболее популярным материалом для солнечных элементов и их обычно называют технологией «первого поколения». Они надежны благодаря своей простой конструкции р - «-перехода с большой площадью и имеют относительно высокий КПД. Данный вид солнечных элементов дорог с точки зрения производства.
2) тонкопленочные технологии. Тонкопленочные технологии «второго поколения» не требуют дорогостоящих пластин кристаллического кремния и их производство гораздо дешевле. К ним относятся устройства на основе ряда новых неорганических полупроводниковых материалов, а также многопереходного аморфного (некристаллического) кремния.
Аморфный кремний (а-Бг) может быть получен из кремнезема при применении энергичных восстановителей, например магний, а также он является более реакционноспособным по сравнению с кристаллическим кремнием. [1] Тонкопленочные элементы изготавливаются с использованием таких методов, как распыление, физическое осаждение из паровой фазы и химическое осаждение из паровой фазы с плазменным воздействием. Тонкопленочные элементы имеют более высокую эффективность при более высоких температурах по сравнению с элементами из кристаллического кремния. Возможно введение водорода при изготовлении аморфного кремния (а-Бг.И), что улучшает фотопроводимость. Гидрированный аморфный кремний может подвергаться легированию, то есть вводу в соединение примесей для улучшения химических и физических свойств материала.
Теллурид кадмия (СйТв) с высокой поглощающей способностью - еще один тонкопленочный материал, пригодный для использования в недорогих производственных технологиях. Теллурид кадмия обладают высоким электрическим сопротивлением, и, хотя их производственная стоимость невысока, они могут не справиться с проблемой менее резистивных покрытий из селенида меди-индия-галлия (Си1«ОаБв).
Селенид меди-индия-галлия (Си1«ОаБв) имеет высокий коэффициент поглощения, что позволяет использовать гораздо тонкую пленку, чем в других полупроводниковых материалах.
3) Многопереходные элементы. Многопереходные элементы улавливают и преобразуют более широкие световые частоты, чем другие конструкции, и могут быть более эффективными. Трехпереходные ячейки обычно изготавливаются из р — «-переходов фосфида галлия-индия (Оа1пР), арсенида галлия (GaAs) и германия (Ов). Особенность многопереходных элементов состоит в том, что эти они не теряют эффективности при высоких температурах.
2. Технологии хранения энергии. Аккумуляторы. Элементы питания могут классифицироваться как первичные или вторичные в зависимости от их электрохимического состава. Первичные элементы питания (батарея) полностью разряжаются и не подлежат перезарядке. Вторичные элементы питания (аккумулятор) являются перезаряжаемой и обеспечивают питание в ночное время, когда основной источник энергии (солнечная батарея) недоступен. Для использования в БПЛА на солнечной энергии подлежат следующие основные типы вторичных элементов питания: никель-кадмиевые (NiCd), никель-цинковые (NiZn), литий-ионные (Li), ни-кель-металлогидридные (NiMH) и натриево-серные (NaS). Каждый из этих типов батарей удовлетворяет различным применениям в зависимости от его рабочих параметров, таких как удельная энергия, срок службы и надежность [2]. Аккумулятор оценивается с точки зрения ее емкости, равной общему заряду накопителей. Общая энергия аккумулятора измеряется в ватт-часах и является произведением емкости и напряжения. Плотность энергии (удельная энергия) измеряется в ватт-часах на килограмм.
Доступными и распространёнными в использовании в аэрокосмической промышленности были никель-кадмиевые и никель-металлогидридные. По мере улучшения технологических характеристик были выпущены литий-ионные аккумуляторы. Затем литий-ионные батареи были модифицированы для использования композитного твердого электролита - литий-полимерные аккумуляторы. Некоторые характеристики этих аккумуляторов представлены в табл. 1.
Никель-кадмиевые аккумуляторы имеют длительный срок службы, но имеют низкую плотность энергии, а также считаются экологически небезопасными из-за наличия солей кадмия. Данный тип аккумуляторов обладает «эффектом памяти» (подвержен снижению емкости) и чувствителен к низким температурам [3].
Никель-цинковые аккумуляторы характеризуются большим напряжением и энергоемкостью, однако при этом имеют ограниченный ресурс циклов перезарядки, обладают «эффектом памяти».
Литий-ионные аккумуляторы характеризуются наибольшей емкостью, большим ресурсом перезарядки, отсутствием «эффекта памяти», работой в широком диапазоне температур, а также являются экологически безопасными.
У никель-металлогидридных аккумуляторов «эффект памяти» и чувствительность к низким температурам несколько ниже, чем у никель-кадмиевых аккумуляторов. Они являются экологически безопасными при использовании.
Натриево-серные аккумуляторы имеют высокую удельную энергоемкость, ограниченный ресурс перезарядки. Существенным недостатком является необходимость поддержания рабочей температуры.
Таблица 1
Характеристики распространенных аккумуляторов__
Характерная черта Свинцово-кислотный Никель-кадмиевый Никель-металлогидридный Литий-ионный Литий-полимерный Литий-серный
Удельная энергоемкость, Вт*ч/кг 25-40 45-65 60-72 110-270 130-200 250-500
Удельная мощность, Вт/кг 80-300 150-500 250-1000 1800 2800 2800
Время перезарядки, ч 8-16 1 2-4 2-3 2-4 -
Эффективность, % 80-90 80 70 99,9 99,8 99,8
Продолжительность работы, мес - - - 24-36 24-36 24-36
Жизненные циклы 200-300 100-900 500-1000 5001000 800-900 1000
Номинальное напряжение, В 2,1 1,2 1,25 3,6 3,7 3,7
Рабочая температура, °С от -40 до 40 от -50 до 40 от -60 до 55 от -20 до 60 от -20 до 40 от -40
Топливные элементы. Другой метод хранения энергии, применимый к БПЛА, работающим на солнечной энергии, — это использование топливных элементов: регенеративный и нерегенеративный. Системы топливных элементов характеризуются компонентами преобразования энергии. К ним относятся элементы питания топливных элементов, компонент аккумулирования энергии, реагенты и резервуары, а также вспомогательные компоненты.
На рис. 1 регенеративная система объединяет водород (%) с кислородом (О2) и использует электролизер. Избыточная энергия, вырабатываемая солнечными элементами, накапливается и используется для отделения молекул воды. Кислород и водород будут накапливаться в отдельных резервуарах под давлением. В период бездействия солнечных элементов процесс будет обратным, то есть газы кислорода и водорода будут подаваться обратно через систему для выработки электроэнергии и воды в качестве побочного продукта.
—»)ОТММ| I Насос ¡«—(Рссрвуар
Солнечная батарея
Электролизер
I I
-0-
Топливный I элемент
Охлаждающая жидкость
тт
I.......... I
ПГ I
Охлаждающая жидкость
И
а
^ Силовая установка
Вторичные Ф- потребители эл ектроэнергн н
ОТММ-
отслежнвание точки
максимальной
мощности
Электрический ток
Рис.. 1. Схема регенеративной системы на топливном элементе
Безрегенеративная система является аналогичной, но без электролизера. Предпосылка системы на основе топливных элементов заключается в том, что кислород и водород объединяются для производства электроэнергии, тепла и воды. Пока эти газы подаются, устройство продолжает вырабатывать энергию.
В табл. 2 представлены некоторые типы топливных элементов и их характеристики
[4].
Сравнение технологий топливных элементов
Таблица 2
Тип топливного элемента Электролит Рабочая температура, °С Эффективность, % Выходная мощность
Полимерно-электролитная мембрана Протонообменная мембрана 30-100 35-50 1 Вт - 2 кВт
Щелочной Водный раствор гидроксида калия 50-200 40-65 10-100 кВт
Фосфорная кислота Жидкая фосфорная кислота 100-220 35-40 400 кВт
Расплавленный карбонат Раствор карбонатов лития, натрия и калия 550-700 50-70 2,8 МВт
Твердооксидный Твердый оксид циркония, стабилизированный иттрием 450-1000 45-70 100 кВт
Двумя наиболее многообещающими типами топливных элементов для авиационных применений являются топливный элемент с протонообменной мембраной и твердооксидный топливный элемент. Для любой системы ключом для будущего внедрения является увеличение удельной мощности (кВт/кг). Топливные элементы с протонообменной мембраной - это низкотемпературные устройства, обеспечивающие быстрое время запуска, но требующие чистого газообразного водородного топлива. Повышение рабочей температуры улучшает устойчивость к примесям и может улучшить удельную мощность системы. Топливные элементы с протоно-обменной мембраной выделяют значительное количество тепла, которое трудно рассеять или произвести дополнительную работу, что приводит к необходимости жидкостного охлаждения с более высокой потенциальной удельной мощностью.
Твердооксидный топливный элемент может использоваться в качестве автономного источника энергии или, из-за выделяемого высокого качества тепла, в сочетании с турбиной в гибридной системе для достижения высокого КПД. По сравнению с топливным элементом с протонообменной мембраной твердооксидный топливный элемент работает со значительно большим потоком воздуха через аккумулятор, что обеспечивает отвод тепла, устраняя необходимость и соответствующий вес системы жидкостного охлаждения.
Ионистры. Конденсатор - это электронное устройство, которое хранит электрический заряд, состоящее из одной или нескольких пар проводников, разделенных изолятором. Конденсаторы имеют очень быстрое время отклика и обеспечивают стабильное переходное напряже-
ние. Недостатком является их низкая удельная энергия, что препятствует их использованию в устройствах с длительным сроком действия. Они имеют высокую удельную мощность, но ограниченное напряжение ячеек.
Ионистры также известны как суперконденсаторы, электрические двухслойные конденсаторы. Ионистры имеют двухслойную конструкцию, состоящую из двух угольных электродов, погруженных в органический электролит. Во время зарядки ионы электролита движутся к электродам противоположной полярности, это вызвано электрическим полем между электродами, возникающим в результате приложенного напряжения [5]. Следовательно, образуются два отдельных заряженных слоя. Несмотря на то, что конденсаторы имеют конструкцию, аналогичную батареям, их работа зависит от электростатического воздействия. Никакого химического воздействия не требуется, результатом этого является легко обратимый цикл со сроком службы в несколько сотен тысяч циклов [6]. На практике стоимость и сложность конденсаторов не делают их привлекательным решением для БПЛА на солнечной энергии. Однако прилагаются усилия, чтобы снизить их стоимость. Хотя конденсаторы обладают впечатляющими характеристиками жизненного цикла, они страдают от ускоренного ухудшения характеристик таких параметров, как электрические характеристики, температура, вибрации, давление и влажность
[7].
В результате высокой скорости заряда и разряда конденсаторы имеют более высокие характеристики удельной мощности, чем топливные элементы и аккумуляторы. Однако топливные элементы и аккумуляторы имеют большую плотность энергии, очень низкую удельную мощность из-за их медленной кинетики реакции. Ионистры стремятся восполнить этот разрыв между конденсаторами, топливными элементами и аккумуляторами, поскольку считается, что они имеют высокую плотность энергии, не уступая их высокой плотности мощности.
3. Теоретические основы для моделирования. Выходная мощность солнечного элемента изменяется в зависимости от температуры, уровня солнечной изоляции, нагрузок и направления солнечных лучей. Точка максимальной мощности (ТММ) является единственной фотоэлектрической характеристикой солнечного элемента для конкретных условий эксплуатации. Для повышения эффективности системы необходимо отслеживать ТММ.
Отслеживание точки максимальной мощности (ОТММ) — это необходимый процесс оптимизации для определения отношения между текущей рабочей точкой и максимальной мощностью. Напряжение регулируется так, чтобы оно приближалось к ТММ, пока не будет достигнута максимальная мощность. Если напряжение продолжит расти, то мощность будет уменьшаться.
Существует множество методов, используемых для ОТММ. Здесь рассматривается метод ОТТМ с возрастающей проводимостью. Для данного метода используется цифровое отслеживание ТММ. Процессор измеряет возрастающие изменения тока I и напряжения U, полученные от фотоэлектрической матрицы, чтобы прогнозировать эффект изменения напряжения. Скорость получения ТММ зависит от мощности процессора.
ТММ можно рассчитать с помощью соотношения между dI/U и —I/U. Если отношение производных мощности к напряжению dP/dU отрицательно, то ТММ находится справа от недавнего положения, а если dP/dU положительно или равно нулю, ТММ находится на левой стороне. Метод ОТТМ с возрастающей проводимостью можно определить следующим образом:
dP d(Ux I) dl
— = —-- = I + U —.
dU dU dU
При dP/dU = 0 ТММ определятся, как:
dl _ I
dÜ~
Общий вид модели солнечных батарей представлена на рис. 2. Математическая модель солнечных элементов интегрирована с математической моделью двигателя постоянного тока. Модель ОТММ и модель понижающего преобразователя напряжения (DC-DC) расположены между солнечными элементами и двигателем постоянного тока. Работа солнечных элементов считается идеальной. Таким образом, коэффициенты потерь игнорируются во время моделирования. Коэффициент солнечной освещенности принимается в качестве переменной для моделирования различных уровней полета.
Понижающий преобразователь напряжения - Аккумулятор
Сш-нал модуляции
Ток ОТММ котроллер
Двигатель постоянного тока
Солнечная батарея
Рис. 2. Общий вид модели солнечных батарей
4. Моделирование солнечной батареи. Моделирование солнечной батареи производится в программной среде МаПаЬ БтыНпк 2019 года. На рис. 3 представлена разработанная математическая модель, где система питается от солнечной батареи.
Рис. 3. Модель солнечной батареи в Matlab Simulink
Рис. 4. Кривые PVи IVфотоэлектрической матрицы 42 C60 Sunpower PV
Генерируемая мощность преобразуется с помощью понижающего преобразователя напряжения. ОТТМ выполняется с использованием алгоритма инкрементной проводимости. После достижения максимальной мощности она используется для питания выходного аккумулятора. Мощность, полученная от аккумулятора, используется для моделирования холостого хода двигателя постоянного тока БПЛА на солнечной энергии.
Значения мощности, напряжения и тока рассчитываются с использованием различных коэффициентов энергетической освещенности для моделирования различных высот полета БПЛА на выходе из фотоэлектрических модулей. В случае изменения высоты, то есть изменения освещенности, предлагаемая модель обновляет ОТТМ и поддерживает значения числа оборотов, напряжения и тока. Ток и мощность изменяются в зависимости от входной освещенности системы.
% 14»
I
Т1 ' ■ I"'I■'1I11111I1111^г
■ ■ - ■ 1_1—1......................1—1_I_L
01 j-j<j6je9
MUD1
£
J 2,1 $
C123JSBT86
Tim« (sj
Рис. 5. Преобразователь напряжения, тока, выходной мощности на солнечных батареях
в зависимости от изменения освещенности
Заключение. Рассмотрены технологии для БПЛА на солнечной энергии: технологии источников энергии и технологии хранения энергии.
Разработана имитационная модель солнечной батареи, состоящая из солнечных элементов, понижающего преобразователя напряжения, аккумулятора, двигателя постоянного тока, и промоделирована в среде Matlab Simulink 2019 года с помощью метода ОТТМ с возрастающей проводимостью. Моделирование проводится при различных значениях освещенности. В предстоящей работе планируется добавить математическую модель БПЛА мультироторной системы, чтобы получить завершенную математическую модель коптера на солнечной энергии.
Список литературы
1. Абрамова О.В. Типы аккумуляторных батарей . 2015 [Электронный ресурс]. URL: https://best-energy.com.ua/support/battery/414-vidy-i-tipy-akkumulyatornykh-batarej-v-podrobnostyakh (дата обращения: 21.05.2021).
2. Белов Н.В. Репетитор по химии// учебное издание. 2011 [Электронный ресурс]. URL: https://chem21.info/info/20068/ (дата обращения: 22.05.2021).
3. Винзель Ю.Э. Топливные элементы. 2017 [Электронный ресурс]. URL: https://energy-units.ru/toplivnye-elementy/(дата обращения: 22.05.2021)
4. Nelson RA. Spacecraft Battery Technology. Via Satell; 1999.
5. Halper M, Ellenbogen J. Supercapacitors: a brief overview. Rep no MP 05W0000272, 2006: Report no. MP 05W0000272, p. 1-29.
6. Conway BE. Electrochemical supercapacitors scientific fundamentals and technological applications; 1999.
7. Cluzel C, Douglas C. Cost and performance of EV batteries. Final report for the committee on climate change; 2012. p. 100.
Назаренко Павел Александрович, ассистент, nazarenk27@rambler.ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Сатарова Валерия Игоревна, студент, satarova. valery@,yandex. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
Макарова Лариса Владимировна, студент, larisa. makarova. 99@mail. ru, Россия, Санкт-Петербург, Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения
SOLAR POWERED UAVMODEL N.A. Nazarenko, V.I. Satarova, L.V. Makarova
The development of environmentally friendly, non-volatile alternative energy sources is one of the key areas in the aviation industry. They allow to replace traditional power sources in order to reduce the negative impact on nature, and their work can be maintained renewable and sustainable.
One possible solution is solar energy. Solar-powered aircraft are seen as a key solution to reduce the impact of environmentally unsafe energy sources.
Key words: solar energy, UAVs, insolation, silicon wafers, batteries, fuel cells, thin-film technologies, ionistors, photovoltaic cells.
Nazarenko Pavel Aleksandrovich, assistant, nazarenk2 7@.rambler. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
Satarova Valeria Igorevna, student, satarova.valery@yandex.ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation,
Makarova Larisa Vladimirovna, student, larisa. makarova. 99@mail. ru, Russia, Saint-Petersburg, Saint-Petersburg State University of Aerospace Instrumentation
УДК 531.384
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-10-51-55
РАЗРАБОТКА И СЕРИЙНОЕ ПРОИЗВОДСТВО КОНКУРЕНТСПОСОБНОГО МНОГООБОРОТНОГО ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОГО ЭЛЕКТРОПРИВОДА НОВОГО
ПОКОЛЕНИЯ
В.А.Дмитриев
Рассмотрен опыт работ ОАО «Мичуринский завод «Прогресс» и кафедры «Приборы управления» Тульского государственного университета по реализации комплексного проекта, в результате которого на предприятии была создана база высокотехнологичного производства, что позволило осваивать новые виды продукции.
Ключевые слова: гиростабилизатор, беспилотные системы, производственная платформа.
1. Как всё начиналось. Первое десятилетие XXI века ОАО «Мичуринский завод «Прогресс» (завод) заканчивал уже преодолевшим кризис 90-х годов с положительными результатами. Было покончено с задолженностями по всем показателям: погашены долги по заработной плате, налогам, возвращены банковские кредиты. Кроме того, на предприятии завершилось реформирование системы управления маркетингом, перестроение производства по товарным направлениям, создание новых конструкторских подразделений.
51
