Источник энергии к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА)

В настоящее время большой интерес обращён к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). И такая тенденция прослеживается не только в направлении военных целей, но и в гражданской области. Для военного использования видится актуальным моментом, чтобы беспилотные летательные аппараты обеспечивали длительное время полёта и быструю дозаправку. Такая тенденция направляет специалистов на поиски эффективных источников питания БПЛА.

Независимо от двигателей внутреннего сгорания (поршневых, турбореактивных, турбовальных), применяемых в основном для беспилотников большого и среднего размера, таких как:

«Aerostar TUAS»

«Global Hawk»

«Camcopter S-100»

«K-MAX UAS»

«MQ-08 Fire-Scout»

«MQ-9 Reaper»

«MQ-1 Predator»

«K-MAX UAS»

Электрические двигатели или гибридные бензин-электрические (например, «Eagle Hero VTOL») используются в конструкциях мини дронов, обладающих максимальной взлётной массой менее 25 кг. Электрические двигатели мини БПЛА потенциально обещают снижение стоимости, устранение тепловой сигнатуры, уменьшение звукового следа, отсутствие выхлопных газов.

Современные литий-полимерные батареи дают относительно небольшую удельную энергию, ограничивая срок нахождения аппарата в воздухе временем не более 60 минут. Следовательно, попытки комбинировать батареи и топливные элементы в гибридных питающих установках видятся вполне объяснимым желанием.

Дроны для военного пользования обычно приводятся в движение электрическими двигателями, получающими питание от аккумуляторных батарей. Однако всё чаще используются микроструйные и микротурбинные моторы. Военные структуры внимательно следят за разработками микротурбинного двигателя. Но этот тип движителей не удовлетворяет требованиям малых БПЛА, учитывая время полёта.

Эффективность двигательной установки БПЛА во многом зависит от типа установки:

• аккумуляторный КПД более 70%,
• КПД топливного элемента – около 45%,
• КПД двигателя внутреннего сгорания – около 40%.

Соответственно, напрашивается вывод – использование только батарейных движителей. Именно поэтому более 95% современных коммерческих конструкций БПЛА действуют на энергии батарей – литий-полимерных (Li-Po) или литий-ионных (Li-Ion).

Однако источник энергии, а также тип движителя, обеспечивающего лётные характеристики, находятся в прямой зависимости от всей системы. Следовательно, добавление батарей в систему не увеличивает время полёта и полезную нагрузку. Единственный способ нарастить временной отрезок – это повысить качество накопления энергии. Другими словами – нарастить удельную массу (Вт/кг) и объёмную удельную энергию (Вт/дм3) батарей.

Массовая удельная энергия движителей разных БПЛА

Наилучшие значения удельной массы представлены жидким или сильно сжатым водородом. Эти значения намного лучше, чем для жидких углеводородных смесей:

• керосина,
• бензина,
• сжиженных газов.

Этим опять же подтверждается концепция, когда среди различных методов накопления электрической энергии, топливные элементы видятся лучшим решением. График, показывающий удельную энергию (электрическую) различных технологий хранения, включая топливные элементы, представлен на картинке ниже.

Рис. График удельной энергии: А – удельная мощность (Вт/кг); В – удельная энергия (Вт/ч/кг); 1 – ионисторы; 2 – литий-ион; 3 – никель-металл-гидрид; 4 – топливный элемент; 5 – свинец

Направление развития современных силовых установок БПЛА – использование гибридных систем, состоящих из батарей и топливных элементов. Обычно это комбинация батарей с высокой удельной энергией и водородных топливных элементов. Водородное топливо допустимо хранить на борту беспилотного летательного аппарата в баллонах под давлением или в виде химических соединений.

Существует также другая, более сложная замкнутая топливная система. В этом варианте водород вырабатывается непосредственно на борту дрона электролизёром с использованием электрической энергии от фотоэлектрических элементов. Правда, решение пока что находится на экспериментальной стадии.

Наиболее часто источниками энергии для беспилотников выступают Li-Po и Li-Ion аккумуляторы. Вероятно, в ближайшем будущем станут доступны более совершенные виды батарей, с более высокой плотностью энергии. Так, проводятся интенсивные исследовательские работы на литий-тионил-хлоридных батареях (Li-SOCl2), обладающих вдвое большей удельной массой, чем Li-Po.

Эти конструкции остаются пока что крайне дорогостоящими, но с развитием технологий цены обещают установиться на более доступный уровень. Можно привести также пример литий-воздушной (Li-air) или литий-серной батареи (Li-S), которые, как ожидается, смогут обеспечить плотность энергии ещё большую, увеличенную примерно в 7-10 раз.

Большое внимание, уделяемое топливным элементам как источнику движения будущих беспилотных летательных аппаратов, оправдано результатами работ, проводимых научно-исследовательскими центрами авиационной промышленности. Большой интерес и финансовые затраты, которые несут авиационные гиганты – «Boeing» или «Lockheed Martin», ведущие исследования в сотрудничестве с НАСА и DARPA, кажутся симптоматичными.