АнотаціяСистеми живлення БПЛА, що представлені на ринку сьогодні, в основному є поршневими двигунами та системами електроживлення, і системи електроживлення складають більшість цивільних БПЛА завдяки їхній високій щільності енергії, малим розмірам, легкій вазі, простоті обслуговування тощо. У цій статті наведено більш детальний огляд компонентів системи живлення електричних БПЛА.

【Ключові слова】Система живлення БПЛА, блок живлення, керування швидкістю

Наразі поршневий двигун широко використовується у великих, малих та легких БПЛА. А для економії та зручності використання в мікро БПЛА зазвичай використовується система електроживлення. Система електроживлення складається переважно з трьох частин: джерела живлення, силового двигуна та системи регулювання швидкості.

1 Блок живлення

Джерело живлення в основному забезпечує електричну енергію для роботи двигуна. Хімічні батареї зазвичай використовуються як джерело живлення електричних дронів, зокрема нікель-водневі, нікель-хромові, літій-полімерні та літій-іонні. Серед них перші два типи батарей були значною мірою замінені літій-полімерними батареями через їхню велику вагу та низьку щільність енергії. Акумулятор відрізняється від звичайного розуміння батареї високою щільністю енергії, малою вагою та іншими характеристиками. Щодо батареї, існує багато заяв щодо її продуктивності, а найважливішими параметрами є значення напруги, ємність накопичення енергії та ємність розряду.

1.1 Значення напруги акумулятора

Значення напруги джерела живлення визначається у вольтах (В). Наприклад, номінальна напруга високовольтної версії літій-полімерного акумулятора становить 3,7 В, при повному заряді напруга може досягати 4,35 В, а мінімальна напруга розряду — 3,5 В. Номінальна напруга NiMH акумулятора становить 1,2 В, при повному заряді напруга може досягати 1,5 В, а мінімальна напруга розряду — 1,1 В.

1.2 Ємність накопичення енергії

Ємність акумулятора енергії блоку живлення позначається в міліампер-годинах (мАг), що означає, що акумулятор можна розряджати протягом 1 години при постійному струмі, наприклад, для літій-полімерного акумулятора (15C, 20000 мАг, 14,8 В).

1.3 Розрядна ємність

Розрядна ємність блоку живлення визначається швидкістю розряду (C), що означає максимальний струм розряду, якого можна досягти відповідно до ємності, зазначеної на логотипі блоку живлення. Наприклад: якщо блок живлення 2200 мА, то 20 C, то максимальний безперервний струм блоку живлення розраховується наступним чином: ємність x число розряду C = 2,2 x 20 = 44 А. Якщо блок живлення працює з струмом понад 44 А протягом тривалого часу, це значно вплине на термін служби акумулятора. Для наших поширених літій-полімерних акумуляторів, повністю заряджених, напруга одного елемента становить 4,15 ~ 4,20 В, мінімальна напруга одного елемента повинна становити 3,5 В або більше. Якщо потрібне тривале зберігання, найкраще використовувати напругу одного елемента 3,85 В. Зверніть увагу на надмірний розряд та тривалий повний заряд, щоб зберегти акумулятор, оскільки він може сильно пошкодитися.

2 Потужний двигун

Силові двигуни, що використовуються мікро БПЛА, можна розділити на дві категорії: щіткові двигуни та безщіткові двигуни. Серед них щіткові двигуни поступово перестають використовуватися в галузі дронів через їх низьку ефективність. Модель двигуна головним чином базується на розмірі. Наприклад, логотип безщіткового двигуна 2814 означає, що довжина двигуна без урахування електронної котушки вала становить 14 мм, а діаметр котушки статора двигуна – 28 мм, хоча іноді є логотипи, які не вказують на розмір, а на клас, до якого він належить. Існує багато технічних показників силових двигунів, і два найбільш релевантні до силових характеристик БПЛА - це швидкість та потужність. Швидкість двигуна часто визначається кВ, що означає збільшення швидкості двигуна на 1 вольт. Наприклад, якщо двигун позначено kV1400, то при використанні акумулятора 12,6 В швидкість може досягати 1400 x 12 = 17 640, або 17 640 обертів за хвилину.

3 Система керування швидкістю

Система керування швидкістю двигуна двигуна стає ESC, весь процес є електронним регулятором швидкості, скорочено ESC. Для різних двигунів потужності його можна розділити на щітковий ESC та безщітковий ESC. Він контролює швидкість двигуна двигуна відповідно до ШІМ-сигналу від контролера польоту.

Зв'язки джерела живлення, ESC та двигуна загалом такі:

(1) Вхідна лінія живлення блоку живлення ESC;

(2) Лінія сигналу керування контролером польоту підключена до сигнальної лінії ESC;

(3) Вихідна лінія живлення ESC підключена до двигуна.

Зверніть увагу, що ESC зазвичай оснащений лінією виходу живлення (BWC), яка зазвичай знаходиться на сигнальній лінії, з напругою близько 5 В, зазвичай використовується для живлення контролера польоту, приймача радіокерування або керма напрямку.

4 Пропелер

Принцип роботи гвинта полягає в тому, що лопаті гвинта для обертання з високою швидкістю постійно подається велика кількість повітря назад, в результаті чого на лопаті створюється зворотна сила, яка є джерелом потужності дрона. Якщо гвинт усічений, то з розрізу, дуже схожого на поперечний переріз крила, ми бачимо, що після обертання швидкість гвинта відносно потоку повітря складається з двох частин: швидкості руху вперед + швидкості обертання. Обертаючи його, ви утворюєте аеродинамічну силу на лопаті гвинта, складову сили в напрямку вперед ми часто називаємо тягою гвинта. Крім того, коли гвинт обертається, утворюється момент, який запобігає обертанню гвинта, ми часто називаємо протикрутним моментом, цей момент буде врівноважений моментом двигуна. Кут, утворений хордою профілю гвинта та площиною обертання, називається кутом кріплення гвинта. Нарешті, коли гвинт обертається на один оберт, відстань руху вперед часто називають кроком гвинта. Фактично, швидкість руху кожного профілю на гвинті однакова, але окружна швидкість пропорційна відстані (радіусу) профілю від обертового вала, тому кут між відносним потоком повітря кожного профілю та площиною обертання поступово зменшується зі збільшенням відстані від обертового вала. Це є причиною скручування кожної лопаті гвинта. Наприклад, загальновживаний дволопатевий гвинт 1240 вказує на те, що гвинт має діаметр 12 дюймів та крок 40.

5 Зв'язок між типом літака та двигуном і гвинтом

Чим більший пропелер, який використовує дрон, тим більше протикрутіння, що створюється пропелером до літака, тому вибір пропелера залежить від розмаху крил дрона, а також від параметрів відповідного двигуна. Наприклад, якщо пропелер 1240, то розмах крил для БПЛА з фіксованим крилом повинен бути більше 90 см, інакше велике кручення призведе до нестабільності польоту; інший приклад: пропелер 6040 підходить для розмаху крил більше 40 см. Чи можливо використовувати пропелер 4530 для розмаху крил дрона більше 1 метра? Звичайно, можливо, але літак буде дуже енергоємним, оскільки розмах крил має великий опір польоту, а пропелер 4530 створює невелику тягу відносно корпусу, це як невеликий кінний екіпаж. Отже, при виборі системи живлення БПЛА необхідно звернути увагу на взаємозв'язок між джерелом живлення, двигуном живлення, регулятором рівня енергії та пропелером. Спочатку необхідно врахувати розмір моделі БПЛА, крило та розмах крил, а потім вибрати відповідний двигун живлення, пропелер та джерело живлення. Особливу увагу слід звернути на те, що жодний великий пропелер з двигуном з високим значенням напруги KV не може призвести до перегорання двигуна, що вплине на термін служби акумулятора та навіть може призвести до перегорання регулятора рівня енергії. Навіть регулятор рівня енергії може згоріти.

6 Інші пристрої

З розвитком технології пілотованих турбореактивних двигунів, розробка турбореактивних двигунів для безпілотних літальних апаратів забезпечує важливу технічну основу. Наразі малі турбореактивні двигуни використовуються в кількох високошвидкісних безпілотних літальних апаратах-мішенях та безпілотних літальних апаратах раптової оборони. Механізм малого турбореактивного двигуна складається з чотирьох частин: компресора, камери згоряння, турбіни, сопла. Роль компресора полягає в тому, щоб пропускати повітря через дихальні шляхи з високою швидкістю та зрештою досягати камери згоряння. Камера згоряння в основному використовується для запалювання палива, що подається для горіння. Розширюване повітря приводить в рух турбіну, яка, за допомогою зворотної передачі, керує компресором, і двигун працює в циклі. Прискорений високотемпературний газ із сопла зрештою використовується як тяга всього літального апарату. Окрім вищезгаданих систем живлення, існує кілька застосувань турбовальних, турбогвинтових, турбовентиляторних та інших силових агрегатів у БПЛА.