79. Силовые установки БПЛА: классификация и критерии выбора #

Задача. Крылатый БПЛА: \(m = 5\ \text{кг} \), \(\frac{L}{D} = 12 \), крейсерская \(V = 20\ \text{м/с} \). Определить среднюю мощность и требуемую мощность установки (запас 1,3).

Заданные параметры:

Искомые параметры: D (Н); P_ср (Вт); P_{установки} (Вт).

Решение.

1. D = m·g/(L/D) = 49,05/12 = 4,09 Н.
2. P_ср = D·V = 4,09·20 = 82 Вт.
3. P_{установки} = 1,3·82 = 107 Вт.

Вывод. Для крылатого БПЛА средняя мощность — десятки-сотни ватт: это зона «малой» электрики (100–300 Вт) или лёгкого ДВС (0,5–2 кВт). Чем выше L/D, тем ниже P: \(\frac{L}{D} = 15 \) вместо 12 даёт −20 % мощности.

Задача. Батарея 6S LiPo 5000 мАч (22,2 В). Средняя мощность полёта \(P_{ср} = 100\ \text{Вт} \). Определить время полёта с запасом 20 %.

Заданные параметры:

Искомые параметры: E (Вт·ч); t (мин).

Решение.

1. E = 22,2·5 = 111 Вт·ч.
2. t_макс = E/P_ср = 1,11 ч = 66 мин.
3. С запасом: \(t = 0{,}8\cdot 66 = 53\ \text{мин} \).

Вывод. 66 минут — «на бумаге»; паспортное время дают с запасом (53 мин). Старение батареи (–10–20 % ёмкости за 200 циклов) сокращает время дополнительно — закладывайте в расчёт.

Задача. Требуется 1 кВт в течение 45 минут. Сравнить массу: электрическая установка (батарея 150 Вт·ч/кг, мотор 0,4 кг) против 2-тактного ДВС (0,6 кг, \(c = 200\ \text{г/кВт·ч} \), топливная система 0,2 кг).

Заданные параметры:

Искомые параметры: m_эл (кг); m_двс (кг); отношение.

Решение.

1. Электрика: \(E = 1\cdot 0{,}75 = 0{,}75\ \text{кВт·ч} = 750\ \text{Вт·ч} \); \(m_{бат} = \frac{750}{150} = 5\ \text{кг} \); \(m_{эл} = 5 + 0{,}4 + 0{,}2 = 5{,}6\ \text{кг} \).
2. ДВС: \(m_{топлива} = 200\cdot 0{,}75 = 150\ \text{г} = 0{,}15\ \text{кг} \); \(m_{двс} = 0{,}6 + 0{,}15 + 0{,}2 = 0{,}95\ \text{кг} \).
3. Отношение: 5,6/0,95 = 5,9 — ДВС в ~6 раз легче.

Вывод. На «средних» временах (30–60 минут) при 1 кВт ДВС легче. Но при 10 минутах: батарея \(1{,}1\ \text{кг} + 0{,}6 = 1{,}7\ \text{кг} \) против ДВС 0,9 кг — электрика уже сопоставима, а при 100 Вт (малый БПЛА) электрика легче и тише. Пересечение — 30–45 минут.

Задача. Задачи: (а) картографирование 30 мин, 300 Вт; (б) патрулирование 4 ч, 2 кВт; (в) научный полёт 12 ч, 5 кВт. Подобрать тип установки и оценить массу источника энергии.

Заданные параметры:

Искомые параметры: тип; масса источника (кг).

Решение.

1. (а) 30 мин, 300 Вт: \(E = 150\ \text{Вт·ч} \); батарея 150 Вт·ч/кг → 1 кг. Электрика (батарея ~1 кг, мотор+ESC 0,3 кг). ДВС на 300 Вт — избыточен (минимальный рабочий ~0,5 кВт, КПД вне режима низкий).
2. (б) 4 ч, 2 кВт: \(E = 8\ \text{кВт·ч} \); батарея 53 кг — невозможно. ДВС: топливо \(2\cdot 0{,}2\cdot 4 = 1{,}6\ \text{кг} \) + двигатель 2–3 кг + система \(1\ \text{кг} \approx 5\ \text{кг} \). ДВС (турбовинт — избыточен).
3. (в) 12 ч, 5 кВт: DВС: топливо \(5\cdot 0{,}2\cdot 12 = 12\ \text{кг} \) + двигатель 8–10 \(\text{кг} \approx 22\ \text{кг} \). Газотурбина: 5 кВт × 12 ч = 60 кВт·ч; топливо \(\frac{60}{12\cdot 0{,}35} \approx 14\ \text{кг} \) + турбина 8–12 \(\text{кг} \approx 24\ \text{кг} \).

Вывод. Выбор по времени: 30 мин — электрика (батарея легче минимального ДВС); 4 ч — ДВС (батарея 53 кг — абсурд); 12 ч — турбина (у ДВС масса топлива 12 кг + большой двигатель, у турбины — топливо + компактная турбина). На больших мощностях (больше 5–10 кВт) электрика вообще не рассматривается.

Задача. Тяжёлый дальний БПЛА: \(m = 50\ \text{кг} \), требуемая мощность 20 кВт, полёт 6 ч. Оценить, возможна ли электрическая установка, и подобрать тип.

Заданные параметры:

Искомые параметры: m_бат (кг); пригодность электрики; тип установки.

Решение.

1. E = 20·6 = 120 кВт·ч = 120 000 Вт·ч.
2. m_бат = 120 000/150 = 800 кг.
3. 800 кг против 50 кг БПЛА — электрика невозможна (масса батареи в 16 раз больше аппарата).
4. ДВС 20 кВт: 8–12 кг + топливо \(20\cdot 0{,}2\cdot 6 = 24\ \text{кг} \) + система \(4\ \text{кг} \approx 40 \) кг — 80 % массы, мало. Газотурбина 20 кВт: 8–12 кг + топливо \(\frac{120}{12\cdot 0{,}35} \approx 29\ \text{кг} \approx 40\ \text{кг} \) — сопоставимо; при \(\frac{L}{D} = 10 \) и 6 ч — турбина с резервом 30–50 % к маршевой мощности.

Вывод. На 20 кВт электрика проигрывает в десятки раз по массе батареи. Для тяжёлых дальних БПЛА — газотурбина (компактность, надёжность, высота) или крупный ДВС (дешевле, тише). Электрика возвращается в игру только при гибридах (ДВС-генератор заряжает батарею, моторы тянут — статья 83).