Квадрокоптеры на солнечных батареях

С появлением новых материалов, технологий, инновационных открытий бурно начала развиваться новая отрасль – создание беспилотных летательных аппаратов. Эти аппараты, размеры которых могут быть от величины мухи до больших разведывательных самолетов, призваны выполнять самые различные задачи. И если большие аппараты имеют достаточно большой запас энергии, чтобы непрерывно находиться в полете до 12 – 18 часов, то малые аппараты могут находиться в полете не более получаса.

Малые дроны работают в основном от аккумуляторов. Используемые в настоящее время литий-ионные аккумуляторы обеспечивают полет беспилотника в течение получаса. Наиболее удачные модели могут летать в течение примерно 50 минут. С появлением новых технологий солнечной фотовольтаики появились идеи дополнительно снабдить беспилотные летающие аппараты солнечными батареями. Для первых моделей был выбран четырехвинтовой беспилотник как наиболее подходящий для данной цели. Так появился на свет квадрокоптер с солнечными батареями.

Квадрокоптер на солнечных батареях

С появлением новых материалов, технологий, инновационных открытий бурно начала развиваться новая отрасль – создание беспилотных летательных аппаратов. Эти аппараты, размеры которых могут быть от величины мухи до больших разведывательных самолетов, призваны выполнять самые различные задачи. И если большие аппараты имеют достаточно большой запас энергии, чтобы непрерывно находиться в полете до 12 – 18 часов, то малые аппараты могут находиться в полете не более получаса.

Малые дроны работают в основном от аккумуляторов. Используемые в настоящее время литий-ионные аккумуляторы обеспечивают полет беспилотника в течение получаса. Наиболее удачные модели могут летать в течение примерно 50 минут. С появлением новых технологий солнечной фотовольтаики появились идеи дополнительно снабдить беспилотные летающие аппараты солнечными батареями. Для первых моделей был выбран четырехвинтовой беспилотник как наиболее подходящий для данной цели. Так появился на свет квадрокоптер с солнечными батареями.

Квадрокоптер на солнечных батареях

Почему именно квадрокоптер?

Для выполнения различных задач – аэрофотосъемки, съемки труднодоступных объектов ‒ используются дроны различных конструкций и исполнения. Самые простые – бикоптеры. Они имеют всего два двигателя, и энергии им нужно минимум.

Но они и самые сложные в управлении и стабилизации полета. Более сложная конструкция, умеющая поднимать более тяжелые грузы, – трикоптер. Три винта – два передних, вращающиеся в противоположных направлениях, обеспечивают устойчивость аппарата, третий, хвостовой с сервоприводом поворота оси вращения, обеспечивает перемещение аппарата по горизонтали и маневрирование. Подъемная сила несколько больше, чем у бикоптера, но и энергии он потребляет больше.

Квадрокоптер, обладая большей подъемной силой, устойчив и предельно прост в управлении. Управление аппаратом осуществляется только регулировкой скорости вращения несущих винтов. Дрон состоит из двух накрест соединенных ферм, на концах которых закреплены электродвигатели с винтами постоянного шага. При подаче питания двигатели начинают вращаться, причем два двигателя вращаются по часовой стрелке, а два — против. Именно это обеспечивает устойчивость аппарата в воздухе.

Квадрокоптер

У винтов нет так называемого автомата перекоса, который управляет лопастями. Если ускорить все двигатели – аппарат начинает подъем. Если ускорить двигатели с одной стороны и замедлить с другой – аппарат поворачивается вокруг вертикальной оси симметрии. Если ускорить только один двигатель, дрон начинает движение в эту сторону.

Дроны с большим количеством двигателей, например, с шестью (гексакоптеры) или восемью (октакоптеры) не рассматривались, так как у них энергопотребление значительно выше, чем у квадрокоптера.

Солнечные батареи на борту квадрокоптера

Четыре двигателя, рама и блок питания – это так называемый «скелет» дрона. На самом деле все намного сложнее. И аппаратура, установленная на квадрокоптере, подразумевает наличие достаточно мощных двигателей, чтобы аппарат мог поднять не только самого себя, но и дополнительную нагрузку, например, фото- или видеокамеры.

Естественно для питания этих двигателей нужно иметь на борту легкие аккумуляторы большой емкости. Имеющиеся аккумуляторы обеспечивают промышленным дронам полетное время, не превышающее 25 – 30 минут. Чтобы увеличить это время, на квадрокоптеры попробовали устанавливать солнечные батареи, которые, подзаряжая аккумуляторы во время полета, продлевали срок нахождения аппарата в воздухе.

Теоретически так и должно было быть. Но на практике все оказалось не так просто. Небольшие размеры дронов не позволяли устанавливать на них солнечные батареи большой площади. А при небольших площадях аккумуляторы не получали необходимого запаса энергии для подзарядки. Время полета действительно увеличивалось, но незначительно – максимум на пять-семь минут. Даже при применении австралийскийх солнечных ячеек SunPower, имеющих эффективность 21.8%, конструкторы добились времени полета 57 минут. Увеличивать же площадь солнечных батарей не представляется целесообразным ввиду увеличения парусности, что может привести к нарушению режима полета или даже крушению при порывах ветра.

Солнечная батарея квадрокоптера

В настоящее время конструкторы беспилотников пошли несколько другим путем. Они устанавливают на аппараты высокоэффективные солнечные батареи, но используют их не для подпитки основных аккумуляторов, работающих на маршевые двигатели, а для питания электронной аппаратуры и систем управления. А электронная начинка у дронов достаточно серьезная. Это три гироскопа, стабилизирующие в полете крен, рысканье, навигационная система, радиоаппаратура, принимающая сигналы управления от оператора и передающая информацию на землю, контроллер МРРТ заряда аккумулятора, питающего электронику, а также микропроцессор, управляющий всем этим и формирующий исполнительные команды.

Солнечный квадрокоптер лондонских студентов

Что же касается дронов, работающих практически полностью от солнечных батарей, то работы над созданием таких аппаратов ведутся во всем мире, причем на разных уровнях. Так, группа студентов Лондонского Университета разработала и изготовила вначале лабораторный макет, а затем и опытный образец квадрокоптера, работающего от солнечных батарей.

Первый макет солнечного квадрокоптера

Работе предшествовали длительные исследования, оригинальные разработки легких, но достаточно мощных электродвигателей, поиск прочных, но легких материалов, расчет и изготовление пропеллеров, тщательный отбор монокристаллических кремниевых пластин для солнечных батарей. Кроме того, группой были также разработаны и изготовлены элементы управления аппаратом.

Подбор электрических компонентов квадрокоптера

Особое внимание было уделено двигателям и токоведущим элементам. Поскольку в макетном варианте отсутствовали элементы контроля и управления, очень важно было подобрать двигатели таким образом, чтобы частота вращения их отличалась не более чем на сотые доли процента. В противном случае, если бы какой-то из двигателей вращался быстрее остальных, то мог возникнуть перекос конструкции, что привело бы в конечном счете к падению аппарата.

Тестирование двигателей

Точно так же подбирались и проводники, ведущие к каждому двигателю. Значение сопротивлений этих проводников отличались друг от друга на тысячные доли Ома. Свой первый полет солнечный квардрокоптер совершил седьмого сентября 2016 года.

Первый подъем

Работы над совершенствованием солнечного квадрокоптера продолжены в лабораториях университета. Речь идет о создании полноценного аппарата, который в перспективе мог бы находиться в полете без посадки на протяжении всего светового дня. Но здесь уже придется решать не только задачи энергообеспечения дрона, но и его живучести. Ведь с увеличением площади солнечных батарей увеличивается парусность.

При зависании аппарата для выполнения, например, аэрофотосъемки платформа – солнечная панель – располагается горизонтально и на порывы ветра будет реагировать слабо. Но при передвижении платформа будет наклоняться, создавая тем самым большую площадь атаки для ветра, что в конечном счете может привести к обрушению аппарата, если своевременно не сработают соответствующие защитные устройства.

Несмотря на все сложности, работы над созданием дронов, работающих от солнечных батарей, продолжаются в лабораториях и научных центрах всего мира. Ведь аппараты, работающие в любых условиях, в труднодоступных местах длительное время, не требующие энергозатрат, будут огромным подспорьем во многих отраслях.