подзарядка электрических беспилотных летательных аппаратов

ПОДЗАРЯДКА ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ БЕСПИЛОТНЫХ
ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ: ОБЗОР СУЩЕСТВУЮЩИХ
РАЗРАБОТОК И ПЕРСПЕКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ
В.С. Фетисов, доктор техн. наук, профессор
М.И. Тагиров, студент
А.И. Мухаметзянова, студент
E-mail: [email protected]
Уфимский государственный авиационный технический университет
г. Уфа, Российская Федерация
Статья преимущественно обзорного характера, в которой затронута тема увеличения дальности и длительности действия электрических беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) и представлен максимально полный спектр всех возможных технических решений по созданию систем подзарядки источников питания электрических БПЛА – как уже существующих, так и имеющих пока
только теоретическое обоснование, но хорошие перспективы в ближайшем будущем. Обзор сделан на основе преимущественно зарубежных источников, но
рассмотрены и отечественные разработки, в частности, предложенные авторами. Рассмотрены особенности конструкций и схемотехники наземной и бортовой частей для отдельных зарядных систем.
Ключевые слова: беспилотный летательный аппарат (БПЛА), источник питания, зарядка аккумуляторной батареи, зарядная станция, посадочная платформа.
RECHARGING OF ELECTRICAL UNMANNED AERIAL VEHICLES:
OVERVIEW OF STATE-OF-THE-ART DEVELOPMENTS AND CHALLENGING
SOLUTIONS
V.S. Fetisov, Doctor of Techn. Science, Professor
M.I. Tagirov, student
A.I. Mukhametzyanova, student
E-mail: [email protected]
Ufa State Aviation Technical University
Ufa, Russian Federation
The paper mainly presents an overview concerning the issue of electrical UAVs' flight
range and endurance enhancement. The whole spectrum of various feasible solutions
for UAVs' power sources charging systems is shown. As existing solutions are presented
as only theoretically known now but perspective in the nearest future. The overview is
made generally on the basis of foreign information sources but some domestic projects
are presented too, particularly, proposed by authors. Features of structure and circuit
design for terrestrial and onboard parts of charging systems are considered.
Key words: unmanned aerial vehicles (UAV), power supply, accumulator battery charging, charging station, landing place.
Введение
Авиация в наше время становится все в
большей степени беспилотной.
Преимущества беспилотных летательных
аппаратов по отношению к пилотируемым
очевидны – это возможности выполнения полетов с экстремальными продолжительностью,
дальностью и высотностью, в опасных для
человека эксплуатационных режимах и внешних условиях; это возможности выполнения
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 7
многих задач с гораздо меньшими рисками,
затратами средств и ресурсов.
Широкое внедрение БПЛА в те области, где
раньше использовались пилотируемые аппараты, а также туда, где летательные аппараты не
применялись вообще, становится возможным
благодаря существенным достижениям в таких
современных областях техники, как: технологии легких и прочных материалов, радиотехнические системы и системы глобального позиционирования, микросистемная техника и
датчики на ее основе, встраиваемые вычислительные системы, новые энергоемкие источники электропитания, новые электромеханические устройства (в частности, высокоресурсные электродвигатели).
В зависимости от типа и назначения БПЛА
в них применяются различные типы двигателей. Обычно это тепловые двигатели (внутреннего сгорания или реактивные) или электрические. Последние становятся все более
используемыми ввиду таких их преимуществ,
как относительная простота обслуживания,
бесшумность, экологичность. Раньше, еще
несколько лет назад, большинство разработок
БПЛА имело военное назначение, и в них, как
правило, предусматривалось использование
тепловых двигателей, так как только они могли обеспечить необходимые дальность и длительность полета. Сегодня появляется множество гражданских применений БПЛА, и
большая часть новых разработок – это полностью электрические аппараты. Это обусловлено, с одной стороны, тем, что во многих
новых областях применения БПЛА просто не
требуются большие дальность и длительность
полетов, а с другой, – технологии новых источников питания постоянно развиваются, и
уже сегодня существующие типы аккумуляторов вполне приемлемы для выполнения
многих задач. В некоторых случаях (для построения мини- и микроБПЛА) электрические
двигатели просто незаменимы. Однако для
электродвигателей, так же как и для других
бортовых
потребителей
электроэнергии
(электросервоприводов, бортовых компьютеров, радиопередатчиков и т.д.), требуются
эффективные источники питания. На сегодняшний день такими источниками в подавляющем большинстве случаев являются литий-ионные аккумуляторы, хотя, как будет
8
показано далее, просматриваются и другие
решения.
Дальнейший прогресс в области разработок
электрических БПЛА будет определяться тем,
насколько успешно будет решаться задача
увеличения длительности их полетов. Уже
сейчас в разных странах существуют проекты
(частично
реализованные)
электрических
БПЛА, предназначенных для выполнения многочасовых и даже многосуточных полетов. Независимо от назначения и типа летательных
аппаратов обеспечение длительного (или непрерывного) выполнения ими своих задач является весьма желательным. Так, при применении БПЛА вертолетного типа при относительно небольшом радиусе действия (порядка
нескольких километров) часто требуется выполнять длительный мониторинг объекта в непосредственной близости с ним. Это можно
сделать либо при наличии БПЛА с достаточно
емким источником питания, либо организовав
дежурство БПЛА (или группы БПЛА) с периодической подзарядкой (заменой) источника
питания.
Таким образом, существует два основных
направления решения проблемы обеспечения
длительного (непрерывного) функционирования электрических БПЛА при выполнении
ими своих полетных задач:
1) за счет повышения удельной энергоемкости источников БПЛА и повышения энергоэффективности самого БПЛА (без подзарядки
источника питания);
2) с использованием подзарядки (замены)
источника питания.
1. Пути увеличения длительности полета
электрических БПЛА без использования
подзарядки источника питания
Здесь можно обозначить два основных направления – это разработки более энергоемких
источников питания и всевозможные меры,
которые направлены на экономию энергии
этих источников.
1.1. Разработки новых источников питания
Для бортового питания применяются различные химические источники тока (ХИТ).
Они подразделяются на первичные источники тока (гальванические элементы однократного применения) и вторичные (аккумуляторы – многократно перезаряжаемые ХИТ).
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
Весь запас реагирующих веществ в таких источниках сосредоточен в пределах их корпуса.
Существует еще особая группа ХИТ, называемых топливными элементами, в которых реагенты непрерывно подводятся в элемент извне,
а продукты реакции удаляются из него. Можно отдельно выделить также промежуточную
группу полутопливных элементов, в которых
один реагент находится в корпусе, а другой
подается извне (пример – металл-воздушные
элементы) [1]. Как правило, элементы питания
последовательно соединяют в батареи для повышения рабочего напряжения.
Разработчиков БПЛА в первую очередь интересуют следующие параметры ХИТ:
− удельная емкость, т.е. запасенная энергия
в пересчете на единицу массы (Вт·ч/кг);
− допустимая мощность (или максимальный
разрядный ток, который обычно оценивается с
помощью условного числа С; С – коэффициент, численно равный значению емкости, но
выражаемый не в ампер-часах, а в амперах);
− диапазон рабочих температур (особенно
критичны отрицательные значения температуры);
− срок службы (количество циклов зарядаразряда);
− скорость зарядки (для аккумуляторов).
Традиционно в бортовом питании использовались кислотно-свинцовые, никель-кадмиевые, серебряно-цинковые и другие аккумуляторы. На сегодняшний день в электрических БПЛА во всем мире наиболее используемыми являются литий-ионные аккумуляторные батареи. Первый литий-ионный аккумулятор для массового производства разработала
японская корпорация Sony в 1991 г. А в 2009 г.
литий-ионные элементы и батареи составляли
около 40 % всех продаваемых в мире батарейных источников питания [2]. Литий-ионные
аккумуляторы имеют множество различных
типов [3]. Классический литий-ионный аккумулятор состоит из катода и анода, разделенных пористым сепаратором, пропитанным
электролитом. В качестве электролита используют, например, гексафторфосфид лития, растворенный в органическом растворителе. Катодный материал представляет собой обычно
оксид или более сложное соединение металла
(Li), а анодный материал – это пористый углерод. Во время разряда поток ионов лития идет
от анода к катоду через электролит. При зарядке движение ионов меняется на противоположное.
Сейчас большое распространение получила
разновидность литий-ионных аккумуляторов,
которые называют литий-полимерными. Свое
название они получили за то, что роль электролита в них выполняет тонкая полимерная
пленка с включениями гелеобразного литийпроводящего наполнителя. Литий-полимерные
аккумуляторы по сравнению с обычными литий-ионными более технологичны и обеспечивают более высокие разрядные токи, обладают
большей удельной энергией.
Литий имеет большой электрохимический
потенциал и наибольшее отношение возможной энергии к собственному весу по сравнению с другими металлами. Удельная энергия
литий-ионных батарей в два раза выше, чем,
например, у никель-кадмиевых. А рабочее напряжение литий-ионной ячейки составляет
3,6 В вместо 1,2 В у аккумуляторов на основе
никеля. Постоянное снижение стоимости, отсутствие выбросов токсичных материалов при
производстве, увеличение удельной емкости и
срока службы сделали литий-ионные батареи
общепринятыми источниками энергии во многих отраслях техники, в том числе для построения электрических силовых агрегатов
БПЛА.
Если еще несколько лет назад серийно производимые литий-ионные аккумуляторные батареи редко имели емкость выше нескольких
ампер-часов, то сейчас многие причины, ограничивающие увеличение емкости, преодолены, и многие компании выпускают аккумуляторы емкостью в сотни ампер-часов. Поэтому
значения длительности полета БПЛА даже для
энергозатратных аппаратов вертолетного типа
сегодня можно измерять не десятками минут, а
часами.
Литий-ионные батареи более неприхотливы
в эксплуатации, чем батареи других типов. У
них нет эффекта памяти и они не нуждаются в
полной разрядке для сохранения своих
свойств. Саморазряд литий-ионных аккумуляторов составляет 4…6 % за первый месяц, затем существенно меньше: за год аккумуляторы
теряют 10…20 % запасенной емкости: это в
несколько раз меньше, чем у никелькадмиевых аккумуляторов.
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 9
Типичный интервал рабочих температур
(при работе на разряд) для большинства литий-ионных аккумуляторов: от –20 до +60 °С.
Однако многие фирмы уже разработали аккумуляторы, работоспособные при –40 °С. Это
достигается применением специальных незамерзающих электролитов и специальными
конструкциями сепараторов. Рекордсменом по
ширине температурного диапазона являются
литий-тионилхлоридные (LiSOCl2) элементы
(-60…+85 °С, в отдельных случаях до 150 °С)
[4]. Такие элементы отличаются и максимальной удельной энергией: достигнуты показатели более 600 Вт·ч/кг [5]. Они выпускаются
обычно в виде первичных (неперезаряжаемых)
элементов. Однако такие элементы имеют высокую стоимость, что вызвано технологической сложностью их изготовления: из-за высокой химической активности лития требуется
создавать его надежную изоляцию, в то же
время необходимо отводить из корпуса батареи газы, образующиеся при разряде; кроме
того, внутри корпуса батареи необходимо размещать терморезистор, служащий для предотвращения перегрузок. Однако, несмотря на все
эти сложности этот тип источников питания
применялся во многих беспилотных системах,
в том числе в космических аппаратах [6, 7].
Для любых типов литий-ионных аккумуляторов зарядка возможна только в интервале
0…45 °С. При минусовых температурах она
неэффективна или опасна.
Недостатком многих типов литий-ионных
аккумуляторов является их пожароопасность
при перезаряде или перегреве. Поэтому обычно они снабжаются встроенной схемой защиты, предотвращающей эти нежелательные явления. Эта же схема следит за недопущением
слишком глубокого разряда, что также вредно
для аккумуляторов. По этой же причине требуются специальные алгоритмы зарядки (зарядные устройства). Если батарея состоит из
нескольких последовательно соединенных
ячеек (обычно не более 8 ячеек), то для обеспечения максимального срока службы батареи
требуется согласованная равномерная зарядка
каждой ячейки, поэтому применяют специальные зарядные микропроцессорные устройства
с т.н. балансерами [8], которые, кроме обеспечения программы зарядки данного типа аккумулятора, выравнивают напряжения на ячейках в процессе зарядки. Однако возгорания
10
серийно выпускаемых литий-ионных батарей
иногда все же случаются, в том числе в авиации. Пример – перегрев и возгорание аккумулятора на борту самолета Boeing 787 японской
авиакомпании ANA в январе 2013 г., после чего компания Boeing была вынуждена вводить
дополнительные уровни защиты таких аккумуляторов и доказывать их безопасность [9].
Поиски более безопасных типов литий-ионных
аккумуляторов продолжаются.
Различия в типах литий-ионных батарей
определяются, как правило, материалом катода. Наиболее распространены следующие материалы катода: LiCoO2 (Литий-Кобальт),
LiMn2O4 (Литий-Марганец), LiFePO4 (ЛитийЖелезоФосфат), а также LiNiMnCoO2 (ЛитийНикель-Марганец-Кобальт). В таблице 1 показаны характеристики батарей с такими катодами (по материалам канадской компании Cadex Electronics[2]).
Таблица 1
Характеристики наиболее часто используемых типов литий-ионных батарей
Тип
катода
Характеристики
Номинальное напряжение
Предельное
напряжение
зарядки
Количество
циклов
заряд/разряд
Удельная
емкость
Максимальный разрядный ток (С)
LiCoO2
(ЛитийКобальт)
LiMn2O4
(ЛитийМарганец)
LiFePO4
(ЛитийЖелезо
Фосфат)
LiNiMnCoO2
(ЛитийНикельМарганецКобальт)
3,60 В
3,80 В
3,30 В
3,60/
3,70 В
4,20 В
4,20 В
3,60 В
4,20 В
500…1000
500…1000
1000…
2000
1000…2000
150…190
Вт·ч/кг
100…135
Вт·ч/кг
10C,
40C кратковременно
90…120
Вт·ч/кг
140…180
Вт·ч/кг
35C
10C
Наиболее
безопасные
батареи
Более безопасные, чем
батареи
ЛитийКобальт
1999
2003
1C
Безопасность
Начало
использования
Средняя
1994
1996
Как видно из таблицы, по совокупности показателей некоторые преимущества имеют батареи с катодом на основе LiNiMnCoO2. Из
серийно выпускаемых аккумуляторов этому
типу сегодня, также как литий-железофосфатным аккумуляторам, чаще всего отдают
предпочтение
авиастроительные
фирмы,
включая разработчиков беспилотных аппаратов [10, 11].
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
Ведутся также исследования новых анодных материалов.
Вместо традиционного графита предлагается использовать, например, кремниевые
сплавы. Использование кремния позволяет
добиться увеличения удельной емкости на
20…30 %, но достигается это, к сожалению,
за счет снижения токов нагрузки и сокращения жизненного цикла. Наноструктурированный титанат лития при использовании в качестве анода позволяет добиться увеличения
жизненного цикла, хороших нагрузочных характеристик и удовлетворительной работы
при низких температурах, но при этом полученный аккумулятор обладает низкой удельной емкостью [2].
Из других перспективных для использования в БПЛА типов химических источников тока стоит выделить пока еще не выпускаемые
серийно, а находящиеся в стадии разработок
литий-серные
аккумуляторы
и
литийвоздушные элементы.
Литий-серные аккумуляторы. Первые удачные образцы таких аккумуляторов предложила
несколько лет назад американская компания
Sion Power [12]. В таком аккумуляторе серосодержащий катод и литиевый анод разделены мембранами и слоем электролита, причем
катод опционально может быть жидким, что
позволяет увеличить плотность тока через него. Удельная емкость аккумулятора (до
300 Вт·ч/кг) по сравнению с литий-ионными
значительно выше благодаря наличию серы в
катоде [13]. ЭДС одной литий-серной ячейки
составляет 2,1 В. К достоинствам литийсерного аккумулятора можно отнести его
безопасность (в том числе экологическую
безопасность при производстве и утилизации),
относительно небольшую стоимость, широкий
диапазон рабочих температур. К сожалению,
существующие опытные образцы аккумуляторов выдерживают пока не более 300 циклов
заряда-разряда, но ведутся работы по повышению этого показателя. Именно такой тип аккумуляторов использовался на беспилотном
самолете Zephyr 7 британской компании QinetiQ. Этот аппарат, имеющий большое количество солнечных панелей на своих плоскостях,
в июле 2010 г. установил рекорды длительности (336 ч) и высоты полета (21 562 м) [14].
Перепады температуры при этом составляли
от –75 до 40 ºС, поэтому аккумуляторы были
снабжены встроенными нагревателями, которые обеспечивали температурный режим не
ниже 0 ºС.
Существенного прогресса в технологии литий-серных аккумуляторов удалось добиться
исследователям Окриджской национальной
лаборатории (США). Они разработали полностью твердую батарею с обогащенным серой
катодом, литиевым анодом и материалом
твердого электролита. Удельная емкость составила порядка 600 Вт·ч/кг [15, 16].
Литий-воздушные
элементы
являются
представителями большой группы металлвоздушных химических источников тока [17].
Их особенностью является т.н. газовый катод,
т.е. роль катода выполняет атмосферный кислород. За счет этого можно добиться уменьшения габаритов и массы элемента. Конструктивно этот электрод выполняют в виде пластины пористого углерода, который абсорбирует кислород из воздуха. Активность этому
процессу придает специальный катализатор
(например, марганец). В литий-воздушных
элементах анодом является металлический литий, а электролитом – тонкая полимерная
мембрана. Положительные ионы лития перетягиваются к ионам кислорода в углеродную
пластинку и образуют оксид лития. При этом,
если внешняя цепь замкнута, в ней происходит
постоянное движение электронов. Весь этот
процесс протекает в несколько раз интенсивнее, чем в традиционных литий-ионных аккумуляторах. Теоретически удельная емкость
литий-воздушных источников может составлять 12 000 Вт·ч/кг [18]. Это гораздо больше,
чем у всех известных типов химических источников тока. Однако пока такие элементы не
удается сделать перезаряжаемыми, т.е. аккумуляторами в обычном понимании. Поэтому
сейчас во многих лабораториях мира ведутся
интенсивные работы по преодолению этой и
других технологических трудностей и доведению этого типа источников питания до серийного производства.
Резкий рост производства источников питания на основе лития привел к тому, что в
мире начинает ощущаться дефицит этого материала [19]. В качестве альтернативы многие
исследователи предлагают натрий – несколько уступающий литию по электрохимическим
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 11
свойствам, но зато гораздо более распространенный и дешевый металл. Уже сделаны обнадеживающие попытки использовать натрий в
металл-воздушных аккумуляторах. Причем в
этом случае, в отличие от использования лития, удалось получить перезаряжаемую систему. На сегодняшний день достигнуты удельная емкость 1600 Вт·ч/кг и количество циклов
заряда-разряда 400 [20] .
Весьма перспективны для построения
энергетических силовых установок БПЛА топливные элементы. Есть примеры использования в БПЛА водородных и метанольных
топливных элементов. Так, сингапурская
компания Horizon Fuel Cell Technologies наладила серийный выпуск водородного топливного элемента специально для использования в БПЛА, названного Aeropak, обладающего удельной энергетической емкостью
более 400 Вт·ч/кг. Это в три-четыре раза
больше, чем у существующих литий-ионных
аккумуляторов, следовательно во столько же
раз можно увеличить дальность и длительность действия БПЛА. Подача водорода осуществляется из специального твердотопливного картриджа-генератора или из пристыковываемого баллона со сжиженным водородом
[21]. Несколько таких топливных элементов
могут объединяться в батарею, поэтому их
можно использовать практически для любой
беспилотной платформы. Одно особое достоинство таких элементов – их низкое внешнее
тепловое выделение.
Особую группу источников тока составляют т.н. суперконденсаторы (ионисторы) [22].
Ионистор – это электрохимический конденсатор, функцию обкладок в котором выполняет
двойной электрический слой на границе раздела электрода и электролита. По сути, это
гибрид конденсатора и химического источника тока. Типичная емкость ионистора – от
единиц до нескольких тысяч фарад, при номинальном напряжении 2…10 В. Хотя удельная энергетическая емкость ионисторов
меньше, чем у большинства аккумуляторов
(она составляет порядка 5…12 Вт·ч/кг), этот
вид источников тока привлекает разработчиков из-за их высоких значений допустимой
скорости зарядки и разрядки, простоты зарядных устройств, широкого рабочего температурного диапазона (–60..+125 ºС) и малой
12
деградации даже после сотен тысяч циклов
заряда-разряда [23]. Совершенствование технологии изготовления ионисторов продолжается. Так, группа индийских исследователей
предложила ионистор на основе графеновых
электродов, обладающий удельной энергоемкостью до 32 Вт·ч/кг (для сравнения: у свинцово-кислотных аккумуляторов она составляет
порядка 30…40 Вт·ч/кг) [24].
В бортсетях БПЛА иногда объединяют ионистор и химический аккумулятор, что позволяет использовать достоинства и компенсировать недостатки тех и других.
1.2. Пути повышения
энергоэффективности БПЛА
Продолжительность полета электрического
БПЛА и длительность выполнения им полетного задания зависят, в частности, от того, насколько экономично аппарат расходует энергию бортового источника питания. Перечислим основные пути снижения энергозатрат.
1. Уменьшение массы аппарата за счет применения более легких материалов.
2. Повышение экономичности электрооборудования БПЛА (уменьшение непроизводительного энергопотребления и повышение
к.п.д. всех электрических и электронных устройств, питающихся от бортсети: электродвигателей, преобразователей, сервоприводов, навигационного оборудования и т.д.).
3. Улучшение аэродинамических характеристик аппарата. Пример: использование эффекта Коанды [25].
4. Применение гибридных схем построения
БПЛА с использованием различных принципов полета, позволяющих улучшить энергоэффективность БПЛА на отдельных стадиях
полета. Пример: в конвертопланах с отклоняемым крылом при переходе на горизонтальный
режим полета кроме тяги винта используется
еще и подъемная сила развернутого крыла, что
повышает экономичность полета [26].
5. Использование аэростатической разгрузки БПЛА самолетного и вертолетного типа.
Суть в том, что в БПЛА размещается герметичная оболочка с легким газом, что позволяет
частично компенсировать вес аппарата. Пример: летательный аппарат P-791 американской
компании Lockheed Martin, в котором совмещены аэростатический и аэродинамический
принципы создания подъемной силы [27].
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
6. Оптимизация траекторий и маршрутов
полетов с использованием информации о текущей ситуации. Пример: коррекция траектории с использованием информации о восходящих потоках воздуха c целью увеличения
экономичности полета [28].
2. Возможные способы подзарядки
источников питания электрических БПЛА
2.1. Подзарядка в воздухе
Иногда по условиям полетной задачи БПЛА
принципиально не может совершать даже
кратковременную посадку для подзарядки или
замены источника питания. В этом случае подзарядка может осуществляться от матриц фотоэлементов (солнечных панелей), размещенных на самом аппарате, либо с помощью наземного лазера и соответствующего бортового
фотоприемника. Первый вариант больше ориентирован на аппараты самолетного типа, второй применим для любых типов БПЛА, хотя
проще его реализовать на низкоскоростных
аппаратах.
Есть еще одна тривиальная возможность
подзарядки (или обеспечения питания вообще)
электрических БПЛА, которая заключается в
подаче электропитания посредством кабеля.
При этом аппарат, конечно, теряет свою автономность и мобильность, но во многих случаях это приемлемо.
2.1.1. Подзарядка от солнечных панелей
Солнечное излучение является практически единственным естественным источником
энергии, пригодным для подзарядки БПЛА в
полете. Постоянный, не перекрываемый
а
Фото компании QinetiQ
плотными облаками поток солнечной энергии
существует на достаточно больших высотах
(порядка 13 000 м и выше). Для размещения
солнечных панелей, способных приводить в
движение двигатели и питать бортсеть, требуются довольно большие площади. Для этого
можно использовать верхние и боковые поверхности крыльев, фюзеляжа и других аэродинамических элементов. Большая площадь
поверхности крыльев нужна еще и для увеличения аэродинамической подъемной силы с
целью сделать аппарат более экономичным.
Все это относится к БПЛА самолетного типа;
для гораздо более энергозатратных аппаратов
вертолетного типа вариант подзарядки их источников питания от солнечных панелей вообще пока не рассматривается.
В разных странах существуют проекты
«солнечных» беспилотных самолетов, которые
в идеале могли бы круглосуточно находиться в
воздухе в течение многих месяцев, выполняя
функции разведчиков, метеорологических
зондов, ретрансляторов сигналов и т.д.
[29…31]. В проектах таких БПЛА большое
внимание уделяется расчетам баланса энергии,
получаемой в дневное время от солнечных панелей и запасаемой в аккумуляторах, и энергии, потребляемой в ночное время [32]. Отдельной темой являются новые материалы самих солнечных элементов, позволяющих повысит эффективность генерации электроэнергии. Например, американской фирмой Alta
Devices предложены солнечные генерирующие
элементы, выполняемые в виде тонкой пленки
из арсенида галлия, которая позволяет при
б
Рис. 1. БПЛА Zephyr 7 британской компании QinetiQ: а – предполетная подготовка; б – в полете.
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 13
нормальном освещении вырабатывать мощность в расчете на единицу массы пленки порядка 1 Вт/г, что в 4…5 раз больше, чем у традиционных кремниевых аналогов [33].
Наиболее удачным реализованным проектом БПЛА с подпиткой от солнечного излучения является уже упомянутый аппарат Zephyr
7 британской компании QinetiQ (рис. 1). Он
имеет массу 53 кг, размах крыльев 22,5 м. Тягу
обеспечивают два электродвигателя без редукторов. Потребляемая мощность в горизонтальном полете была порядка 200 Вт, при наборе
высоты увеличивалась до 500 Вт. Беспосадочное двухнедельное нахождение этого аппарата
в воздухе – далеко не предел. Сейчас специалисты QinetiQ готовятся к реализации многомесячных непрерывных полетов [14].
2.1.2. Подзарядка от наземного лазера
Еще совсем недавно такие проекты казались
фантастическими. Однако на сегодняшний день
существуют вполне успешные разработки, доказывающие реальность идеи передачи энергии
посредством лазерного излучения.
В 2010 г. американская компания LaserMotive продемонстрировала беспилотный квадрокоптер, снабженный специальной фотоприемной матрицей, который находился в воздухе в пределах закрытого помещения в течение
более 12 ч (обычно квадрокоптеры такого
класса могут находиться в воздухе несколько
минут). При этом на матрицу был постоянно
направлен луч лазера от наземной станции, к
которой подводилась мощность порядка
4 кВт [34].
В 2012 г. LaserMotive совместно с компанией Lockheed Martin улучшили это достижение: был реализован 48-часовой беспосадочный полет квадрокоптера с подпиткой бортового аккумулятора посредством энергии лазерного луча. В качестве излучателей предлагается использовать кластеры мощных лазерных диодов, работающих в ближней инфракрасной области спектра. В настоящее время
эффективность преобразования энергии для
таких излучателей составляет порядка 70 %, в
то же время они достаточно надежны
(>20 000 ч работы). Для преобразования энергии луча на борту используют охлаждаемую
матрицу фотоэлементов. Удельная энергия,
вырабатываемая такими матрицами, составляет 6 кВт/м2. Наиболее сложной и ответственной частью системы является подсистема
слежения и автоматического управления направлением луча. Подсистема выдает команду на передачу энергии только тогда, когда
луч беспрепятственно и точно попадет в приемник, если же что-то препятствует прохождению луча или приемник потерян, передача
энергии прекращается.
Очевидным достоинством предложенной
технологии является то, что аппарат может
неограниченное время находиться в воздухе,
избегая небезопасных посадок (с точки зрения технической сложности, метеоусловий,
наличия неприятеля и т.д.). Дальность передачи энергии может составить от сотен метров до 15 км в зависимости от состояния атмосферы. Лазерная установка может быть
Иллюстрация компании LaserMotive
Рис. 2. Подзарядка БПЛА посредством лазерного излучения
14
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
стационарной или мобильной, в последнем
случае она может базироваться на автомобиле, на корабле или даже на большом воздушном судне (рис. 2). Сеть лазерных станций
может поддерживать большое количество
беспилотных аппаратов с различными маршрутами полета [35].
Возможны три основных способа применения питаемых лазером БПЛА:
− БПЛА представляет собой стационарную
наблюдательную платформу для длительного
наблюдения и разведки, при этом он висит над
лазерной установкой, мало отклоняясь от фиксированной точки;
− один или несколько БПЛА выполняют
многофункциональные операции, перемещаясь периодически в зону выполнения задания,
недосягаемую для лазера; по мере понижения
напряжения бортсети до предустановленного
уровня БПЛА направляется в область досягаемости лазера и заряжается в воздухе;
− непрерывное патрулирование аппаратом
объектов в зоне досягаемости лазерного луча и
постоянная подпитка бортового источника питания.
Предложенная технология имеет наряду с
достоинствами и некоторые недостатки:
− зависимость процесса подзарядки от состояния атмосферы;
− пока еще низкий коэффициент полезного
действия всей системы заставляет подводить к
лазерной установке довольно большие мощности, что не всегда приемлемо, особенно для
мобильных зарядных станций.
2.1.3. Концепция «Tethered UAV» –
«привязанный беспилотник»
Существует довольно много примеров реализации этой концепции. Применима она
только к аппаратам вертолетного или аэростатического типа. Используют ее тогда, когда не
требуется большой радиус действия аппарата
и его мобильность, но необходимо его длительное зависание на определенной высоте для
выполнения задач видеосъемки, наблюдения,
ретрансляции радиосигналов и др.
Хорошим примером является система HoverMast израильской фирмы Sky Sapience
(рис. 3). Основу системы составляет мультикоптер, который может компактно укладываться внутри специального бокса, который
может размещаться на крыше здания, автомобиле (в т.ч. беспилотном), корабле. Для выполнения задания бокс автоматически раскрывается, аппарат разворачивает боковые пропеллеры и поднимается на определенную высоту, разматывая за собой кабель питания.
Высота подъема – до 50 м, которой он достигает за 15 с. Управление аппаратом сводится
Иллюстрация компании Sky Sapience
Рис. 3. Cистема HoverMast израильской фирмы Sky Sapience
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 15
к поддержанию вертикального положения кабеля, при этом возможно следование за передвигающимся базовым мобильным средством.
На аппарате могут располагаться гиростабилизированные камеры и различные датчики. По
кабелю передается не только питающее напряжение, но и команды управления, а также
информация с датчиков и камер [36].
У такого технического решения есть очевидные достоинства:
− возможность длительного нахождения в
воздухе без необходимости подзарядки или
замены батарей питания;
− отсутствие информационного и управляющего радиоканала, и, как следствие, невозможность выведения аппарата из строя
противником с помощью радиотехнических
средств;
− практически нулевая вероятность потери
аппарата вследствие сбоя в навигационной
системе.
Ограничения в высоте подъема в системе
HoverMast определяются массой кабеля – медный кабель не может быть слишком тонким в
расчете на довольно большие потребляемые
токи. Частично решить эту проблему можно с
помощью предложения уже упомянутой фирмы LaserMotive, которая делает небезосновательные попытки передачи энергии на мультикоптер не по медному кабелю, а посредством лазера по гораздо более легкому волоконно-оптическому. По этому же кабелю идут и
информационные потоки. Работоспособность
системы, которая была названа InvisiTower,
была продемонстрирована в апреле 2013 г. на
выставке «SPIE Defense, Security & Sensing» в
г. Балтимор (США). По сравнению с системой
для передачи излучения по воздуху она гораздо менее энергозатратна, более проста и компактна [37].
2.2. Подзарядка БПЛА на наземных
зарядных станциях
На сегодняшний день это, пожалуй, наиболее простой и экономичный способ решения
проблемы увеличения длительности функционирования электрических БПЛА в рамках определенной поставленной задачи. Конечно,
минусом такого решения является то, что аппарат в определенные промежутки времени
должен прекращать или сокращать выполнение своих функций и уходить на посадку для
16
восполнения своих энергетических запасов.
Но часто кратковременный перерыв в работе
вполне допустим. Если же это критично, то
возможна организация сменной работы двух
или более аппаратов с периодической подзарядкой части из них на зарядной станции
(рис. 4). Во многом такие станции аналогичны
заправочным станциям для дозаправки топливом аппаратов с тепловыми двигателями, однако есть и свои особенности. Далее будем
вести речь именно об электрической подзарядке.
Будем понимать под зарядной станцией в
общем случае совокупность оборудования наземного (или надводного) базирования, предназначенного
для
обеспечения
взлетов/посадок электрических БПЛА и восстановления их энергетических возможностей.
В зависимости от типа источников питания
пополнение энергии бортсети на зарядных
станциях может выполняться в виде:
− зарядки бортовых аккумуляторов;
− замены неперезаряжаемых источников питания;
− дозаправки израсходованного реагента
(для топливных элементов);
− быстрой замены аккумуляторов с последующей зарядкой снятых аккумуляторов.
− В зависимости от количества одновременно обслуживаемых аппаратов зарядные станции можно подразделить на одноместные и
многоместные (с несколькими посадочными
местами).
Рис. 4. Cистема непрерывного мониторинга объекта: 1 – контролируемый объект; 2 – станция
управления полетами; 3 – зарядная станция;
4 – зарядный источник; 5 – посадочное место;
6 – заряжаемый БПЛА; 7 – дежурный БПЛА.
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
Приведем здесь также другие возможные
критерии классификации наземных зарядных
станций.
По способу передачи энергии от наземного
зарядного источника к бортовому аккумулятору зарядные станции можно подразделить на
следующие типы [38]:
− станции с контактными терминалами
(подвод энергии на постоянном токе, сама
система контактов может выполняться самыми
различными способами на основе двухполюсной схемы);
− станции с бесконтактными терминалами
(передача энергии на переменном токе посредством связанных резонансных контуров или
трансформаторной связи; частный случай –
зарядка БПЛА от энергии линии электропередачи);
− станции с однополюсными терминалами
(передача энергии на переменном токе посредством одного провода (одной контактной пары)).
− Подробнее перечисленные способы передачи энергии рассмотрены в разд. 3.
По конструкции и расположению посадочных мест зарядные станции могут различаться
в зависимости от типа аппарата (самолетного,
вертолетного или аэростатического типа) и его
назначения. Назовем следующие конструкции,
которые потенциально могут быть основой
или местом расположения зарядных станций:
− посадочные места с выходом на ВПП (для
БПЛА самолетного типа);
− открытая посадочная площадка, платформа;
− ангар, гараж (в том числе утепленный,
рассчитанный на зимние условия) [39];
− посадочные места под навесом (защита от
дождя и маскировка);
− причальная мачта или платформа на мачте
(для аппаратов аэростатического или вертолетного типов; в некоторых случаях такое решение может обеспечить непрерывное выполнение аппаратом своих функций даже во время подзарядки) [40];
− вертикальная стена (в ряде случаев, особенно для БПЛА нетрадиционных схем, расположение посадочных мест с соответствующими стыковочно-контактными узлами на
стене может оказаться приемлемым и даже
предпочтительным [41]);
− растянутый горизонтальный трос (в частности, токоведущий провод [54]).
По степени мобильности зарядные станции
можно подразделить на следующие типы:
− стационарные;
− передвижные (развертываемые);
− мобильные на базе автомобиля или корабля.
По организации посадки (доставки) аппарата на посадочное место и подсоединения к зарядному источнику зарядные станции могут
различаться в зависимости от типа аппарата и
условий посадки. Возможны, например, следующие технические решения:
− использование подсистемы поиска контактно-стыковочного узла после посадки и организация подката аппарата к нему;
− посадка аппарата с направленными вниз
электродами на матрицу контактных площадок;
− использование воронкообразного стыковочно-контактного узла и др. (см. разд. 3).
Для возможных распределений зарядных
станций по охватываемой территории можно
назвать следующие варианты:
− одна зарядная станция для обслуживания
одного или группы аппаратов;
− группа зарядных станций, расположенных
по маршруту следования аппарата;
− группа станций, равномерно распределенных по определенной площади.
3. Способы передачи энергии от
наземного зарядного источника на БПЛА
после посадки
3.1. Зарядные станции с контактными
терминалами
Самый простой и экономичный способ подачи энергии от наземного зарядного источника к бортовому аккумулятору после посадки
БПЛА состоит в использовании гальванического соединения положительного и отрицательного электродов бортового аккумулятора с
соответствующими наземными электродами.
Традиционно такое соединение реализуется в
виде двухэлектродного разъема (кроме двух
основных электродов в таком разъеме могут
быть дополнительные – например, для контроля и управления зарядом каждой секции многосекционного аккумулятора). Но для нормального контактирования электродов бортовой и
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 17
наземной частей требуется довольно точное
наведение и стыковка аппарата с контактным
соединителем. Поэтому БПЛА (речь здесь
идет в первую очередь об аппаратах вертолетного типа) перед такой стыковкой должен совершить маневрирование для точного причаливания к стыковочному узлу либо во время
самой посадки, либо после нее с использованием дополнительных специальных средств –
например, управляемого колесного шасси и
подсистемы поиска стыковочного узла [42].
Примеры таких решений показаны на рисунках 5 и 6.
В первом случае влияние погрешностей посадки уменьшено за счет использования вертикального воронкообразного входа в разъемный соединитель. Контактная группа наземной
части соединителя размещена на конце вертикального полого изолирующего стержня, куда
организован подвод напряжения от зарядного
источника. При таком решении посадка на
землю аппарата не обязательна – стержень
может представлять собой достаточно высокую мачту, на которую при посадке «насаживается» БПЛА с воронкообразным разъемом.
Во втором случае реализуется концепция с условным названием «сrawling UAV» («ползающий БПЛА»). Здесь предполагается, что БПЛА
снабжен механизированным колесным шасси,
и все маневры по причаливанию к стыковочному узлу, который в данном случае может
быть расположен в вертикальной стене, осуществляются с помощью него. Такого рода
системы достаточно распространены в наземной робототехнике [43].
Недостаток использования разъемных соединителей заключается в необходимости
применять довольно сложные подсистемы поиска и стыковки. Существуют технические
решения, которые снижают требования к точности наведения БПЛА на наземную посадочную платформу. Например, в посадочной
платформе [44] электроды посадочной платформы выполнены в виде концентрических
колец, расположенных на разных уровнях:
внутреннее кольцо расположено ниже внешнего, причем на летательном аппарате (в форме
классического вертолета с хвостовым винтом)
соответствующие электроды также расположены на разных уровнях: нижние электроды
связаны с шасси, а верхний электрод расположен на конце балки хвостового винта. Такая
схема расположения электродов позволяет несколько снизить требования к точности посадки и совершенно исключить какие-либо требования к курсовому углу аппарата. Однако
ошибка наведения аппарата на платформу не
должна превышать размеров самой платформы. Кроме того, на такую платформу может
приземляться только один аппарат.
В другой системе [45], предназначенной для
посадки и зарядки мультикоптеров, также использованы плоские наземные электроды. Для
обеспечения правильного контактирования
бортовых посадочных электродов с контактными площадками наземной платформы при
неточной посадке мультикоптера служат специальные наклонные бортики по краям посадочной платформы: при погрешности посадки
до нескольких сантиметров воздушный робот
Рис. 5. Схема БПЛА с воронкообразным соединителем: 1 – БПЛА (мультикоптер); 2 – воронкообразный вход соединителя; 3 – наземный посадочный стержень с контактной группой; 4 – места
размещения контактов.
Рис. 6. Схема стыковки мобильного БПЛА с разъемным соединителем: 1 – БПЛА (мультикоптер) с
колесным шасси; 2 – стыковочный стержень с
контактной группой; 3 – корпус соединителя; 4 –
места размещения контактов.
18
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
скатывается по ним вниз точно на контактные
площадки. Для обеспечения надежности контактирования служит также «подпружинивание» контактных площадок с помощью мягкого пористого материала, уложенного под ними. Однако в данной системе все же требуется
достаточно точная посадка БПЛА. Требуется
точное соответствие бортовых электродов и
контактных площадок в наземной платформе,
т.е. при посадке должен точно выдерживаться
курсовой угол. Кроме того, достаточно сложная наземная посадочная платформа предназначена для посадки и зарядки только одного
БПЛА.
Другой путь обеспечения гальванического
контакта между бортовой и наземной частями
системы зарядки видится в организации на
земле распределенных матриц плоских электродов, что позволяют за счет их избыточности
и большой возможной площади расположения
принимать и подключать на зарядку сразу несколько аппаратов без необходимости их точного позиционирования на станции. Несколько
таких решений предложено авторами [38, 42,
46]. Рассмотрим для примера зарядную станцию, проиллюстрированную на рисунке 7, а-в.
Она также ориентирована преимущественно
на мультикоптеры.
Предложенная зарядная станция содержит
систему контактных площадок, выполненных
в виде плоских параллельных электродов шириной a, разделенных узкими диэлектрическими прокладками шириной δ. Половина наземных электродов подключена к «плюсу» наземного источника питания, а другая половина
– к «минусу», причем их полярности чередуются. На борту БПЛА расположены 4 бортовых посадочных электрода, расположенных на
б
а
в
Рис. 7. Зарядная станция на основе платформы с распределенными плоскими электродами: а – структура
станции; б – схема установки отдельного аппарата на наземные электроды; в – возможные положения
бортовых электродов БПЛА на посадочной платформе.
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 19
концах опорных стоек таким образом, что их
точки касания с посадочной платформой лежат в углах квадрата со стороной a+δ, каждый
из бортовых электродов подключен через соответствующие диоды одновременно к положительному и отрицательному входному выводу зарядного контроллера, связанного с бортовым аккумулятором GB1. Благодаря описанным геометрическим особенностям и схемному решению исключено замыкание бортовым электродом соседних плоских параллельных наземных электродов, а главное, что при
любом варианте посадки исключена ситуация,
когда все четыре бортовых посадочных электрода контактируют только с одним плоским
наземным электродом. Таким образом, при посадке обеспечена разнополярность бортовых
электродов, т.е. как минимум один из них будет иметь полярность, отличную от других.
Это значит, что правильное подключение к
зарядному источнику обеспечено при любом
расположении аппарата на посадочной платформе.
3.2. Зарядные станции с бесконтактной
передачей энергии
3.2.1. Передача энергии посредством
связанных резонансных контуров
Терминал беспроводной зарядки основан на
передаче электромагнитной энергии высокой
частоты (10 кГц … 10 МГц) от наземного источника к цепи зарядки аккумулятора посредством связанных магнитным потоком резонансных контуров [47]. В бортовой части такой системы применяют дополнительное преобразование переменного тока в постоянный.
В результате всех преобразований и сопутствующих потерь КПД терминалов беспроводной зарядки в зависимости от передаваемой
мощности составляет 30…60 %. Пока беспроводные зарядные устройства серийно выпускаются только в виде относительно маломощных настольных платформ для зарядки бытовой техники – мобильных телефонов, ноутбуков и т.п. Однако уже сложился специальный
стандарт, разработанный консорциумом заинтересованных фирм (т.н. Qi-стандарт [48]),
регламентирующий основные электротехнические особенности устройств беспроводной зарядки, а также специальный протокол информационного обмена, с помощью которого
можно контролировать текущее состояние ак-
20
кумуляторной батареи и ход процесса зарядки.
В новой версии этого протокола закладывается
возможность работы с относительно большими передаваемыми мощностями (более 5 Вт),
что делает данный стандарт возможной основой для применения в зарядных станциях для
БПЛА. Группой исследователей из лаборатории Nimbus Lab (Университет Линкольна штата Небраска, США) недавно была успешно
продемонстрирована возможность применения
такого способа передачи энергии с мультикоптера на стационарный контур [49]. Беспроводная зарядка аккумуляторов БПЛА, несмотря на
относительно низкий КПД, имеет свои преимущества по сравнению с традиционным
контактным способом: отсутствие необходимости точного позиционирования аппарата на
посадочной площадке и независимость от состояния ее поверхности (она может быть покрыта слоем воды, инея, пыли, что критично
для контактных устройств).
Для надежной связи катушек резонансных
контуров их лучше выполнять с небольшой
шириной намотки или даже плоскими, при
этом одна катушка располагается на посадочной площадке, а другая (меньшего диаметра) –
на борту. При посадке важно обеспечить как
можно более близкое расположение плоскостей катушек, причем желательно чтобы бортовая катушка оказалась целиком внутри наземной.
Возможно также распределение множества
контурных катушек по поверхности посадочной площадки с некоторым их перекрытием,
что дает возможность сделать подключение к
каналу передачи энергии еще более независимым от расположения аппарата на площадке, а
также обеспечить возможность одновременной зарядки нескольких аппаратов. При этом
такая система должна иметь специальный механизм детектирования и подключения только
тех наземных контурных катушек, которые
имеют наилучшие условия потокосцепления с
катушками
приземлившихся
аппаратов
(рис. 8).
3.2.2. Зарядка от линий электропередачи
Среди возможных вариантов организации
бесконтактной передачи энергии от зарядного
источника к БПЛА выделяется способ зарядки
аппаратов от энергии линий электропередачи
(ЛЭП). Развитие этой идеи можно проследить
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
в ряде американских патентов на изобретения
[50, 51]. Такое техническое решение ориентировано на аппараты вертолетного типа или аппараты с гибридной аэродинамической схемой
(винтокрылы, конвертопланы), т.е. те аппараты, которые при приближении к ЛЭП способны зависать в определенной точке и выполнять плавный маневр для подключения к линии. Нахождение ЛЭП осуществляется с помощью системы GPS, видеокамеры и специального магнитометрического датчика [52].
Подвешивание аппарата на проводе осуществляется с помощью кольцеобразного разъемного ферромагнитного подвеса, который является одновременно и магнитопроводом трансформатора (рис. 9). Снимаемое со вторичной
обмотки трансформатора переменное напряжение далее выпрямляется и используется для
зарядки аккумуляторной батареи БПЛА.
3.3. Зарядка посредством однопроводной
передачи энергии
Кроме описанных контактных и бесконтактных способов передачи энергии от зарядного источника существует еще одна особая
возможность передачи энергии – посредством
одного провода (одного контакта). При этом
передача осуществляется, также как и в случае
с беспроводными устройствами, на высокой
частоте. Такой однопроводный способ передачи электроэнергии известен еще со времен
Тесла [53].
Рис. 8. Возможное распределение наземных контуров на зарядной станции: 1– приземлившийся
БПЛА; 2 – активный контур; 3 – неактивный
контур.
В этом случае также нет необходимости позиционировать БПЛА на посадочной площадке точно, так как посадочная площадка (она же
контактная площадка) в данном случае – это
просто металлическая пластина достаточно
большого размера. Ответная контактная пластина должна быть на БПЛА. В момент посадки контактные пластины замыкаются. Состояние поверхности контактных пластин здесь не
так важно, как в контактных устройствах, работающих на постоянном токе. На БПЛА должен располагаться выпрямитель для преобразования переменного тока в постоянный и зарядный контроллер. КПД такого канала передачи энергии будет, конечно, несколько ниже,
чем для традиционных двухпроводных систем
постоянного тока, но выше, чем в полностью
беспроводных системах.
4. Зарядка или замена?
Типичная продолжительность зарядки литий-полимерных аккумуляторов – от нескольких десятков минут до нескольких часов. Иногда по условиям работы БПЛА требуются гораздо более короткие перерывы на восстановление энергии источников питания. В этом
случае очевидным решением являются станции по замене разряженных аккумуляторов
(или одноразовых батарей) на свежезаряженные. Так, группа разработчиков из Массачусетского технологического института (США)
предложила такую станцию для быстрой смены аккумуляторных батарей мультикоптеров
[54]. Станция построена по принципу закольцованного конвейера, в который включено 8
батарей. После посадки аппарата на станцию
Рис. 9. Подзарядка БПЛА от линии
электропередачи
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 21
производится автоматическое извлечение разряженной батареи из его батарейного отсека и
помещение ее на вакантное место в конвейере,
а в освободившийся бортовой отсек мультикоптера проталкивается с помощью электромеханического привода новая батарея. Весь
процесс занимает порядка тридцати секунд.
При этом важно, что происходит т.н. «горячая» замена батареи, т.е. переподсоединение
контактов происходит в таком порядке, что
аппарат не оказывается обесточенным даже во
время выполнения этой замены. Затем аппарат
производит взлет и покидает станцию. Извлеченная батарея сразу же включается в процесс
зарядки. Другие батареи также находятся в
процессе контролируемой зарядки, причем
наиболее заряженной будет та батарея, которая дольше других движется по конвейеру.
Она же будет вставлена в следующий приземлившийся аппарат.
Заключение
Рассмотренные принципиальные подходы и
технические решения не исчерпывают всего
многообразия возможностей увеличения длительности непрерывного функционирования
электрических БПЛА. В данной статье сделана
лишь попытка обобщить и систематизировать
информацию из данной области техники. Так
как в последнее время во всем мире происходит очень быстрый рост числа БПЛА самых
разных назначений как в военных, так и в гражданских отраслях, то можно спрогнозировать, что обозначенная здесь актуальная проблема будет быстро решаться самыми разными способами.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Современные химические источники тока. Гальванические элементы, аккумуляторы, конденсаторы:
Учебно-справочное пособие / Сост.: Ю.Б. Каменев,
И.Г. Чезлов. СПб.: СПбГУКиТ, 2009. 90 с.
2. Learning the basics about batteries [Online] / Cadex
Electronics Inc. Available at: http://batteryuniversity.com
/learn/article/lithium_based_batteries
3. Lithium Batteries: Science and Technology / Ed. by
G.-A. Nazri, G. Pistoia (s.). Springer; 2009.
4. Соболев В., Соколов М., Родин М. Литийтионилхлоридные источники питания // Компоненты и технологии. 2010. № 7. С. 124…126. Доступно на сайте: http://kit-e.ru/articles/powersource/2010_07_124.php
5. Lithium Thionyl Chloride Batteries (Li-SOCl2 )
[Online] / Eagle Picher Technologies, 2013.
22
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
18.
Available: http://www.eaglepicher.com/technologies/
battery-power/lithium-thionyl-chloride
Winchester, C.; Squires, T., Development and
evaluation of large lithium/thionyl chloride batteries for unmanned undersea vehicle (UUV) power
// Battery Conference on Applications and Advances, 2002. The Seventeenth Annual. P. 61.
DOI: 10.1109/BCAA.2002.986369
A Description of the Rover Sojourner [Online] /
NASA, 1997. Available at: http://mars.jpl.nasa.gov/
MPF/rover/descrip.html
Equinox: LiPo cell balancer [Online] / Electrifly,
2013. Available at: http://www.electrifly.com/ chargers/gpmm3160.html
Boeing усовершенствует литиево-ионные батареи
на Dreamliner [Online] // РИА «Новости», опубл.
28.02.2013. Available at: http://www.aviaport.ru/ digest/ 2013/02/28/250156.html
Dow Kokam XALT Cells [Online] / Dow Kokam,
Available
at:
http://www.dowkokam.com/cellproducts-technology/cells/dow-kokam-xalt-cells
Bond J.R. A safe solution to concerns with lithium-ion
batteries. AirRescue. 2013. Vol. 3. № 1. Pp. 50…52.
Available at: http://www.eaglepicher.com/images/LiIon/Bond_EaglePicher.pdf
Tudron F.B., Akridge J.R., Puglisi V.J. Lithium-Sulfur Rechargeable Batteries: Characteristics, State of Development, and Applicability to Powering Portable Electronics
[Online]. (Sion Power, 2004). Available at: http://www.sionpower.com/pdf/articles/Power Sources2004.pdf
Liu Z.C., Fu W.J., Liang C.D. Lithium Sulfur Batteries. In «Handbook of Battery Materials». Ed. by
C. Daniel, J.O. Besenhard. John Wiley & Sons, 2011,
2nd Ed., 2nd Volume Set.
Record breaking Zephyr offers 24/7 cost effective military surveillance and communications [Online] / QinetiQ, 2013. Available at: http://www.qinetiq.com/
news/pressreleases/Pages/world-record-UAV.aspx
Ауслендер Д. Разработана литий-серная батарея,
превосходящая литий-ионную по многим параметрам[Online]. Портал HiTech News – Новости высоких технологий, опубл. 06.06.2013. Available at:
http://hi-news.ru/technology/razrabotana-litij-sernayabatareya-prevosxodyashhaya-litij-ionnuyu-pomnogim-parametram.html
Lin Z., Liu Z.C., Fu W.J., Dudney N.J., Liang С.D.
Lithium Polysulfidophosphates: A Family of LithiumConducting Sulfur-Rich Compounds for Lithium–
Sulfur Batteries // Angewandte Chemie International
Edition. 2013. Vol. 52. № 29. Pp. 7460…7463. Available at: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/
anie.201300680/pdf
Zhang J.G., Bruce P.G., Zhang X. G. Metal-Air Batteries. In «Handbook of Battery Materials». Ed. by
C. Daniel, J.O. Besenhard (Eds.), John Wiley & Sons,
2011, 2nd Ed., 2nd Volume Set.
Beattie S.D., Manolescu D.M., Blair S.L. High capacity lithium-air cathodes // Journal of The Electrochemical Society. 2009. Vol. 156. № 1. Pp. A44…A47.
Available at: http://btinnovations.org/shanebeattie/
Papers/Shane_Beattie_High_capacity_lithium-air_cathodes.pdf
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
19. The Trouble with Lithium 2 [Online] / Meridian International
Research,
2008.
Available
at:
http://www.meridian-int-res.com/Projects/Lithium_
Microscope.pdf
20. Zhu H., Jia Z., Chen Y., Weadock N., Wan J., Vaaland O., Han X., Li T., Hu L. Tin Anode for Sodium-Ion Batteries Using Natural Wood Fiber as a
Mechanical Buffer and Electrolyte Reservoir // Nano Lett. 2013. 13 (7), Pp. 3093…3100. Available at:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl400998t
21. Long Endurance Battery Alternatives for Unmanned
UAS [Online] / Horizon Energy Systems, 2010.
Available at: http://www.hes.sg/files/AEROPAK.pdf
22. Conway B.E. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals andnTechnological Applications.
Springer, 1999.
23. Кузнецов В., Панькина О., Мачковская Н., Шувалов Е., Востриков И. Конденсаторы с двойным
электрическим слоем (ионисторы): разработка и
производство // Компоненты и технологии. 2005.
№ 6. Доступно на сайте: http://kit-e.ru/articles/condenser/2005_6_12.php
24. Vivekchand S.R.C., Rout C.S., Subrahmanyam K.S.,
Govindaraj A., Rao C.N.R. Graphene-based electrochemical supercapacitors // J. Chem. Sci., Indian
Academy of Sciences 120, Jan. 2008. Pp.9…13.
Available at: http://www.ias.ac.in/chemsci/Pdf-Jan
2008/9.pdf
25. Raskin J., Foiled by the Coanda Effect // Quantum.
1994. № 5. Pp. 5…11. Available at: http://users.
df.uba.ar/sgil/physics_paper_doc/papers_phys/fluids/c
oanda_effect_94.pdf
26. Oner K. T., Cetinsoy E., Unel M., Aksit M. F., Kandemir I., Gulez K. Dynamic Model and Control of a
New Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle with TiltWing Mechanism // International Journal of Engineering and Applied Sciences. 2009. Vol. 5. № 2.
Pp. 133…138.
27. P-791 [Online] / Lockheed Martin, 2013. Available
at:
http://www.lockheedmartin.com/us/products/p791.html
28. Solar UAV [Online] / Sanghyuk Park, 2011. Available at: http://mercury.kau.ac.kr/park/solar_uav.htm
29. Aurora Wins Design and Fabrication Contract for the
Boeing SolarEagle [Online] / UAS Vision, January 11,
2012. Available at: http://www.uasvision.com/2012/
01/11/aurora-wins-design-and-fabrication-contractfor-the-boeing-solareagle
30. Gonzalez L.F., Alsabban W.mThe Green Falcon – Solar Powered Unmanned Aerial Vehicle [Online]. 2009.
Available at: http://eprints.qut.edu.au/34102
31. Bhatt M.R. Solar power unmanned aerial vehicle: high
altitude long endurance applications [Online] / Master's project, San Jose State Univ., Dept. of Mechanical and Aerospace Engineering, May 2012. Available
at: http://www.engr.sjsu.edu/nikos/MSAE/pdf/ Bhatt.
S12.pdf
32. Meyer J., Plessis F., ClarkeW. Design Considerations
for Long Endurance Unmanned Aerial Vehicles. In
«Aerial Vehicles» / Ed. By Thanh Mung Lam. InTech,
2009. Available at: http://www.intechopen.com/
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
45.
books/aerial_vehicles/design_considerations_for_long
_endurance_unmanned_aerial_vehicles
Solar Powered UAVs [Online] / NASA Tech Briefs,
March 01, 2013. Available at: http://www.techbriefs.com/component/content/article/15992
LaserMotive and Lockheed Martin Skunk Works Developing «Power Beaming» In-Flight LaserRecharging for UAS/UAV/Drone Aircraft [Online] /
Crane D., Defense Review, July 19, 2012. Available
at: http://www.defensereview.com/lasermotive-andlockheed-martin-skunk-works-developing-powerbeaming-in-flight-laser-recharging-for-uasuavdroneaircraft
Laser Power for UAVs [Online] / Nugent T.J., Kare
J.T., A White Paper of LaserMotive, 2010. Available
at:
http://lasermotive.com/wp-content/uploads/
2010/04/Wireless-Power-for-UAVs-March2010.pdf
The HoverMast from Sky Sapience [Online] / Sky Sapience, 2013. Available at: http://skysapience.com
Nugent T.J. New Product: Laser Power over Fiber for
Tethered VTOL [Online]. April 29, 2013. Available
at:
http://lasermotive.com/2013/04/29/new-productlaser-power-over-fiber-for-tethered-vtol
Фетисов В.С., Ахмеров Ш.Р., Мухаметзянова А.И.
Зарядный терминал для беспилотных летательных
аппаратов на основе матрицы контактных площадок // Альманах современной науки и образования.
Тамбов: Грамота, 2012. № 11 (66). C. 206…208.
Доступно на сайте: www.gramota.net/articles/
issn_1993-5552_2012_11_61.pdf
Aerial Surveillance Drone Launched from a Mailbox
[Online] / HacknMod, 2013. Available at:
http://hacknmod.com/hack/aerial-surveillance-copterlaunched-from-a-mailbox
Airship mooring mast [Online] / Ralph Currell, 2013.
Available at: http://www.currell.net/models/mast.htm
Desbiens A.L., Asbeck A.T., Cutkosky M.R. Scansorial Landing and Perching // Robotics Research:
Proc. of the 14th International Symposium ISRR 2009,
August 31–September 3, 2009. Springer, 2011,
Springer Tracts in Advanced Robotics. Pp. 169…184.
Fetisov V., Dmitriyev O., Neugodnikova L., Bersenyov S., Sakayev I. Continuous monitoring of terrestrial objects by means of duty group of multicopters //
Proc. of XX IMEKO World Congress «Metrology for
Green Grouth», 9–14 Sept. 2012, Busan, Republic of
Korea. P. 86.
Kartoun, U. et al. Vision-Based Autonomous Robot
Self-Docking and Recharging // Proc. of World Automation Congress, 2006. WAC '06. 24–26 July 2006,
Budapest. Pp. 1…8. DOI: 10.1109/WAC.2006.375987
Kemper P., Suzuki K., Morrison J. UAV Consumable
Replenishment: Design Concepts for Automated Service Stations // Journal of Intelligent and Robotic Systems. 2011. Vol. 61. № 1. Pp. 369…397. Available at:
http://www.researchgate.net/publication/220062239_
UAV_Consumable_Replenishment_Design_Concepts
_for_Automated_Service_Stations
Dale D. Automated ground maintenance and health
management for autonomous unmanned aerial vehicles // Thesis (M. Eng.) - Massachusetts Institute of
Technology, Dept. of Electrical Engineering and
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 23
46.
47.
48.
49.
50.
51.
52.
53.
54.
Computer Science, 2007. Pp.43…49, 32…36.
Available at: http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/
41541
Ахмеров Ш.Р. Автоматическая система подзарядки электрических беспилотных летательных аппаратов вертолетного типа // Электротехнические и
информационные комплексы и системы. 2013. Т. 9.
№ 1. С. 5…9.
Kurs A. et al., Wireless Power Transfer via Strongly
Coupled Magnetic Resonances // Science. 2007. Vol.
317. № 6. Pp. 83…86. DOI: 10.1126/science.1143254
Wireless power technology [Online] / Wireless power
consortium, 2013. Available at: http://www.wirelesspowerconsortium.com/technology
Griffin B., Detweiler C. Resonant Wireless Power
Transfer to Ground Sensors from a UAV // Proc. of
the IEEE International Conference on Robotics and
Automation, RiverCentre, Saint Paul, Minnesota,
USA, May 14–18, 2012. P. 2660…2665. Available
at: http://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi?
article=1190&context=cseconfwork
Marshall P.T. Power line sentry charging. US Patent
7318564. Publ. 15.01.2008.
Silberg E.J. et al. Battery charging arrangement for
UAV utilizing the electromagnetic field associated
with utility power lines to generate power to inductively charge energy supplies. US Patent 7714536.
Publ. 11.05.2010.
Moore J., Tedrake R. Powerline Perching with a
Fixed-Wing UAV // Proc.of the AIAA [email protected] Conference, Seattle, WA, 2009.
Available at: http://groups.csail.mit.edu/roboticscenter/public_papers/Moore09.pdf
Tesla One-Wire Transmission by Bill Williams [Online] / Hank Mills, Pure Energy Systems News, June
14, 2011. Available at: http://pesn.com/2011/
06/14/9501846_Tesla_One-Wire_Transmission_by_
Bill_Williams
Toksoz T._, Reddingy J., Michiniz M., B. Michinix,
How J. P. Automated Battery Swap and Recharge to
Enable Persistent UAV Missions // Proc. of the AIAA
[email protected] Conference, St. Louis, Missouri,
2011. Available at: http://acl.mit.edu/papers/infotechrecharge-2011.pdf
REFERENCES
1. Kamenev Yu.B., Chezlov I.G. Sovremennye khimicheskie istochniki toka. Gal'va-nicheskie elementy,
akkumulyatory, kondensatory: Uchebno-spravochnoe
posobie [Modern chemical current sources. Galvanic
cells, batteries, capacitors: Educational handbook].
SPb.: SPbGUKiT [St. Petersburg: Publishing House
«SPbGUKiT»], 2009. 90 з.
2. Learning the basics about batteries [Online] / Cadex
Electronics Inc. Available at: http://batteryuniversity.com
/learn/article/lithium_based_batteries
3. Lithium Batteries: Science and Technology / Ed. by
G.-A. Nazri, G. Pistoia (s.). Springer; 2009.
4. Sobolev V., Sokolov M., Rodin M. Leetiytionilkhloridnye istochniki pitaniya [Lithium thionyl
chloride Power Supplies]. Komponenty i tekhnologii
[Components and technologies]. 2010. № 7.
24
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
13.
14.
15.
16.
17.
P. 124…126. Available at: http://kit-e.ru/articles/ powersource/2010_07_124.php
Lithium Thionyl Chloride Batteries (Li-SOCl2) [Online]. Eagle Picher Technologies, 2013. Available:
http://www.eaglepicher.com/technologies/batterypower/lithium-thionyl-chloride
Winchester C.; Squires T. Development and evaluation of large lithium/thionyl chloride batteries for
unmanned undersea vehicle (UUV) power. Battery
Conference on Applications and Advances, 2002.
The
Seventeenth
Annual.
P. 61.
DOI:
10.1109/BCAA.2002.986369
A Description of the Rover Sojourner [Online].
NASA, 1997. Available at: http://mars.jpl.nasa.gov/
MPF/rover/descrip.html
Equinox: LiPo cell balancer [Online]. Electrifly, 2013.
Available at: http://www.electrifly.com/chargers/
gpmm3160.html
Boeing usovershenstvuet litievo-ionnye batarei na
Dreamliner [Boeing will improve lithium-ion batteries
for Dreamliner] [Online]. RIA «Novosti» [RIA Novosti],
Publ.
28.02.2013.
Available
at:
http://www.aviaport.ru/digest/2013/02/28/ 250156.html
Dow Kokam XALT Cells [Online]. Dow Kokam,
Available
at:
http://www.dowkokam.com/cellproducts-technology/cells/dow-kokam-xalt-cells
Bond J.R. A safe solution to concerns with lithium-ion
batteries. AirRescue. 2013. Vol. 3. № 1. Pp. 50…52.
Available at: http://www.eaglepicher.com/images/LiIon/Bond_EaglePicher.pdf
Tudron F.B., Akridge J.R., Puglisi V.J. Lithium-Sulfur
Rechargeable Batteries: Characteristics, State of Development, and Applicability to Powering Portable
Electronics [Online]. (Sion Power, 2004). Available
at:
http://www.sionpower.com/pdf/articles/Power
Sources2004.pdf
Liu Z.C., Fu W.J., Liang C.D. Lithium Sulfur Batteries. In «Handbook of Battery Materials». Ed. by
C. Daniel, J.O. Besenhard. John Wiley & Sons, 2011,
2nd Ed., 2nd Volume Set.
Record breaking Zephyr offers 24/7 cost effective military surveillance and communications [Online] / QinetiQ, 2013. Available at: http://www.qinetiq.com/
news/pressreleases/Pages/world-record-UAV.aspx
Auslender D. Razrabotana litiy-sernaya batareya, prevoskhodyashchaya litiy-ionnuyu po mnogim parametram [Developed a lithium-sulfur battery, lithium-ion
superior in many ways]. Portal: HiTech News [Online]. Publ. 06.06.2013. Available at: http://hinews.ru/technology/razrabotana-litij-sernaya-batareyaprevosxodyashhaya-litij-ionnuyu-po-mnogim-parametram.html
Lin Z., Liu Z.C., Fu W.J., Dudney N.J., Liang С.D.
Lithium Polysulfidophosphates: A Family of LithiumConducting Sulfur-Rich Compounds for Lithium–
Sulfur Batteries. Angewandte Chemie International
Edition. 2013. Vol. 52. № 29. Pp. 7460…7463. Available at: http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/
anie.201300680/pdf
Zhang J.G., Bruce P.G., Zhang X. G. Metal-Air Batteries. In «Handbook of Battery Materials». Ed. by
C. Daniel, J.O. Besenhard (Eds.), John Wiley & Sons,
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11
18.
19.
20.
21.
22.
23.
24.
25.
26.
27.
28.
29.
30.
31.
2011, 2nd Ed., 2nd Volume Set.
Beattie S.D., Manolescu D.M., Blair S.L. High capacity lithium-air cathodes. Journal of The Electrochemical Society. 2009. Vol. 156. № 1. Pp. A44…A47.
Available at: http://btinnovations.org/shanebeattie/
Papers/Shane_Beattie_High_capacity_lithium-air_cathodes.pdf
The Trouble with Lithium 2 [Online] / Meridian International
Research,
2008.
Available
at:
http://www.meridian-int-res.com/Projects/Lithium_
Microscope.pdf
Zhu H., Jia Z., Chen Y., Weadock N., Wan J., Vaaland O., Han X., Li T., Hu L. Tin Anode for Sodium-Ion Batteries Using Natural Wood Fiber as a
Mechanical Buffer and Electrolyte Reservoir. Nano
Lett. 2013. 13 (7), Pp. 3093…3100. Available at:
http://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/nl400998t
Long Endurance Battery Alternatives for Unmanned
UAS [Online]. Horizon Energy Systems, 2010. Available at: http://www.hes.sg/files/AEROPAK.pdf
Conway B.E. Electrochemical Supercapacitors: Scientific Fundamentals andnTechnological Applications.
Springer, 1999.
Kuznetsov V., Pan'kina O., Machkovskaya N., Shuvalov E., Vostrikov I. Kondensatory s dvoynym elektricheskim sloem (ionistory): razrabotka i proizvodstvo
[Electric double-layer (electric double layer capacitors): development and production]. Komponenty i
tekhnologii [Components and technologies]. 2005.
№ 6.
Available
at:
http://kit-e.ru/articles/condenser/2005_6_12.php
Vivekchand S.R.C., Rout C.S., Subrahmanyam K.S.,
Govindaraj A., Rao C.N.R. Graphene-based electrochemical supercapacitors. J. Chem. Sci., Indian Academy of Sciences 120, Jan. 2008. Pp. 9…13. Available
at: http://www.ias.ac.in/chemsci/Pdf-Jan2008/9.pdf
Raskin J., Foiled by the Coanda Effect. Quantum.
1994.
№
5.
Pp. 5…11.
Available
at:
http://users.df.uba.ar/sgil/physics_paper_doc/papers_p
hys/fluids/coanda_effect_94.pdf
Oner K. T., Cetinsoy E., Unel M., Aksit M. F., Kandemir I., Gulez K. Dynamic Model and Control of a
New Quadrotor Unmanned Aerial Vehicle with TiltWing Mechanism. International Journal of Engineering and Applied Sciences. 2009. Vol. 5. № 2.
Pp. 133…138.
P-791 [Online]. Lockheed Martin, 2013. Available at:
http://www.lockheedmartin.com/us/products/p791.html
Solar UAV [Online]. Sanghyuk Park, 2011. Available
at: http://mercury.kau.ac.kr/park/solar_uav.htm
Aurora Wins Design and Fabrication Contract for the
Boeing SolarEagle [Online]. UAS Vision, January 11,
2012. Available at: http://www.uasvision.com/2012/
01/11/aurora-wins-design-and-fabrication-contractfor-the-boeing-solareagle
Gonzalez L.F., Alsabban W.mThe Green Falcon – Solar Powered Unmanned Aerial Vehicle [Online]. 2009.
Available at: http://eprints.qut.edu.au/34102
Bhatt M.R. Solar power unmanned aerial vehicle: high
altitude long endurance applications [Online]. Master's
project, San Jose State Univ., Dept. of Mechanical and
32.
33.
34.
35.
36.
37.
38.
39.
40.
41.
42.
43.
44.
Aerospace Engineering, May 2012. Available at:
http://www.engr.sjsu.edu/nikos/MSAE/pdf/Bhatt.
S12.pdf
Meyer J., Plessis F., ClarkeW. Design Considerations
for Long Endurance Unmanned Aerial Vehicles. In
«Aerial Vehicles». Ed. by Thanh Mung Lam. InTech,
2009. Available at: http://www.intechopen.com/
books/aerial_vehicles/design_considerations_for_long
_endurance_unmanned_aerial_vehicles
Solar Powered UAVs [Online]. NASA Tech Briefs,
March 01, 2013. Available at: http://www.techbriefs.com/component/content/article/15992
LaserMotive and Lockheed Martin Skunk Works Developing «Power Beaming» In-Flight LaserRecharging for UAS/UAV/Drone Aircraft [Online].
Crane D., Defense Review, July 19, 2012. Available
at: http://www.defensereview.com/lasermotive-andlockheed-martin-skunk-works-developing-powerbeaming-in-flight-laser-recharging-for-uasuavdroneaircraft
Laser Power for UAVs [Online] / Nugent T.J.,
Kare J.T., A White Paper of LaserMotive, 2010.
Available at: http://lasermotive.com/wp-content/ uploads/
2010/04/Wireless-Power-for-UAVs-March
2010.pdf
The HoverMast from Sky Sapience [Online] / Sky Sapience, 2013. Available at: http://skysapience.com
Nugent T.J. New Product: Laser Power over Fiber for
Tethered VTOL [Online]. April 29, 2013. Available
at:
http://lasermotive.com/2013/04/29/new-productlaser-power-over-fiber-for-tethered-vtol
Fetisov V.S., Akhmerov Sh.R., Mukhametzyanova A.I. Zaryadnyy terminal dlya bespilotnykh letatel'nykh apparatov na osnove matritsy kontaktnykh
ploshchadok [Charging terminal for unmanned aerial
vehicles based on the matrix of contact pads]. Al'manakh sovremennoy nauki i obrazovaniya [Almanac of
Modern Science and Education]. 2012. № 11 (66).
P. 206…208. Available at: www.gramota.net/ articles/
issn_1993-5552_2012_11_61.pdf
Aerial Surveillance Drone Launched from a Mailbox
[Online].
HacknMod,
2013.
Available
at:
http://hacknmod.com/hack/aerial-surveillance-copterlaunched-from-a-mailbox
Airship mooring mast [Online]. Ralph Currell, 2013.
Available at: http://www.currell.net/models/mast.htm
Desbiens A.L., Asbeck A.T., Cutkosky M.R. Scansorial Landing and Perching. Robotics Research: Proc.
of the 14th International Symposium ISRR 2009, August 31–September 3, 2009. Springer, 2011, Springer
Tracts in Advanced Robotics. Pp. 169…184.
Fetisov V., Dmitriyev O., Neugodnikova L., Bersenyov S., Sakayev I. Continuous monitoring of terrestrial objects by means of duty group of multicopters.
Proc. of XX IMEKO World Congress «Metrology for
Green Grouth», 9–14 Sept. 2012, Busan, Republic of
Korea. P. 86.
Kartoun, U. et al. Vision-Based Autonomous Robot
Self-Docking and Recharging. Proc. of World Automation Congress, 2006. WAC '06. 24–26 July 2006,
Budapest. Pp. 1…8. DOI: 10.1109/WAC.2006.375987
Kemper P., Suzuki K., Morrison J. UAV Consumable
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11 25
45.
46.
47.
48.
49.
Replenishment: Design Concepts for Automated Service Stations. Journal of Intelligent and Robotic Systems. 2011. Vol. 61. № 1. Pp. 369…397. Available at:
http://www.researchgate.net/publication/220062239_
UAV_Consumable_Replenishment_Design_Concepts
_for_Automated_Service_Stations
Dale D. Automated ground maintenance and health
management for autonomous unmanned aerial vehicles. Thesis (M. Eng.) - Massachusetts Institute of
Technology, Dept. of Electrical Engineering and
Computer Science, 2007. Pp.43…49, 32…36. Available at: http://dspace.mit.edu/handle/1721.1/ 41541
Akhmerov Sh.R. Avtomaticheskaya sistema podzaryadki elektricheskikh bespilotnykh letatel'nykh apparatov vertoletnogo tipa [Automatic recharging electric
UAV helicopter type]. Elektrotekhnicheskie i informatsionnye kompleksy i sistemy [Electrical and information systems and systems]. 2013. Vol. 9. № 1.
P. 5…9.
Kurs A. et al., Wireless Power Transfer via Strongly
Coupled Magnetic Resonances. Science. 2007. Vol. 317.
№ 6. Pp. 83…86. DOI: 10.1126/science.1143254
Wireless power technology [Online]. Wireless power
consortium, 2013. Available at: http://www.wirelesspowerconsortium.com/technology
Griffin B., Detweiler C. Resonant Wireless Power
Transfer to Ground Sensors from a UAV. Proc. of the
IEEE International Conference on Robotics and Au-
50.
51.
52.
53.
54.
tomation, RiverCentre, Saint Paul, Minnesota, USA,
May 14–18, 2012. P. 2660…2665. Available at:
http://digitalcommons.unl.edu/cgi/viewcontent.cgi? article=1190&context=cseconfwork
Marshall P.T. Power line sentry charging. US Patent
7318564. Publ. 15.01.2008.
Silberg E.J. et al. Battery charging arrangement for
UAV utilizing the electromagnetic field associated
with utility power lines to generate power to inductively charge energy supplies. US Patent 7714536.
Publ. 11.05.2010.
Moore J., Tedrake R. Powerline Perching with a
Fixed-Wing UAV. Proc.of the AIAA [email protected] Conference, Seattle, WA, 2009.
Available at: http://groups.csail.mit.edu/roboticscenter/public_papers/Moore09.pdf
Tesla One-Wire Transmission by Bill Williams [Online] / Hank Mills, Pure Energy Systems News, June
14, 2011. Available at: http://pesn.com/2011/
06/14/9501846_Tesla_One-Wire_Transmission_by_
Bill_Williams
Toksoz T._, Reddingy J., Michiniz M., B. Michinix,
How J. P. Automated Battery Swap and Recharge to
Enable Persistent UAV Missions. Proc. of the AIAA
[email protected] Conference, St. Louis, Missouri,
2011. Available at: http://acl.mit.edu/papers/infotechrecharge-2011.pdf
Сведения об авторах
Фетисов Владимир Станиславович, доктор техн. наук, профессор
E-mail: [email protected]
Тагиров Марк Илдарович, студент
E-mail: [email protected]
Мухаметзянова Альбина Илдаровна, студент
E-mail: [email protected]
Уфимский государственный авиационный технический университет
450000, г. Уфа, Российская Федерация, ул. К. Маркса, 12
Information about authors
Fetisov Vladimir S., Doctor of Techn. Science, Professor
E-mail: [email protected]
Tagirov Mark I., student
E-mail: [email protected]
Mukhametzyanova Al'bina I., student
E-mail: [email protected]
Ufa State Aviation Technical University
450000, Ufa, Russian Federation, st. K. Marks, 12
26
АВИАКОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, 2013 г. № 11