Автор: Рахматуллин Эльдар Рафаэлович
Возраст: 18 лет
Место учебы: отделение СПО филиала ФГБОУ ВО «УГАТУ» в г. Кумертау «Авиационный технический колледж»
Город, регион: г. Кумертау, респ. Башкортостан
Руководитель: Бабушкина М.В., отделение СПО филиала ФГБОУ ВО «УГАТУ» в г. Кумертау «Авиационный технический колледж».

Электролёты – есть ли у них будущее?

Цель работы: рассмотреть историю появления электролетов, их эволюцию, разные степени электрификации летательных аппаратов, перспективы их практического применения в современном мире.

Гипотеза: В настоящее время возможно практическое применение электролетов - мультикоптеров для перевозки некоторых видов грузов, однако коммерческое использование чистых электролетов - самолетов, вертолетов с перспективой перевозки пассажиров и грузов отодвигается на обозримое будущее.

План работы:

1. Введение
2. Электролеты. Окно в будущее.
    2.1.Летательные аппараты на электрической тяге.
    2.2. История создания первых электролетов.
    2.3. Современные модели электролётов.
    2.4. БПЛА-будущие короли неба
3. Практическая часть:
    3.1. Сравнительные характеристики двигателей
    3.2. Сравнение полетных характеристик авиамоделей с электродвигателем и ДВС
    3.3. Перспектива создания БПЛА - доставщика грузов
4. Заключение
5.Источники информации.

Введение

Тенденция к использованию электричества с каждым годом становится всё более и более явной: стремясь отказаться от нефтепереработки, человечество всё больше внимания уделяет электрическим двигателям. Возможно, что в ближайшие лет 20-30 почти весь – или вообще весь – воздушный транспорт перейдёт в категорию электролётов.

Эра авиастроения, начавшаяся более века назад, в ближайшем будущем может кардинально измениться, причём, обусловлено это будет не созданием каких-либо уникальных летательных аппаратов, а доработкой ныне существующих конструкций.

Что такое электролёты и какие они бывают?

Электролёты – это название всех устройств, поднимающихся в воздух на электротяге. Электролёты бывают разные: от небольших квадрокоптеров до реальных моделей пассажирских дронов, парапланов, электросамолётов, электровертолётов и даже электродирижаблей.

История создания

В 1868 году А.М. Лодыгиным был разработан первый в мире проект электрического вертолёта, приводимый в движение электродвигателем мощностью 300 лошадиных сил. Электролёт представлял собой горизонтально расположенный продолговатый цилиндр с конусом спереди и полусферой сзади. Несущий винт располагался на боковой поверхности цилиндра и имел две лопасти с размерами 10 на 1,2 м каждая. Высоту полёта изменял особый механизм путём изменения угла установки лопастей. Второй винт для управления аппаратом крепился к полусфере. В качестве основного материала было решено применять железо и в связи с этим вес электролёта должен был составлять примерно 8200 кг. В качестве источника света предполагалось использование лампочки накаливания. Питание осуществлялось по проводам от аккумуляторов, которые должны были находиться на земле. Было начато строительство проекта, который так и не был закончен. Лодыгину не удалось осуществить проект электролёта. Тем не менее впервые идея создания электрического винтового летательного аппарата возникла именно на русской почве и была сформулирована русским изобретателем.

Рисунок 1 – Схема электролёта Лодыгина

Практическое применение электричества на летательных аппаратах началось ещё в XIX веке (8 октября 1883 г.), когда французский воздухоплаватель Гастон Тиссандье совершил первый полёт на дирижабле с использованием электрического двигателя.

Рисунок 2 – дирижабль Тиссандье

Широкое применение электроприводов на самолётах началось в первой половине XX века. Так, на советском бомбардировщике Пе‑2, который по праву можно назвать первым в мире электрическим самолётом, было установлено около 50 электродвигателей (мощностью от 2 до 30 Вт). Они приводили в действие триммеры, посадочные и тормозные щитки, жалюзи водяных радиаторов, обеспечивали управление стабилизатором и насосом, поддерживающим давление в гидросистеме шасси. Для улучшения взлетнопосадочных качеств устанавливались предкрылки с электромеханической системой управления. Электрически осуществлялось изменение шага лопастей винтов. Бомбы сбрасывались с помощью электрического бомбосбрасывателя ЭСБР‑6. Первый полёт он совершил 22 декабря 1939 года на аэродроме ЛИИ в г. Жуковском.

Рисунок 3 – советский бомбардировщик Пе-2

Электролеты. Окно в будущее

Под термином «электросамолет» понимают электрифицированный летательный аппарат. Специалисты в области авиации различают три уровня электрификации самолетов: «более электрический», «полностью электрический» и с «гибридной силовой установкой».

«Более электрический», или самолет с повышенной электрификацией, как и обычный самолет, оснащен двигателем внутреннего сгорания. Мотор преобразует химическую энергию сгорающего топлива в механическую и создает тягу — силу, которая толкает его сквозь поток воздуха. Но большую часть работы оборудования (регулировку крыла, выпуск шасси и так далее) выполняют электроприводы. Они питаются от системы электроснабжения и преобразуют электрическую энергию в механическую. Один из первых «более электрических» самолетов - советский бомбардировщик Пе-2.

Также у такого самолета нет отбора воздуха от двигателей для противообледенительной системы и системы кондиционирования воздуха. За счет этого снижается масса и повышается надежность всех систем, повышается КПД авиадвигателей, что в итоге приводит к снижению расхода топлива и вредных выбросов. Такая концепция, кстати, получила свое развитие в начале 2000-х годов на самолете Boeing 787.

«Полностью электрический самолет» - летательный аппарат, у которого отсутствуют двигатели внутреннего сгорания, а все оборудование работает на электроэнергии. Для создания тяги в таких самолетах используют электродвигатели, которые питаются от аккумуляторов или топливных элементов. Это идеальная схема с точки зрения отсутствия вредных выбросов, а также простоты обслуживания и надежности.

В начале 2000-х годов начался бум создания «полностью электрических самолетов», где основным источником энергии были литий-ионные аккумуляторные батареи.

«Гибридный самолет». Оснащен гибридной силовой установкой. Она преобразует энергию дважды: сначала в механическую с помощью двигателей внутреннего сгорания, затем в электрическую с помощью генераторов. Гибридный двигатель состоит из электрической части (электромотор, генератор, аккумуляторная батарея) и двигателя внутреннего сгорания, который использует химическое топливо. И если сейчас это керосин, то в будущем это будет водород, что открывает огромные перспективы для авиационной техники, разрабатываемой по технологии «полностью электрического самолета.

Примеры успешных проектов полностью электрических самолётов

Интерес к существенной электрификации самолётов возобновился в 1980-х годах.

Первым полностью электрическим самолётом, поднявшимся в воздух с пилотом на борту, стал Mauro Solar Riser. Случилось это знаменательное событие 29 апреля 1979 года в Риверсайде (Калифорния). Инициатором создания самолета стал Ларри Мауро, владелец небольшой компании «Сверхлегкие летательные аппараты».

Рисунок 4 – электросамолёт Mauro Solar Riser

13 июня 1979 года повторили эксперимент британцы, подняв в небо электросамолет Solar-Powered Aircraft Developments.

Рисунок 5 – электросамолёт  Solar-Powered Aircraft Developments

Затем в 1981 году свои силы пробовали французы, за ними немцы. С тех пор технологии шагнули далеко вперед. Создание электросамолетов продолжается. При этом, каждая модель последующая становится более совершенной: увеличивается грузоподъемность и дальность полета, скорость, а также улучшается внутренняя отделка. И в наши дни уже речь идет о серийном производстве.

В 1997 году итальянская компания Alisport пошла на оригинальный шаг — оборудовала серийный планер Alisport Silent Club электромотором мощностью 17 л.с. и начала продавать его как электросамолет. Заряжался полученный мотопланер от розетки и неплохо летал без всякого мотора — последний был реально необходим лишь во время взлета. Годом позже по такому же пути пошли немцы, выпустив на рынок электромотопланер Air

Energy AE-1 Silent

Рисунок 6 – электромотопланер Airsport Silent Club

В начале 2000-х годов начался бум создания «полностью электрических самолетов», где основным источником энергии были литий-ионные аккумуляторные батареи.

В 2006 году студенты Токийского технологического института совместно с компанией Matsushita Electric Industrial сконструировали электросамолет, двигатель которого работал от 160 обычных пальчиковых батареек. Электролет с размахом крыльев 32 м и весом около 50 кг поднял пилота (вес которого составлял 53 кг) на высоту 5,2 метра и за 59 секунд пролетел 391 м.

Рисунок 7 – Токийский электролёт на тяге 160 пальчиковых батареек

В 2009 году публике был представлен двухместный китайский электросамолет Yuneec E430. Литиевые батареи весом 72 кг позволяют двигателю развить мощность 40 кВт. При крейсерской скорости 90 км/ч электричества хватает на два с половиной часа полета на дальность около 220 км. Максимальная скорость аппарата составляет 150 км/ч. Размах крыла электросамолета – 13,8 м, длина – 6,98 м, вес пустого аппарата – 250 кг, максимальный взлетный вес – 470 кг.

Рисунок 8 - электролётYuneec E430

Airbus E-Fan

Двухместный французский самолёт разрабатывался как тренировочный, для отработки фигур высшего пилотажа. Впервые поднялся в воздух в 2014 году. Продолжительность полета - не более часа.

Рисунок 9 – Airbus E-fan

Extra 330LE

Тоже двухместный, немецкий самолёт на двигателе от компании Siemens. Первый полет совершил в 2016 году, может находиться в воздухе около 20 минут.

Рисунок 10 – самолёт Extra 330LE

Magnus eFusion

Двухместный самолет с электромотором от Siemens, разработка венгерской компании. Первый полет прошел 11 апреля 2016 года. Получил награду на выставке Aero 2016, самом крупном и престижном авиашоу Европы. В мае 2018 года очередной экспериментальный полет закончился катастрофой, пилот и пассажир погибли.

Рисунок 11 – самолёт Siemens Magnus eFusion

Sun Flyer

10 апреля 2018 года учебный самолет на 2 - 4 человека, детище американской компании Aero Electric Aircraft совершил свой первый полёт. Серийный самолёт может находиться в воздухе до трех часов.

Рисунок 12 – самолёт Sun Flyer

На МАКС-2017 был продемонстрирован полностью электрический самолёт АВФ-32НС, способный перевезти пятеро пассажиров с багажом на расстояние 600 км.

Рисунок 13 – Проект отечественного электрического самолёта АВФ‑32НС

Этот летательный аппарат является детищем фирмы из России «Наукософт» и опытный лётный экземпляр уже построен и готов к испытаниям в воздухе. На двигатель и самолёт разработаны и представлены соответствующие документы. Машина имеет продолжительность полёта до 5 часов, четыре силовые установки способны разогнать машину со взлётным весом в полторы тонны до максимальной скорости 360 км/час. Чтобы взлететь АВФ -32НС хватает дистанции длиною 300 метров. Первые испытания состоялись в 2018 г.

eCaravan.

Американский электросамолет на базе Cessna 208B Grand Caravan, рассчитанный на 10 - 14 пассажиров. Первый испытательный полет в 2020 году длился около получаса. В электроварианте сможет перевозить 5 пассажиров на расстояние до 160 км.

Рисунок 14 -  самолёт eCaravan

Alice.

На 11 мест (2 члена экипажа и 9 пассажиров), способен преодолевать до 1000 км, израильская разработка на основе трех электромоторов от Siemens. Предположительно будет сертифицирован в конце 2021-го или в 2022 году.

Один из вариантов использования - воздушное такси.

Рисунок 15 – самолёт Alice

Причины повышенного спроса на электрификацию летательных аппаратов:

1. Сокращение количества выбросов в атмосферу (по данным Международной ассоциации воздушного транспорта IATA, на долю коммерческой авиации приходится около 2–3% выбросов углекислого газа). Причем за один короткий перелет, например, из Лондона в Рим, образуется 234 кг углекислого газа на одного человека — больше, чем производят граждане некоторых стран за целый год.

«Полностью электрический самолет» не создает выхлопа. Но его пока не считают абсолютно экологичными, так как производство аккумуляторов загрязняет окружающую среду, а из-за структуры и химического состава их сложно утилизировать.

2. Снижение затрат на топливо.

Именно эта перспектива мотивирует многие крупные авиакомпании вкладывать средства в разработку электросамолетов. Расходы на топливо составляют до 30% их затрат и значительно влияют на прибыль.

В 2020 году электросамолет компаний MagniX и AeroTEC Cessna 208B совершил успешный 30-минутный полет. Исполнительный директор Рой Ганзарски отметил, что цена полета составила всего $6. А если бы они использовали обычное моторное топливо, полет обошелся бы в $300-400.

По словам главы ЦИАМ Михаила Гордина, применение гибридных силовых установок позволит в будущем уменьшить расход топлива на 70%.

3. Снижение уровня шума.

Электрические и гибридные летательные аппараты гораздо тише обычных с ДВС. Например, вертолет на высоте 500 м создает звук в 60 дБ, который по громкости можно сравнить с проезжающим мимо мотоциклом. А электросамолет Heaviside (разработка компании Kitty Hawk) во время полета на той же высоте создает звук в 38 дБ — примерно тот же уровень громкости, что и во время разговора людей. В результате переход авиации на электричество позволит бороться с шумовым загрязнением и строить аэропорты ближе к черте города.

4. Снижение затрат на эксплуатацию.

Электрические двигатели устроены проще двигателей внутреннего сгорания. У них меньше движущихся и соприкасающихся частей, а значит, они менее подвержены износу. Специалисты авиационной промышленности предполагают, что электрические самолеты будут реже нуждаться в техобслуживании, что снизит эксплуатационные расходы.

Сложности создания «полностью электрических» самолетов:

Казалось бы, что их не должно быть - всего-то и нужно заменить двигатель бензиновый на электрический.

Но, масса играет большую роль, хотя в случае с электромобилями, она практически незаметна. Но, если там, увеличивая мощность батареи, можно добиться увеличение дальности, то в случае с летательными аппаратами этого допустить нельзя. Самолет, чтобы не потерять полетные качества, должен оставаться легким.

Если удастся конструкторам преодолеть проблему дальности полетов и очень быстрого разряда батареи, то топливные братья электросамолетов покинут небо. Первые «полностью электрические самолеты» уже существуют и проходят успешные испытания. Но говорить о том, что они станут альтернативой пассажирским лайнерам, рано.

Причина в аккумуляторных батареях, которые нуждаются в улучшении.

Даже самые современные батареи уступают топливу в удельной энергоемкости — количестве энергии, которую они могут накопить. Реактивное топливо содержит примерно в 30 раз больше энергии, чем литий-ионная батарея.

Самый большой в мире пассажирский самолет Airbus A380 может пролететь 15 000 километров за один рейс и перевезти до 700 пассажиров. По подсчетам преподавателя кафедры прикладной аэродинамики университета Лафборо Дункана Уолкера, тот же самолет сможет преодолеть максимум 1 000 км с батареями в качестве источника энергии. Чтобы Airbus A380 пролетел на аккумуляторах свой максимум, ему понадобится комплект батарей весом в 30 раз больше, чем его текущий расход топлива. То есть из-за веса он просто не сможет оторваться от земли.

Кроме того, самолет с традиционными двигателями во время полета сбрасывает топливо. Так судно становится легче, поэтому расход топлива, которое необходимо для полета, уменьшается. А вес аккумуляторов остается постоянным на протяжении всего полета, даже когда заряд израсходован.

На текущий момент 100%-го решения указанных проблем не существует. Фонд перспективных исследований в том числе работает над созданием новых аккумуляторов, систем электроснабжения и электродвижения для транспортных средств.

Создание самолётов на электрической тяге ограничивается возможностями электроприводов силовых установок, источников и накопителей электроэнергии.

Необходимость расширения эксплуатационных возможностей новых ЛА (увеличения дальности и времени полёта, грузоподъёмности) поставила вопрос о поиске альтернативных вариантов получения электроэнергии на борту летательного аппарата.

В качестве таких источников рассматриваются:

• солнечные батареи, осуществляющие прямое преобразование энергии солнечного излучения в электроэнергию. Использование энергии солнечного излучения ограничено погодными условиями, режимами полёта, массогабаритными характеристиками и эффективностью первичных преобразователей — солнечных панелей.
• электрохимические генераторы, преобразующие водород в электроэнергию; однако при этом встаёт вопрос о получении чистого водорода на автономном объекте;
• гибридные электроэнергетические установки, в которых осуществляется двойное преобразование энергии — сначала в механическую посредством двигателей внутреннего сгорания, а потом в электрическую с помощью электромеханических устройств (электрических генераторов).

Характерным представителем самолётов, использующих исключительно солнечную энергию, является швейцарский пилотируемый самолёт Solar Impulse (7 апр. 2010 года первый длительный полёт), вторая версия которого обладает рекордными характеристиками — при максимальной взлётной массе 2300 кг: размах крыла — 72 м (почти как у Airbus‑380); суммарная мощность электродвигателей силовой установки — 70 л. с.; высота полёта — до 12 000 м; возможность нахождения в воздухе практически неограниченное время за счёт использования необходимого количества накопителей электроэнергии, которые используются в период отсутствия солнечного излучения.

Рисунок 16 - Электрический самолёт на солнечных батареях Solar Impulse‑2

Сложности не могут, однако, соперничать с плюсами электрических самолетов: отсутствие вибрации и шума, т.е. повышение комфортности; экологичность; низкая стоимость эксплуатации.

Перспективы электрических самолетов

Перспективы электрифицированных самолетов напрямую зависят от прогресса в области электротехники. Коммерческий электросамолет, который мог бы летать на приличные расстояния только на батареях или топливных элементах, появится нескоро, поскольку объем вопросов, которые мешают скорейшему массовому использованию данных типов авиационной техники, существенный. В большинстве случаев это задачи по обеспечению безопасности пассажиров и окружающих объектов.

В среднесрочной перспективе крупные пассажирские лайнеры будут использовать именно гибридные силовые установки. В 2010 году на саммите "Экология и авиация" представители авиационной индустрии поставили цель к 2050 году сократить общую эмиссию авиационного транспорта более чем вдвое. При том, что к указанному сроку прогнозируется трехкратное увеличение объема авиационных перевозок, эмиссия летательного аппарата должна уменьшиться в шесть раз! Это очень амбициозные планы, особенно если учесть, что существующие технологии не способные обеспечить такой эффект. Ведь с точки зрения аэродинамики современные самолеты уже достигли высокого уровня технического совершенства, и даже переход от классических схем к "летающим крыльям" и тому подобное не смогут снизить вредные выбросы больше чем на 10-15%. То же самое касается авиационных газотурбинных двигателей – прогнозируемое снижение их удельного расхода топлива к 2030 году составит не более 10-15%.

Именно поэтому ведущие производители авиационной техники и двигателей, среди которых Boeing, Airbus, Rolls-Royce, GE, Safran и другие рассматривают возможность использования в составе летательных аппаратов гибридных и полностью электрических силовых установок.

Появление полностью электрических систем будет связано с успехами электрохимии. Рассматриваются технические решения, в которых источник электрической энергии — топливный элемент, а потребитель — электромотор. Расчеты показывают, что данная компоновка реализуема для широкого класса региональных самолетов. Именно такое решение может составить конкуренцию газотурбинному двигателю, но требуется создать и испытать данную технологию, чтобы подтвердить расчеты.

Различные исследования показывают, что до 2035-2040 годов полностью электрическими будут только самолеты и вертолеты малой авиации вместимостью не более 19 пассажиров, с ограниченной дальностью. Также полностью электрическими будут так называемые летающие такси вместимостью не более четырех человек.

Рисунок 17 – Летающее дрон-такси

Несмотря на существенный прогресс в авиационной отрасли, уровень электрификации современных самолётов ещё не очень высок.

БПЛА - будущие короли неба

В большей степени электрифицированы беспилотные летательные аппараты. Наибольшее коммерческое значение на данный момент имеют электролеты- мультикоптеры.

Электрификация в основном затрагивает бортовое оборудование и исполнительные приводы. Силовые установки остаются традиционными.

28 июня 2016 года Facebook испытала гигантский беспилотник, с размахом крыльев «Боинга-737», для раздачи интернета. Строительством прототипа занималась компания Ascenta, из Сомерсета, Великобритания. Команда лаборатории Connectivity Lab запустила дрон Aquila с военного полигона в Юме (Аризона). Называется этот огромный беспилотник Aquila - в честь орла, который носил молнии Зевса в греческом мифологии, - и он является частью амбициозных усилий Facebook по оснащению интернетом более 4 миллиардов людей на Земле, у которых доступа к нему пока нет. Идея заключается в том, что «Аквила» будет кружить в стратосфере, выше уровня погоды, передавая интернет-сигналы беспроводным путем на наземные станции в слаборазвитых районах стран вроде Нигерии и Индии. В начале этого года компания испытала небольшие модели этого летательного средства, и сейчас, по мнению Я. Магуайра из Facebook, который курирует проект, компания готова испытать полноразмерный прототип «Аквилы». Будучи таким же широким, как 737-й, этот дрон весит в сотни раз меньше коммерческого авиалайнера, благодаря раме из углеродного волокна. Магуайр говорит, что целью было достичь точки, когда дрон сможет оставаться в воздухе 90 дней на высоте 18-25 тысяч метров. «Мы считаем, что эта цель весьма амбициозна, учитывая, что мировой рекорд, насколько мы можем судить, порядка двух недель».

Рисунок 18 – размах крыльев Aquila как у самолёта Boing

Рисунок 19 – Самолёт Aquila

В конце сентября 2019 года стало известно о создании грузоподъёмного дрона «ЭРА-300» компанией «Аэроксо». Этот беспилотный летательный аппарат способен перевозить грузы массой до 80 кг и развивать скорость до 180 км/ч. Дальность полёта без подзарядки превышает 270 км.

Беспилотник позволяет доставлять грузы в сложных погодных условиях, благодаря высокой устойчивости к ветру.

Рисунок 20 – Грузовой дрон ЭРА-300

Дрон «ЭРА-300», способный перевозить грузы массой до 80 кг и развивать скорость до 180 км/ч.

Беспилотник сможет доставлять грузы в местности с плохо развитой дорожной инфраструктурой, на морские объекты, например, на буровые вышки. Уже есть интерес со стороны крупных компаний, которые по соображениям безопасности рассматривают полеты на безбензиновой и бескеросиновой тяге (только дизели и электрика) для доставки грузов на свои объекты.

«ЭРА-300» способен заменить легкие вертолеты, например, в нефтегазовой сфере, где на них приходится порядка 60% рынка вертолетных доставок грузов, а также использоваться в почтовых перевозках.

Выход этого дрона–тяжеловоза на коммерческий рынок намечен на 2022 год.

Беспилотники повышенной грузоподъёмности ранее начали использоваться в России. Так, в мае 2018 год в Бурятии БПЛА успешно доставил посылку весом около 200 граммов на расстояние 12 км. Расстояние между пунктами отправки и получения по двум наземным дорогам составляет 43 и 62 км.

«Почта России» пыталась наладить доставку посылок дронами, но к сентябрю 2019 года проект так и не был утверждён на коммерческую эксплуатацию.

Любая опасность требует быстрой реакции, чтобы быстро предотвратить её или если того требуют обстоятельства – спасти попавших в беду. Экстренные службы активно используют беспилотники в поисково-спасательных работах в связи с их надёжностью и долговечностью, что позволяет решать большой круг задач с их помощью:

• Поисках и спасение людей, находящихся в чрезвычайных ситуациях;
• Фиксация информации о точках возникновенич ЧС, с целью принятия решений по их устранению;
• Создание картографической картины территории, охваченной стихийным бедствием;
• Оказание первой помощи пострадавшим;
• Координация подразделений экстренных служб;
• Выполнение работ в ночное время суток, когда применение другого оборудования затруднено.

Примером квадрокоптера для поиска и спасения является DJI Matice 300 RTK. В отличии от стандартных моделей квадрокоптеров, он обладает следующими преимуществами для экстренных служб:

• Время полёта до 55 минут;
• Обогрев аккумуляторов;
• Возможность размещения полезной нагрузки до 2,7 кг на трёх подвесах;
• Защита от влаги и пыли
• Возможность эксплуатации в высокогорных районах на высотах до 7 км.

Рисунок 21 – квадрокоптер DJI M300 RTK

Грузовой дрон — это беспилотный летательный аппарат (БПЛА), который может перемещать груз на дальние расстояния. Километраж и грузоподъемность устройства зависит от модели и комплектации. Начиная от доставки еды и заканчивая перемещением предметов медицинского назначения — грузовые БПЛА используются в различных сферах. Есть разработки квадрокоптеров с применение поршневых двигателей, но управление происходит за счёт электродвигателей, поэтому использование поршневых двигателей на квадрокоптере пока ограничено в гибридных моделях.

Рисунок 22 – грузовой дрон

Грузовые мультикоптеры отличаются от обычных дронов своей грузоподъемностью, временем полета и габаритами. С этого момента поподробнее:

Грузовые БПЛА способны перемещать груз от 5 кг, в то время как обычные — до 2 кг.

Грузовые дроны могут находится в воздухе до 20 минут, когда обычные выдерживают до 30 минут без подзарядки.

Дроны для перемещения тяжелого груза имеют внушительные размеры по сравнению с обычными БПЛА.

Удобство и экономия средств делают эти устройства очень популярными среди коммерческих компаний. Выделим несколько моделей, которые пользуются большим спросом в настоящее время:

• DJI Spreading Wings S1000+
• DJI Matrice 600
• Freefly Alta 8
• Yuneec Tornado H920
• DJI Agras MG-1P
• Aerones drone VertiPod

Практическая часть

1. Проведено сравнение свойств ДВС и электродвигателей, определены их достоинства и недостатки.

Таблица 1 - Сравнение технических характеристик поршневого (МК12В)
и бесколлекторного электродвигателя (2212 (kv1400/v))

Рисунок 23 – Поршневой двигатель МК12В и бесколлекторный электродвигатель 2212

Таблица 2 - Сравнение технических характеристик поршневого бензинового (NGH (9куб/см)
и бесколлекторного электродвигателя (3642 (750kv/V))

Рисунок 24 – Изображение бензинового двигателя NGH
и бесколлекторный электродвигатель 3642

Вывод: Электрические двигатели можно устанавливать на модели, которые могут летать в ограниченных пространствах (в помещении). Они имеют быстрый набор оборотов, не зависящий от погоды и качества топлива, которые существенно важны для моделей, оснащенных поршневыми двигателями.

На различных авиамоделях с электродвигателем можно сделать функцию торможения электродвигателем. Применение складных винтов также уменьшает сопротивление нашей модели, в любой момент двигатель может включиться и в короткий промежуток времени набрать тоже количество оборотов, что были прежде. С поршневым двигателем подобное повторить невозможно. 

2. Проводились полетные испытания технических характеристик моделей, оснащённых поршневым и электродвигателем, на практике мы сравнили технические характеристики, указанные в таблице.

Мы запустили модель электролёта и модель, оснащённую поршневым микродвигателем, работающем на нитротопливе (авиамодельное топливо, состоящее из метилового спирта, нитрометана и касторового масла).

Мы сделали некоторые вывод, к которым можно отнести: быстрый запуск двигателя, быстрый отклик на набор оборотов двигателя. Модель с электродвигателем летала дольше, чем с поршневым. Повторно включить электродвигатель в полёте не составило труда, что невозможно сделать с поршневым двигателем, в связи с отсутствием электростартера, электродвигателя и аккумулятора. Следует особо отметить бесшумность работы электродвигателя по сравнению с поршневым.

Рисунок 25 – сборка и подготовка мотопланеров к полёту

Рисунок 26(а) – полётные испытания

Рисунок 26(б) – полётные испытания

Рисунок 27 – мотопланер после полётных испытаний

3. Перспектива проекта мультикоптера для доставки грузов.

Цель: увеличить продолжительность полета и грузоподьёмность мультикоптера путем модернизации рамы квадрокоптера (снижения веса несущей конструкции) и характеристик несущих винтов, применение новых технологий и материалов при изготовлении винтов; увеличения мощности электродвигателя, регулятора хода, а также увеличения напряжения и емкости аккумуляторных батарей.

Основой конструктивной схемы является схема квадрокоптера. С использованием онлайн калькулятора (https://www.ecalc.ch/), который на основании заданных данных, проводит расчеты для классической схемы квадрокоптера подобраны оптимальные размеры и формы нашего проекта.

Технические характеристики квадрокоптера 450 –й серии:

Технические характеристики проектируемой модели:

Благодаря проведенной модернизации возможно удастся добиться повышенной грузоподъёмности и длительности полёта проекта.

Заключение

Концепция создания полностью электрических самолетов, вертолетов планомерно осуществляется в разных странах, однако, существует ряд проблем, которые еще предстоит решить.

Исследование развития «более электрического» воздушного транспорта показало, что он может появиться в обозримом будущем.

В современном мире чтобы летать на дальние расстояния, перевозить пассажиров и грузы все-таки пока будут использоваться ДВС, а для экспериментов, «быстрых» коммерческих полетов (наблюдение, сьемка, исследование), развлечений может быть использована электротяга мультикоптеров.

На данный момент одной из наиболее перспективных задач является разработка гибридной или турбоэлектрической двигательной установки для замены классических газовых турбин. Данная замена позволит снизить потребление энергии, уровень шума и, пожалуй, одно из самых важных преимуществ, снизить вредные выбросы в атмосферу.

А полностью электрические самолеты, вероятно, найдут применение только в малой авиации из-за ограниченной дальности и вместимости пассажиров.

Источники информации

1. https://ru.wikipedia.org/wiki/Тиссандье,_Гастон
2. https://russiandrone.ru/publications/obzor-tekhnicheskiy-letayushchikh-avtomobiley-elektroletov-v-mire/
3. https://ru.wikipedia.org/wiki/Электролёт_Лодыгина/
4. https://zen.yandex.ru/media/id/5ebe63d184a8a27314377e2b/elektrolety-kakovy-sovremennye-realii-5f75f01585c72a7ce469f395/
5. https://mentamore.com/transportnaya-infrastruktura/gruzovye-drony.html
6. https://www.drive2.ru/b/563125876355498601/
7. https://ria.ru/20200420/1570196960.html
8. https://trends.rbc.ru/trends/industry/610812b29a79470df7a3f7b4