Автор: Люст Лидия Алексеевна
Возраст: 16 лет
Место учебы: МАОУ "СОШ № 31"
Город, регион: город Стерлитамак, Республика Башкортостан
Руководитель: Абдуллина Лилия Рашитовна, учитель физики МАОУ "СОШ № 31"
Летательные аппараты на солнечных батареях
План
Введение.
1. Разновидности беспилотных воздушных судов (БВС) на солнечных батареях.
1.1. Сова.
1.2. Ла-251 и Ла-252.
1.3. Qimingxing-50.
1.4. Kea Atmos Mk 1.
1.5. Piccolissimo.
1.6. Coulombfly.
1.7. Солнечный импульс-2.
2. Трудности работы и их решения.
3. Солнцемобиль.
Практическая часть.
Вывод.
Литература.
Введение
Две перспективные технологии в мире – солнечные панели и беспилотные воздушные суда (БВС) могут быть еще более востребованными при их совместном использовании. Сами по себе эти две технологии имеют огромный потенциал.
В настоящее время солнечные панели достаточно активно используются на современных беспилотных воздушных судах, и именно поэтому совместное использование этих двух перспективных технологий делает их еще более востребованными. Принцип действия подобной технологии состоит в том, чтобы при помощи панелей солнечных батарей получать электроэнергию за счет света солнца в дневное время суток и запасать ее в аккумуляторных батареях для полета в ночное время.
Еще не так давно солнечные панели были слишком громоздкими для использования в беспилотной отрасли. Однако с появлением тонких, гибких и легких солнечных панелей ситуация в корне изменилась. Большинство таких панелей имеют толщину до 200 микрометров, но нарезка кремниевых пластин до нескольких микрометров делает их более гибкими, что позволяет использовать их в разработке БВС.
Цель исследования:
- ознакомление учащихся с историй возникновения БВС;
- воспитание у подрастающего поколения патриотизма;
- продвижение идеи БВС на солнечных батареях;
- пробуждение у подрастающего поколения интереса к инновационным технологиям.
Задачи:
- познакомиться с БВС на солнечных батареях и подготовить подборку;
- проанализировать основные этапы конструкции и работы БВС на солнечных батареях;
- подготовить комментарий к подборке;
- сделать выводы.
Гипотеза: БВС на солнечных батареях могут летать неограниченно. накапливая энергию днём и расходуя её ночью, самолёт теоретически может находиться в воздухе неограниченное количество времени.
Актуальность: Солнечные батареи позволяют снизить затраты на топливо, уменьшить вредное воздействие на окружающую среду и повысить безопасность полётов.
1. Разновидности беспилотных воздушных судов (БВС) на солнечных батареях
БВС на солнечных батареях должны выполнять полеты на высотах выше коммерческого авиатрафика, там, где отсутствует облачность и минимальна ветровая нагрузка, для того чтобы обеспечить оптимальные условия энергоэффективности. Обе технологии улучшаются, а издержки по их использованию снижаются. Использование энергии солнца позволило бы решить одно из самых значительных ограничений беспилотных летательных аппаратов. Большинство дронов питаются от батарей, и возникает необходимость возвращения их на землю для подзарядки каждые несколько часов. В связи с этим, кажется естественным использование солнечной энергии для дронов. Среди экспериментальных БВС на солнечных батареях можно выделить несколько: российскую "Сову", китайский "Qimingxing" и новозеландский "Kea Atmos Mk 1".
1.1. Сова
Российский БВС, разработанный компанией Тайбер совместно с Фондом перспективных исследований. Беспилотник построен по многофюзеляжной схеме с крылом большого удлинения размахом 9,5 м. Конструктивные особенности БВС и использованные при его изготовлении материалы позволили создать аппарат взлетной массой порядка 11,8 кг. Мощность солнечных батарей, панели которых установлены на верхней поверхности крыла, превышает 270 Вт. Емкость установленных на борту литий-ионных батарей – 1272 Вт/ч. Беспилотник может выполнять полет со скоростью порядка 9 м/с, или более 30 км/ч.
Беспилотник «Сова» по своим характеристикам не соответствует ни одному из существующих типов летательных аппаратов. Это уже не самолет, поскольку может находиться в небе многие месяцы, паря среди облаков на 20-километровой высоте. В нем есть некоторые черты спутника, но до полного соответствия космическому аппарату «Сове» не хватает высоты.
«Сова» имеет необычную аэродинамическую схему. Разработчики отказались от жесткого крыла, отдав предпочтение гибкому, которым можно управлять по всей длине. Легкость и прочность беспилотнику обеспечивает материал на основе углеродных волокон.
«Сова» летит в нужном направлении, благодаря трем автопилотам, один из которых – командный. Получив информацию о местоположении в пространстве, он передает команды управления на сервоприводы, изменяющие траекторию полета. Благодаря специальным алгоритмам управления, впервые появилась возможность регулировать прогиб крыла, крен и в целом значительно повысить устойчивость беспилотника в сложных атмосферных условиях.
1.2. Ла-251 и Ла-252
Занимается тематикой высотных беспилотников на солнечной энергии и космическая фирма — НПО имени С.А.Лавочкина. Работы велись с 2012 года. Созданы по крайней мере два демонстратора технологий. Несколько лет назад компания впервые показала их на открытых мероприятиях.
Летательный аппарат Ла-251 конструктивно похож на «Сову». Полноразмерный беспилотник имеет размах крыла 15 метров и взлетную массу около 150 килограммов, треть которой приходится на панели солнечных батарей. Аккумуляторные батареи, установленные на борту беспилотного аппарата, имеют емкость около 7000 Вт/ч.
В конструкцию крыла интегрированы четыре мотогондолы с электродвигателями, вращающими тянущие воздушные винты. Скорость полета аппарата — до 35 км/ч. Выход на рабочую высоту производится на вторые сутки после взлета с земли.
В развитие первой версии «солнцелета» НПО имени Лавочкина создало второй беспилотный аппарат Ла-252. Он почти в полтора раза больше первого и во столько же раз легче. Размах крыла беспилотника составляет 25 метров, а взлетная масса — 115 килограммов.
Добиться улучшения весовых характеристик удалось за счет оптимизации конструкции, применения новых углепластиковых материалов, а также новых панелей солнечных батарей. Два двигателя, приводящие в движения тянущие винты, имеют суммарную мощность около 2400 Вт.
Ла-252 проектировался для выполнения полетов на высотах до 18–25 тысяч метров. Крейсерская скорость — 30 км/ч. Продолжительность полета может быть ограничена только ресурсом подсистем.
Оптимизация конструкции и энергетических параметров позволит иметь значительно более тяжелую полезную нагрузку — около 25 кг. Во время полета дрон может вести наблюдение за территорией площадью в 900 кв. км.
1.3. Qimingxing-50 или «утренняя звезда»
Китайский БВС, разработанный Aviation Industry Corp of China (AVIC). Беспилотник, оснащенный 6 электромоторами, общий размах крыльев которого составляет 50 м, может летать на высоте более 20 км и оставаться в воздухе в течение длительного времени, в том числе в периоды ночной темноты. БВС применяется для выполнения высотной разведки, мониторинга лесных пожаров и атмосферной среды, географического картографирования, ретрансляции связи.
Конструкции этого типа спроектированы с учетом минимального веса, поэтому, хотя они выглядят большими и прочными, они на самом деле очень хрупкие и должны работать в стратосфере, чтобы минимизировать риск нежелательных атмосферных явлений. Однако это имеет много преимуществ, потому что полет на высоте 20 км позволяет им выполнять функции псевдоспутников для ведения разведывательной деятельности, мониторинга окружающей среды (например, пожаров), картографии или связи, и все это за небольшую стоимость в отличие от отправки классических спутников в космос.
1.4. Kea Atmos Mk 1
Стратосферный беспилотник имеет размах крыльев 12,5 м, массу менее 40 кг и будет летать на высоте около 15 км. БВС предназначено для сбора аэрофотоснимков высокого разрешения для фиксирования экстремальных погодных явлений, мониторинга окружающей среды и применений в системе точного земледелия.
В последние десятилетия наблюдается серьезный прогресс в использовании солнечных панелей в конструкции беспилотников. Разрабатываются и внедряются новые типы панелей, аккумуляторов и электромоторов с повышенными характеристиками, а в конструкции планеров применяются современные материалы, обеспечивающие прочность и малую массу.
Но несмотря на все усилия разработчиков, солнечные панели пока не отличаются высокой мощностью. Как следствие, под них приходится отдавать максимально возможную площадь при одновременном облегчении конструкции. Только при таких условиях энергии хватает для питания моторов и подзарядки аккумуляторов. Кроме того, необходимы меры, позволяющие сохранять энергоснабжение двигателей вне зависимости от интенсивности падающего света или при его отсутствии. В результате БВС, построенные даже с применением прогрессивных технологий, получаются крупными и недешевыми, однако способными показывать высокие летные характеристики, что нельзя не отметить.
1.5. Piccolissimo
Исследователи из лаборатории модульной робототехники Пенсильванского университета построили самый маленький беспилотный летательный аппарат, несущий на борту источник энергии. По замыслу разработчиков представленного монокоптера, рой таких беспилотников может нести различный набор датчиков, при этом небольшую грузоподъемность дронов (около одного грамма) может компенсировать их количество. Авторы проекта считают, что рой микродронов подойдет как для исследовательских задач, так и для выполнения поисково-спасательных работ. При этом вращающийся корпус позволяет быстро производить панорамные замеры, в том числе имитировать лидар.
Беспилотный летательный аппарат Piccolissimo представляет собой асимметричный монокоптер с вращающимся корпусом, изготовленным с помощью 3D-печати. В полете пропеллер вращается с частотой до 800 оборотов в секунду, а корпус дрона с частотой до 40 оборотов в секунду. Оператор управляет беспилотником с помощью инфракрасного пульта дистанционного управления и с помощью изменения частоты вращения корпуса управляет направлением движения монокоптера.
Разработчики построили две версии летательного аппарата, меньшая из которых размером с четвертак (около 25 миллиметров в диаметре) и весит 2,5 грамма, а более крупная и маневренная на сантиметр больше в диаметре и весит на два грамма тяжелее.
В конструкции Piccolissimo используется электромотор от серийно выпускаемых игрушечных квадрокоптеров, поэтому, отмечают разработчики, возможно дальнейшее уменьшение размеров монокоптера, если в будущем будут выпущены еще более миниатюрные серийные мультикоптеры.
Авторы проекта особо отмечают, что Piccolissimo не самый маленький в мире летательный аппарат, а именно самый маленький в мире летательный аппарат, несущий на борту источник энергии. Существуют проекты беспилотных летательных аппаратов меньшего размера — например, гарвардская робопчела, которая умеет не только летать, но также плавать под водой и садиться на листья. Однако робопчела не несет на борту источник энергии, вместо этого беспилотник получает питание по проводам.
1.6. CoulombFly
Создан самый легкий и самый маленький в мире летательный аппарат, работающий на солнечной энергии.
В Китае разработали уникальный летательный аппарат под названием CoulombFly, который стал самым лёгким и компактным в мире вертолетом, работающий на солнечной энергии. Представьте себе летательный аппарат размером с пчелу, способный парить в воздухе, используя лишь энергию солнца. Звучит как фантастика? Однако группа китайских ученых из Пекинского университета авиации и космонавтики воплотила эту идею в реальность, спроектировав CoulombFly - самый маленький и легкий в мире летательный аппарат с роторным двигателем, работающий на солнечной энергии.
CoulombFly - это настоящий прорыв в области микро-летательных аппаратов (МЛА). Его уникальность заключается в использовании электростатической системы движения, что позволило достичь невероятной легкости конструкции - всего 4,21 грамма! Что сопоставимо с весом четырех скрепок для бумаги или одной чайной ложки сахара.
Сердцем летательного аппарата CoulombFly является его инновационный двигатель. Принцип его работы можно сравнить с миниатюрной каруселью, где вместо лошадок - заряженные лопасти ротора, а вместо музыки - пульсация электрических полей. Статор, напоминающий волшебное кольцо, состоит из восьми пар чередующихся положительных и отрицательных электродов. Когда к ним подается высокое напряжение, создается электростатическое поле, заставляющее ротор вращаться, словно по мановению волшебной палочки.
Но самое удивительное в CoulombFly - это его способность летать, используя только энергию солнца. Крошечные солнечные панели, подобно чешуйкам на крыльях бабочки, улавливают солнечный свет и преобразуют его в электричество, питающее этот удивительный механизм. Потенциал применения CoulombFly поистине захватывает дух. Например, можно задействовать рой таких микро-дронов для исследования труднодоступных мест после стихийных бедствий или мониторинга состояния окружающей среды в самых отдаленных уголках планеты. Они могли бы стать незаменимыми помощниками в сельском хозяйстве, опыляя растения или отслеживая вредителей.
Однако, как и любое перспективное изобретение, CoulombFly столкнулось с определенными трудностями. Главная проблема - отсутствие механизма управления направлением полета. Пока что эти крошечные летательные аппараты больше напоминают одуванчики, плывущие по воле ветра, чем управляемые дроны. Кроме того, их зависимость от солнечного света делает их уязвимыми перед капризами погоды.
Несмотря на эти ограничения, CoulombFly знаменует собой важный шаг в развитии МЛА. Ученые уже работают над совершенствованием конструкции, и кто знает, возможно, в недалеком будущем мы увидим целые рои этих удивительных микро-летательных аппаратов, выполняющих самые разнообразные задачи.
Разработка CoulombFly открывает новую главу в истории авиации и робототехники. Это яркий пример того, как инновационные идеи и передовые технологии могут привести к созданию устройств, которые еще вчера казались невозможными. CoulombFly напоминает нам, что границы возможного постоянно расширяются, и то, что сегодня кажется чудом, завтра может стать обыденностью.
1.7. Солнечный импульс-2
9 марта 2015 года в Абу-Даби в свой первый кругосветный полет отправился уникальный летательный аппарат на солнечных батареях Solar Impulse 2.
Большой двухместный самолет, использующий в качестве топлива солнечную энергию, разработан компанией Solar Impulse, и имеет размах крыла, сравнимый с Airbus A380 (72 метра), массу — 2300 кг. Крейсерская скорость — 70 км/ч. Оборудование салона, в том числе кислородное, обеспечивает полет на высоте 12.000 метров. Реально самолет способен подняться на 8500 метров, а мощность его электродвигателей по совокупности составляет 70 л. с. Придумали самолет двое швейцарцев, они же пилоты Solar Impulse 2. Идеолог проекта — Бертран Пиккар, потомственный авантюрист и ученый (его дед первым добрался на воздушном шаре до стратосферы и изобрел батискаф для изучения морских впадин), психотерапевт, аэронавт и человек, совершивший первый беспосадочный полет вокруг света на воздушном шаре в 1999 году. Перед стартом путешествия на шаре Пиккар решил на всякий случай взять с собой дополнительные четыре баллона с пропаном и оказался прав — после приземления в последнем резервуаре оставалось меньше четверти от припасенного газа. По его словам, тогда же он впервые задумался об аппарате, который мог бы совершать длительные перелеты вообще без топлива.
Уже через несколько месяцев Пиккар начал воплощать идею вместе с Андре Боршбергом, инженером, финансистом и авиатором, служившим в швейцарских ВВС. Все 15 лет работы над Solar Impulse он был CEO проекта, который собрал почти сотню специалистов из совершенно разных областей. Пиккар же — идеолог и руководитель проекта: он нашел кучу спонсоров, получил поддержку ООН и других международных организаций, пишет Афиша-Воздух. Пиккар и Боршберг считают, что за зелеными технологиями будущее планеты и рано или поздно все к этому придут.
2. Трудности работы и их решения
Разработка любого летающего устройства – это большие трудности. А когда нужно создать вот такой микродрон, которым будет легко управлять, и при этом чтобы внешние факторы на него не особо влияли – задача не тривиальная.
Но нашим инженерам удалось найти ряд отличных решений. И теперь, по сути, дело стоит за малым – пройти все необходимые процедуры приемки и дождаться начала их массового производства.
Вместе с тем широкому распространению беспилотных «солнцелетов» мешает ряд нерешенных технических вопросов.
Во-первых, недостаточный коэффициент полезного действия солнечных батарей — всего до 20–24% у серийно производимых изделий. Однако потенциал для его повышения имеется, и в перспективе можно ожидать по крайней мере удвоения КПД солнечных батарей.
Вторая проблема — недостаточная удельная энергоемкость аккумуляторов. Она достигает 200–250 Вт·ч/кг у используемых литий-ионных аккумуляторов, которые к тому же подвержены воздействию среды. Здесь также есть надежды на улучшение показателей. Их, в частности, связывают с результатами экспериментов с литий-диоксид-углеродными и литий-серными источниками электроэнергии.
Еще одно узкое место — несовершенство конструкции летательных аппаратов, оптимизированных для выполнения задач, характерных для «атмосферных спутников». Испытания, в частности, показали, что серьезное негативное влияние на аппарат в полете имеют ветер у поверхности земли и осадки.
Размещение солнечных батарей на дронах — не единственная технология дронов, в которой ведутся исследования и разработки. Авиационные компании работают над снижением паразитного веса, который высок из-за требуемых систем питания на борту. Кроме того, прилагаются усилия по включению литий-полимерных батарей и устройств генерации энергии, таких как солнечные батареи. Различные устройства генерации свободной энергии, а именно структурные устройства хранения энергии, термоэлектрические генераторы, структурные солнечные батареи и т. д., используются для того, чтобы дрон летал эффективно. Более того, прилагаются усилия по улучшению соотношения мощности к весу самолета и обеспечению того, чтобы конструкция выдерживала различные номинальные и неноминальные аэродинамические нагрузки, которые она может испытывать во время полета.
По мере того как технология использования солнечной энергии улучшается, она становится все более эффективной, что означает, что может преобразовываться больше солнечного света, попадающего на панель, в электроэнергию. Сегодня большинство стандартных солнечных панелей имеют рейтинг эффективности от 11 до 15 процентов. Alta Devices достигла эффективности на 31,6 процента. На дронах, работающих на солнечной энергии, могут также устанавливаться литий-ионные батареи, которые заряжаются от солнечных панелей, позволяя беспилотным летательным аппаратам продолжать летать ночью. Чем легче вес панелей, тем больше батарей можно использовать. Чем эффективнее батареи, тем больше заряда они могут отправлять на аккумуляторы для хранения. Сообщается, что компания Titan Aerospace разрабатывает беспилотный летательный аппарат, который может летать до пяти лет без посадки. Он имеет крылья длиной 50 метров, которые покрыты 3000 солнечных панелей и литиево-ионные батареи внутри крыла. Аппарат будет летать на высоте около 20 км, что позволит ему беспрепятственно использовать солнечную энергию.
Имеется ряд технических проблем, усложняющих реализацию продолжительных полетов. Одна из них – малый КПД цепочки преобразования энергии. Солнечная радиация (количество падающего на освещаемую поверхность солнечного излучения) – величина, зависимая от географической широты, времени года, времени суток, высоты над уровнем моря. Фактически, это та располагаемая энергия на единицу площади, которая может быть использована летательным аппаратом.
Самолеты на солнечных батареях не могут стать экологичными пассажирскими самолётами, потому что у них, скорее всего, никогда не будет достаточно мощности, чтобы перевозить много пассажиров.
3. Солнцемобиль
Самолёт на солнечных батареях – это не единственный современный транспорт на таком типе энергии. Существует солнцемобиль, и даже не один. Каждый год в Швейцарии проводится соревнование между такими машинами, называется оно «Тур де сол». Гонка длится шесть суток. Каждый день участникам надо преодолеть от 80 до 150 км по дорогам Швейцарии и Австрии. Несколько лет назад такой солнцемобиль совершил проезд через Россию. Оказалось, что его колёса не могут проехать по нашим просёлочным дорогам, и движение шло по магистралям. Россия велика, и не везде достаточно солнца. Но, несмотря на все трудности, солнцемобиль завершил свой маршрут. Максимальная скорость такого транспорта составляет 170 км/ч. Использование солнечной энергии в виде солнцемобиля получило ещё одно положительное подтверждение. В Европе некоторые модели уже вошли в серию.
Практическая часть
- Пластиковый самолетик
- Моторчик
- Провода
- Стойка вспомогательная.
- Солнечная батарея.
- Лампочка 60ВТ.
Я заказала конструктор из деталей для самолета, собрала его, поставила моторчик и соединила его проводами с солнечной батареей. Так как осенью не хватает солнечного света я воспользовалась лампочкой 60вт (думаю 40 вт тоже было бы достаточно). Я провела эксперимент, в котором моторчик заработал и пропеллер начал крутиться.
Буду дальше усовершенствовать свою модель – хочу подвесить самолетик на нить, чтобы он смог летать по кругу.
Вывод
Для чего могут использоваться? Дроны с солнечными панелями могли выполнять многие из тех же задач, что и другие типы беспилотных летательных аппаратов, включая осмотр инфраструктуры и зданий, съемку ущерба от ураганов и экологический мониторинг. Использование солнечной энергии для питания этих дронов могло бы сделать эти операции более эффективными и экономичными.
Беспилотные летательные аппараты могут по существу действовать как спутники и собирать метеорологические данные, отслеживать природные объекты, выполнять картографирование и собирать информацию для других научных исследований. Компании Google и Facebook также экспериментировали с использованием дронов на солнечной энергии для обеспечения широкополосного доступа в Интернет, главным образом для развивающихся стран и отдаленных районов.
Самолёты на солнечных батареях могут помочь в разведке. Как и самолёты-шпионы, они летают высоко, что делает их незаметными. Но в то время как самолёты-шпионы должны пролететь над объектом и вернуться, самолёты на солнечных батареях — это немигающие глаза. Они могут делать непрерывные фотографии или видео в течение многих лет. «Когда происходит какое-то событие, они могут изучить всё, что к нему привело. Для правоохранительных органов они хороши для патрулирования границ и портов. Видят больше деталей на земле с помощью менее дорогих камер, потому что они ближе к месту событий. Они также дешевле в производстве и запуске. В то время как спутники трудно перемещать после выхода на орбиту, солнечные самолёты легко перемещать. Кроме того, солнечные самолёты проще спускать на землю для технического обслуживания.
Солнечные самолёты, будучи электрическими, не выбрасывают выхлопные газы. Коммерческие самолёты выбрасывают. В 1992 году самолёты выбросили 0,5 миллиарда тонн CO2, или 2 процента от общего объёма выбросов CO2 человеком. Их выхлопные газы содержат множество веществ, которые влияют на здоровье и окружающую среду, истощение озонового слоя и глобальное потепление. Поэтому в настоящее время нецелесообразно говорить о том, что солнечные самолёты являются экологически чистой альтернативой другим самолётам. Тем не менее, они являются экологически чистыми транспортными средствами для своих текущих применений.
Некогда говорили, что артиллерия — бог войны и с этим никто не спорит, однако сейчас можно уже сказать, что БПЛА — ангелы и демоны войны, так как без них сейчас просто никуда. Это и разведка, и бомбометание, и множество других ролей. Главное, что это техника, в которой нет человека.
Литература
- https://www.techinsider.ru/technologies/273502-atmosfernye-sputniki-drony-na-solnechnykh-batareyakh/
- https://habr.com/ru/articles/396407/
- https://aeronext.aero/press_room/news/142281?ysclid=m3lbdbi9y6916325071
- https://www.techcult.ru/technics/3508-bespilotnik-sova
- https://lenta.ru/news/2022/09/04/sunny_bpla/
- https://apni.ru/article/10373-innovacionnye-tehnologii-primenyaemye-v-razrabotke-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov
| 
