Проект беспилотного летательного аппарата с нейтральной плавучестью

№111-1,

технические науки

В данной статье пойдет речь о идее создания беспилотного летательного аппарата с нулевой плавучестью. Предлагается оснастить БПЛА оболочкой, заполненной гелием, которая будет создавать дополнительную подъемную силу.В этом случае энергия аккумуляторных батарей будет расходоваться лишь на маневрирование БПЛА в воздухе.

Похожие материалы

Квадрокоптер (от англ. quadcopter — «вертолет с четырьмя винтами») — это беспилотный летательный аппарат (БПЛА) с четырьмя пропеллерами, который обычно управляется с помощью пульта дистанционного управления с земли. Большинство современных БПЛА имеют четырех винтовую конструкцию, так как такая конструкция является наиболее устойчивой и оптимальной с точки зрения летных характеристик. Благодаря многовинтовому принципу работы, беспилотный летательный аппарат становился легко управляемым. Для изменения направления движения БПЛА достаточно изменить положение носовой части летательного аппарата.

На БПЛА действует сила притяжения Земли, поэтому чтобы коптер оторвался от земли необходимо, чтобы его винты создавали подъемную силу, большую чем сила притяжения. На удержание аппарата в воздухе расходуется львиная доля заряда аккумулятора. По этой причине продолжительность полета электрических БПЛА невелика. Повысить продолжительность полетов БПЛА можно за счет снижения веса летательного аппарата, либо за счет компенсации действия гравитационных сил. Решить данную проблему предлагается следующим образом. БПЛА необходимо оснастить оболочкой, заполненной гелием. Гелий представляет собой инертный одноатомный газ без цвета, вкуса и запаха. Гелий легче воздуха, его плотность составляет всего 0,00017 г/см3 при температуре +20 °С, а плотность воздуха составляет 0,0012 г/см3. Именно гелий будет создавать подъемную силу, которая будет компенсировать действие гравитационных сил. Каждый кубометр гелия может поднять около 1 килограмма груза. На рисунке 1 представлена конструкция БПЛА с нейтральной плавучестью, разработанная сотрудниками кафедры механики, ремонта и деталей машин (в составе УНК «Пожаротушение») ФГБОУ ВО Ивановской пожарно-спасательной академии ГПС МЧС России.

Такие БПЛА могут применяться для решения следующих задач:

  1. Мониторинг окружающей среды
  2. Журналистика
  3. Инспектирование различных конструкций и территорий (см. Рис. 2)
  4. Поисково — спасательные работы
  5. Работы по ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций
  6. Охрана государственной границы и специальных объектов
Модель квадрокоптера с : 1 — оболочка с гелием; 2 — пропеллер; 3 — электрический мотор; 4 — лучи несущей рамы; 5- HD камера; 6 — опора; 7 — отсек.
Рисунок 1. Модель квадрокоптера с: 1 — оболочка с гелием; 2 — пропеллер; 3 — электрический мотор; 4 — лучи несущей рамы; 5 — HD камера; 6 — опора; 7 — отсек.

Конструкция БПЛА состоит из несущей рамы (4), которая может быть выполнена из композиционных материалов, к которой прикреплены электрические моторы (3) с пропеллерами (2). Всего планируется использовать 4 электродвигателя. К лучам несущей рамы (4) прикрепляются опоры (6), предотвращающие повреждения полезной нагрузки при посадке и взлете аппарата. Отсек (7) содержит аккумуляторные батареи, системы связи и управления электродвигателями. Полезная нагрузка (5) (HD камера) закрепляется под несущей рамой (4) и может включать в себя в различных сочетаниях видеоаппаратуру, датчики, тепловизионную аппаратуру, осветительные приборы и пр. Эффект нулевой плавучести в воздухе обеспечивается оболочкой (1), заполненной легким газом — гелием. Объем оболочки подбирается таким образом, что бы подъемная сила компенсировала силу, создаваемую весом аппарата и полезной нагрузки. В этом случае энергия аккумуляторных батарей будет расходоваться лишь на маневрирование БПЛА в воздухе. Подъемная сила будет создаваться оболочкой с газом. Такой подход позволит либо значительно увеличить время нахождения аппарата в воздухе, либо поднимаемую аппаратом полезную нагрузку.

Применение БПЛА с нейтральной плавучестью для мониторинга лесных пожаров
Рисунок 2. Применение БПЛА с нейтральной плавучестью для мониторинга лесных пожаров

Список литературы

  1. https://drongeek.ru/novichkam/chto-takoe-kvadrokopter
  2. Тарабасов Н. Д., Учаев П. Н., Проектирование деталей и узлов машиностроительных конструкций: Справочник. — М., Машиностроение, 1983. — 239 с, ил.
  3. Пучков П.В., Кропотова Н.А., Мудрых Д.С. Разработка станции технического обслуживания беспилотных летательных аппаратов Пожарная и аварийная безопасность: сборник материалов XIII Международной научно-практической конференции, посвященной Году культуры безопасности, Иваново, 29—30 ноября 2018 г. Часть I. — Иваново: ФГБОУ ВО Ивановская пожарно-спасательная академия ГПС МЧС России, 2018. — С. 427-428