Применение электрического привода к сверхлегким летательным аппаратам

№33-2,

технические науки

Состояние вопроса: Дельталёт - моторный сверхлегкий летательный аппарат (СЛА) с гибким крылом, по типу дельтаплана, и балансирным управлением; взлётная масса которого (согласно классификации ФАИ) не превышает 495 кг. В настоящее время в России достаточно широко распространены дельталеты с облегченными авиационными двигателями внутреннего сгорания (ДВС) и автомобильными двигателями. ДВС по многим характеристикам проигрывает электроприводу (ЭП). В частности электрический двигатель обладает лучшими характеристиками форсирования. Построение модели дельталета с ЭП является, по сути, нетривиальной задачей. Материалы и методы: Расчеты касательно аэродинамических свойств нового дельталета и необходимой мощности двигателя проведены с применением математического пакета MathCad 14. Для создания модели дельталета с использованием электрического привода был выбран бесщёточный электродвигатель постоянного тока (BLDC) 20 кВт с жидкостным охлаждением - HPM-20KW. Расчеты нагрузок на двигатель при взлете и во время полета выполнены в SyAn 3.1. Результаты: Разработана имитационная модель дельталет с электрическим приводом. Проведен сравнительный анализ энергетических и экономических показателей модели нового дельталета с ЭП с мотодельталетами, имеющие аналогичные технические характеристики. Выводы: Получена модель нового СЛА с применением электрического привода. В сравнении с мотодельталетами имеет существенный экономический выигрыш в топливе (по предварительным расчетам в 50 раз, на примере одночасового полета). Новый дельталет, безусловно, будет актуален как для решения традиционных задач спортивного и туристического дельтапланеризма, так и для проведения авиахимработ.

Похожие материалы

Человек всегда хотел в небо. История воздухоплавания берет свое начало с изобретением в 1783 году воздушного шара (аэростата) братьями Монгольфье. Потом были первые дирижабли (аэростаты с двигателем), планеры, бипланы, самолеты, вертолеты.

Примерно в 70-е годы ХХ века окончательно сформировалось и выделилось направление дельтапланеризма. Официально признано Международной авиационной федерацией в 1974 году. Дельтаплан представляет собой летательный аппарат тяжелее воздуха, выполненный по схеме бесхвостка (летающее крыло) со стреловидным крылом, управление полётом которого осуществляется смещением центра масс за счёт перемещения пилота относительно точки подвески. Изначально конструкция дельтаплана предполагала старт с ног и посадку на ноги. В настоящее время существуют дельтапланы с мотодвигателем (мотодельтапланы). Такая конструкция включает специальные усиленные дельтапланерные крылья, которые крепятся на стойку тележки на колёсах, на которой смонтированы кресла для пилота, пассажира и двигатель.

В настоящее время в России достаточно широко распространены дельталеты с облегченными авиационными и автомобильными двигателями внутреннего сгорания (ДВС). ДВС по многим характеристикам проигрывает электроприводу (ЭП). В частности электрический двигатель обладает лучшими характеристиками форсирования.

Стоит отметить, что на настоящий момент нет дельтапланов с применением электрического привода. Поэтому построение модели дельталета с ЭП является, по сути, нетривиальной задачей. Новизна заключается в использовании нового источника энергии в качестве толкающей силы.

Энергетический аспект. Из оценки аэродинамических свойств дельталета, а так же анализа существующих решений мотодельтапланов, можно сделать вывод, что минимальная необходимая мощность двигателя для подъема собственного веса, веса тележки и пилота должна быть не менее 20 кВт.

Нужно учитывать, что в небе у нас нет возможности питаться от цепи переменного электрического тока. Чтобы не выполнять преобразование энергии будем использовать двигатель постоянного тока (ДПТ). Классический ДПТ мощностью порядка 20 кВт будет иметь массу порядка 300 – 500 кг, а так же внушительные габариты. Данные массогабаритные показатели делают задачу подъема дельталета в небо практически неосуществимой. Поэтому мы будем использовать облегченный бесколлекторный двигатель постоянного тока (БДПТ). Часто применяется английская терминология BLDC-двигатель (BrushLess Direct Current motor). Как видно из названия традиционный для ДПТ щеточно-коллекторный узел (ЩКУ) здесь отсутствует, что, несомненно, дает ряд преимуществ, но и накладывает дополнительные заботы по управлению двигателем.

Для создания первой модели дельталета с использованием электрического привода был выбран бесщёточный электродвигатель постоянного тока (BLDC) 20 кВт с жидкостным охлаждением HPM-20KW. Для управления данным двигателем используется синусный контроллер VEC700.

В качестве источника энергии будем использовать аккумуляторы. Для того чтобы определить какими характеристиками должны обладать питающие батареи рассчитаем ток двигателя по формуле:

I=\frac{1000\cdot P_n}{\sqrt{3}\cdot (\eta_n \cdot U_n \cdot \cos \varphi_n )}

где Рn — номинальная мощность электродвигателя, кВт; Un — номинальное напряжение электродвигателя, В; ηn — номинальный коэффициент полезного действия двигателя; cosφn — номинальный коэффициент мощности двигателя.

Используя номинальные данные двигателя HPM-20KW, по формуле получим ток двигателя равный примерно 33 А. То есть для того чтобы обеспечить питание двигателя на час нам понадобятся батареи с напряжением питания 48 В и емкостью не менее 30 А∙ч.

В настоящее время наиболее популярны литий-ионные батареи. Исходя из массогабаритных показателей и необходимой емкости самой батареи, были выбраны литий-феррум-фосфатные (LiFePO4) аккумуляторы – LFP4830M.

Таким образом, использование двигателя HPM-20KW с батареей LFP4830M покрывает необходимые затраты мощности на подъем дельталета в небо и обеспечение не менее часа полета. Время полета можно легко увеличить, добавив дополнительные батареи.

Экономический аспект. Аналогом описанной выше модели дельталета может служить французский мотодельтаплан Pixel с двигателем Polini Thor 200. Для обеспечения часа полета Pixel необходимо 6-8 л. бензина АИ-95. Для обеспечения того же часа полета дельталета с электрическим приводом понадобится заряженная батарея на 30 А∙ч. Для того чтобы полностью зарядить батарею нам понадобится 1,5 кВт∙ч энергии. На момент написания статья литр АИ-95 стоил 35 руб., 1 кВт∙ч - 3,5 руб. Выполнив расчеты, получим следующую стоимость полета для мотодельтаплана – 300 руб., для дельталета с ЭП – 6 руб. Разница в 50 раз! На фоне постоянно растущих цен на топливо дельталеты с электродвигателем в экономическом аспекте будут смотреться весьма привлекательно.

Список литературы

  1. Бартос Ф. Бесколлекторные двигатели с постоянными магнитами // Сервомоторы [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://servomotors.ru .
  2. Козьмин В. В. Дельтапланы / В. В. Козьмин, И. В. Кротов // М., ДОСААФ, 1989. – 272 с.: ил.