В работе рассматриваются расчёты электрических параметров беспилотного летательного аппарата типа квадрокоптер на кабеле/тросе (БПЛА ККТ). Основной особенностью системы является обеспечение длительного зависания на высоте до 110 м с передачей энергии от наземного источника, что позволяет существенно увеличить время полёта по сравнению с автономными решениями. Дополнительно учитывается требование обеспечения прямой радиовидимости на дальность до 40 км для передачи данных и управления.

Целью исследования является комплексный расчёт и обоснование параметров ключевых электрических и энергетических узлов БПЛА ККТ. В рамках работы выполняется анализ и выбор характеристик контроллера скорости, аккумуляторных батарей, высоковольтного питания, а также бортовых понижающих преобразователей. Особое внимание уделяется расчёту электронных регуляторов оборотов и электродвигателей с учётом требуемой тяги, массы полезной нагрузки и энергетической эффективности системы.

Проводится оценка типа и состава полезной нагрузки, влияющей на энергопотребление и режимы работы силовой установки. Рассматриваются параметры кабеля питания, включая сечение, материал, потери напряжения и массу, оказывающие критическое влияние на устойчивость и эффективность полёта. Также выполняется выбор и обоснование наземного источника питания с учётом требований по мощности, стабильности напряжения и безопасности эксплуатации.

Результаты работы позволяют сформировать целостную модель энергосистемы кабельного квадрокоптера, определить оптимальные режимы работы и обеспечить надёжное функционирование БПЛА ККТ при заданных высотных и эксплуатационных условиях.

Ключевые слова:квадрокоптер, кабель/трос, подсистема электропитания.

Введение.

В последние годы наблюдается устойчивый рост интереса к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА), что обусловлено их широким применением в задачах мониторинга, связи, наблюдения и обеспечения безопасности. Особое место среди них занимают привязные системы — квадрокоптеры на кабеле/тросе (БПЛА ККТ), которые позволяют преодолеть ключевое ограничение автономных аппаратов, связанное с ограниченной ёмкостью аккумуляторов. За счёт подачи энергии от наземного источника такие системы способны обеспечивать длительное зависание на значительной высоте, что делает их перспективными для организации устойчивых каналов связи и наблюдения на больших расстояниях.

Развитие подобных систем требует комплексного подхода к проектированию их энергетической и электрической подсистем. Вопросы расчёта тяги, выбора электродвигателей, регуляторов скорости и источников питания подробно рассматриваются в работах по теории и практике электрических приводов и авиационных систем. При этом для привязных БПЛА дополнительно возникает задача передачи энергии по кабелю, сопровождающаяся потерями напряжения, увеличением массы системы и необходимостью оптимизации параметров линии питания, что требует учёта положений теории электрических цепей и энергетических систем.

Актуальность данной работы обусловлена необходимостью обоснования параметров БПЛА ККТ, способного обеспечивать длительное зависание на высоте до 110 м при одновременном выполнении требований по радиовидимости на дальность до 40 км. Такие условия предъявляют повышенные требования к стабильности энергоснабжения, эффективности силовой установки и надёжности всех электрических компонентов системы.

Целью исследования является комплексный расчёт и анализ ключевых электрических параметров кабельного квадрокоптера, включая выбор контроллеров скорости, аккумуляторных батарей, высоковольтного питания и понижающих преобразователей. Особое внимание уделяется согласованию характеристик электродвигателей и регуляторов оборотов с учётом требуемой тяги, массы полезной нагрузки и энергетической эффективности.

В работе также рассматриваются параметры кабеля питания — его сечение, материал и электрические потери, а также влияние этих факторов на устойчивость полёта. Отдельное внимание уделено выбору наземного источника питания, обеспечивающего необходимую мощность и безопасность эксплуатации. Полученные результаты направлены на формирование целостной модели энергосистемы БПЛА ККТ и определение оптимальных режимов его работы в заданных условиях эксплуатации.

1.Блок- схема алгоритма расчетов электрических параметров БПЛА ККТ

Численные (вычислительные) методы и алгоритмы — методы решения математических задач в численном виде. Представление как исходных данных в задаче, так и её решения — в виде числа или набора чисел. Многие численные методы являются частью библиотек математических программ. На рисунке 1.1 представлена блок-схема алгоритма имитационной модели ПЭ БПЛА ККТ.

Рисунок 1.1. Блок- схема функционирования ПЭ БПЛА ККТ (начало)

Рисунок 1.1. Блок- схема функционирования ПЭ БПЛА ККТ (продолжение)

Схема функционирования  алгоритма расчета ПЭ БПЛА ККТ. Для начала расчета:

-                       Учитываем ТТХ понижающих преобразователей напряжения ПР1 и Пр2 (мощность (P) напряжение (U), ток (I), масса (m)) (п.А1, А2);

-                       Определяем характеристики полезной нагрузки (ПН)  (мощность (P) напряжение (U), ток (I), масса (m)) по аналогам в литературе, сравнимых по целевой задаче, весу и мощности с БПЛА ККТ (В1);

-                       Подбираем тактико – технические характеристики (ТТХ) и массу компонентов ПН в соответствии с энергетическими возможностями Пр2 (после выполнения расчетов - ТТХ и масса ПН могут быть изменены) (B1);

-                       Подбираем регуляторы  «electronicspeedcontroller» (ESC)) и электродвигатели (ЭД) в соответствии с энергетическими возможностями Пр1 (после выполнения расчетов ТТХ ЭД могут быть изменены) (C1, C2) [1];

-                       Подбираем раму БПЛА ККТ и компоненты служебных подсистем, учитываем первоначальный весовой энергетический и бюджет.

Расчет энерго-бюджета и массовых характеристик компонентов БПЛА ККТ

-                       Рассчитываем запас надежности силовых компонентов БПЛА ККТ (A3, A4);Рассчитываем максимальный ток и мощность потребления ПН (В2), сравниваем мощность потребления ПН с возможностями ПР2 (В3);

-                       Рассчитываем максимальное энергопотребление на борту в режиме «взлет»: (мощность, напряжение, ток) с учетом КПД, для служебной платформы (СП) и ПН, чтобы определить критические режимы (A5);

-                       Рассчитываем максимальный ток в кабеле питания (A6), подбираем ТТХ кабеля питания по справочным данным и задаем начальную длину (A7), рассчитываем плотность тока в кабеле питания (A8). Рассчитываем сопротивление в кабеле питания, падение напряжения и потери мощности (А13);Проверка потерь мощности в кабеле.

-                       Расчет напряжения питания и мощности, требуемой от наземных источников питания (А15) [2,3]. Рассчитываем мощность наземного источника питания, потребляемую от сети переменного напряжения 220V (А16);Если по условиям эксплуатации наземное питание БПЛА ККТ производится только от сети 220V, считаем на этом расчет наземного источника питания (преобразователь AC-DC 220/350V) законченным (А17).Если по условиям эксплуатации наземное питание БПЛА ККТ производится от наземного АКБ 24V, то проводим расчет мощности дополнительного преобразователя DC- AC 24/220V (А18).На этом расчет мощности  наземного преобразователя закончен (А19).

-                       Рассчитываем емкость АКБ и параметр С с учетом: времени аварийной посадки, максимального энергопотребления,  эксплуатационного запаса надежности (А9); Выбираем тип АКБ и находим его массу по справочным данным (А10);

-                       Определяем массу СП и ПН (С4) с учетом данных, полученных в пп. С1, С2, А2, А10, В4. Определяем полную массу БПЛА ККТ с кабелем питания (С5). Рассчитываем требования к тяге ВМГ с учетом требований к тяговооруженности грузоподъемных БПЛА (С6).

2. Расчёт электрических и массовых характеристик подсистем БПЛА ККТ

2.1. Параметры бортовых понижающих преобразователей. Расчёт энергосистемы БПЛА ККТ начинается с выбора бортовых DC/DC-преобразователей. В конструкции используются два типа преобразователей производства Vicor (США), рассчитанные на входное напряжение 180–375 В и выходное напряжение 24В постоянного тока.

Для питания электродвигателей и винтомоторных групп применяются четыре преобразователя типа V375A24E600B мощностью по 600 Вт каждый. Для питания полезной нагрузки и служебных систем используется один преобразователь V375C24H150B мощностью 150 Вт [4, 8].

Параметры преобразователей закладываются в алгоритм расчёта энергосистемы. Следует учитывать, что паспортные значения токов, напряжений и мощности являются предельными режимами работы оборудования. Длительная эксплуатация на максимальных значениях снижает надёжность системы, поэтому для силовых компонентов принимается резерв надёжности 20%. Даже при максимальном режиме взлёта оборудование должно работать без перегрузки.

С учётом указанного запаса определяются допустимые выходные параметры преобразователей:для преобразователя Пр1: максимальный ток — 20 А, мощность — 480 Вт; для преобразователя Пр2: максимальный ток — 4 А, мощность — 120 Вт.

2.2. Подбор мощности полезной нагрузки и служебных систем. Мощность полезной нагрузки и вспомогательных систем определяется возможностями преобразователя Пр2. От него питаются полезная нагрузка, полётный контроллер, навигационные средства, а также системы управления и телеметрии.

Тип полезной нагрузки выбирается по аналогам БПЛА сходного назначения и массы. Для оптической разведывательной системы могут использоваться:видеокамера видимого диапазона с преобразователем питания — 30 Вт, 400 г; ИК-камера ночного видения — 35 Вт, 600 г; стабилизирующий сервопривод — 35 Вт, 300 г; передатчик целевой информации с антенной — 5 Вт, 60 г.

2.3. Состав и параметры служебных подсистем. Состав служебных подсистем определяется по аналогичным образцам техники. В расчёт включены:полётный контроллер с датчиками — 0,1 Вт, 50 г; навигационный приёмник с антенной — 0,6 Вт, 45 г; датчики тока — 0,2 Вт, 50 г; телеметрический приёмопередатчик с антенной — 5 Вт, 45 г; преобразователи питания — 0,1 Вт, 60 г. Суммарное энергопотребление полезной нагрузки и служебных систем составляет 112 Вт.

2.4. Параметры ESC и электродвигателей. Параметры электронных регуляторов оборотов и электродвигателей выбираются в соответствии с характеристиками преобразователя Пр1 [9].

Для ESC принимаются следующие параметры:мощность — 600 Вт; напряжение — 29 В; ток — 25 А.

При подборе двигателей учитывается коэффициент KV — число оборотов на 1 В. Для тяжёлых многовинтовых платформ с большими пропеллерами рекомендуется диапазон 200–500 KV. Более высокие значения характерны для скоростных спортивных дронов [10].

На борту используются четыре преобразователя Пр1 и один Пр2. Суммарные параметры бортовой сети 24 В составляют:общая мощность — 2040 Вт; общий ток — 84А.

2.5. Расчёт параметров кабеля питания. С учётом КПД преобразователей около 92% определяются параметры питания на входе системы:мощность — 2217 Вт; ток — 6,33 А [5,6].

Для высоковольтной линии выбран провод МГТФ с фторопластовой изоляцией и многожильной медной жилой. Такой кабель обладает небольшой массой и выдерживает постоянное напряжение до 350 В.

При сечении жилы 0,75 мм² плотность тока составляет8,44 А/мм². Это значение не превышает допустимые нормы ПУЭ (до 16 А/мм² для данного типа проводов).Для кабеля длиной 100 м принимается удельное сопротивление 0,027 Ом/м. Тогда полное сопротивление линии составит2,7 Ом. Потери в кабеле при максимальном режиме:падение напряжения — 17,1 В; потери мощности — 108,3 Вт.

2.6. Расчёт наземного источника питания. Наземный источник питания должен компенсировать потери в кабеле и обеспечивать дополнительный запас надёжности 20%.Требуемые параметры источника:выходная мощность — около 2790 Вт; выходное напряжение — 367 В. С учётом КПД около 90% мощность, потребляемая от сети 220 В, составит примерно 3100 Вт.Следовательно, для питания системы от сети переменного тока необходим повышающий преобразователь мощностью не менее 3,1 кВт.

Если питание осуществляется от аккумуляторов 24 В, потребуется дополнительный инвертор 24/220 В, так как прямое преобразование 24 Вв 350 В на данном этапе технически затруднительно.Мощность, потребляемая от АКБ оценивается примерно в 4133 Вт.

2.7. Расчёт параметров аккумуляторной батареи. При пропадании питания по кабелю питание БПЛА должно обеспечиваться бортовой аккумуляторной батареей. Энергии АКБ должно хватить для аварийного снижения и посадки с высоты 100 м. В расчёте принимается продолжительность аварийного режима 3 минуты [7].

Даже при снижении возможны манёвры для компенсации ветровых нагрузок, поэтому расчёт выполняется по максимальному энергопотреблению.

Напряжение АКБ должно соответствовать напряжению бортовой сети — 24 В.

Известный суммарный ток потребления -84 А. Минимальная требуемая ёмкость определяется как4,2 Ач.

С учётом деградации аккумуляторов принимается запас 25%, поэтому начальная ёмкость должна быть не менее5,25 А·ч (5250 мА·ч), требуемый коэффициент разрядного тока:25–30 C. В качестве подходящего варианта рассматривается аккумулятор LiFe 24 В ёмкостью 5500 мА·ч и током разряда 30 C массой около 500 г.

2.8. Расчёт полной массы БПЛА. Полная масса аппарата складывается из массы платформы, полезной нагрузки и кабеля питания.Масса служебной платформы составляет4,842 кг. Масса служебных бортовых компонентов1,36 кг. Полная масса БПЛА без кабеля- 6,202 кг. Для двухжильного кабеля длиной 100 м и сечением 0,75 мм² масса составляет1,338кг. Итоговая масса БПЛА с кабелем7,54 кг.

При этом масса кабеля увеличивается по мере набора высоты и на высоте 100 м составляет около 22% массы аппарата.

2.9. Определение требований к тяге винтомоторной группы. Тяговооружённость определяется отношением максимальной тяги к полной массе аппарата. Для устойчивого взлёта и спокойного полёта тяжёлых мультикоптеров рекомендуется запас тяги около 2–2,5.

Исходя из полной массы системы с кабелем (7,54 кг), необходимая суммарная тяга в режиме взлёта определяется как -15 080 г.

Для обеспечения таких параметров рекомендуется использование трёхлопастных пропеллеров типа 3×21×5.5 диаметром около 550 мм и шагом 5,5.

Выводы.

В ходе выполненной работы был проведён комплексный расчёт энергетической и силовой системы БПЛА ККТ, направленный на обеспечение его надёжной и эффективной эксплуатации. На первом этапе определён запас надёжности силовых компонентов, что позволило учесть эксплуатационные перегрузки и повысить устойчивость системы к отказам.

Далее были рассчитаны максимальные токи и мощность потребления ПН, после чего проведено сопоставление с возможностями преобразователя ПР2. В результате обеспечено согласование характеристик ПН с источниками питания, исключающее перегрузку системы.

Проведён анализ максимального энергопотребления в критическом режиме «взлёт», что позволило определить наиболее нагруженные режимы работы и учесть их при дальнейшем проектировании. На основе полученных значений выполнен расчёт токов в кабеле питания, подбор его параметров (сечения и длины), а также проверка по допустимой плотности тока.

Дополнительно рассчитаны сопротивление кабеля, падение напряжения и потери мощности. Проведённые проверки показали, что при корректно подобранных параметрах кабеля потери мощности и нагрев находятся в допустимых пределах, что обеспечивает эффективную передачу энергии от наземного источника к БПЛА.

В части наземного электропитания определены требования к источникам энергии, включая расчёт мощности преобразователей для питания от сети 220В и, при необходимости, от аккумуляторной батареи 24В. Это позволило сформировать универсальную схему энергоснабжения в различных условиях эксплуатации.

Отдельное внимание уделено выбору аккумуляторной батареи: рассчитана её требуемая ёмкость с учётом аварийного времени работы, максимального энергопотребления и запаса надёжности, а также определена масса выбранного решения.

На завершающем этапе определены массы служебной платформы и полезной нагрузки, рассчитана полная масса БПЛА с учётом кабеля питания и сформированы требования к тяге винтомоторной группы. Это позволило обеспечить необходимую тяговооружённость и подтвердить возможность реализации заданных лётных характеристик.

Таким образом, выполненные расчёты подтверждают работоспособность и сбалансированность энергетической системы БПЛА ККТ, соответствие её параметров заданным требованиям, а также возможность безопасной и эффективной эксплуатации в предусмотренных режимах.

Исследование выполнено в рамках грантового финансирования Комитетом науки Министерства науки и высшего образования Республики Казахстан по проекту ИРН AP23489996 «Разработка опытного образца привязной высотной мультироторной системы для обеспечения ведения боевых действий».