Вибір джерел живлення для аграрних дронів

На сьогодні, переважна більшість сучасних БПЛА сконструйована саме під акумуляторні батареї. Але аграрна галузь має свою специфіку, яку необхідно враховувати а саме:

• Потреба в обстеженні великих площ, що потребує порівняно більшої тривалості польоту;
• Обмежена інфраструктура щодо підзарядки акумуляторів, що потребує придбання кількох комплектів АКБ та спеціалізованих зарядних пристроїв, вартість яких є достатньо висока;
• Потреба у високій вантажопідйомності з огляду на внесення хімічних та біологічних засобів захисту рослин та мікродобрив тощо.

Можливим рішенням є використання двигунів внутрішнього згоряння (ДВЗ), які позбавлені частини властивих акумуляторам проблем. Їх заправку можна організувати відносно легко і в автономному режимі. Тривалість польоту до кількох годин, що збільшує радіус дії величина якого є актуальною з огляду на стан мереж вітчизняних ґрунтових доріг тощо. У апаратів створених під ДВЗ є і певні базові недоліки, а саме значні габарити, шум при експлуатації та вибухонебезпечність, що обмежує конструкторів при їх використанні. Проте частина з цих недоліків неприйнятна для умов щільної забудови мегаполісів є не критичною для сільської місцевості. Тому ДВЗ цілком можливо розглядати як перспективного кандидата для безпілотної сільськогосподарської авіації.

Оскільки інформації про специфіку використання та тонкощі експлуатації дронів обмаль, в метою цієї статті стало намагання ознайомити читача з цими беззаперечно важливими аспектами, які необхідно враховувати при виборі БПЛА.

БПЛА з електродвигунами

Останніми десятиріччями в світі спостерігається тенденція електрифікації транспорту.

Основною переваги електротранспорту є сама специфіка електродвигунів. Так, у сучасних моделей їх високий коефіцієнт корисної дії (в разі застосування безколекторного двигуна до 95 %). У роботі вентильних електродвигунів відсутні електричні іскри, які утворюють потужні електромагнітні поміхи, що значно ускладнює дистанційне радіо-керування обладнанням. Електродвигуни важать значно менше, ніж аналогічні за характеристиками двигуни внутрішнього згоряння. Більше того, до нього не потрібно підводити паливо для забезпечення функціонування, що кардинально спрощує та здешевлює конструкцію. За кількістю рухомих частин електродвигуни не мають рівних, що потенційно забезпечує високу надійність. Вартість енергії, необхідної для поїздки на електромобілі, менша, ніж вартість енергії, споживаної за поїздки на автомобілі, що працює на викопному паливі, на одну й ту ж відстань в кілька разів.

Проте, якщо з електродвигуном все досить добре по відношенню до ДВЗ, то з енергозабезпеченням все навпаки, АКБ за щільністю енергії програють бензину. Так відносно швидко (за десятки хвилин, а не за кілька годин) можна зарядити АКБ на спеціалізованих зарядних станціях, де вартість електрики в кілька разів вища, що знижує економічну доцільність використання електротранспорту. Тому електромобілі передусім орієнтовані на специфічний сегмент споживачів – мешканців великих міст та передмістя, що можуть заряджати свої автомобілі в нічний час по зниженому тарифу. Орієнтація саме на мегаполіси обумовлена їх специфікою трафіка із постійною наявність заторів – ділянок із призупиненим чи уповільненим рухом. Класичні двигуни внутрішнього згорання в заторах експлуатуються переважно в режимі холостого ходу і споживають біля половини палива від максимального навантаження, тому електродвигуни із мінімальним споживанням є більш прийнятними. Для мешканців міст середня відстань пробігу складає до 50-150 км/добу, яку можна здійснити на одній зарядці АКБ. На великих відстанях використання суто АКБ на сьогодні може бути проблемним через складність забезпечення енергією.

Існує багато конструкцій АКБ, і обіцяють все нові рішення. Проте поки на БПЛА використовують переважно літій-полімерні (Li-Pol) АКБ. Вони мають кращу ніж в літій-іонних акумуляторів щільність енергії, що критично важливо для БПЛА. Розвиток Li-Pol акумуляторів почався порівняно недавно – в 1970-х роках. У них, замість рідини, всередині застосовувався сухий полімер. Фактично він не є провідником струму, але не заважає руху й обміну, що відбувається між іонами. Електроліт у форматі полімеру замінив традиційний пористий матеріал, просочений рідким електролітом. Нова технологія дозволила виробникам сфокусуватися на потенційних перевагах технології - надійності, безпеці й можливості зменшити розмір акумулятора. За товщини осередку всього 1 міліметр, дизайнери при розробці таких батарей обмежені лише своєю фантазією. Фактично, такому акумулятору можна надати будь-яку форму і розмір. Але в процесі розробки виробники зіткнулися з одним істотним недоліком технології – вона відрізнялася поганою провідністю, що заважало використовувати її для живлення сучасних мобільних пристроїв. Поліпшити подібну характеристику можна було тільки нагріванням осередків до 60 градусів, що було неприпустимо з огляду на довговічність приладу. Замість цього був знайдений компромісний варіант – додавання електроліту у вигляді гелю. У комерційних акумуляторах використовується мембрана з електролітом, виготовлена з використанням пористого поліетилену або пропіленового роздільнику, заповненого полімером, який перетворюється в гель за контакту з рідким електролітом. В результаті змінилася форма, але суть залишилася тією ж, що й у випадку з рідким електролітом – аналогічна хімія й можливості. Завдяки своїм можливостям, Li-Pol акумулятори знайшли свою нішу на ринку – вони використовуються всюди, де потрібні невеликий розмір та можливість змінити форму батареї. Проте для БПЛА, де АКБ оптимізовані під мінімальні габарити та вагу експлуатація Li-Pol акумуляторів, є своя специфіка:

• у процесі заряду необхідно здійснювати візуальний контроль. Якщо Li-Pol батарея в процесі зарядки змінює форму, здувається, запалюється або чути запах гару, необхідно негайно припинити процес зарядки, відключивши батарею від зарядного пристрою;
• для зберігання та переноски високоємнісних Li-Pol акумуляторів, наприклад для радіокерованих моделей, необхідно використовувати спеціальні захисні сумки, через можливість внутрішнього короткого замикання, що призводить до пожежі. Самозаймання відбувається переважно у повністю заряджених батарей;

Сумка для зберігання та переносу Li-Pol акумуляторів (https://www.dx.com/)

Фотографія Li-Pol акумулятору після внутрішнього короткого замикання

Як висновок, поряд із суттєвими перевагами, експлуатація електричних БПЛА має свою специфіку і в разі промислового використання потребує кваліфікованого обслуговування.

За наявним досвідом виключно електричне живлення використовують на БПЛА вагою до 40 кг, у більших апаратів – двигуни внутрішнього згорання.

БПЛА з ДВЗ

Такі апарати позбавлені значної частини мінусів, властивих електричним БПЛА. Бензин має більш високу щільність енергії – майже в 100 разів порівняно з кращими загальнодоступними батареями, що надає йому значних переваг у потужності.

Вартість ДВЗ порівняно невисока, особливо якщо мова йде про професійну техніку, проте він складніший в обслуговуванні порівняно з електродвигунами, яким обслуговування в більшості випадків не потрібне. Варто відмітити, що його експлуатація не потребує спеціалізованої освіти, так саме як і у легкових автомобілів. Більшість двотактних бензинових двигунів, що використовуються для БПЛА, використовують розповсюджені на ринку марки палива та моторних мастил, тобто немає залежності від обмеженої кількості постачальників чи локації сервісних центрів. Фактично перед польотна підготовка складається з візуального огляду паливної системи на наявності витікань і займає всього кілька хвилин на дозаправку. Бензинові двигуни можна використовувати за низьких температур, без істотного погіршення експлуатаційних характеристик. Бензин не замерзає взимку, але потрібно здійснити прогрів двигуна перед першим запуском. Додатковою перевагою бензинових двигунів є хороша стійкість до складних погодних умов.

Конструктивно ДВЗ містить велику кількість механічних та електричних компонентів, серед яких є система запалення та радіатору для охолодження, що значно ускладнює конструкцію силового агрегату, його габарити та масу. Електромагнітне поле, що виробляється системою запалення, стає причиною появи радіоперешкод, що заважають впевненій роботі каналів керування й передачі інформації. Проблему вирішують за допомогою додаткового обладнання та спеціальної компоновки апарату, за якої радіоапаратура розміщується не ближче ніж 30 см від ланцюгів запалення. З одного боку, це потребує значного збільшення масо-габаритних характеристик, що позитивно впливає на вітрову стійкість БПЛА, проте збільшує інерційність, чим ускладнює управління.

Для літакових БПЛА використання ДВЗ дозволяє створювати промислові апарати для внесення засобів захисту рослин. Компанія Aerodrone на ринку України представляє бензиновий безпілотний літак DR-60.

Бензиновий БПЛА DR-60 компанії Aerodrone, призначений для обробки полів (https://smartdrones.ua/products/dr-60)

Його порожня злітна маса складає 85 кг, а корисне навантаження може досягати 60 кг. Оскільки робоча висота польоту складає 5-10 метрів, це дозволяє з високою точністю розпорошувати засоби захисту рослин в автоматичному режимі, із продуктивністю обробки полів 75 га/год. Насоси припиняють подачу рідини на розпилювачі, коли БПЛА знаходиться за межами необхідного ділянки.

Вибухонебезпечність бензинових двигунів обмежує варіанти щодо посадки апаратів із такими двигунами. Якщо для електричних літакових апаратів стандартними є посадка на фюзеляж чи парашут, то у ДВЗ використовується шасі, що, з одного боку, вимагає наявності ґрунтових майданчиків, а також певної кваліфікації пілотів.

Порівняно з електродвигунами, ДВЗ мають істотно гіршу динаміку керування швидкістю – завжди є деяка затримка при її зміни. З цієї точки зору, класична для коптерних БПЛА схема маневрування шляхом зміни швидкості обертання гвинтів, для ДВЗ має певні складнощі, пов’язані з їх інерційністю. В ряді моделей коптерних БПЛА із ДВЗ було запозичено гелікоптерну схему від пілотованих апаратів із автоматом перекосу гвинта. Автомат перекосу, завдяки складній та високоякісній механіці, обумовлює відносно високу вартість таких пристроїв. Так, ціна Yamaha RMAX складає біля 100 тис. доларів (станом на 2018 рік), що приблизно на порядок вище за середню вартість професійних електричних БПЛА, здатних вносити реагенти.

Австралійська компанія SOAPdrones пропонує власний варіант бензинового квадракоптера. Модель Belias оснащується двотактним мотором, а конструкція роторів виконана таким чином, щоб пілот міг керувати кроком гвинтів. Використовуються спеціальні сервомотори, за допомогою яких відбувається миттєва зміна кроку пропелерів. Це дає можливість швидко змінювати напрямок руху. В повітрі безпілотник здатен провести близько 3 годин, а вага корисного навантаження складає 10 кілограм. Одним із перспективних шляхів при створенні промислових безпілотних копте рів, із притаманною електричним моделям простотою керування, потужністю та тривалістю польоту, як у апаратів з ДВЗ, є гібридні моделі (поєднання обох двигунів).

Квадрокоптер із бензиновим ДВЗ компанії SOAPdrones (http://www.soapdrones.com)

Вдалим прикладом гібрида є БПЛА Yeair. Дрон Yeair створювався компанією Airstier для доставки вантажів. Він здатний нести корисне навантаження вагою до 5 кілограм, із швидкістю до 100 км/год. На борту встановлений бак, що вміщає півтора літра палива. Дальність польоту в економному режимі сягає 55 км. Використання двигуна внутрішнього згоряння та електричних моторів дозволяє дрону одночасно володіти доброю тягою і залишатися легкокерованим. Для цієї моделі було розроблено спеціальний двотактний двигун внутрішнього згорання із об’ємом 10 см3 потужність понад 1,5 кВт. Кожен із чотирьох електродвигунів має потужність в 600 Вт і живиться від АКБ ємністю 1250мАг. АКБ практично не потребує підзарядки між польотами, оскільки вони підживлюються під час польоту від ДВЗ. Він оснащений функцією автопілота, вміє самостійно злітати й приземлятися, підтримує кілька польотних режимів. Для управління коптером можна використовувати смартфон. Особливістю моделі є використання захисних кожухів для пропелерів, що значно покращує умови безпеки за використання цієї моделі. Вартість апарату станом на 2018 рік складає від 1400 євро, що є конкурентоспроможним для ринку БПЛА.

Гібридний БПЛА Yeair компанії Airstier (https://yeair.de)

Вітчизняним прикладом гібридного БПЛА є Гексакоптер «Цикада» виробництва компанії UMT. Цикада – це БПЛА, що має на борту двигун внутрішнього згоряння з генератором. Завдяки цьому апарат може перебувати в повітрі набагато довше традиційних електрокоптерів, що живляться від акумуляторів (150 хвилин із вагою 3 кілограми).

БПЛА «Цикада» розроблявся в Україні для військових потреб і, окрім сенсорного обладнання, оснащений спеціальним додатковим контейнером. На фотографії його видно перед пластиковим баком для палива. В цивільній версії контейнер може використовуватися, зокрема, для біологічного захисту рослин, коли на виявлений осередок шкідників вносять трихограми. Тобто, окрім моніторингу, такі БПЛА можуть стати ефективним знаряддям для безпосередньо управління врожаєм, здатним до диференційованого втручання.

Гібридний БПЛА «Цикада» компанії «UMT»(https://umt.aero/cykada/)

У підсумку...

Отже акумуляторні рішення не можна розглядати як безальтернативні для створення малих БПЛА аграрного призначення. Вже сьогодні можна отримати і серійні апарати що працюють на бензині і вартість щорічного сервісного обслуговування таких апаратів відносно незначна, так само як і у звичайного легковика. Відповідно, при виборі таких апаратів можна більш широко використовувати апарати для моніторингу та внесення реагентів не переймаючись за кількість та тривалість польотів з огляду на амортизацію АКБ.

Професійний агродрон UAS6-50 з ДВЗ від української компанії UkrAeroservice. Час польоту 120 хв., вантажопідйомність 130 кг, об'єм резервуара 50 л, висока продуктивність (до 20 га/год), витрата води 6-7 л/га. Щільна обробка рослини за рахунок потужного турбулентного потоку (понад 20 мс).