Диссертация (Методика формирования облика беспилотных летательных аппаратов с силовой установкой на солнечной энергии), страница 14

3.2), у которого целевая нагрузкаразмещается в фюзеляже.114Таблица 4.1 Распределение среднесуточной интенсивности солнечногоизлучения для исследуемых диапазонов широт и календарных дат, [Вт/м2]январь(15.01)февраль(15.02)март(15.03)апрель(15.04)май(15.05)июнь(15.06)июль(15.07)август(15.08)сентябрь(15.09)октябрь(15.10)ноябрь(15.11)декабрь(22.12)Широта 64.5о (г. Архангельск)8 50 137 265 376 435 406 304 180 77 17 1 231 130 64 37 Широта 55,7о (г. Москва)50 106 193 305 393 436 415 339 Широта 43,6о (г.

Сочи)124 182 263 352 412 440 425 374 290 207 138 111 343 280 224 199 332 262 201 172 Широта 30о (г. Каир)215 265 327 385 420 430 425 396 Широта -33,9о (г. Сидней)188 241 310 377 420 437 427 391 Таблица 4.2 Продолжительность темного времени суток, [ч]январьфевральмартапрельмайиюньиюльавгустсентябрьоктябрьноябрьдекабрь(15.01)(15.02)(15.03)(15.04)(15.05)(15.06)(15.07)(15.08)(15.09)(15.10)(15.11)(22.12)Широта 64.5о (г. Архангельск),19,3115,9812,709,215,863,364,637,9511,4514,8418,2920,7111,6213,9616,1117,26Широта 55,7о (г. Москва)16,6514,7212,4910,077,976,777,329,24Широта 43,6о (г. Сочи)14,9113,7412,3210,759,458,779,0810,2311,7513,2714,5915,2511,85 12,76 13,55 13,93 11,82 12,89 13,81 14,26 Широта 30о (г. Каир)13,73 13,05 12,19 11,25 10,47  10,08  10,26  10,93 Широта -33,9о (г. Сидней)14,03 13,22 12,23 11,12 10,22 9,75 9,96 11510,76 При данной постановке цели значение массы полезной нагрузки и ееэнергопотребления будет являться не входнымипроектными параметрами, авыходными характеристиками, получаемыми в результате расчета.Определим перечень варьируемых и не варьируемых параметров дляпроведения расчета.Параметры, не варьируемые в процессе расчетаН = 18 км- высота полета; ПН = 350 кг/м3 - плотность компоновки целевой нагрузки;с кр= 0.12 - относительная толщина профиля крыла;с оп = 0.06 - относительная толщина профиля оперения;цт = 5 - удлинение центрального тела фюзеляжа;ГО = 6 - удлинение ГО;ВО = 3 - удлинение ВО;АГО =1.1 – статический момент ГО;BВО = 0.045 – статический момент ВО;S ГО = 0.15 – относительная площадь ГО;Суакрейс=1.4 – коэффициент аэродинамической подъемной силы в скоростнойсистеме координат;С уд= 350 Вт ч/кг – удельная энергоемкость устройств, аккумулирующих энергию.Этот показатель в значительной степени влияет на массу ЛА, а следовательно и наегоЛТХ,поэтомуважноприменятьнарассматриваемомтипеЛАаккумуляторные батареи с наибольшей удельной энергоемкостью.

В настоящеевремя аккумуляторные батареи, приведенной выше удельной энергоемкости,являются коммерчески доступными и имеют наилучшие характеристики [49];срФЭП=0.24 – осредненный в течение суток КПД ФЭП. При формированиитехнического облика ЛА, следует особое внимание уделить выбору ФЭП, т.к.именно значение КПД определяет, какая часть энергии, излучаемая Солнцем,будет преобразована в электрическую энергию и может быть использована для116поступательного движения ЛА и работы его целевого оборудования.

В настоящеевремя ФЭП с осредненным в течение дня КПД равным 24 %являютсякоммерчески доступными;крейс ВВ=0.8 – КПД воздушного винта на крейсерском режиме полета. Это значение,как и нижеприведенные значения КПД, задаются в паспортной характеристикеизделия и задача конструктора обеспечить такие режимы работы БЛА, чтобыреализовать максимальные значения КПД каждого элемента;крейсЭДкрейсРО= 0.9 – КПД электродвигателя на крейсерском режиме полета;= 0.95 – КПД регулятора оборотов на крейсерском режиме полета;ср АКБ=0.91 – осредненный КПД АКБ;срСеть=0.98 – осредненный КПД кабельной сети;f =1.3 - коэффициент безопасности.Параметры, варьируемые в процессе расчета2- среднесуточная интенсивность солнечного излучения, Вт/м ;W ЛА - энергопотребление систем ЛА;EV - скорость полета, м/с;t НП- продолжительность ночного времени суток для рассматриваемого региона;nyэ_max- максимальная эксплуатационная перегрузка.Получаемые характеристикигеометрические размеры ЛА;m – взлетная масса ЛА, кг;WСУ - потребная мощность силовой установки, Вт;mПН– потребная емкость аккумуляторной батареи, Вт·ч;– максимально возможная масса полезной нагрузки, кг;W ПНmax- максимально возможное энергопотребление полезной нагрузки, Вт;АКБmax117Вследствие широкого диапазона значений среднесуточной интенсивностисолнечного излучения, а также возможности установления приоритетов в пользумассы полезной нагрузки либо ее энергопотребления, определение достижимогоуровня характеристик ЛА, использующих энергию солнечного излучения,целесообразно разбить на два этапа:1.

Рассмотрение возможности круглогодичной эксплуатации ЛА в различныхрегионах и определить максимальные значения грузоподъемности иэнергопотребления полезной нагрузки.2. Рассмотрение возможности сезонной эксплуатации и определение максимальныхзначений грузоподъемности и энергопотребления полезной нагрузки.4.1.2 Определение возможности круглогодичной эксплуатации БЛАВозможность круглогодичной эксплуатации БЛА в заданном регионеопределяется тем днем в году, в котором уровень среднесуточной интенсивностисолнечного излучения наименьший.Как известно, наиболее критичными днями в году являются дни зимнегосолнцестояния 21.12.-22.12.

В эти календарные даты уровень среднесуточнойинтенсивности солнечного излучения наименьший.Наосновевышеприведенногоалгоритмаопределимвозможностькруглогодичной эксплуатации БЛА в заданном регионе.Широта 64.5о (г. Архангельск)Широтаг.Архангельскхарактеризуетсякрайнемалымзначениемсреднесуточной интенсивности солнечного излучения 1 Вт/м2 и продолжительнойночью более 20 ч в зимний период.Проведенные расчеты показывают, что круглогодичная эксплуатация ЛАна широте города Архангельск невозможна при современном уровне техники.Отсутствие пересечения кривых предельного и фактического веса –следствие заниженного значения предельного веса ЛАрасполагаемой энергиипо причине малойи завышенного значения фактического веса ЛА118вследствиенеобходимостиобеспечения21-часовогоночногополетанааккумуляторной батарее.Расчеты проводились в широком диапазоне значений площади крыла от 10до 200 м2.

Результаты расчетов показывают, что даже при значительнойгеометрической размерности беспосадочный полет в течение всего года врассматриваемой широте невозможен.Широта 55.7о (г. Москва)На широте г. Москвы значения среднесуточной солнечной радиации взимний период более чем в 30 раз выше, чем на широте г. Архангельск, апродолжительность ночи несколько короче. Однако, расчеты показывают, что нашироте г. Москвы энергии, излучаемой солнцем в зимний период также недостаточно для обеспечения беспосадочного полета.Широта 43.6о (г.

Сочи)На широте г. Сочи значения среднесуточной интенсивности солнечногоизлучения в зимний период в 3 раза выше, чем на широте г. Москвы и более чем в100 раз выше, чем на широте г. Архангельск и достигают 111  Вт/м2. Этопозволяет рассматриваемому типу аппаратов реализовать круглогодичныйбеспосадочный полет в данном регионе.На графиках рис. 4.1 и 4.2 представлены значения предельного ифактического веса, максимальной массы ЦН и максимальной располагаемойэнергии от площади и удлинения крыла. Из графиков видно, что для ЛА сплощадью крыла 200 м2 значения грузоподъемности достигают 48 кг. При этомвзлетная масса ЛА 490 кг, а оптимальное удлинение 27.Данное значение максимальной массы полезной нагрузки может бытьпредставлено в виде дополнительной располагаемой энергии на борту ЛА дляработы полезной нагрузки.

На графиках рис. 4.1 и 4.2 представлена такжедоступная энергия на борту ЛА для работы полезной нагрузки. Из графиковвидно, что значение максимальной располагаемой энергии достигает 450 Вт приплощади крыла 200 м2.1193000mg  [H] Широта Высота Календ. датаСветовой день 250043,6о с.ш. 18 км  21.12 8.75ч mпред g _( S кр  100 м 2 )mфакт g _( S кр  100 м 2 )mпред g _( S кр  75 м 2 )2000mфакт g _( S кр  75 м 2 )1500mпред g _( S кр  50 м 2 )1000mфакт g _( S кр  50 м 2 )mфакт g _( S кр  25 м 2 )500mпред g _( S кр  25 м 2 )010152025303540λ4516mцн [кг]1412108S кр  100м 264S кр  75м 22S кр  50м 2010152025303540λ45160W [Вт]14012010080S кр  100м 26040S кр  75м 220S кр  50м 2010152025303540λ45Рис.

4.1 Предельный и фактический вес ЛА, максимальная масса ЦН и максимальнаярасполагаемая электроэнергия в зависимости от площади и удлинения крыла1205500mg  [H]Широта Высота Календ. дата Световой день 5000450043,6о с.ш. 18 км  21.12 8.75ч mпред g _( S кр  200 м 2 )mфакт g _( S кр  200 м 2 )mпред g _( S кр  175 м 2 )mфакт g _( S кр  175 м 2 )4000mпред g _( S кр  150 м 2 )3500mфакт g _( S кр  150 м 2 )mфакт g _( S кр  125 м 2 )3000mпред g _( S кр  125 м 2 )25002000101520253035λ454060mцн [кг]5040S кр  200м 230S кр  175м 220S кр  150м 2S кр  125м 2100101520253035λ4540600W [Вт]500400300S кр  200м 2S кр  175м 2200S кр  150м 2S кр  125м 210001015202530354045λРис.

4.2 Предельный и фактический вес ЛА, максимальная масса ЦН и максимальнаярасполагаемая электроэнергия в зависимости от площади и удлинения крыла121Широта 30о (г. Каир)На широте г. Каир значения среднесуточной интенсивности солнечногоизлучения в зимний период почти в 6 раз выше, чем на широте г. Москвы и в 200раз выше, чем на широте г. Архангельск и достигают 199  Вт/м2. Это позволяетрассматриваемому типу аппаратов не только реализовать круглогодичныйбеспосадочный полет в данном регионе, но и нести существенную полезнуюнагрузку.На графиках рис.

4.3 и 4.4 представлены значения максимального веса ЦНот площади и удлинения крыла. Из графиков видно, что для ЛА с площадьюкрыла 200 м2 значения грузоподъемности достигают 158 кг. При этом взлетнаямасса ЛА 725 кг.Данное значение максимальной массы полезной нагрузки может бытьпредставлено в виде дополнительной располагаемой энергии на борту ЛА дляработы полезной нагрузки. На графиках рис. 4.3 и 4.4 представлена такжедоступная энергия на борту ЛА для работы полезной нагрузки. Из графиковвидно, что значение максимальной располагаемой энергии достигает 1500 Вт приплощади крыла 200 м2.1224000mg [H]Широта Высота Календ. дата Световой день3500300030о с.ш. 18 км  21.12 10.1ч mпред g _( S кр  100 м 2 )mфакт g _( S кр  100 м 2 )mпред g _( S кр  75 м 2 )2500mфакт g _( S кр  75 м 2 )2000mпред g _( S кр  50 м 2 )mфакт g _( S кр  50 м 2 )mпред g _( S кр  25 м 2 )15001000mфакт g _( S кр  25 м 2 )5000101520253035λ454070mцн[кг]60S кр  100м 25040S кр  75м 230S кр  50м 22010S кр  25м 20101520253035λ4540W 700[Вт]600S кр  100м 2500400S кр  75м 2300S кр  50м 2200100S кр  25м 201015202530354045λРис.