УСТРОЙСТВО ПОДЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА Российский патент 2024 года по МПК B64U50/34 B64U10/00 H02J7/00 

Область техники, к которой относится техническое решение

Изобретение относится к устройству и способам генерации электрической энергии за счёт преобразования механической энергии в электрическую на примере подзарядки аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов (БЛА) в процессе полета.

Уровень техники

В настоящее время самой распространенной системой генерации энергии является трибоэлектрическая система. Трибоэлектрический эффект – это контактная электризация материалов при их трении друг о друга. В основе трибоэлектрической генерации лежит преобразование механической энергии в электрическую. Трибоэлектрический эффект у твердых тел представляет собой перемешивание носителей заряда с одного тела на другое. У полупроводников и металлов трибоэлектрический эффект обусловлен перемещением электронов от материала с меньшей работой выхода - к материалу у которого работа выхода больше. При трении диэлектрика о металл, трибоэлектрическая электризация возникает благодаря переходу электронов с металла к диэлектрику. При взаимном трении пары диэлектриков явление возникает из-за взаимного проникновения соответствующих ионов и электронов.

В своей простейшей форме трибоэлектрический генератор использует два слоя различных материалов, один является донором электронов, другой акцептором электронов. Когда материалы приводятся в контакт, происходит обмен электронами от одного материала к другому, т.е. наблюдается простой трибоэлектрический эффект.

Если рассматривать это в приложении к летательным аппаратам (ЛА), то в качестве одного слоя материала может выступать консоль крыла, а в качестве второго – потоки воздуха. При этом обтекание потоков воздуха все время будут изменяться, что, как известно, будет создавать электрический потенциал. С учетом особенностей крыла ЛА, потоки воздуха смещаются как в поперечном, так и продольном направлении, и это смещение будет индуцировать электрический ток между электронами двух слоев, т.е. наблюдается электростатическая индукция. Уже при небольших скоростях ЛА расстояние между соответствующими центрами зарядов двух пластин увеличивается, а электрическое поле притяжения между ними через зазор ослабляется, что приводит к увеличению разности потенциалов между этими двумя внешними электродами, поскольку электрическое притяжение зарядов через нагрузку начинает превышать электростатическую силу притяжения через зазор. За счет цикличности движения воздушных масс индуцированный ток, образованный в зазоре между поверхностью крыла и контактного воздушного слоя генерируется переменный ток через загрузку. Выходная мощность может быть увеличена путём нанесения микронного рельефа.

В первом приближении трибоэлектрический эффект кажется неэффективным и слабым за счёт малой плотности электрического заряда, который участвует в этом процессе. Однако есть варианты улучшения энергетических характеристик эффекта [См., например, https://habr.com/ru/companies/ua-hosting/articles/425163/, https://electrosam.ru/glavnaja/jelektrotehnika/triboehlektricheskij-ehffekt/, Wang, Sihong, Long Lin и Zhong Lin Wang, Triboelectric nanogenerators as self-powered active sensors ("Трибоэлектрические наногенераторы как активные датчики с автономным питанием"), Nano Energy, 11 (2015), стр. 436-462. https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2023/MH/D3MH00404J#!divRelatedContent&articles].

Известна технология материалов для генерации мощности ("аккумулирования энергии") и преобразования мощности, которая использует этот эффект [См. Wang, Z. L. "Triboelectric nanogenerators as new energy technology for self-powered systems and as active mechanical and chemical sensors" ("Трибоэлектрические наногенераторы как новая технология получения энергии для систем с автономным питанием и как активные механические и химические датчики"), ACS nano, 7.11 (2013), стр. 9533-9557]. На основе этого эффекта было разработано несколько конфигураций устройств так называемых трибоэлектрических генераторов.

Известна также система подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (см. патент РФ №2657866 по кл. МПК H02J 7/00, опубл. 18.06.2018 г.), содержащая бортовые электроды, навигационное устройство и зарядную станцию, которая расположена на горизонтальной площадке и содержит навигационный маяк и матрицу с электродами, источник питания, при этом источник питания для подзарядки аккумулятора БЛА выполнен в виде блока электролитических конденсаторов или ионисторов, выходящие клеммы которого подсоединены к электродам матрицы, кроме этого, в электрической схеме питания предусмотрено устройство контроля зарядки аккумулятора.

Недостатком устройства является его стационарность, то есть увеличение продолжительности и дальности полета БЛА будет зависеть от наличия такой системы в зоне выполнения полетов БЛА, что не всегда реализуемо.

Известно устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (патент РФ №212660 по кл. МПК B60L 53/20, опубл. 02.08.2022 г.), содержащее источник питания в виде ионистора и бортовые электроды, а также блок моноэлектрета, имеющего положительный заряд, блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, пороговое устройство и ионистор с блоком управления, при этом вход блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, соединен с кромкой крыла беспилотного летательного аппарата, а выход блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд и выход блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, соединены с входом порогового устройства, выход которого соединен с входом ионистора с блоком управления.

Недостатком устройства является ограниченное время его использования на борту БЛА, обусловленное начальной величиной положительного заряда моноэлектрета, полученного при старте БЛА из-за постоянного уменьшения его заряда в полете при подзарядке аккумуляторных батарей БЛА и невозможности его увеличения в условиях полета для требуемой подзарядки, что ограничивает как время полета БЛА, так и его дальность действия.

Наиболее близким к заявляемому устройству и принятым за прототип, является устройство (патент РФ №2794005 по кл. МПК B64U 50/34, опубл. 11.04.2023 г.), содержащее пороговое устройство, источник питания в виде ионистора и бортовые электроды, выполненные в виде двух блоков моноэлектрета, один из которых имеет положительный заряд, а второй отрицательный заряд, блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, снабжен выходом для подключения к крылу беспилотного летательного аппарата, блоки моноэлектретов соединены со входом порогового устройства, выход которого соединен со входом ионистора, содержащим блок управления и размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, причем на поверхности листа обшивки расположен слой оксида алюминия толщиной 20…50 мкм, обработанного парами цезия с толщиной не менее 1 мкм, при этом блоки моноэлектретов расположены внутри крыла самолета.

Недостатком устройства является его невысокая эффективность, обусловленная относительно небольшой величиной накапливающегося в полете отрицательного электростатического заряда на корпусе БЛА, вызывающее значительное время подзарядки аккумуляторных батарей БЛА, а также вследствие этого ограниченную величину рабочего тока аккумуляторных батарей БЛА, поступающего на маршевый двигатель БЛА, что ограничивает как время полета БЛА, так и его дальность действия, а также маневренность и скорость полета.

Раскрытие сущности изобретения

Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка устройства подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата, позволяющего увеличить режим эксплуатации без отклонения от маршрута следования и принудительной дополнительной зарядки моноэлектрета на станции.

Технический результат заключается в увеличении продолжительности, скорости и дальности полета БЛА.

Для достижения технического результата устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата, содержащее пороговое устройство, источник питания в виде ионистора и бортовые электроды, выполненные в виде двух блоков моноэлектрета, один из которых имеет положительный заряд, а второй – отрицательный заряд, блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, снабжен выходом для подключения к крылу беспилотного летательного аппарата, блоки моноэлектретов соединены со входом порогового устройства, выход которого соединен со входом ионистора, содержащим блок управления, и размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, на поверхности листа обшивки расположен слой оксида алюминия толщиной 20…50 мкм, обработанного парами цезия с толщиной не менее 1 мкм, при этом блоки моноэлектретов расположены внутри крыла самолета, согласно решению, дополнительно содержит размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный с входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, при этом на поверхности листа обшивки расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки самолета.

Толщина диэлектрического слоя составляет (40…60) мкм.

В качестве материала диэлектрического слоя содержит нитрид титана или карбид титана.

Краткое описание чертежей

Заявленное техническое решение иллюстрируется чертежами, где представлено:

на фиг. 1 - конструкция заявляемого устройства;

на фиг. 2 приведена одна из типовых схем включения ионистора - суперконденсатора (для совместного использования, в том числе, подзарядки во время полета) с аккумуляторной батареей БЛА.

На фиг. 1 цифрами обозначены следующие позиции:

1 - консоль крыла;

2 - блок моноэлектрета, имеющего положительный заряд;

3 - блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд;

4 - пороговое устройство;

5 - ионистор с блоком управления;

6 - лист обшивки, электрически изолированный от остальных элементов конструкции;

7 - тонкий слой (20…50 мкм) оксида алюминия (Al₂O₃), обработанного парами цезия (Cs₂O) с толщиной порядка 1 (мкм);

8 - вход блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд;

9 - вход блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд;

10 - лист обшивки, электрически изолированный от остальных элементов конструкции.

На фиг. 2 цифрами обозначено:

U - подключение к основному источнику питания АКБ БЛА;

диод VD1, предотвращающий утечку заряда ионистора при отсутствии напряжения питания;

резистор R1 - для ограничения тока зарядки ионистора и исключения перегрузки основного источника питания во время включения напряжения;

С1 - резервный источник питания на базе ионистора;

Rn - сопротивление нагрузки.

Осуществление изобретения

Устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата содержит установленные в крыле самолета два блока моноэлектретов: блок моноэлектрета, имеющего положительный заряд 2 и блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3. Устройство подзарядки акккумулятора содержит пороговое устройство 4, ионистор 5 с блоком управления, лист обшивки 6, электрически изолированный от остальных элементов конструкции, размещенный на консоли 1 крыла БЛА, лист обшивки 10, электрически изолированный от остальных элементов конструкции, размещенный на всей поверхности крыла БЛА. Вход 9 блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3, соединен с кромкой крыла беспилотного летательного аппарата, а вход 8 блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд 2, соединен со специальным электрически изолированным от остальных элементов конструкции листом обшивки 6, размещенным на консоли крыла 1. Выходы блоков моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3 и положительный заряд 2, соединены с входом порогового устройства 4, выход которого соединен с входом ионистора с блоком управления 5, лист обшивки 10, электрически изолированный от остальных элементов конструкции, размещенный на консоли 1 крыла БЛА, соединен со входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3, на поверхности листа обшивки 10 расположен слой диэлектрического материала (на фиг. не показан), у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БЛА.

Устройство работает следующим образом.

Заряд статического электричества, накапливающийся на БЛА, пропорционален величине аэродинамического сопротивления, то есть, в первую очередь, площади аэродинамического лобового сопротивления конструкции, скорости полета, плотности и влажности воздуха, зависящей от высоты полета. Во время полета БЛА за счет трения о воздух постоянно наблюдается трибоэлектрический эффект - набор электростатического заряда у аэродинамических элементов конструкции, в первую очередь - кромки крыла. При этом накапливается отрицательный заряд величиной в среднем 200…300 мкКл, повышающий электростатический потенциал до 200…300 kV, а электрическая емкость может достигать значений около 1nF. При полете аэродинамические элементы конструкции БЛА "выбивают" электроны из набегающего потока воздуха - из молекул составляющих его газов. Образовавшийся из-за трибоэлектрического эффекта отрицательный или положительный заряд протекает по внешнему лакокрасочному покрытию и пластику, увеличивая напряжение и способен вызвать пробой изоляционного покрытия до металла, лежащего под ним или перетечь на металлические крепежные детали или конструкции и стать частью заряда своеобразного "конденсатора", которым и является БЛА. Захваченные электроны отталкиваются друг от друга и накапливаются на оконечностях консолей крыла и рулевых поверхностей БЛА. При этом, если не использовать накопленный захваченный заряд, величина статического напряжения повышается до уровня короны, то есть, коронного разряда. В зависимости от скорости и высоты полета при достижении величины статического напряжения порядка 12 kV окружающий воздух начинает ионизироваться и затем происходит разряд конденсатора, которым является корпус БЛА. После этого электростатический потенциал падает, и подобный цикл начинается и вновь повторяется во время полета.

При снижении заряда аккумуляторных батарей БЛА во время полета до определенного уровня с помощью порогового устройства 4 осуществляется дополнительная подзарядка суперконденсатора - ионистора с блоком управления 5, который затем периодически подключается к аккумуляторным батареям БЛА (U), повышая заряд АКБ БЛА, увеличивая тем самым продолжительность, дальность и скорость полета БЛА.

Отметим, что время набора электростатического потенциала большой величины (сотни мкКл) у летательных аппаратов и БЛА различных типов достаточно небольшое; так, например, у вертолета, источником образования статического заряда у которого является двигатель и воздушный винт, в режиме зависания на малой высоте над землей на высоте 18…20 м максимальный электростатический потенциал набирается в среднем за 25…27 сек [Двигательная электризация летательных аппаратов как источник радиопомех / А.А. Варфоломеев, М.Е. Гущин, С.В. Коробков [и др.] // Письма в Журнал технической физики. - 2015. - Т. 41. - №1. - с. 28-35.].

На консолях крыла размещен специальный электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки 6, на котором во время полета БЛА образуется положительный электростатический заряд. По своей геометрической форме лист обшивки 6 соответствует типовому листу обшивки на консоли крыла БЛА - для сохранения прежних аэродинамических параметров крыла.

Специальный электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки 6, на котором во время полета БЛА образуется положительный электростатический заряд, может быть выполнен из аналогичного алюминиевого сплава, из которого выполнены другие листы обшивки БЛА, на поверхность которого нанесен тонкий слой (20…50 мкм) оксида алюминия (Al₂O₃), обработанного парами цезия (Cs₂O) с толщиной порядка 1 (мкм) 7. Поскольку во время полета БЛА за счет трения о воздух постоянно наблюдается трибоэлектрический эффект - набор электростатического заряда у аэродинамических элементов конструкции, в первую очередь - кромки крыла, то также и за счет эмиссии диэлектрического слоя - эффекта Молтера возникает интенсивная вторичная электронная эмиссия в слое алюминия. Это приводит к образованию положительного заряда на поверхности специального электрически изолированного от остальных элементов конструкции листа обшивки 6, что способствует постоянной "подзарядки" блока моноэлектрета 2, имеющего положительный заряд во время полета [Физические явления и эффекты в технических системах: учеб. пособие / В.Л. Бурковский, Ю.Н. Глотова, Д.А. Ефремов, А.В. Романов. Воронеж: ГОУВПО "Воронежский государственный технический университет". 2007. -247 с.].

Для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотного летательного аппарата на всей поверхности крыла дополнительно размещен специальный электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки 10, на котором во время полета БЛА образуется значительный отрицательный электростатический заряд.

Листы обшивки 10, электрически изолированный от остальных элементов конструкции, размещенный на крыле БЛА, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3; причем на поверхности обшивки 10 расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БЛА.

По своей геометрической форме лист обшивки 10 также соответствует типовому листу обшивки на консоли крыла БЛА - для сохранения прежних аэродинамических параметров крыла.

Специальный электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки 10, на котором во время полета БЛА образуется значительный отрицательный электростатический заряд, может быть выполнен из аналогичного алюминиевого сплава, из которого выполнены другие листы обшивки БЛА, на поверхности которого расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БЛА.

Поясним, что во время полета БЛА за счет трения о воздух постоянно наблюдается трибоэлектрический эффект - набор электростатического заряда у аэродинамических элементов конструкции, в первую очередь - кромки крыла. При этом накапливается отрицательный заряд величиной в среднем 200…300 мкКл, повышающий электростатический потенциал до 200…300 kV, а электрическая емкость может достигать значений около 1nF, причем указанные величины напрямую связаны со свойствами материала обшивки БЛА, в первую очередь – с величиной работы выхода электронов.

У сплавов алюминия различных марок, из которых, как правило, изготавливается обшивка БЛА, величина работы выхода электронов составляет в среднем A= 4,2 эВ.

Отметим, что в металлах имеются электроны проводимости, образующие электронный газ и участвующие в тепловом движении. Так как электроны проводимости удерживаются внутри металла, то, следовательно, вблизи поверхности существуют силы, действующие на электроны и направленные внутрь металла. Для выхода электрона из металла за его пределы должна быть совершена определенная работа А против этих сил, которая получила название работы выхода электрона из металла. Величина этой работы различна для разных металлов и зависит, в том числе, от их атомного веса и структуры электронных облаков внешней оболочки.

Потенциальная энергия электрона внутри металла постоянна и равна:

W_p = -eφ,

где φ – потенциал электрического поля внутри металла.

При переходе электрона через поверхностный электронный слой потенциальная энергия быстро уменьшается на величину работы выхода и становится вне металла равной нулю. Распределение энергии электрона внутри металла можно представить в виде потенциальной ямы. В рассмотренной выше трактовке работа выхода электрона равна глубине потенциальной ямы, то есть, A_вых = eφ.

Указанный результат соответствует классической электронной теории металлов, в которой предполагается, что скорость электронов в металле подчиняется закону распределения Максвелла и при температуре абсолютного нуля равна нулю. Однако в действительности электроны проводимости подчиняются квантовой статистике Ферми-Дирака, согласно которой при абсолютном нуле скорость электронов и, соответственно, их энергия отлична от нуля.

Максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле, называется энергией Ферми E_F. Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Работа выхода электрона из металла равна разности высоты потенциального барьера eφ и энергии Ферми:

A_вых = eφ' - E_F ;

где φ' – среднее значение потенциала электрического поля внутри металла.

Поэтому на листе обшивки 10, на котором во время полета БЛА образуется значительный отрицательный электростатический заряд и который может быть выполнен из аналогичного алюминиевого сплава, из которого выполнены другие листы обшивки БЛА; на поверхности расположен слой диэлектрического материала (на фиг. не показан), у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БЛА. При использовании, например, в качестве диэлектрического материала нитрида титана (TiN) или карбида титана (TiC) - работа выхода электронов (W, эВ) у которых соответственно 2,92 … 2,35 эВ, то при тех же условиях полета будет накапливается больший отрицательный электростатический заряд величиной в среднем 340…520 мкКл, значительно превышающий отрицательный электростатический заряд в устройстве-прототипе и, следовательно, далее – повышающий величину заряда ионистора и величину тока, поступающую на маршевый двигатель БЛА, обеспечивающую в итоге увеличение скорости, продолжительности полета и дальности БЛА, что решает задачу изобретения [см. Landolt-Borstein's. Zahlenwerte und Funktionen aus Physik, Chemie, Astronomie, Geophysik, Technik, 6-Ausdr., Berlin, B. I, T.4, 1955; T. II, T.6, 1959; В.С. Фоменко. Эмиссионные свойства химических элементов и их соединений: (Справочник) / Под ред. чл.-кор. АН УССР Г. В. Самсонова. - Киев: Наукова думка, 1964. - 103 с.].

При этом величина толщины указанного слоя диэлектрического материала на основе, например, нитрида титана (TiN) или карбида титана (TiC) может составлять (40…60) мкм.

Дополнительно отметим, что слой диэлектрического материала на основе, например, нитрида титана (TiN) или карбида титана (TiC) обладает высокой прочностью, долговечностью и устойчивостью к коррозии, из-за чего может быть использован в конструкции БЛА.

Электрическая изоляция от остальных элементов конструкции БЛА специального листе обшивки 10 также может быть осуществлена путем его размещения на токонепроводящей изолированной подложке, например, из силикона на поверхности крыла.

Выбором геометрических размеров слоя диэлектрического материала (на фиг. не показан) можно обеспечить дополнительную желаемую величину отрицательного электростатического заряда, образующегося на нем во время полета БЛА для "подзарядки" блока моноэлектрета 3, имеющего отрицательный заряд во время полета.

Устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (БЛА) содержит пороговое устройство (4), источник питания в виде ионистора с блоком управления (5) и бортовые электроды, выполненные в виде двух блоков моноэлектрета (2,3), расположенных внутри крыла самолета, один из которых имеет положительный заряд, а второй – отрицательный заряд, два листа обшивки (6,10), размещенных на консоли крыла БЛА (1), причем на поверхности листа 10 расположен слой диэлектрического материала и он соединен с блоком моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд. Обеспечивается увеличение продолжительности и дальности полета БЛА. 2 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата, содержащее пороговое устройство, источник питания в виде ионистора и бортовые электроды, выполненные в виде двух блоков моноэлектрета, один из которых имеет положительный заряд, а второй – отрицательный заряд, блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, снабжен выходом для подключения к крылу беспилотного летательного аппарата, блоки моноэлектретов соединены со входом порогового устройства, выход которого соединен со входом ионистора, содержащим блок управления, и размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, на поверхности листа обшивки расположен слой оксида алюминия толщиной 20…50 мкм, обработанного парами цезия с толщиной не менее 1 мкм, при этом блоки моноэлектретов расположены внутри крыла самолета, отличающееся тем, что дополнительно содержит размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный с входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, при этом на поверхности листа обшивки расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки самолета.

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что толщина диэлектрического слоя составляет (40…60) мкм.

3. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что в качестве материала диэлектрического слоя содержит нитрид титана или карбид титана.