УСТРОЙСТВО ПОДЗАРЯДКИ АККУМУЛЯТОРА БЕСПИЛОТНОЙ АВИАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ Российский патент 2024 года по МПК B64U50/34 H02J7/00 H02N1/04 B64C99/00 H05F7/00 

Область техники.

Изобретение относится к области электротехники и авиационной техники, и может быть использовано для подзарядки аккумуляторов беспилотных авиационных систем (БАС) в процессе полета.

Уровень техники.

В настоящее время конструкторскими бюро и предприятиями промышленности разрабатывается и выпускается большое количество БАС разнообразных типов и классов, например, построенных по самолетной схеме, по вертолетной схеме или, в частности, многороторных мультикоптеров различного назначения. Преимуществом обладают конструкции БАС, позволяющие обеспечить достаточные для решения задач применения маневренность, скорость, дальность, грузоподъемность, безопасность и продолжительность полета.

Известно устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (см. патент РФ №212660, 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 (БЛА), 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.

Известно устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (см. патент РФ №2794005, 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.

Наиболее близким к заявляемому является устройство подзарядки аккумулятора беспилотного летательного аппарата (см. патент РФ № 2812512, МПК B64U50/34, опубл. 30.01.2024 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, 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, содержащее размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, причем на поверхности листа обшивки расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки самолета.

Недостатком устройства является его недостаточная 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.

Технической проблемой заявляемого изобретения является разработка усовершенствованной конструкции устройства подзарядки аккумулятора беспилотной авиационной системы, позволяющего увеличить режим эксплуатации БАС без отклонения от маршрута следования и принудительной дополнительной зарядки моноэлектрета на станции.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение продолжительности, дальности и скорости полета БАС.

Для достижения технического результата устройство подзарядки аккумулятора беспилотной авиационной системы (БАС), 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 беспилотной авиационной системы, блоки моноэлектретов соединены со входом порогового устройства, выход которого соединен со входом ионистора, содержащим блок управления, содержащее 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 БАС, и содержит размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, а на поверхности листа обшивки расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БАС, согласно решению, дополнительно содержит блок атмосферного источника электроэнергии, включающий расположенную на корпусе БАС и электрически изолированную от листов обшивки БАС антенну, соединенную с входом вторичной повышающей обмоткой трансформатора, к первичной обмотке которого подсоединен генератор периодического напряжения высокой частоты, при этом выход вторичной повышающей обмотки трансформатора подсоединен через блок стабилизации и ограничения к аккумуляторной батарее БАС и к нагрузке – маршевому электродвигателю БАС, выход которого соединен со входом блока лазера, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра, соединенным с блоком моноэлектрета, имеющим нулевой электрический заряд.

Краткое описание чертежей.

Изобретение поясняется чертежами, на которых 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 БАС;

на фиг. 3 - блок атмосферного источника электроэнергии.

Позициями на чертежах обозначено:

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;

11 - блок атмосферного источника электроэнергии;

12 - штыревая антенна, расположенная на корпусе БАС и электрически изолированная от листов обшивки БАС;

13 - вторичная повышающая обмотка трансформатора;

14 - генератор периодического напряжения высокой частоты, подсоединенный к первичной обмотке повышающего трансформатора;

15 - блок стабилизации и ограничения;

16 - маршевый электродвигатель БАС – полезная нагрузка;

17 - блок лазера, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра;

18 - блок моноэлектрета, имеющего нулевой электрический заряд.

U – подключение к основному источнику питания – АКБ БАС;

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;

C1 – резервный источник питания на базе ионистора;

Rn – сопротивление нагрузки.

В качестве БАС авторы рассматривают беспилотный летательный аппарат, конструкция которого основана на самолетной схеме, в котором в качестве маршевого двигателя использован электрический двигатель, например, бесколлекторного типа и аккумуляторные батареи (АКБ) - накопитель энергии.

Осуществление изобретения.

Устройство подзарядки аккумуляторов беспилотных авиационных систем содержит установленные в крыле самолета два блока моноэлектретов: блок моноэлектрета, имеющего положительный заряд 2 и блок моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3. Устройство подзарядки аккумулятора содержит пороговое устройство 4, ионистор 5 с блоком управления, лист обшивки 6, электрически изолированный от остальных элементов конструкции, размещенный на консоли 1 крыла БАС, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, на поверхности листа обшивки 6 нанесен тонкий слой (20…50 мкм) оксида алюминия (Al₂O₃), обработанного парами цезия (Cs₂O) с толщиной порядка 1 (мкм) 7; а также параметрами нанесенного на него слоя оксида алюминия, обработанного парами цезия можно обеспечить желаемую величину положительного электростатического заряда, образующегося на нем во время полета БЛА для "подзарядки" блока моноэлектрета 2, имеющего положительный заряд во время полета. Лист обшивки 10, электрически изолированный от остальных элементов конструкции, размещенный на консоли 1 крыла БАС.

Вход 9 блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3, соединен с кромкой крыла БАС, а вход 8 блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд 2, соединен со специальным электрически изолированным от остальных элементов конструкции листом обшивки 6 с тонким слоем 7, 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 БАС, соединен со входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3, на поверхности листа обшивки 10 расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БАС. При этом блок атмосферного источника электроэнергии 11, включающий расположенную на корпусе БАС и электрически изолированную от листов обшивки БАС штыревую антенну 12, соединенную с входом вторичной повышающей обмоткой трансформатора 13, к первичной обмотке которого подсоединен генератор периодического напряжения высокой частоты 14, а выход вторичной повышающей обмоткой трансформатора подсоединен через блок стабилизации и ограничения 15 к АКБ БАС и к нагрузке – маршевому электродвигателю БАС 16, выход которого соединен с входом блока лазера 17, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра, соединенным с блоком моноэлектрета 18, имеющим нулевой электрический заряд.

Штыревая антенна (или несимметричный вибратор) 12 является антенной поверхностного луча, излучающей электромагнитную энергию равномерно во все стороны вдоль земной поверхности, но не излучающей в зенит. Диаграмма направленности штыревой антенны представляет собой правильную окружность в горизонтальной плоскости и лепесток (либо полулепесток) в вертикальной плоскости.

Устройство работает следующим образом.

Для увеличения продолжительности и дальности полета беспилотной авиационной системы на консолях крыла дополнительно размещен специальный электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки 10, на котором во время полета БАС образуется значительный отрицательный электростатический заряд.

Лист обшивки 10 соединен со входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд 3. Причем на поверхности листа обшивки 10 расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БАС.

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

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

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

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. Если при тепловом движении электрон вылетит из металла, то он наводит (индуцирует) на его поверхности положительные заряды, равные по величине заряду электрона. В результате этого возникает сила притяжения между электроном и поверхностью металла, называемая силой «электрического изображения», которая стремится вернуть электрон обратно в металл. Образование двойного электрического слоя, возникающего за счет того, что электроны, совершая тепловое движение, могут пересекать поверхность металла и удаляться от нее на небольшие расстояния (порядка атомных). В результате двойной электрический слой, действующий подобно конденсатору, не создает электрического поля во внешнем пространстве.

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 [Курс лекций по квантовой физике: учеб. пособие / А.Н. Паршаков. – Пермь: Изд-во Перм. гос. техн. ун-та, 2006. – 196 с.; Иванов М. Г. Как понимать квантовую механику. М.–Ижевск: НИЦ «Регулярная и хаотическая динамика», 2012. – 516 с.]. Распределение Ферми-Дирака для электронов по энергиям в квантовой системе запишется в виде:

где k – постоянная Больцмана, μ – химический потенциал, ε_i – энергия электрона, Т – температура.

В квантовой физике принято называть химический потенциал уровнем Ферми ε_F, т.е. максимальное значение энергии, которой обладают электроны при абсолютном нуле. Квантовая теория проводимости металлов, основанная на этой статистике, дает иную трактовку работы выхода. Под работой выхода следует понимать ту энергию, которую необходимо передать электрону, находящемуся на уровне Ферми, чтобы удалить его из металла в вакуум:

где ΔЕ – потенциальная энергия электрона вблизи поверхности металла.

Поэтому на листе обшивки 10, на котором во время полета БАС образуется значительный отрицательный электростатический заряд и который может быть выполнен из аналогичного алюминиевого сплава, из которого выполнены другие листы обшивки БАС; на поверхности расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БАС. При использовании, например, в качестве диэлектрического материала нитрида титана (TiN) или карбида титана (TiC) - работа выхода электронов у которых соответственно 2,92 … 2,35 eV, то при тех же условиях полета будет накапливаться больший отрицательный электростатический заряд величиной в среднем 340…520 mkKl, значительно превышающий отрицательный электростатический заряд в устройстве-прототипе и, следовательно, далее – повышающий величину заряда ионистора и величину тока, поступающую на маршевый двигатель БАС, обеспечивающую в итоге увеличение скорости, продолжительности полета и дальности БАС, 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 БАС.

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

Выбором геометрических размеров специального электрически изолированного от остальных элементов конструкции листа обшивки 10, на поверхности расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БАС, можно обеспечить дополнительную желаемую величину отрицательного электростатического заряда, образующегося на нем во время полета БАС для "подзарядки" блока моноэлектрета 3, имеющего отрицательный заряд во время полета.

Отметим, что планета Земля обладает не только магнитным, но и электрическим полем [см., например, “Элементарный учебник физики” /Под ред. Г.С. Ландсберга 10 изд., том 2, М.:, изд-во “Наука”, - 1984., с.67-68].

Проведенные экспериментальные исследования и выполненные расчеты свидетельствуют о том, что планета Земля в целом обладает отрицательным зарядом, среднее значение которого оценивается примерно в 500000 Kl. Этот огромный отрицательный заряд компенсируется объемным положительным зарядом, находящимся в слое ионизованных молекул на высоте нескольких десятков километров над поверхностью Земли. Напряженность электрического поля распределяется очень неравномерно по высоте: она максимальна у поверхности Земли, где достигает величины приблизительно 130…150 V/m. С ростом высоты над поверхностью Земли она уменьшается в первом приближении по экспоненциальному закону, составляя величину на высоте 10 км около 3% от значения у поверхности Земли. Таким образом, почти все электрическое поле сосредоточено в нижнем слое атмосферы – ее тропосфере.

Блок атмосферного источника электроэнергии 11, основанный на принципе работы устройства, приведенного, включая результаты экспериментальной проверки его работы [см. патент РФ № 120830, МПК H05F7/00, опубл. 27.09.2012], функционирует следующим образом.

В качестве антенны 12, расположенной на корпусе БАС и электрически изолированную от листов обшивки БАС, используется металлическая штыревая антенна, соединенная с входом вторичной повышающей обмоткой трансформатора 13, к первичной обмотке которого подсоединен генератор периодического напряжения высокой частоты 14, при этом выход вторичной повышающей обмоткой трансформатора подсоединен через блок стабилизации и ограничения 15 к АКБ БАС и к нагрузке – маршевому электродвигателю БАС 16, выход которого соединен с входом блока лазера 17, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра, соединенным с блоком моноэлектрета 18, имеющим нулевой электрический заряд.

Генератор периодического напряжения высокой частоты 14 вырабатывает переменное напряжение частотой в несколько десятков kHz и амплитудой на выходе повышающего трансформатора около тысячи V.

Штыревая антенна 12, соединенная с вторичной повышающей обмоткой трансформатора 13, практически не излучает в пространство радиоволны на частоте колебаний генератора напряжения 14, поскольку длина волны колебаний, производимых генератором 14, выбирается порядка λ=10…12 км, а длина штыревой антенны 12, удовлетворяющая условию мобильности и малогабаритности устройства, выбирается в сотни раз короче, например, диаметром 7…9 мм и длиной 0,8…1.4 м. При этом антенна 12 возбуждает в локальной области пространства вокруг себя переменное высоковольтное электрическое поле, которое поляризует молекулы атмосферного воздуха (в основном, азота и кислорода), превращая их в электрические диполи [см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике. М.: Наука, 1985. - с.165]. Поляризованные молекулы располагаются вдоль линий напряженности электрического поля, при этом поворот осей симметрии поляризованных молекул вдоль линий напряженности электрического поля увеличивает их силу взаимодействия с источником внешнего поля – антенной 12. В итоге происходит процесс их пространственного упорядочивания в организованной внешним полем среде.

Таким образом, в этом случае антенна 12 играет роль не излучающего устройства, а уединенного конденсатора в виде одиночной пластины, заряжаемого и разряжаемого переменным напряжением генератора 14. При этом уединенный конденсатор - антенна 12 связан с открытым пространством и “создает” его заряженную локальную область. Зарядный и разрядный токи такого конденсатора - антенны 12 - протекают через вторичную повышающую обмотку трансформатора 13 и далее поступают через блок стабилизации и ограничения 15 к АКБ БАС и к нагрузке – маршевому электродвигателю БАС 16, выход которого соединен с входом блока лазера 17, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра, соединенным с блоком моноэлектрета 18, имеющим нулевой электрический заряд. Блок лазера 17, в частности, его излучающая часть, расположена по вертикальной оси БАС и направлена в ее отрицательном направлении, то есть, в сторону земной поверхности.

При этом блок лазера 17, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра, соединенный с блоком моноэлектрета 18, имеющим нулевой электрический заряд, выполняют роль заземления, благодаря чему постоянно в нагрузку – маршевый электродвигатель БАС 16, а также в АКБ БАС поступает электрическая энергия, подзаряжающая АКБ БАС во время полета.

Поясним, что на границе поляризованного диэлектрика (в нашем случае - атмосферного воздуха) между диэлектриком и проводящим телом – конденсатором - антенной 12, будет возникать слой поверхностных поляризационных зарядов. Для рассматриваемого случая это будут атмосферные диполи, ориентированные по линиям напряженности электрического поля [см. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Справочник по физике, М.: Наука, 1985. - с.167]. Собственное электрическое поле таких диполей значительно увеличивает электрическую напряженность вблизи поверхности конденсатора - антенны 12 и поэтому вызывает увеличение зарядно-разрядных токов антенны 12, которые поступают далее через блок стабилизации и ограничения 15 к полезной нагрузке – маршевому электродвигателю БАС 16, а также в АКБ БАС. В свою очередь этот процесс увеличивает выделяемую мощность в нагрузке – маршевом электродвигателе БАС 16. Кромке того, зарядно-разрядные токи увеличиваются также при увеличении площади конденсатора - антенны 12. Указанный эффект возникает за счет энергии диполей, расположенных в пространстве.

Блок лазера 17, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра, соединенный с блоком моноэлектрета 18, имеющим нулевой электрический заряд, выполняют роль заземления следующим образом.

Луч лазера, в качестве которого может быть использован, например, импульсно-периодический СО₂-лазер, работающий в диапазоне длины волны λ=10,6 мкм, и направленный с БАС вертикально вниз в направлении поверхности Земли, вызывает оптический пробой атмосферного воздуха инфракрасным излучением, создавая тем самым среду проводимости для электрического тока, соединяя выход нагрузки - маршевого электродвигателя БАС 16 с Землей, постоянно замыкая тем самым созданную электрическую цепь и дополнительно обнуляя заряд блока моноэлектрета 18. При этом блок моноэлектрета 18 предназначен для кратковременного использования в качестве заземления при возникновении моментов непрохождения луча лазера блока 17 до поверхности Земли, например, в условиях тумана, наличия взвесей и запыленности в воздухе и др.

Отметим, что использование луча лазера для создания оптического пробоя атмосферного воздуха инфракрасным излучением, создавая тем самым среду проводимости для электрического тока, описано, например, в патенте РФ №2499372, МПК H05F 7/00, опубл. 20.11.2013] и других источниках.

Блоки моноэлектрета 2, 3, 18 представляют собой изоляционный корпус, внутри которого расположена тонкая моноэлектретная пленка, свернутая в рулон.

Принципиальным отличием новых электретов является то, что их получают не из готовых термопластичных полимеров, а из олигомерных термореактивных смол (эпоксидных, фенолформальдегидных или полиэфирных). Важной особенностью изготовления таких электретов является то, что поляризация происходит в процессе отверждения олигомерной смолы на подложке: металлической или полимерной [см., например, патент РФ № 2298245, МПК H01G7/02, опубл. 27.04.2007].

Величина основной характеристики электретов - поверхностной плотности зарядов σ (10^-8…10^-4 Kl/m²) - определяется главным образом разностью потенциалов сторон электрета и зависит от химической природы наполнителя [см. Марценюк, В.В. Полимерные электреты на основе реактопластов / В.В. Марценюк // Тенденции развития науки и образования. - 2021. - №78-2. - С. 56-59. - DOI 10.18411/trnio-10-2021-54].

В качестве примера неорганических электретных материалов можно назвать тикондовую керамику (на основе MgTiO₃, SrTiO₃, CaTiO₃, BaTO₃ и др.). Однако наиболее широкое применение в электретных устройствах находят полимерные пленки. Подходящими материалами служат такие полимеры, как политетрафторэтилен (ПТФЭ), полиэтилентерефталат, поликарбонат, полиметилметакрилат, поливинилфторид, поливинилиденфторид и др.

С течением времени заряд электретов изменяется обычно более быстро впервые часы после окончания электризации и относительно медленно - в последующий период.

Постепенная деградация электретного состояния обусловлена освобождением заряженных частиц, захваченных ловушками, разрушением остаточной поляризации, а также нейтрализацией объемных зарядов за счет некоторой электропроводности диэлектрика.

Если при электризации полярных органических диэлектриков напряженность электрического поля Е_эл менее 5 MV/m, то в большинстве случаев результирующий эффект по знаку соответствует гетерозаряду, который монотонно спадает со временем. В полях с напряженностью поля более 10 MV/m становятся возможными пробои в воздушном зазоре, а также инжекция с прилегающих металлических электродов. Результатом этих процессов является образование устойчивого гомозаряда в приповерхностных слоях электрета, слабо изменяющегося при хранении и эксплуатации диэлектрика. Возможен и промежуточный вариант, когда сразу после электризации материала преобладает гетерозаряд, но спустя некоторое время происходит частичное разупорядочение диполей, сопровождающееся инверсией знака, измеряемой поверхностной плотности заряда, то есть, начальный гетерозаряд трансформируется в стабильный гомозаряд. Стабильность заряда у большинства электретов повышается при их нагревании в процессе электризации.

Релаксация электретного состояния может происходить и вследствие адсорбции ионов поверхностью диэлектрика из окружающей атмосферы. Однако, если атмосферный объем, в котором хранится электрет, достаточно мал, процессами внешней релаксации практически можно пренебречь. Например, полагая, что все ионы, образующиеся в нормальных условиях в 1 см³ воздуха, осаждаются на участке поверхности электрета площадью 1 см², то при начальной поверхностной плотности σ=10^-4 Kl/m² время, необходимое для полной компенсации электретного заряда, составит около 200 лет.

Пороговые устройства 4, называемые также компараторами, предназначены для преобразования аналогового сигнала в цифровую информацию [см. И.А. Нечаев, Массовая Радио Библиотека (МРБ), Выпуск 1172, 1992 г.]. Например, на выходе порогового элемента формируется сигнал какого-либо логического уровня, если входной аналоговый сигнал по своему значению меньше определенного напряжения, если же он больше, то на выходе порогового устройства формируется сигнал противоположного логического уровня, подаваемый на ионистор.

В качестве моноэлектрета, используемого в блоках 2, 3, 18 могут быть использованы электретные пленки поли-бис-трифторэтоксифосфазена (ПТФЭФ) [Формирование поверхности в смесях полистирола с поли-бис-трифторэтоксифосфазеном / И.О. Волков, Д.Р. Тур, А.И. Перцин [и др.] // Высокомолекулярные соединения. Серия Б. 2002. Т. 44. №5. С. 882-885, Smirnova, N.N., Lebedev, B.V., Bykova, Т.А et al. Thermodynamic properties of poly [bis (trifluoroethoxy) phosphazene] in the range from T→0 TO 620 K // J. Therm. Anal. Calorim, 2009. - Vol.95, P. 229-234 URL: https://doi.org/10.1007/sl0973-008-9038-7], например, прямоугольной формы размером 0,5×0,3 м и толщиной 100…300 мкм, свернутые в рулон, что позволяет размещение блоков 1, 2, 18 в том числе - внутри консолей крыла БАС.

Пороговое устройство 4 может быть выполнено, например, по схеме пороговых устройств на ОПТ или ПОПТ, где пороговое напряжение задается внутренним/внешним базовым делителем ОПТ [Дьяконов, В.П. Однопереходные транзисторы и их аналоги. Теория и применение [Электронный ресурс] / В.П. Дьяконов. - Электрон, текстовые данные. - М.: СОЛОН-ПРЕСС, 2010. - 240 с. URL: https://ozlib.com/1073921/tehnika/odnoperehodnye_tranzistory_i_ih_analogi_teoriya_i_primenenie].

В качестве ионисторов могут быть использованы, например, типовые суперконденсаторы и гибридные конденсаторы от производителя VINATech (Корея). VINATech выпускает широкую номенклатуру одиночных суперконденсаторов Ну-Сар EDLC, одиночных гибридных конденсаторов Ну-Сар P-EDLC, а также их сборок, имеющих, в том числе, выходное напряжения в диапазоне U=3…48 V и емкость С=60…3000 F.

В качестве аккумуляторных батарей на борту БАС - накопителей энергии, обладающих высокой плотностью энергии на килограмм массы, могут быть использованы, например, литий-полимерные (Li-Po), литий-ионные (Li-Ion), литий-оксидные (Li-Air), литий-серные (Li-S) аккумуляторы и др.

Генератор периодического напряжения высокой частоты предназначен для получения электрических колебаний в диапазоне частот от десятков kHz до десятков и сотен MHz. Как правило, такой генератор выполняют по типовой схеме с использованием LC-колебательных контуров или кварцевых резонаторов, являющихся частотозадающими элементами.

Блок стабилизации и ограничения может быть реализован, например, на типовых схемах импульсных стабилизаторов – ограничителей напряжения, построенных на транзисторах. Благодаря высокому КПД, достигающему до 80…84%, подобные импульсные стабилизаторы – ограничители напряжения, получают в последнее время все более широкое распространение, хотя они, как правило, сложнее и содержат большее число элементов. Но поскольку в тепловую энергию преобразуется лишь малая доля подводимой к импульсному стабилизатору энергии, его выходные транзисторы меньше нагреваются, следовательно, за счет снижения площади теплоотводов снижаются масса и размеры устройства [см. Шустов М. А. Практическая схемотехника. Преобразователи напряжения. Книга 3. М.: “Альтекс-А”, 2002. - 187 с.]

Таким образом, предложенное устройство обеспечивает надежную и быструю подзарядку бортового аккумулятора БАС, преобразующего положительный и отрицательный электростатический заряд элементов конструкции БАС, образующийся во время его полета вследствие трения о воздух элементов его конструкции, а также дополнительно электричество от атмосферного источника электроэнергии в напряжение подзарядки бортового источника питания, увеличивая продолжительность, дальность и скорость полета БАС.

Изобретение относится к подзарядке аккумуляторов беспилотных летательных аппаратов в процессе полета. Устройство подзарядки аккумулятора беспилотной авиационной системы (БАС) содержит 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 атмосферного источника электроэнергии, размещенные на консолях крыла электрически изолированные от остальных элементов два листа обшивки, один из которых соединен с входом блока моноэлектрета, имеющего положительный заряд, а второй лист, на поверхности котрого расположен слой диэлектрического материала, соединен с входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд. Блок атмосферного источника электроэнергии включает в себя антенну, соединенную с входом вторичной повышающей обмоткой трансформатора, к первичной обмотке которого подсоединен генератор периодического напряжения высокой частоты, блок стабилизации и ограничения, блок лазера, излучающий в инфракрасном диапазоне спектра, и блок моноэлектрета, имеющий нулевой электрический заряд. Технический результат заключается в увеличении продолжительности, дальности и скорости полета БАС. 3 ил.

Устройство подзарядки аккумулятора беспилотной авиационной системы (БАС), 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 беспилотной авиационной системы, блоки моноэлектретов соединены со входом порогового устройства, выход которого соединен со входом ионистора, содержащим блок управления, содержащее 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 БАС, и содержащее размещенный на консолях крыла электрически изолированный от остальных элементов конструкции лист обшивки, соединенный со входом блока моноэлектрета, имеющего отрицательный заряд, а на поверхности листа обшивки расположен слой диэлектрического материала, у которого величина работы выхода электронов меньше, чем у материала листов обшивки БАС, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок атмосферного источника электроэнергии, включающий расположенную на корпусе БАС и электрически изолированную от листов обшивки БАС антенну, соединенную с входом вторичной повышающей обмоткой трансформатора, к первичной обмотке которого подсоединен генератор периодического напряжения высокой частоты, при этом выход вторичной повышающей обмотки трансформатора подсоединен через блок стабилизации и ограничения к аккумуляторной батарее БАС и к нагрузке – маршевому электродвигателю БАС, выход которого соединен со входом блока лазера, излучающего в инфракрасном диапазоне спектра, соединенным с блоком моноэлектрета, имеющим нулевой электрический заряд.