Оптимизация применения гибридных мультироторных дронов для исследования атмосферы в режиме вертикального взлета


DOI: 10.34759/trd-2022-126-25

Авторы

Джавадов Н. Г.*, Асланова А. Б.**

Национальное аэрокосмическое агентство Азербайджана, ул. Ахундова Сулеймана Сани, 1, Баку, AZ1115, Азербайджанская Республика

*e-mail: Anasa@yahoo.com
**e-mail: aslanova.a.b.@mail.ru

Аннотация

С появлением дронов возникла возможность использования беспилотных летательных устройств для исследования загрязненности атмосферы аэрозолем, различными газами и водными парами. Для этих целей до сих пор широко используется метод радиометрических зондов, работающих в режиме вертикального подъема. Вместе с тем, успешное выполнение указанной функции с помощью БПЛА зависит от ряда факторов, одним из которых является ограниченность времени их полета. Так, например, типичное время полета мультироторных батарейных дронов составляет 20÷50 минут. Одним из направлений решения данной проблемы является использование системы гибридной водородной топливной ячейки (FCHS), содержащей топливную ячейку и электрическую батарею Исследован вопрос об использовании дрона, снабженного водородной ячейкой системы гибридного энергопитания и электрическими батарейками, для исследования вертикального профиля атмосферы.

Решена задачи нахождения оптимальной зависимостей энергии системы энергопитания и потребляемой мощности от высоты, при которых, с учетом ограничения на среднюю по высоте потребляемой мощности, время полета может быть сведена к минимуму. Такая минимизация времени полета объясняется необходимостью устранения влияния изменений в атмосфере на общий результат исследования структуры атмосферы.

С учетом полученного решения, а также известной зависимости потребляемой мощности дрона от массы, ускорения свободного падения, плотности воздуха и площади диска пропеллера получена формула для вычисления массы в оптимальном режиме. Показано, что в оптимальном режиме условие постоянства массы обеспечивается в том случае если энергия системы энергоснабжения будет расти по экспоненциальному закону. В случае отсутствия такого роста для реализации изложенного оптимального режима полета рекомендован режим сброса отработанных батареек.


Ключевые слова:

беспилотный летательный аппарат, атмосфера, оптимизация, энергопитание, водородная топливная ячейка

Библиографический список

  1. Зайцева Н.А. Аэрология. — Л.: Гидрометеоиздат, 1990. — 325 с.
  2. Thorne P.W., Lanzante J.R., Peterson T.C., Seidel D.J., Shine K.P. Tropospheric temperature trends: history of an on going controversy // Climate Change. 2011, vol. 2, no. 1, pp. 66-68. DOI:1002/wcc.80
  3. Roy N. Covert. Meteorological Instruments and Apparatus Employed by the United States Weather Bureau // Journal of the Optical Society of Amerika, 1925, vol. 10, pp. 299-425. URL: https://opg.optica.org/josa/abstract.cfm?URI=josa-10-3-299
  4. Darack E. UAVs: The new frontier for weather research and prediction // Weatherwise, 2012, vol. 65 (2), pp. 20-27. DOI: 1080/00431672.2012.653935
  5. Li X., Wang D.S., Lu Q.C., Peng Z.R., Lu S.J., Li B., Li C. Three-dimensional investigation of ozone pollution in lower troposphere using an unmanned aerial vehicle platform // Environ Pollut, 2017, vol. 224, pp. 107-116. DOI: 1016/j.envpol.2017.01.064
  6. Чернецкая И.Е., Спевакова С.В. Мультиспектральное оптико-электронное устройство для автономной мобильной платформы экологического мониторинга // Труды МАИ. 2020. № 114. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=119001. DOI: 34759/trd-2020-114-14
  7. Еремин Е.О., Харламов Г.Ю. Инструментальный фотометрический стандарт для бортовых оптико-электронных приборов космических систем мониторинга околоземного пространства // Труды МАИ. 2019. № 104. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=102231
  8. Смирнов А.А. Использование метода внесения цифровых предискажений для повышения энергоэффективности инфокоммуникационных радиосредств // Труды МАИ. 2019. № 105. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=104214
  9. Нуриев М.Г. Физическое моделирование помехоустойчивости электронных средств беспилотного летательного аппарата // Труды МАИ. 2018. № 102. URL: https://trudymai.ru/published.php?ID=99074&
  10. Bradley T.H., Moffitt B.A., Mavris D. Encyclopedia of electrochemical power sources, Amsterdam, Elsevier, 2009, pp. 186-192.
  11. Bradley T. H., Moffitt B. A., Fuller T. F. Comparison of design methods for fuel-cell-powered unmanned aerial vehicles // Journal of Aircraft, 2009, vol. 46 (6), pp. 1945-1956. URL; https://doi.org/10.2514/1.41658
  12. Gong A., Verstrate D. Fuel cell propulsion in small fixed-wing unmanned aerial vehicles: current status and research needs // International Journal of Hydrogen Energy, 2017, vol. 42 (33), pp. 21311-21333. URL:https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2017.06.148.
  13. Pratt J.W., Brouwer J., Samuelsen G.S. Peformance of proton exchange membrane fuel cell at high-altitude conditions // Journal of Propulsion and Power, 2007, vol. 23, no. 2. URL: https://doi.org/10.2514/1.20535
  14. Lei T., Wang Y., Jin X., Min Z., Zhang X. An optimal fuzzy logic-based energy management strategy for a fuel cell battery hybrid power unmanned aerial vehicle // Aerospace, 2022, vol. 9, no. 115. URL: https://doi.org/10/3390/aerospace9020115
  15. Shamardina O., Chertovich A., Kulikovsky A.A., Khokhlov A. R.A. Simple model of high temperature PEM fuel cell // International Journal of Hydrogen Energy, 2010, vol. 35 (18), pp. 9954-9962. DOI:1016/j.ijhydene.2009.11.012
  16. Faddeev N., Anisimov E., Belichenko M., Kuriganova A., Smirnova N. Investigatio n of the ambient temperature influence on the PEMFC characteristics: modeling from a single cell to a stack // Processes, 2021, vol. 9, pp. 2117. URL:https://doi.org/10.3390/pr9122117
  17. Apeland J., Pavlou D., Hemmingsen T. Suitability analysis of implementing a fuel cell on a multirotor drone // Journal of Aerospace Technology and Management, 2020, vol. 12. DOI: 5028/jatm.v12.1172
  18. Barrett S. Intelligent energy powers two multirotor UAVs to new records // Fuel Cells Bulletein, 2019, vol. 2. URL: https://doi.org/10.1016/S1464-2859(19)30051-3
  19. Эльсгольц Л.Э. Дифференциальные уравнения и вариационные исчисление. — М.: Наука, 1974. — 472 с.
  20. Маричев В.Н., Бочковкий Д.А. Лидарные измерения плотности воздуха в средней атмосфере // Оптика атмосферы и oкеана. 2013. Т. 36. № 7. C. 553-563.

Скачать статью

mai.ru — информационный портал Московского авиационного института

© МАИ, 2000—2024

 Вход