Беспилотные летательные аппараты на топливных элементах

Интерес современной авиационной промышленности обращён к беспилотным летательным аппаратам (БПЛА). И такая тенденция прослеживается не только в направлении военных целей, но и в области коммерческой гражданской авиации. Для коммерческого использования видится актуальным моментом, чтобы беспилотные летательные аппараты обеспечивали длительное время полёта и быструю дозаправку. Ожидается в ближайшие несколько лет пополнение коммерческого рынка беспилотными летательными аппаратами от 250000 рабочих аппаратов в 2017 году, до 2 500 000 экземпляров к периоду 2021 года. Такая тенденция направляет специалистов на поиски эффективных источников питания БПЛА. И как отмечается, топливные элементы (ТЭ) беспилотных летательных аппаратов рассматриваются одним из приоритетных вариантов.

Питательная среда беспилотных летательных аппаратов

Независимо от двигателей внутреннего сгорания (поршневых, турбореактивных, турбовальных), применяемых в основном для беспилотников большого и среднего размера, таких как:

• «Aerostar TUAS»
• «Global Hawk»
• «Camcopter S-100»
• «K-MAX UAS»
• «MQ-08 Fire-Scout»
• «MQ-9 Reaper»
• «MQ-1 Predator»
• «K-MAX UAS»

электрические двигатели или гибридные бензин-электрические (например, «Eagle Hero VTOL») используются в конструкциях мини дронов, обладающих максимальной взлётной массой менее 25 кг. Электрические двигатели мини БПЛА потенциально обещают снижение стоимости, устранение тепловой сигнатуры, уменьшение звукового следа, отсутствие выхлопных газов.

Современные литий-полимерные батареи дают относительно небольшую удельную энергию, ограничивая срок нахождения аппарата в воздухе временем не более 60 минут. Следовательно, попытки комбинировать батареи и топливные элементы в гибридных питающих установках видятся вполне объяснимым желанием.

Дроны некоммерческого пользования обычно приводятся в движение электрическими двигателями, получающими питание от аккумуляторных батарей. Однако всё чаще используются микроструйные и микротурбинные моторы. Военные структуры внимательно следят за разработками микротурбинного двигателя. Но этот тип движителей не удовлетворяет требованиям малых БПЛА, учитывая время полёта.

Эффективность двигательной установки БПЛА во многом зависит от типа установки:

• аккумуляторный КПД более 70%,
• КПД топливного элемента — около 45%,
• КПД двигателя внутреннего сгорания — около 40%.

Соответственно, напрашивается вывод — использование только батарейных движителей. Именно поэтому более 95% современных коммерческих конструкций БПЛА действуют на энергии батарей — литий-полимерных (Li-Po) или литий-ионных (Li-Ion).

Однако источник энергии, а также тип движителя, обеспечивающего лётные характеристики, находятся в прямой зависимости от всей системы. Следовательно, добавление батарей в систему не увеличивает время полёта и полезную нагрузку. Единственный способ нарастить временной отрезок – это повысить качество накопления энергии. Другими словами – нарастить удельную массу (Вт/кг) и объёмную удельную энергию (Вт/дм³) батарей.

Массовая удельная энергия движителей разных БПЛА

Наилучшие значения удельной массы представлены жидким или сильно сжатым водородом. Эти значения намного лучше, чем для жидких углеводородных смесей:

• керосина,
• бензина,
• сжиженных газов.

Этим опять же подтверждается концепция, когда среди различных методов накопления электрической энергии, топливные элементы видятся лучшим решением. График, показывающий удельную энергию (электрическую) различных технологий хранения, включая топливные элементы, представлен на картинке ниже.

Направление развития современных силовых установок БПЛА — использование гибридных систем, состоящих из батарей и топливных элементов. Обычно это комбинация батарей с высокой удельной энергией и водородных топливных элементов. Водородное топливо допустимо хранить на борту беспилотного летательного аппарата в баллонах под давлением или в виде химических соединений.

Существует также другая, более сложная замкнутая топливная система. В этом варианте водород вырабатывается непосредственно на борту дрона электролизёром с использованием электрической энергии от фотоэлектрических элементов. Правда, решение пока что находится на экспериментальной стадии.

Наиболее часто источниками энергии для беспилотников выступают Li-Po и Li-Ion аккумуляторы. Вероятно, в ближайшем будущем станут доступны более совершенные виды батарей, с более высокой плотностью энергии. Так, проводятся интенсивные исследовательские работы на литий-тионил-хлоридных батареях (Li-SOCl2), обладающих вдвое большей удельной массой, чем Li-Po.

Эти конструкции остаются пока что крайне дорогостоящими, но с развитием технологий цены обещают установиться на более доступный уровень. Можно привести также пример литий-воздушной (Li-air) или литий-серной батареи (Li-S), которые, как ожидается, смогут обеспечить плотность энергии ещё большую, увеличенную примерно в 7–10 раз.

Типы топливных элементов

Электроэнергию топливных элементов обычно получают из водорода и кислорода в результате электрохимической реакции. Реакция экзотермическая, дающая побочный эффект — воду. В топливном элементе химическая энергия напрямую преобразуется в электрическую энергию. Традиционное производство электроэнергии сопровождается поэтапным процессом преобразования энергии:

1. Химического — термальным,
2. Термально – механическим,
3. Механически — электрическим.

Существуют типы топливных элементов, не требующих водорода в качестве топлива. Эти элементы видятся интересными, но ограниченными под использование в движительных системах беспилотных летательных аппаратов. Можно условно разделить топливные элементы на категории, принимая во внимание, например:

• тип электролита,
• рабочую температуру,
• электрическую эффективность и другие свойства.

Также в некоторых случаях возникают проблемы с продуктами электрохимической реакции топливного элемента (СО, сульфиды, галогениды), которые рассматриваются как загрязнение.

В случае мобильных приложений основным типом топливных элементов является протонообменная мембрана (PEM), называемая также полимерно-электролитно-мембранным топливным элементом (PEMFC), работающим на чистом водороде.

Этот вид топливных элементов обладает лучшими свойствами с точки зрения использования в беспилотных летательных аппаратах. Однако некоторые другие типы топливных элементов также интенсивно исследуются производителями БПЛА.

Таблица сравнения ТЭ по типу исполнения

 

Обычно применяются мембраны на основе PFSA (перфторсульфокислоты) с торговым наименованием «Nafion», выпускаемые «DuPont». Мембраны PEM являются наиболее подходящими по причине высокой гибкости. Преимущества топливных элементов PEM с точки зрения транспортных применений, среди прочего:

• высокая плотность мощности,
• быстрое время запуска,
• высокая эффективность,
• низкая рабочая температура,
• простое и безопасное обращение.

Анализируя различные виды топливных элементов, можно констатировать: потенциальная возможность применения топливных элементов для тяги беспилотных летательных аппаратов зависит от уровня технологической зрелости и баланса преимуществ и недостатков.

Перспективные конструкции ТЭ для беспилотников

Из представленных топливных элементов, наиболее перспективными являются:

• низкотемпературный ПЭМ (LTPEM),
• твердооксидный (SOFC),
• на основе расплавленного карбоната (MCFC),
• прямого метанола (DMFC).

Одним из наиболее перспективных вариантов выступает щелочной топливный элемент (AFC), но использование этого типа ограничено специальными применениями, например, космической программой НАСА. В случае твердооксидного ТЭ гибкость более обширна. Несмотря на высокую рабочую температуру, проведено несколько испытаний этого источника энергии для тяги беспилотных летательных аппаратов.

Возможность использования углеводородного топлива очень привлекательна, но всё ещё очень сложна в реализации. Прямой углеродный топливный элемент обладает более высоким электрическим КПД — 70–90%, но в настоящее время является источником энергии только под стационарные применения.

Другими факторами потенциального использования топливных элементов для приводов беспилотных летательных аппаратов являются:

• общие затраты на компоненты системы (в основном, катализаторы),
•  удельная мощность,
• устойчивость к загрязнителям топлива.

Очень важным, особенно для военных применений, видится быстрый запуск и динамическое реагирование на спрос энергии. Здесь лучшая производительность представлена устройством типа LTPEM, благодаря низкотемпературной работе. Особое внимание следует уделить трём типам топливных элементов, которые в настоящее время применяются или испытываются в качестве источника энергии беспилотных летательных аппаратов:

1. PEMFC
2. SOFC
3. DMFC

Тихая работа топливных элементов и низкое тепловыделение (низкая акустическая и тепловая трассировка) являются очень желательной характеристикой. Такая характеристика делает этот источник тяги БПЛА выгодным по сравнению с двигателями внутреннего сгорания и хорошо приспособленным к скрытой природе беспилотных летательных аппаратов.

Силовые установки являются относительно сложными, содержат:

•  топливные баки (генераторы),
• топливные элементы,
• буферные батареи,
• электронное оборудование управления.

Электроникой обеспечивается надлежащий заряд батареи и оптимальное использование энергии для максимальной эффективности электрических двигателей винтов и продолжительности полета БПЛА.

На современном уровне технологического состояния отсутствие буферных батарей представляется невозможным по соображениям безопасности. Здесь следует упомянуть в основном Li-Po, Zinc-Air, Li-Air батареи.

Сравнение пяти различных силовых установок БПЛА, представленных на рисунке 3, показывает, что силовая установка PEMFC на сжатом водороде обладает наибольшим потенциалом выносливости и дальности полёта беспилотного аппарата.

Принципы работы топливных элементов

Схемы ТЭ вырабатывают электричество непосредственно из химической энергии с использованием электрохимической реакции. Эффективность такого преобразования выше или на уровне наиболее эффективных двигателей внутреннего сгорания.

Рабочее напряжение и ток зависят от количества элементов батареи. Максимальный ток определяется площадью поперечного сечения каждого элемента, определяющего способность накопления энергии батареи топливных элементов. Для правильной работы топливного стёка требуется вспомогательное оборудование, так называемый «баланс завода», и это оборудование делает конструкцию более сложной и утяжелённой.

Название каждой разновидности ТЭ происходит от источника водорода и типа электролита, который используется. Топливным элементом используется химическая энергия от внешних источников — водорода и кислорода, взятых обычно из окружающего воздуха.

Внутри топливного элемента горения нет — окисление водорода осуществляется электрохимическим способом, когда атомы водорода вступают в реакцию с атомами кислорода, образуя воду. Во время этого процесса освобождённые электроны, протекающие через внешнюю цепь, создают электрический ток. Размерность ТЭ допускает, как миниатюрное исполнение на производство нескольких ватт мощности, так и габаритное исполнение под производство мегаватт мощности.

Все топливные элементы состоят из двух электродов, разделенных твёрдым или жидким электролитом, несущим электрически заряженные частицы. Для ускорения реакций, на электродах часто используется катализатор.

Эффективность силовой установки БПЛА на топливных элементах

Приблизительные значения, включая также эффективность различных топливных элементов, применяемых в беспилотных летательных аппаратах, показаны в таблице 2. Видно, что свойства топливных элементов в области эффективности относительно высоки. Однако если принять во внимание эффективность всей системы движения беспилотного летательного аппарата, результаты отмечаются на уровне существенно худшем.

Таблица: свойства ТЭ, используемых в конструкциях современных БПЛА

В целом, как и в «классических» системах, содержащих двигатель внутреннего сгорания, движитель топливного элемента имеет сравнительно низкий общий КПД.

Принимая во внимание полную цепочку преобразования энергии, общая эффективность достигает 25–30%, как это показано на рисунке 8. Однако на этом уровне двигательная установка является многообещающей благодаря упомянутым характеристикам, таким как, например, низкий акустический и тепловой след БПЛА.

Водород в настоящее время является основным топливом для БПЛА, работающих на топливных элементах, но низкая плотность водорода при стандартных условиях (0,089 кг / м3) влияет на вопросы эффективного хранения, что является существенной проблемой для БПЛА;

Способы хранения водорода

Наиболее естественным способом хранения водорода является сжатие. Этот метод требует использования относительно легких композитных бутылок, выдерживающих давление около 70–80 МПа. Другими альтернативными методами являются хранение водорода в сжиженном состоянии, требующее, однако, криостатических сосудов и выделения водорода из химических соединений. Например, водный раствор NaBH4;

Следующие важные вопросы топливных элементов требуют решения:

• функциональная надежность,
• устойчивость к рабочему давлению,
• связь с высотой полёта,
• надлежащее управление водой топливного элемента.

Управление водой особенно связано с PEM, построенным из сульфатированных фторполимерных мембран (например, типа «Nafion»). Хорошая гидратация является условием правильной работы этих мембран. Высушенная мембрана обладает высоким электрическим сопротивлением, что приводит к большим потерям и тепловыделению. Это причина, почему применяется увлажнение газов, участвующих в химической реакции в топливных элементах;

Беспилотные летательные аппараты, работающие на водородных топливных элементах, имеют преимущество перед дронами, приводимыми в действие батареями. Для первых длительность полёта ограничена только подачей водорода, но необходимость периодической дозаправки всё еще остается актуальной.

Методы хранения топлива влияют на возможности дронов заправляться, что особенно важно для военных применений, где в полевых условиях быстрая дозаправка может иметь важное значение в успехе миссии. Сравнение выбранных методов хранения водорода представлено в таблице 3, где данные по физическим свойствам хранимого водорода не включают объем и массу бака и всей топливной системы.

Пример использования ТЭ на малых БПЛА

Типичным примером современных эффективных систем подачи на основе сжатого водорода может быть топливный элемент H1 мощностью 1800 Вт, разработанный китайскими специалистами. Эта система топливных элементов предназначена для беспилотных летательных аппаратов с длительным сроком службы и применяется, в частности, к мультикоптеру HyDrone 1550 MMC. Согласно заявлению производителя, топливный элемент H1 позволяет профессиональным беспилотникам оставаться в воздухе до 150 минут.

Представленная на картинке разработка включает в состав несколько основных элементов:

• батареи топливных элементов,
• системы управления,
• водородного бака,
• вспомогательной батареи Li-Po.

Блок топливных элементов состоит из 60 графитовых пластин, охлаждаемых четырьмя управляемыми вентиляторами. Система хранения состоит из баллона сжатого водорода с оборудованием — воздушным клапаном и датчиком высокого давления. Система управления состоит из двух электромагнитных клапанов, датчика низкого давления, радиоприёмника и персонального компьютера.

Специалисты MMC заявляют о времени действия этой системы до 1000 часов, а также относительно защиты от низкого (<8 МПа) и избыточного (>37 МПа) давления водорода. Комплект топливных элементов вместе с баком сжатого водорода показан на рисунке 11. Выбранные параметры системы H1-топливный элемент MMC представлены в таблице 4.

Выводы на современные беспилотные летательные аппараты

Большое внимание, уделяемое топливным элементам как источнику движения будущих беспилотных летательных аппаратов, оправдано результатами работ, проводимых научно-исследовательскими центрами авиационной промышленности. Большой интерес и финансовые затраты, которые несут авиационные гиганты – «Boeing» или «Lockheed Martin», ведущие исследования в сотрудничестве с НАСА и DARPA, кажутся симптоматичными.

Испытания проводятся обычно на существующих ранее проверенных беспилотных летательных аппаратах, оснащенных экспериментальной технологией топливных элементов. Многие фирмы, основанные специально для производства беспилотных летательных аппаратов, вносят свой вклад в развитие их двигательных установок, включая топливные элементы.

Тенденция к использованию гибридных силовых установок, состоящих из топливных элементов и батарей или топливных элементов и тепловых двигателей (не упомянутых в этой статье), носит временный характер. Ограничения по времени — до тех пор, пока не будут разработаны надёжные системы топливных элементов.

Отмечается ряд проблем, связанных с применением топливных ячеек для питания дронов, требующих решение:

• по эффективности методов хранения водорода (в виде сжатого газа или в химических соединениях);
• по облегчению конструкции и повышению эффективности топливных ячеек;
• по разработке аккумуляторов с высокой удельной энергией для основного и вспомогательного источников питания;
• по разработке систем топливных элементов, предназначенных для корректной работы на большой высоте в условиях низкой температуры и низкой концентрации кислорода;
• по совершенству алгоритмов управления для оптимального использования энергии гибридных силовых установок.

---

При помощи информации: PK