3. Мета і основні завдання проекту

Мета проекту полягає у розробці основ технології одержання нових безпілотних літальних апаратів для вирішення задач спостереження та моніторингу з системою живленням від сонячних батарей, що дозволить різко збільшити час перебування їх в повітрі.

• Розробка та виготовлення планера безпілотного літального аппарату.

• моделювання та розрахунок оптимальних параметрів основних частин планера безпілотного літального аппарату; аналітичний огляд випробуваних в повітрі існуючих конструкцій;

• вибір та перевірка матеріалів для створення безпілотного літального аппарату;

• розроблення основ технології виготовлення безпілотного літального аппарату;

• Розробка та дослідження системи живлення безпілотних літальних апаратів від сонячної енергії з необхідними масо-габаритними параметрами.

• розрахунок параметрів сонячних модулів та вибір сонячних елементів з необхідними параметрами

• розроблення основ технології виготовлення сонячних модулів, придатних для використання у авіаційній галузі;

• розрахунок алгоритмів роботи основних вузлів системи живлення від сонячних батарей: вузла відслідковування точки максимальної потужності сонячних елементів на основі суперконденсаторів, вузла зарядки бортового акумулятора, вузла захисту;

• моделювання та розроблення принципових схем електронних вузлів;

• виготовлення, налаштування та випробування роботи основних вузлів системи живлення;

• Розроблення основ технології виготовлення лабораторного зразка безпілотного літального апарату на сонячній енергії

• монтаж та встановлення двигунів, блоків керування та електронних блоків системи живлення.

• розроблення основ технології покриття поверхні крила літака модулями сонячних елементів.

• перевірка та визначення параметрів електричної системи безпілотного ЛА

• визначення електрофізичних параметрів експериментального зразка та дослідження впливу умов експлуатації на загальні характеристики літального апарату.

Вирішення важливих з наукового і практичного значення завдань проекту має також економічну та соціальну цінність для розвитку в Україні інноваційних технологій, зокрема, в такій важливій галузі як мала авіація, безпілотна авіація. Застосування сонячної енергетики у будівництві безпілотних літальних апаратах сприяє технічній, технологічній, та економічній модернізації України, та дозволить досягти передові позиції в електроніці, військовій техніці та інших життєво важливих для інтересів держави областях.

Вирішення поставлених науково-практичних задач формує науково-методологічну базу по розробці, виготовленні та випробуванні безпілотних літальних апаратів, що є одним з ключових напрямків в підвищенні обороноздатності України. Крім того, проект має економічну та соціальну цінність для розвитку в Україні інноваційних технологій.

4. Стан досліджень проблеми

У 70-х роках XX сторіччя, завдяки підвищенню коефіцієнта корисної дії (ККД) фотоелектричних перетворювачів (ФЕП), в авіації намітився новий напрямок - літаки, що використовують сонячну енергію для підтримки і забезпечення польоту. Це своєрідний тип літальних апаратів (ЛА), більшість горизонтальних поверхонь яких вкрито фотоелементами, що перетворюють енергію сонячного випромінювання в електричний струм. Перетворена електрична енергія використовується для забезпечення поступального руху ЛА, роботи бортової апаратури і акумулювання з подальшим використанням її для нічного польоту. Використання сонячної енергії на ЛА відкриває неможливі раніше перспективи здійснення тривалих (протягом декількох місяців і навіть років) польотів. Здійснення польотів у тропопаузі дає практично повну незалежність від таких атмосферних явищ як хмарність, опади, пориви вітру.

На основі наведених тез можна припустити, що розглянуті ЛА отримають своє застосування в якості безпілотних літальних апаратів розвідки та ретрансляції зв'язку. На них може бути встановлено обладнання радіоелектронної, тепловізійної і оптико-електронної розвідки, а також ретрансляційне обладнання.

Завдяки технічному прогресу в усіх галузях промисловості, з'явилася можливість здійснення тривалих (багатоденних) пілотованих і безпілотних польотів. Важливо, що ті науково-технічні напрями, стан яких визначатиме ефективність «сонячних» літаків (у тому вигляді, в якому вони існують сьогодні), продовжують стрімко розвиватися.

На сьогоднішній день у розробках безпілотних літальних апаратів використовують високоефективні сонячні елементи. Однак дуже важливою залишається проблема ефективності використання фотоелектричних систем, відома як відслідковування точки максимальної потужності (ТМП). Положення ТМП змінюється залежно від рівня освітленості, а також температури навколишнього середовища і в кожен момент часу робочій точці відповідають певні миттєві значення струму і напруги. З аналізу останніх досліджень і публікацій відомо, що існують різноманітні методи відслідковування ТМП, які відрізняються складністю, швидкодією, ефективністю, вартістю тощо. Існуючі методи та алгоритми мають низку недоліків. Зокрема одні не спрацьовують в швидкозмінних атмосферних умовах, інші створюють коливання вихідної потужності. Існують також методи які визначають струм короткого замикання чи напругу холостого ходу сонячного модуля і встановлюють робочу напругу меншою на певний відсоток (близько 76%) від виміряного напруги. В момент вимірювання втрачається енергія генерації і такі методи, незважаючи на простоту реалізації, є неефективними і неточними через перериви у роботі. Але їх спільним недоліком є достатньо велика маса за рахунок використання трансформаторів, дроселів та індуктивностей. Тому актуальною є розробка нових методів відбору максимально доступної енергії від сонячних модулів та алгоритмів відслідковування ТМП в реальному часі, зокрема для використання в авіації.

Найбільш розповсюдженні безпілотні літальні апарати (БпЛА) в військовій сфері: повітряна розвідка, цілевказівка, ударні задачі та інш. На сьогодні Збройні Сили України потребують легкий, портативний БпЛА з електричною силовою установкою час польоту якого складає від 40 хв. Вже сьогодні створено експериментальний зразок такого БпЛА - Сокіл – 2 ( розробка НТУУ КПІ та ДП ККБ «Луч»)

Для дослідження особливостей створення літака на сонячній енергії був розроблений проект літального апарату на сонячній енергії. Запропонована аеродинамічна схема літального апарату, що дозволяє отримати необхідну площу під сонячні елементи при невеликому видовженні крила, отже забезпечити необхідну жорсткість конструкції. На даний час проведені дослідження використання полікристалічних елементів (розміром -156х156мм) і монокристалічних(розміром -125х125мм), при різних варіантах компоновки ЛА та різних варіантах ламінування сонячних елементів. Проведена часткова оптимізація електричної системи літака та розробка аналітичної моделі літака. Проведена серія експериментальних польотів дослідного зразка масою 4 кг та площею крила 0,8м (сумарна площа панелей 0,51м). Проведена апробація системи автоматичного польоту за маршрутом, на основі автопілоту APM 2.6.

Також розроблено експериментальні зразки гнучких суперконденсаторів для використання в системах відбору електричної енергії від сонячних батарей та гнучку гібридну систему суперконденсатор – сонячна батарея. Гнучкий суперконденсатор відзначений як одна з 100 найкращих науково-дослідних розробок світу 2011 р. за версією відомого американського наукового журналу «Журнал наукових досліджень і розробок». (2011 R&D 100 Awards). Створено фотоперетворюючу систему автономного енергозабезпечення для мобільних телефонів, що включає сонячну батарею, суперконденсатор, Li-ion акумулятор та системний менеджер. Встановлено, що використання СК дозволяє підвищити ефективність відбору електричної енергії у 4-8 разів в умовах слабкої інсоляції (менше 20%), та у 1.3 – 2.0 рази за середнього рівня інсоляції (від 20 до 60 %). Вироблено рекомендації щодо застосування розроблених концепцій для автономних сонячних установок різних потужностей