Введение.
Изобретения на основе воздуха представляют собой такие технологии, которые используют воздух, как основу для своей работы. В целом, изобретения на основе воздуха представляют собой революционные технологии, которые значительно улучшают нашу жизнь. Они позволяют экономить энергию, превращая воздушные потоки в полезную энергию, а также сокращают количество выбросов в атмосферу, что позитивно сказывается на экологии и здоровье людей.
Здесь представлен дрон который использует сжатый азот, полученный за счет так называемой «конверсии холода», запасенного в криогенных аккумуляторах со сжиженным азотом.
Неисчерпаемым источником жидкого азота являются отечественные металлургические предприятия, превращая азот в жидкое состояние, нигде его не используют и попросту выкидывают. Получить газообразного азота из 1мз жидкого, возможно, примерно 858 м3 .
Энергию для движения они получают за счет так называемой «конверсии холода», запасенного в криогенных аккумуляторах. Такой аккумулятор представляет собой бак-криостат с жидким (при температуре около – 200 0С) негорючим азотом.
Это обстоятельство привлекло внимание при поиске аккумулятора сжатого воздуха для пневмодвигателей дронов. Расчеты показывают, что при изотермическом рабочем цикле пневмодвигателей может быть получена механическая работа до 0,4 МДж на каждый килограмм жидкого азота (или около 100 Вт/ч на килограмм). Эта величина в несколько раз больше, чем у современных электрохимических аккумуляторов. В силовой установке опытного дрона используется пневмодвигатель мощностью 13 кВт, работающий на давлении порядка 1,0 МПа.
Особенностью криогенных газов является их способность кипеть при температуре окружающей среды, т.е. создавать пар, в том числе высокого давления. Пар подогревается в теплообменном устройстве и подается в пневматический двигатель. В этой части такой пневмодвигатель похож на паровой, известный с начала века, с той разницей, что для производства пара не требуется топлива. Энергия для парообразования берется из окружающей среды. К тому же доля азота в атмосфере составляет 78% и запасы его практически неисчерпаемы. В жидком состоянии азот может храниться при нормальном атмосферном давлении, не требует применения тяжелых баллонов высокого давления и занимает достаточно малый объем.
1.Характеристика газообразного и сжиженного азота.
Газообразный азот-инертный газ без цвета и запаха плотностью 1,25046 кг/м3 при 0°C и давлении 101,3 кПа. Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм3 /кг при давлении около 105 Па и температуре 290 К.
Жидкий азот-бесцветная жидкость, без запаха с температурой кипения 77,35 К при давлении 101,3 кПа и удельным объемом 1,239 дм3 /кг при температуре 77,35 К и давлении 101,3 кПа. и имеет точку кипения 77,4 K (−195,75 °C). Не взрывоопасен и не ядовит.
Кроме того, его абсолютная экологическая чистота, поскольку он использует в качестве рабочего тела безвредный и химически нейтральный газ азот, являющийся основным компонентом нашей атмосферы. Газообразный азот-инертный газ без цвета и запаха плотностью 1,25046 кг/м3 при 0°C и давлении 101,3 кПа. Удельный объем газообразного азота равен 860,4 дм3 /кг при давлении около 105 Па и температуре 290 К.
Жидкий азот-бесцветная жидкость, без запаха с температурой кипения 77,35 К при давлении 101,3 кПа и удельным объемом 1,239 дм3 /кг при температуре 77,35 К и давлении 101,3 кПа. и имеет точку кипения 77,4 K (−195,75 °C). Не взрывоопасен и не ядовит.
Расчеты показывают, что при изотермическом рабочем цикле может быть получена механическая работа до 0,4 МДж на каждый килограмм жидкого азота (или около 100 Вт/ч на килограмм). Эта величина в несколько раз больше, чем у современных электрохимических аккумуляторов, применяемых в электромобилях.
2.Пневматические двигатели дрона.
В силовой установке дрона используется пневмодвигатели мощностью 13 кВт, работающие на давлении порядка 1,0 МПа. Необходимо также учесть, что дрон является пожаробезопасным видом транспорта, а это может обусловить, кроме обычных, ряд его специфических применений – в шахтах, на пожароопасных предприятиях, в нефтегазовой и оборонной промышленности.
Пневматические двигатели дронов представляют собой безопасные и надежные приводные системы, которые начинают действовать, когда требуется привод с высокими рабочими показателями и защитой от перегрузок. Постоянная готовность к работе в случаях, когда привод, выполненный по традиционной технологии, прекращает движение! Характеристики мощности на выходе пневматического двигателя фактически постоянны во всех диапазонах частоты вращения. Также пневмодвигатель может эксплуатироваться в широком спектре переменных нагрузок. Мощность на выходе можно легко отрегулировать путем изменения рабочего давления, а при уменьшении объема воздуха постоянно меняется частота вращения. Пневматический двигатель можно просто нагружать до полного останова; он также позволяет осуществлять даже вращение в противоположном направлении при увеличении нагрузки. Двигатель всегда достигает своей полной выходной мощности, причем двигатель остается без повреждений! Пневматический двигатель запускается сразу же при удалении нагрузки и это же выполняется впоследствии, даже если двигатель работает без перерыва.
Увеличенный объем воздуха охлаждает двигатель при увеличении нагрузки. Температура может расти только на холостом ходу. Следовательно, двигатель не чувствителен к температуре и при перегрузке практически невозможен перегрев. Воздух является беспроблемным энергоносителем. Отсутствует опасность взрыва в результате замыканий электрической сети, увеличения температуры и т.п.
Пневматические приводы весьма надежны. Внутреннее избыточное давление препятствует попаданию пыли или грязи. При износе требуется замена только недорогих лопастей. Необходимый ремонт достаточно прост и может быть легко и безопасно выполнен обученным техническим персоналом.
Плюсы:
-можно нагружать до полного останова;
-защищен от перегрузок;
-увеличение момента при монтажной нагрузке;
-низкие расходы на установку;
-безопасен в работе (пыль, газ, вода) ;
- вес и маленький размер;
-высокая плотность мощности;
-можно стерилизовать;
-простое техническое обслуживание.
Отличием объемных пневмодвигателей является принцип работы, за счет расширения в цилиндрах поршневого механизма сжатого воздуха. Турбинные модели работают за счет воздействия потока внутреннего воздуха на лопатки, имеющиеся в турбине. Первый вариант демонстрирует использование потенциальной энергии, а второй - кинетической энергии. Сегодня большое распространение получили именно объемные пневмодвигатели, как, например, ротационные, поршневые, шестеренные, камерные или баллонные.
Первым ее элементом является криоемкость с жидким азотом, в качестве которых предлагаются, например, вертикальные сосуды Дьюара. Сосуд должен быть заполнен примерно на две трети, чтобы в верхней части азот был в газообразном состоянии, при этом его температура будет равна температуре кипения. Из сосуда газообразный азот под собственным давлением подается через вентиль стравливания в радиаторы. Радиаторы обычные отопительные алюминиевые. Количество секций следует определять опытным путем в зависимости от емкости сосуда Дьюара с таким расчетом, чтобы на выходе из радиатора температура азота была близкой к температуре окружающей среды. Радиаторы следует покрасить в черный цвет, чтобы они нагревались, как можно сильнее. Радиаторы должны устанавливаться на поддоны для сбора воды, образующейся при оттаивании инея. Эту воду после очистки можно использовать как питьевую и в других целях. Из радиатора нагретый азот подается в детандер, в качестве которого можно использовать пневматический двигатель. Далее азот поступает в холодильник, температура в котором регулируется специальным вентилем, и в кондиционер с регулировочным вентилем. Давление в сосуде Дьюара регулируется вентилем выпуска азота в атмосферу и контролируется по манометру. На шпиндель пневмодвигателя устанавливается воздушный винт . Как известно, полезная работа силовой установки с пневмодвигателем осуществляется в рабочем цикле подачи в него сжатого газа с температурой окружающей среды, последующего его расширения в рабочем цилиндре и выброса в атмосферу при давлении, близком к нормальному.
Следующим существенным преимуществом пневмодвигателя является его более высокий КПД (50-60 %) по сравнению с ДВС (30-40 % на стенде и 10-20 % в городском цикле езды). Это связано с тем, что ДВС выделяет в окружающую среду большее количество тепловой энергии и не доиспользованной при рабочем ходе энергии газа высокого давления. Кроме того, надежность, а следовательно, и срок службы пневмодвигателя значительно повышаются в результате снижения тепловых нагрузок и отсутствия взрывных процессов горения, свойственных ДВС. Максимальное •энергосодержание> 1 кг жидкого азота (т. е. максимальная работа, которая может быть произведена при его нагревании и расширении) составляет 0,77 МДж, а максимальный КПД пневмодвигателя, с учетом тепловых и механических потерь, может достигать 60 %.
Модели разнообразного исполнения, простая конструкция, небольшой вес, высокий диапазон частоты вращения и взрывобезопасность — все эти характеристики гарантируют, что пневмодвигатели могут использоваться в широком спектре применения.
3.Особенности пневматического дрона «на поводке».
Основное преимущество нашего проекта — возможность передачи энергии мощностью до 10 кВт от источника со сжиженным азотом по воздухопроводу-капиллярной трубке высокого давления, малого веса, с земли на борт для питания пневмодвигателей и аппаратуры. Кроме возможности длительного функционирования, аппарат, демонстрирует большую надёжность
Основными областями применения дрона на «поводке» это наблюдение и замену телекоммуникационной вышки. Кроме того, новый беспилотник может выполнять любую другую работу, для которой требуется расположенный на высоте до 200 м от поверхности земли объект.
В случае установки на дрон телекоммуникационного оборудования он будет выполнять ту же функцию, что и воздушные шары Шары — способ обеспечить интернет в местах, куда трудно провести иные коммуникации.
Другое применение дрона - передача радиосигнала, она особенно актуальна во время стихийных бедствий, когда базовые станции телекоммуникационных операторов повреждены. Дрон с повторителем сигнала GSM временно закроет потребность той или иной области в связи.
Дроны заменят наблюдательный пункт или антенну связи. Обеспечение наблюдения с помощью бортовой видеокамеры (камер) с возможностью обзора до 360 градусов. Это может требоваться, например, пожарным или при проведении длительного видеонаблюдения, например, в местах проведения мероприятий с большим числом участников - в городе или за его пределами. По соединительному кабелю можно передавать информацию. Такой подход — дешевле и более устойчив к помехам и перехвату, что тоже пригодится военным.
Использование беспилотника практически невидимом и без источников на постоянном дежурстве в районе боевых действий или разведки дает хорошие возможности быстро достичь поставленные в вооруженном конфликте цели. Разработанная нами платформа барражирует в воздухе в ожидании цели, а затем атакует и ликвидирует угрозу со стороны противника с помощью барражирующих боеприпасов и беспилотников типа «Герань» в течение нескольких секунд. с ее способностью наводиться по световому лучу и прекрасной оптикой.
Заслуживает внимание такое явление, как авторотация на коптере.
Это когда коптер не падает в аварийной ситуации, а снижается, и за счет раскручивающихся (от набегающего воздушного потока) пропеллеров, садится. Посадка как правило жестковата, но это всё-таки посадка, а не падение. Конечно, это неуправляемая авторотация, не как на вертолётах. Смысл - лишь в том, чтобы без затрат, спустить коптер "живым". Пропеллеры крутятся сами собой, коптер снижается не быстрее определенной скорости. Снижается горизонтально, не кувыркаясь, при условии отсутствия сильного ветра - остается целым. Возможна, конечно, только на больших пропеллерах и с заниженным ЦТ.
Далее подробнее останавливаемся на технической характеристике пневматического устройства, новинке ради которой мы затеяли наш проект. Система состоит из двух важных частей, которые доставляют в двумя комплектами.
В первом — сам дрон. Устройство летает с помощью 4-х пневмодвигателей с пропеллерами. Его размер в собранном состоянии — 1,2 м. Во втором комплекте— длинная лебедка и система автоматического регулирования ее длины. Встроенный контроллер следит за длиной троса и держит его практически в натянутом состоянии. Если трос оборвется или источник питания иссякнет, резервный аккумулятор обеспечит дрону мягкую посадку.
Другое назначение, в виде привязной высотной платформы, которая представляет собой БПЛА, соединённый с базой капиллярной трубкой высокого давления. Платформа служит для запуска барражирующий боеприпасов Композиционный корпус ,все оборудование платформы, отсутствие электрических источников и излучателей, делают ее невидимой современных средств обнаружения. Запуск БПЛА осуществляется из специального контейнера, размещаемого на платформе Платформа поднимается с помощью винтов на высоту до 1000 метров и с этой высоты на цель происходит запуск беспилотников. Беспилотники нацеливаются и летят в направлении цели планируя на заданной высоте, используя восходящие потоки воздуха в режиме планеров, бесшумно, невидимые, не оставляя тепловой след.
Аналогов такому дрону нет.
Литература.
1. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПНЕВМОДВИГАТЕЛЯ В АВТОМОБИЛЕ
И. Н. Кудрявцев , А. И. Пятак , С. И. Бондаренко*, А. Я. Левин*, Б. Н. Муринец-Маркеви-ч*, М. Ч. Пламмер**
Харьковский национальный автомобильно-дорожный университет (ХНАДУ)
УДК 621.484, 621.59.