VII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Солнечная энергия как основа длительной работы псевдоспутника
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
I.Введение
Солнечная энергия сегодня является альтернативной сферой энергетики и очень важной для многих отраслей народного хозяйства. Солнце — это неисчерпаемый и экологически чистый источник энергии.
Для развития авиации ее использование помогает решить массу проблем. Это и загрязнение окружающей среды, шумовое загрязнение, а также зависимость от невозобновляемых источников энергии. Эти и многие другие причины послужили толчком в изучении использования энергии солнца для авиации.
Одним из ключевых вопросов в современной авиации является увеличение продолжительности полета как беспилотного летательного аппарата, так и воздушного судна гражданской авиации. Существует огромное количество проблем и задач, решая которые БПЛА длительное время должен оставаться в воздухе. Исходя из этого, считаю представленную тему актуальной.
В своем исследовании я хочу рассмотреть возможность использования альтернативной энергии для увеличения продолжительности полета беспилотных летательных аппаратов, предложить перспективы их дальнейшего развития.
Цель работы: доказать, что солнечная энергия способна сделать работу высотного БПЛА длительной.
Задачи исследовательской работы:
проанализировать опыт использования солнечной энергии для работы высотных БПЛА и выявить преимущества использования альтернативной энергии перед традиционными источниками – химическим топливом и электрической энергией;
провести опытный эксперимент доказывающий, что с помощью солнечной энергии возможно производить зарядку аккумуляторов;
сделать научные выводы из полученных наблюдений и наметить перспективы дальнейшей работы.
Гипотеза: создание модели летательного аппарата с возможностью подзарядки посредством солнечной энергии во время полета.
II. Основное содержание работы
Глава 1. Первые шаги использования солнечной энергии в авиации.
Первым в мире беспилотником с солнечной установкой стал американский Sunrise I, который был поднят в небо в 1974 году. На его крыльях было размещено 1000 солнечных элементов, а высота его полета в яркий солнечный день составляла порядка 6000 метров. Спустя год создали усовершенствованный беспилотник Sunrise I, на котором разместили 4480 солнечных батарей. Высота его полета должна была составлять 23 километра. Вершиной работы одного из важных проектов NASA, продолжительностью в 25 лет стал БПЛА Helios. Его потолок составил 30 километров, а на его крыле разместили 62120 солнечных батарей.
Европейцы гораздо позже заинтересовались применением в авиации солнечной энергии, но за последние годы они быстрыми темпами догоняют американцев. Рекорд по продолжительности поставил летательный аппарат ZephyrS, выпущенный европейской фирмой Airbus. Его полет начался 11 июля 2018 года и продлился 26 дней, завершившись удачной посадкой.
Псевдоспутник похожей конструкции создают и в нашей стране. Этот беспилотник получил имя «Сова». Его испытания проходят с 2016 года, и в скором времени он может появиться на вооружении Министерства обороны.
Глава 2. БПЛА и их классификация. Высотные БПЛА.
Анализируя различные источники, я столкнулся с классификациями БПЛА. Наиболее содержательной считаю классификацию, представленную http://www.slaviza.ru/1494-tipy-bespilotnyh-letatelnyh-apparatov.html
(рис.1):
Просматривая данные таблицы, я пришел к выводу, что максимальная продолжительность полета БПЛА составляет 24 часа. Если «сердцем» беспилотника является двигатель внутреннего сгорания (ДВС), то время работы такого аппарата рассчитано на несколько часов. А если беспилотник работает на аккумуляторной батарее, то его полет будет еще короче. Человечество пока не научилось запасать в аккумуляторах энергию с той же плотностью, что дает бак с химическим топливом. Где же ее почерпнуть для длительной работы беспилотника, чтобы он смог находиться в небе не несколько часов, а месяцы и даже годы? Возможно ли такое? Возможно!
Во-первых, необходимо отказаться от двигателя внутреннего сгорания и химического топлива. Электричество — вот где выход! Просто нужно чтобы аппарат поднялся выше облаков. Тогда в распоряжении ЛА окажется океан неисчерпаемой энергии. Солнечной энергии! Такую категорию дронов, которые рассчитаны на полеты в стратосфере, назвали «атмосферными спутниками» или «псевдоспутниками». Высотные псевдоспутники — это беспилотные летательные аппараты, которые занимают промежуточную «нишу» между самолетами и спутниками. Атмосферный спутник — это большой электросамолет, без кабины пилота. Только вот высота его полета намного больше. Он поднимается гораздо выше, чем линии пассажирских самолетов. Выше эшелонов коммерческой авиации и воздушных атмосферных течений. На этой высоте, ветер не мешает аппарату парить в воздухе практически на одном месте. Он, как и спутник, зависает на долгое время в одной точке. Там есть остатки воздуха, хоть он и очень разрежен. А это значит, что ЛА потребуется большой размах крыльев. Чтобы это не отразилось на его массе, при конструировании используют композитные материалы. При таком большом размахе крыльев его вес будет всего в сотни килограмм.
На поверхности огромного крыла ЛА закреплены фотоэлектрические батареи. Они используются для питания электромоторов, а также зарядки аккумуляторов. Это для полета днем. Недостающую энергию во время ночного полета, восполнит зарядившийся днем аккумулятор. Работа ЛА будет выглядеть так. Весь день он заряжает аккумулятор для ночного полета и при этом поднимается выше. А ночью расходует энергию, запасенную на батареи, и немного опускается. Так будет происходить сутками. Зарядится-разрядится. Поднимется-опустится. В перспективе, полет такого аппарата будет равен сроку его эксплуатации. У него не будет наземной «жизни». Он до самого списания должен будет оставаться в небе. По завершении срока его эксплуатации его можно будет спустить на землю, отремонтировать, а при необходимости и утилизировать.
Глава 3. Экспериментальный опыт.
Моё первое знакомство с БПЛА началось, когда на день рождения мне подарили дрон. У меня возникло огромное желание узнать все подробно об этом устройстве, получить ответы на вопросы о техническом устройстве этого аппарата. Я изучил много научной литературы и обобщил полученные сведения в своем исследовании.
Следующим этапом моей работы стал экспериментальный опыт. Я еще не научился самостоятельно делать планеры и прочие воздушные аппараты, но мне захотелось убедиться на опыте, что солнце действительно способно заряжать батарею и тем самым, увеличивать время полета беспилотника. Для эксперимента было использовано следующее оборудование:
батарея напряжением 1 В (послужит прообразом аккумулятора псевдоспутника);
электромотор;
солнечная батарея;
вольтметр;
миллиамперметр;
ключ;
полупроводниковый диод.
Этап №1 В ходе эксперимента я собрал электрическую цепь и снял показания на батарее. Вольтметр показал 1В, а поскольку нагрузка отсутствовала, на амперметре показаний не было (приложение 1).
Этап №2 На этом этапе опыта я запустил электродвигатель и зафиксировал показания вольтметра и амперметра спустя пять минут работы. Вольтметр указал, что электромотор разряжает батарею и показания с 1В опустились до 0,8 В. (приложение 2).
Этап №3 Подключил солнечную батарею через диод (чтобы ток шел только в одном направлении) к аккумулятору, предварительно зафиксировав величину напряжения, которое она выдавала на данный момент – 2,2 В. Все должно было получиться! Запустил электромотор и через 3 минуты напряжение на батарее увеличилось до 0,9В. (приложение 3, 4)
Этап №5 Спустя еще минуту напряжение увеличилось до исходного значения 1В. (приложение 5)
Вывод: Опытный эксперимент доказал, что солнце действительно является альтернативным источником энергии.
Мой аппарат, находясь «в полете», заряжал свой аккумулятор энергией солнца.
Это значит, что у беспилотника есть все шансы работать более длительное время.
Результаты эксперимента я оформил в таблицу.
|
№ этапа |
Напряжение на батарее (В) |
Напряжение на солн.батарее (В) |
Показания амперметра (мА) |
Время работы (мин.) |
|
1 |
1 |
- |
0 |
- |
|
2 |
0,8 |
- |
114 |
5 |
|
3 |
0,9 |
2,2 |
113 |
3 |
|
4 |
1 |
2,2 |
112 |
1 |
В перспективе хотелось бы заменить солнечную батарею на более мощную и с ее помощью собрать установку, способную заряжать от энергии солнца всевозможные электрические устройства – шуруповерт, электродрель, батарею сотового телефона.
Глава 4. Псевдоспутники – шаг в освоении будущего
Итак, использование солнечной энергии позволяет увеличить время полета и превратить обычный БПЛА в псевдоспутник.
Нужны ли псевдоспутники? Конечно да! Ведь они, как и космические спутники, движущиеся вокруг Земли, могут приносить большую пользу. От космических спутников они отличаются тем, что им не нужна ракета-носитель, чтобы выйти на орбиту. Он не берет с собой пассажиров и топливо. Только оборудование и аккумуляторы. Они самостоятельно взлетают и набирают высоту. Могут приземлиться для технического обслуживания тоже самостоятельно. А ведь это большая экономия денежных средств для государств и корпораций! К тому же, с высоты 20000 м можно разглядеть гораздо больше, чем с космических высот. Атмосферные псевдоспутники — это современный класс летательных аппаратов. Я уверен, что за ними большое будущее. Они предоставят новые возможности не только для гражданского применения, но и для военных целей. С их помощью будут проводить наблюдения за климатом и его изменениями. Миллионы людей смогут получить доступ к интернету. Как зависшая антенна атмосферный псевдоспутник будет снабжать сотовой связью целые мегаполисы, раздавать интернет и указывать направление навигаторам в сети.
Они помогут контролировать рыбный промысел, чтобы рыбаки не нарушали государственные границы и доставляли свой улов в порт. С высоты псевдоспутника не сложно будет обнаружить перемещение объектов на земле — трафик контрабанды и наркотиков. С их помощью будет возможно собрать разведданные о рассредоточения кораблей и военной техники неприятеля. Незаменимы они будут для радиолокационной разведки, организации радиопомех. Для нужд обороны это неоценимо.
Атмосферные спутники, на мой взгляд, имеют большие перспективы для изучения Арктики.
Арктика — это место, которое не похоже ни на один регион, где живут люди. Арктика сегодня — это огромная кладовая со скрытыми под ледяным панцирем углеводородами и полезными ископаемыми. Еще в Древней Греции, ученый Бион предвидел, что существует часть Земли, где полярный день и ночь длятся по полгода. Днем здесь является такое время, когда Солнце не садится за горизонт 186 суток. Для работы высотных ЛА здесь есть все условия!
Сегодня Россия наращивает не только экономическое присутствие в Арктике, но и оборонительное. Для защиты государственных интересов в этом регионе развертывается военная группировка. Опорой России на этих рубежах станут флот и авиация. Это значит, что высотным БПЛА будет отведена большая роль в обеспечении радиосвязи между кораблями и базами военных. Они помогут контролировать Северный морской путь, производить оперативную разведку, следить за атмосферными изменениями. Это далеко не полный перечень тех задач, которые смогут решать псевдоспутники.
III. Заключение
Итак, в ходе своего исследования я познакомился с альтернативным видом электрической энергии - энергией солнца. Цель работы достигнута. Экспериментальный опыт подтвердил, что солнечная энергия способна сделать работу высотного БПЛА длительной. Гипотеза доказана.
Решение поставленных задач позволило мне сделать вывод: производство и использование высотных БПЛА является очень перспективным направлением в авиации. Применение этих аппаратов дает человеку большие преимущества в гражданской и военной сфере.
В 1957 году наша страна отправила в космос первый искусственный спутник. Это был металлический шар, из которого торчали радиоантенны. Сегодня на орбите вокруг Земли работают более тысячи спутников. Со временем многие из них постепенно превращаются в угрожающий и бесполезный космический мусор. Они «летают» с большой скоростью и на большой высоте, добросовестно выполняя свою работу, совершенно не подозревая, что на гораздо меньшей высоте появился более современный и новый игрок — псевдоспутник. Если посмотреть назад на несколько лет, то можно понять, что БПЛА находят все большее применение и космические спутники в недалеком будущем уступят им свои позиции.
В планах исследователей стоит огромное количество целей и задач, среди которых на первое место выходит решение проблемы связанной с увеличением продолжительности полета. Подводя итог всему сказанному, можно уверенно сказать, что наступает эра беспилотных аппаратов. Что казалось невозможным вчера, сегодня воспринимается нами, как само собой разумеющееся.
Государству необходимо еще больше финансировать это направление для его дальнейшего развития. За время исследования я много раз встречался с выражением «беспилотная авиация — авиация будущего». Сейчас я с уверенностью могу сказать, что, благодаря стараниям наших ученых: «Беспилотная авиация — это авиация настоящего!»
IV. Список использованных источников и литературы:
Источники:
1. Василин Н.Я.: «Беспилотные летательные аппараты». Минск: Попурри, 2003. - 272 с. ISBN: 9854389839
Статьи:
1. «Беспилотные транспортные средства: развитие технологий и место в мировом сообществе», «Наука и техника» №5 [338] 12.05.2018 г.
Авторы: Олег Фиговский, Валерий Гумаров.
2. http://www.sib-science.info/ru/institutes/front-protivostoyanie-24062018
3.https://golos.io/ru--bespilotniki/@abloud/psevdosputniki-vzletyat-ili-net
4.http://drugoigorod.ru/fly-02-06-16/
V. Приложения
Приложение 1 Приложение 2
Приложение 3,4
Приложение 5