ZESPOłY NAPędOWE BEZZAłOgOWYCh

PRACE iNSTYTUTU LOTNiCTWA
213, s. 185-188, Warszawa 2011
ISSN 0509-6669
ZESPOłY NAPędOWE BEZZAłOgOWYCh STATkóW
POWiETRZNYCh
RySZaRD SaBak
Instytut Techniczny Wojsk Lotniczych
Streszczenie
W artykule przedstawiono problematykę wyboru rodzaju napędu do BSP o wyraźnie określonych zadaniach wojskowych. Z nich wynikają bowiem osiągi lotne jak prędkość i wysokość lotu
oraz zakres czasowy ich osiągania, utrudnienia rozpoznania BSP wzrokowego, radarowego czy
dźwiękowego, a także – udźwig i długotrwałość lotu.
Słowa kluczowe: napędy BSP, spalinowe silniki tłokowe i turbinowe, silniki elektryczne
Jednym z najważniejszych zadań na etapie projektowania bezzałogowego samolotu jest właściwy dobór jego zespołu napędowego1. Jako podstawowe dane wyjściowe należy potraktować
przeznaczenie oraz wymagania dla statku powietrznego. W bezzałogowych statkach powietrznych w zależności od ich wielkości i przeznaczenia stosuje się różnego rodzaju zespoły
napędowe:
– silniki elektryczne dla samolotów o masie do 6kg (chociaż są próby cięższych samolotów
z dużymi silnikami zasilanymi z baterii słonecznych)
– spalinowe silniki tłokowe i turbinowe napędzające najczęściej śmigło pchające,
– turbinowe silniki odrzutowe
Rodzaj wybranego silnika zależy od przewidywanych zadań BSP np. jako latającego celu
(wymóg dużej prędkości), rozpoznania taktycznego (duży zasięg i wysokość lotu), bezpośredniego rozpoznania pola walki( cichość, mała prędkość i mała wysokość lotu). W każdym przypadku – wystarczający udźwig aparatury rozpoznawczej itp.
Dobór zespołu napędowego polega na wybraniu, spośród różnych możliwości takiego rodzaju, który umożliwia najlepsze wykorzystanie charakterystyk płatowca oraz wytworzy odpowiedni ciąg w celu spełnienia wszystkich wymagań stawianych samolotowi.
Od redaktora wydania Zeszytu „Prac ILotu 213”: tematyka tego artykułu jest szczególnie trudna do inżynierskiego
opracowania – umożliwiającego wybór optymalnego napędu do BSP o określonych zadaniach taktycznych. Dostępność danych liczbowych o osiągach istniejących BSP jest skrajnie ograniczona, a sportowe osiągnięcia modelarskie stanowią efekt intuicyjnych wyborów ich Twórców i zależą głównie od możliwości „zdobycia” na rynku silników
o określonej mocy i ciągu.
1
186
RySZaRD SaBak
Wielkość ciągu obliczana jest najczęściej z następujących warunków:
– zasięg lotu,
– długotrwałość lotu
– prędkość wznoszenia
– pułap praktyczny
– prędkość maksymalna w locie poziomym na określonej wysokości lotu,
Dla bezzałogowych statków powietrznych, których najczęstszym zadaniem jest rozpoznanie, najważniejszym warunkiem jest długotrwałość lotu. Dlatego też dąży się do minimalizacji
masy wszystkich zespołów statku powietrznego, w tym także zespołu napędowego.
NaPĘD ELEkTRyCZNy
Podstawowymi elementami elektrycznego zespołu napędowego są:
– śmigło
– silnik
– akumulator
– regulator
Śmigło jest podstawowym elementem wymiarującym główny zespół śmigło – silnik. Dlatego
dobiera się je indywidualnie, biorąc pod uwagę takie parametry jak:
– sprawność, silniki o większej sprawności zapewnią mniejsze zużycie energii,
– maksymalna moc silnika,
– maksymalna prędkość obrotowa,
– masa zespołu śmigło – silnik.
Interesujący jest fakt rozpowszechnienia w BSP śmigieł pchających, co jest podyktowane
szansą uzyskania większej efektywności niż śmigieł ciągnących. Dzięki zastosowaniu śmigła
pchającego otrzymuje się również możliwość umieszczenia aparatury rozpoznawczej z przodu
statku powietrznego.
Dobierając współpracujące ze sobą śmigło i silnik należy zwrócić szczególną uwagę na zależność mocy pobieranej P do ciągu wytworzonego k. Dobór śmigła o tej samej średnicy a większym skoku może zwiększyć moc niezbędną do wytworzenia określonego ciągu. Przy doborze
silnika należy również uwzględniać zmianę sprawności η silnika elektrycznego w zależności
od rodzaju zamontowanego śmigła. Przedstawione na rys. 1 otrzymane wykresy sprawności η
dla dwóch podobnych silników trójfazowych o porównywalnych masach i mocach z zamontowanymi śmigłami tego samego typu.
Zmiana śmigła powoduje zmianę osiągów zespołu napędowego, tak również zmiana silnika
powoduje zmianę uzyskiwanego ciągu na śmigle.
Następnym elementem układu napędowego jest t.zw. pakiet zasilający. Musi on zabezpieczyć wszystkie elementy w dostateczną do ich działania energię. W większości rozwiązań małych bezzałogowych statków powietrznych stosowany jest pakiet złożony z trzech lub czterech
cel litowo-polimerowych akumulatorów o napięciu nominalnym 11,1/14,8V. Przy doborze pakietu akumulatorów należy zwrócić szczególną uwagę na ich pojemność, masę, maksymalny
dopuszczalny ciągły prąd rozładowania, tj. cechy zapewniające wykonywanie zadań podczas
lotu.
kolejnym podzespołem wchodzącym w skład napędu są regulatory prądowe. Zadaniem regulatorów jest zamiana sygnału sterującego przychodzącego od jednostki pomiarowo-sterującej na odpowiednią wartość i częstotliwość napięcia zapewniającego pracę silnika na zadanej
ustalonej prędkości obrotowej. Regulator należy dobierać indywidualnie w zależności od ro-
ZESPOły NaPĘDOWE BEZZałOgOWyCh STaTkóW POWIETRZNyCh
187
dzaju użytego silnika. głównymi parametrami charakterystycznymi są tutaj rodzaj prądu wyjściowego, może to być prąd stały lub przemienny trójfazowy, maksymalna wartość prądu jaka
jest pobierana w układzie oraz rodzaj i napięcie pakietów z jakimi może pracować dany regulator.
Rys. 1. Wykres mocy pobieranej do ciągu wytworzonego przez zespół napędowy
z silnikiem elektrycznym
SILNIk ODRZUTOWy
Do napędu małych bezzałogowych statków powietrznych stosowane są turbinowe silniki odrzutowe o ciągu 15-30 daN i masie około 2kg. Najczęściej są to wysokoobrotowe silniki których turbina rozkręca się do 120 000 obr/min , a czasami i więcej. Ze względu na tak wysokie
prędkości obrotowe, sposób smarowania oraz temperaturę gazów wylotowych 850 – 950 k
czas pracy tego rodzaju silników jest bardzo ograniczony i wynosi około 25 – 30 h.
Rys. 2. Zależność ciągu k i eksploatacyjnego zużycia paliwa Ce od prędkości obrotowej
wirnika turbinowego silnika odrzutowego
188
RySZaRD SaBak
Na wykresie (rys. 2) przedstawiono charakterystykę ciągu k [N] oraz zużycia paliwa
Ce [l/min] w zależności od prędkości obrotowej n miniaturowego silnika odrzutowego o ciągu
maksymalnym 160N.
Jedną z głównych różnic w budowie małych turbinowych silników odrzutowych w porównaniu z silnikami stosowanymi w „dużym” lotnictwie cywilnym i wojskowym jest brak napędu
agregatów. Silnik taki w czasie swojej pracy potrzebuje cały czas zewnętrznego źródła zasilania energetycznego w paliwo w celu sterowania parametrami jego pracy oraz do napędu pompy
paliwowej. Z tego względu oprócz ograniczenia wielkości zbiornika paliwa na małych BSP występuje także ograniczenie w pojemności akumulatorów pokładowych które służą również do
zasilania innych elementów płatowca: sterowania, obserwacji, łączności.
PODSUMOWaNIE
Dobór zespołu napędowego do małych Bezzałogowych Statków Powietrznych uwarunkowany jest wieloma parametrami. Jednym z najważniejszych jest długotrwałość lotu oraz dopuszczalna masa całego zespołu napędowego razem ze źródłami energii elktrycznej oraz
paliwem. Dlatego też doboru poszczególnych elementów zespołu napędowego należy dokonywać indywidualnie dopasowywując elementy składowe do siebie oraz całeego statku powietrznego.
BIBLIOgRafIa
[1] Cichosz E., kordziński W., łyżwiński M, Szczeciński S.: Napędy lotnicze. Charakterystyka
i zastosowanie napędów. Wkił, Warszawa 1980
[2] Staszek J.: aerodynamika modeli latających. Wkił, Warszawa 1983
[3] Sprawozdania i opracowania z badań przeprowadzonych w ITWL