Napęd elektrostatyczny umożliwia całodniowy lot drona solarnego
Uniwersytet BeihangTen niezwykły miniaturowy wiropłat jest tak lekki i wydajny, że jest w stanie unieść ciężar równy własnej masie przy użyciu jedynie światła słonecznego. Całość waży mniej więcej tyle, co cztery spinacze do papieru i może latać przez cały dzień, jeśli świeci słońce.
Naukowcy z chińskiego Uniwersytetu Beihang i Centrum Zaawansowanych Silników Lotniczych zaprezentowali CouloumbFly, miniaturowy wiropłat wielkości dłoni, który waży zaledwie 4,21 g - a mimo to ma wirnik o średnicy 20 cm, co czyni go około 600 razy lżejszym niż jakikolwiek inny porównywalny mały dron zasilany energią słoneczną.
W testach na uwięzi w warunkach naturalnego nasłonecznienia, CouloumbFly wzbił się w powietrze w ciągu sekundy i wytrzymał godzinę lotu bez spadku mocy, zanim mechaniczna awaria sprowadziła go z powrotem na ziemię. Nie byłoby to nic wielkiego, gdyby był to dron ze skrzydłami zdolnymi do szybowania - ale jest to miniaturowy helikopter, który jest w pełni odpowiedzialny za generowanie własnego udźwigu, a zarządzanie nim wyłącznie za pomocą energii słonecznej jest niezwykłym wyczynem.
Kluczem do niezwykłej wytrzymałości VTOL jest układ napędowy: niezwykle lekki, okrojony silnik elektryczny o wadze zaledwie 1,52 g, który napędza górny wirnik o wadze 0,44 g. W rzeczywistości te wyglądające na pokryte folią wypustki wiszące na zewnątrz płatowca są dodatnimi i ujemnymi płytami stojana silnika elektrostatycznego, a wirnik to przypominająca ogrodzenie seria 64 cieńszych pionowych wypustek za płytami stojana.
– Kiedy łopatka wirnika styka się ze szczotką płytki elektrody, powstaje kondensator między wirnikiem a następną płytką elektrody, który głównie określa ilość ładunku, jaki łopatka wirnika może przenieść za każdym razem – wyjaśniają naukowcy. – Naładowana łopatka wirnika jest poddawana działaniu siły elektrostatycznej w polu elektrycznym i porusza się w kierunku następnej płytki elektrody. Gdy łopatka wirnika przechodzi przez kolejną płytkę elektrody, następuje wymiana ładunku, a polaryzacja łopatki wirnika i kierunek pola elektrostatycznego zmieniają się jednocześnie, co zapewnia, że moment napędowy na całym wirniku pozostaje stały dla ciągłego obrotu silnika elektrostatycznego.
Tego rodzaju silniki elektrostatyczne, które wykorzystują pola elektrostatyczne zamiast pól magnetycznych do ruchu, są częściej wykorzystywane jako czujniki w systemach mikroelektromechanicznych (MEMS). Są one jednak idealne w tym zastosowaniu, ponieważ eliminują cały ciężar magnetycznych cewek i wirników.
Poza górnym wirnikiem i silnikiem elektrostatycznym nie ma tu wiele więcej. W podstawie drona znajdują się dwa cienkie panele słoneczne, z których każdy ma może półtora cala (4 cm) kwadratowego. Generują one około 4,5 V w świetle słonecznym, które jest podawane przez 12-stopniowy mnożnik napięcia i transformator - który można zobaczyć równoważąc panele słoneczne - aby zwiększyć to 4,5 V do 9000 V, które jest następnie wysyłane do paneli stojana. Reszta to w zasadzie tylko cienkie jak wykałaczka pręty ramy i wał, na którym osadzony jest górny wirnik.
MOŻE ZAINTERESUJE CIĘ TAKŻE
– W ramach eksperymentu przeprowadziliśmy test wytrzymałości pojazdu przez godzinę, a pojazd pozostawał w ciągłym locie przez cały czas trwania testu – powiedzieli naukowcy. – Późniejsze wyniki eksperymentów pokazują, że silnik elektrostatyczny może nadal działać normalnie, a jego wydajność pozostaje stabilna po godzinie ciągłej pracy. Eksperyment ten dowodzi doskonałej stabilności i trwałości silników elektrostatycznych, zapewniając podstawę dla przyszłego rozwoju MAV o dużej wytrzymałości.
Choć samolot ten wciąż znajduje się na wczesnym etapie rozwoju, ostatecznie może być wykorzystywany do różnego rodzaju ciągłego nadzoru, komunikacji i operacji poszukiwawczo-ratowniczych.
Należy jednak pamiętać, że będzie on wymagał pewnych ulepszeń - między innymi pewnego rodzaju systemu kontroli lotu. Naukowcy mają teraz nadzieję zwiększyć ładowność małego drona, aby można go było wyposażyć w małe czujniki i kontrolery (obecnie może on pomieścić tylko około 1,59 g dodatkowego ładunku). Co więcej, drony byłyby zasadniczo tak małe, że trudno byłoby je zobaczyć lub śledzić za pomocą obecnej technologii.
Naukowcy przyznają jednak, że jest jeszcze wiele do zrobienia, ponieważ technologia ta napotyka ograniczenia związane z dostępnością światła słonecznego i wilgotnością.
– W przyszłości pojazd może być zasilany kombinacją akumulatorów i ogniw słonecznych, potencjalnie umożliwiając całodobowe operacje lotnicze – zauważają inżynierowie. – Rozwiązanie to może również zwiększyć zdolność pojazdu do adaptacji do warunków środowiskowych, umożliwiając mu utrzymanie lotu w warunkach słabego oświetlenia lub nawet jego braku.
Źródło: Beihang University via Tech Xplore
