Энергия по воздуху: все способы зарядить дрон

Заряда не хватает надолго по нескольким причинам. Удельная энергоемкость современных аккумуляторов недостаточно высока для длительных полетов, а моторы дронов довольно энергозатратные. Беспилотные самолеты и летающие крылья в этом плане более эффективны, но они не могут, например, зависать в одной точке. А если на борту мультироторной системы есть полезная нагрузка, – ​например, камера, более сложное оборудование или грузы, – ​энергопотребление растет еще больше.

Контактная зарядная станция

Чтобы вновь вдохнуть в беспилотник жизнь, перезарядив его, существуют разные подходы. Можно просто поменять аккумулятор или зарядить устройство, подключив его к электрической сети через провод. Но тогда летательный аппарат придется весь день обслуживать. Это обесценивает автоматизацию: хотелось бы задать дрону миссию и ждать ее выполнения.

Впрочем, такие решения на рынке есть: например, компания SkySense разрабатывает инфраструктуру, необходимую для автоматизации работы беспилотников. Ее главный продукт – ​станция автоматической зарядки мультироторных дронов. На дрон устанавливается универсальное дополнительное оборудование. На самой платформе, в свою очередь, расположено множество контактов. Как только беспилотник приземляется на данную платформу, автоматически устанавливается контактное электрическое соединение и начинается процесс заряда бортового аккумулятора.

Контактная система Skycharge. skycharge.de

Летающие батареи

Существуют и другие решения проблемы «прерванного полета». Американская компания ImpossibleAerospace разрабатывает дроны, которые называют летающими батареями. Создатели решили: раз большую часть веса в устройстве занимает аккумулятор, то и дизайн нужно разрабатывать вокруг него. Летательные аппараты ImpossibleAerospace не просто содержат аккумулятор внутри – ​они буквально сделаны из батарей. Кроме того, компания сама разработала двигатели, снизив вес квадрокоптера насколько это возможно.

Оптимизированное таким образом устройство способно проводить в воздухе до двух часов, что значительно больше времени полета других дронов. Такие летательные аппараты уже сегодня используются пожарными и службами спасения. Но основатель компании (кстати, прежде работавший в Tesla) утверждает, что это лишь шаг к чему-то большему. Его мечта – ​создание эффективных пассажирских самолетов, работающих на электричестве.

Дрон Impossible Aerospace US-1. Фото: Impossible Aerospace, theverge.comКорпус квадрокоптера практически заполнен литий-ионными аккумуляторами. Фото: Impossible Aerospace, theverge.com

Передача энергии по воздуху

Возможна зарядка дронов и без участия человека: это делают автоматизированные системы заряда или замены аккумулятора. Можно даже заряжать устройства прямо в воздухе – ​с помощью лазера или электромагнитного поля. В первом случае система обнаружения и наведения направляет лазерный излучатель на фотоэлектрический преобразователь квадрокоптера в воздухе, тем самым заряжая аккумулятор. Питаясь лазерной энергией, дрон может проводить в воздухе больше времени, но пока КПД таких систем относительно низок – ​до 12 %. Другой минус такого подхода в том, что между лазером и аппаратом не должно быть препятствий – ​в том числе зарядке мешают туман и плохая погода. Также необходимо точно отслеживать положение дрона в воздухе, чтобы направить на него лазерный луч. А в случае попадания под пучок другого объекта необходимо мгновенно отключить лазер, ведь он может быть опасен для человека. Технологию разрабатывает российская компания «Оптоэнерготрейд».

Беспроводная передача энергии для БПЛА лазерным излучением, powerin.space

При использовании мощного электромагнитного поля для зарядки дрон должен прилететь на специальную станцию. Определенная антенна внутри летательного аппарата позволяет использовать энергию электромагнитного поля для наполнения аккумулятора электрическим зарядом. Пробыв в воздухе над станцией пять минут, дрон сможет летать еще двадцать. Такую систему разрабатывает компания GlobalEnergyTransmission, США. Недостаток станции подзарядки – ​громоздкость: для развертывания такого объекта необходимо установить десятиметровые мачты, на которые крепятся провода.

Система зарядки от GlobalEnergyTransmission. Устройство создает электромагнитное поле в воздухе, и дрон, оснащенный специальными антеннами, заряжается, пролетая зону действия энергетического облака. getcorp.com

Беспроводная зарядка

В Санкт-Петербургском государственном университете аэрокосмического приборостроения создают свою автоматизированную систему зарядки малых беспилотников. Для питания дрона будет использоваться беспроводная зарядная станция, сам же принцип передачи энергии основан на технологии магнитно-резонансной индукции. Такие системы с помощью электромагнитной индукции передают энергию на расстояние до нескольких метров. Также в этом направлении работает компания WiBotic.

Сегодня они применяются для беспроводной зарядки смартфонов и электромобилей. Когда у беспилотника мультироторного типа будет заканчиваться заряд, он сможет найти такую станцию при помощи GPS, распознать ее с помощью камеры и алгоритмов компьютерного зрения, приземлиться и наполнить заряд аккумулятора. И все это без вмешательства человека. Нужно будет лишь заранее запрограммировать полетную миссию, а затем дрон выполнит ее сам, периодически прилетая на станцию для подзарядки. В отличие от аналогов, такая система будет компактнее и надежнее. Абсолютная точность посадки не требуется: дрон может приземлиться с разбросом до десяти сантиметров. А если сделать станцию достаточно большой, можно заряжать несколько летательных аппаратов одновременно.

Такая беспроводная зарядка обладает коэффициентом полезного действия около 80 % в отличие от подхода с использованием лазерного луча, где достигается КПД около 10 %.

Благодаря бесконтактной передаче энергии у системы отсутствуют контакты, которые могут окислиться, что обеспечивает большую устойчивость к погодным условиям и износостойкость. Источником энергии для зарядной станции может служить как электрическая сеть (когда есть такая возможность), так и аккумулятор при работе в полевых условиях. Можно питать станцию и от энергии солнца, подключив к ней солнечную панель.

Автоматическая зарядная станция поможет везде, где нужны продолжительные полетные миссии: в агропромышленности, мониторинге сооружений, исследованиях местности. Потенциальные клиенты – ​нефтяные компании: дроны смогут обеспечивать постоянный мониторинг работы и неисправностей нефтевышек. Разработками лаборатории интересовалась даже медицинская компания «Инвитро», чтобы доставлять с помощью дронов лабораторные анализы. Законодательно такое, впрочем, пока внедрить непросто: в рамках города много ограничений на доступ в небо. Хотя в администрации Санкт-Петербурга такая возможность обсуждалась.

Евгений Вознесенский, сотрудник лаборатории беспилотных авиационных систем ГУАП, считает: если дроны смогут летать неограниченное время без подзарядки, это изменит наш мир, поскольку их сфера применения значительно расширится. Но это дело будущего, сегодня же проблему быстрой утомляемости дронов можно решить при помощи автоматизированных систем.