Введение: как я решил заняться разработкой силовой установки для тяжелых мультироторных БАС (взлетный вес 1–2 тонны) как к этому пришел, где я сейчас, и что вообще делать дальше.
Рынок тяжелой беспилотной логистики находится в подвешенном состоянии, в ожидании хорошего пинка: прототипы существуют, но коммерчески рентабельных флотов нет. Я, по крайней мере, не слышал про успешные массовые решения. Моя гипотеза – основная причина кроется в юнит-экономике:
Упрощенно, стоимость доставки 1 кг груза считают так: Цена доставки = (Амортизация железа + Энергия + Ремонт и обслуживание) / (Вес груза × Дальность полета).
Для тяжелых коптеров требуются моторы мощностью от 50 кВт. Они выделяют колоссальное количество тепла и требуют высокой точности при производстве. Такие моторы делают, например, YASA, EMRAX, T-Motor. Но стоимость их решений делает применение распределенной тяги (например, 8 моторов на октокоптер) коммерчески бессмысленным: летный час становится дороже найма пилотируемого вертолета.
Накидываем моторы на умозрительный коптер и считаем по приведенной формуле с допущениями:
Почему нет других решений? Во всем виновата авиационная «спираль масс»: хочешь таскать больше груза — нужно больше мощности. Для этого вкачивай больше тока. Больше тока — больше тепла. Чтобы мотор не сгорел, нужен большой радиатор или водяная рубашка. Больше охладитель — больше общая масса. И так далее по кругу. В итоге дрон таскает сам себя. Упомянутые производители решают эту проблему по-разному, но объединяет их одно: запредельная стоимость, завязанная на дорогие высокотемпературные комплектующие, сложную механику и тяжелые охладительные контуры.
Вывод звучит до банального просто: чтобы изменить положение дел, надо создать легкий и одновременно дешевый мотор. Сказано — сделано. Переходим к созданию архитектуры электродвигателя, которая совмещает малый вес с низкой себестоимостью комплектующих.
Вопросы авиационной сертификации мы пока сознательно оставим за скобками — до нее еще нужно дожить. Прямо сейчас хочу доказать, что на уровне стенда базовая физика и экономика мотора вообще могут сойтись.
Часть 1: Аксиальная архитектура и температурный предел
За основу берем модный аксиально-поточный электродвигатель. Без ферромагнитного сердечника (coreless). В его статоре нет тяжелого трансформаторного железа, он легче и, главное, мне нравится. Берем.
Для снижения CAPEX необходимо использовать массовые решения, в том числе, магниты. Однако, у массовых решений есть свои нюансы, у тех же магнитов N52 предел рабочей температуры составляет 80 C. Так как теплоемкость бессердечникового статора стремится к нулю, на мощности 50 кВт ядро перегревается за секунды. Вот тут-то и та точка, куда надо прикладывать рычаг – по завету Архимеда.
Карандашом накидал интегрированную в ядро статора матрицу активного теплосброса. Получился открытый термодинамический интерфейс, шустро утилизирующий тепловую энергию прямо из центра обмоток, вон из мотора, без тяжелых радиаторов и циркуляционных насосов. Ну и пошел тестировать – теория хороша только теоретически.
Часть 2: Методика и результаты стендовых испытаний
На полномасштабный прототип денег пока нет свободных, так что дабы не терять время, провел лабораторное моделирование термонагруженного узла статора для верификации тепловых расчетов (уровень готовности TRL-3 по пути фиксируем).
Объект испытаний и оборудование:
Имитатор обмотки: Патронный нагреватель (ТЭН) 6х20 мм (номинал 12В, 40 Вт). Малая площадь поверхности специально выбрана для реалистичной имитации плотности теплового потока будущего ядра катушки.
Термоинтерфейс: Теплосъемник собственной конструкции (не скажу, пока что, какой).
Питание: Лабораторный блок питания (ЛБП) 30V / 10A для шагового контроля подводимой электрической мощности.
Контроль: Три независимые термопары (Т1 — ядро / ТЭН, Т2 — Теплосъемник, Т3 — температура окружающей среды, тут обычный комнатный термометр кинул).
Методика (Ступенчатое нагружение):
Испытания проводились путем ступенчатого повышения силы тока на ЛБП с фиксацией установившегося теплового баланса на каждом этапе:
Результаты:
На Ступени 3 (220 Вт) система стабилизировалась, температура ядра не превысила 90°C (целевое). Удержание 46-50 C на Ступени 2 подтверждает возможность безопасной эксплуатации бюджетных материалов и комплектующих в номинальном рабочем цикле ВМГ без риска термической деградации. Мне кажется, что хороший результат, учитывая что конструкция отвода тепла простая, дешевая, надежная и даже патентно-пригодна (!).
Бонус: Эксплуатация в разреженной атмосфере
Расчет для целевых ниш (раскопки на тему возможного полезного применения) выявил не очевидный побочный эффект. Кроме обычных высот 1000-2000 метров над морем можно и нужно забираться на 5000+ метров – ВМГ позволит. И это открывает целый веер сценариев применения, кроме, собственно, логистики. Ну и по пути “отстраиваемся от конкурентов”: даже топовые электромоторы на высоте 5 км задыхаются — разреженный холодный воздух не имеет достаточной плотности для конвективного съема тепла (если только не воткнуть их в планер, где есть набегающий поток, но мы то тут тяжелый октокоптер строим!). Эффективность моей архитектуры системы охлаждения двигателя почти не зависит от плотности воздуха, поэтому на 5000 м (+) он будет чувствовать себя также хорошо, как и у моря – в теории, пока что, разумеется.
Планы
Начнем подводить предварительные итоги с экономики, куда без нее:
Итак, я подтвердил стендовую гипотезу. Следующая, то есть текущая задача — построить прототип двигателя.
План на ближайшее время:
Изготовить полноформатный образец двигателя (несколько разных, проверить гипотезы), и после разломать на тестах – фоточки выложить сюда.
Найти партнеров, чтобы образцы строить быстрее, тестировать в подходящих условиях. Ну и в команде было бы веселее, конечно.
Надеюсь, скоро напишу еще статью с продолжением тестов. Посмотрим.
Спасибо заранее за конструктивный диалог в комментариях всем, кому прочтение статьи было интересным настолько, чтобы написать комментарий при современном-то океане контента повсюду.