Время, которое беспилотник может провести в воздухе, весьма ограничено, если речь идет о мультироторных коптерах с электродвигателями. Все, кого не устраивает время работы беспилотника менее 25 минут, задумываются над тем, как можно было бы продлить время работы с БЛА. 

Первые три решения, которые приходят на ум - организовать быструю замену разряженных Li-Pol батарей в полевых условиях, применять БЛА, получающие питание от бортовой солнечной батареи или подавать питание на БЛА по-проводам. Не будем сейчас уделять время разбору плюсов и минусов каждого из этих решений. 

Еще одно перспективное направление - использование вместо Li-Pol батареи топливных элекментов. Этим направлением с каждым годом интересуется все больше производителей и пользователей БЛА в США, Европе и Китае. 

Водородный топливный элемент MMC

Решения на базе топливных элементов выпускают, например, компания Protonex, США и китайская MMC. Обе компании - это частные бизнесы, которые немало сделали для разработки и коммерциализации топливных элементов для использования в БЛА с целью продления времени их беспосадочного полета. 

Решение Protonex основано на использовании PEM-технологии (использование протон-проводящей полимерной мембраны) для небольших БЛА весом менее 9 кг. Для таких БЛА компания предлагает топливные элементы, работающие в температурном диапазоне 60-80 градусов Цельсия. Эти топливные элементы сравнительно быстро запускаются в работу, выдавая до 350 Вт мощности. Водород хранится в специальном химическом картридже и освобождается по мере необходимости, для реакции используется также кислород из окружающего воздушного пространства. Топливная ячейка гибридизирована небольшой аккумуляторной батареей, которая помогает поднять мощность при взлете и при наборе высоты. Этот топливный элемент выдает в 2-3 раза больше энергии, чем LiPol аккумулятор. 

Гибридная энергоустановка Protonex 550 Watt FC

Для приложений, которые более грузоподъемны и не боятся высоких температур, Protonex предлагает PEM-элементы, работающие на сжатом водороде. Такие элементы выдают до 1.4 кВт мощности. При грамотной интеграции с беспилотной платформы самолетного типа ("фиксированное крыло"), удается достигать выигрыша вплоть до 5-кратного по-сравнению с LiPol батареей. Такие данные были получены в экспериментах ВМС США с БЛА Ion Tiger. Эту технологию недавно доступную только военным, уже начинают понемногу использовать и в коммерческих проектах. 

Компания MMC также использует водород в качестве основного компонента топлива в своих топливных элементах. MMС сейчас выпускает топливные элементы двух типов - HyDrone 1800 и HyDrone 1550, способные выдавать необходимую мощность 4.5 часа и 2.5 часа, соответственно. 

Топливный элемент MMC

Элементы MMC годятся не только для дронов самолетного типа, но и для мультироторов с достаточной нагрузочной способностью, например, таких как DJI M600, DJI M600 Pro и т.п.

Основное преимущество топливного элемента - его способность производить электрическую энергию там и тогда, когда и где она потребовалась. Учитывая, что один из компонентов химической реакции - это кислород из окружающего воздуха, плотность энергии в топливном элементе выше, чем в аккумуляторной батарее. 

Баллон с водородом, использующийся топливными элементами MMC

Например, топливный элемент MMC HPS-1800 весит 9.2 кг и выдает мощность до 1800 Вт. Потенциал топливного баллона с водородом - 4500 Вт*ч, т.е. плотность энергии составляет порядка 490 Вт*ч/кг, что примерно вдвое выше, чем у LiPo батареи сравнимого веса. 

Когда заходит разговор о топливных элементах, некоторые предлагают сравнивать их не с аккумуляторными батареями, а с ДВС с топливным баком. Производители топливных элементов уверены, что их изделия намного надежнее ДВС. В качестве доказательства она они отмечают, что в ТЭ нет движущихся частей, они не требуют смазки и замены частей. 

Поклонники электрических аккумуляторов ссылаются на то, что технология постоянно совершенствуется и вскоре могут появиться аккумуляторы сравнимой энергоемкости с топливными элементами. Если посмотреть на эволюцию LiPo аккумуляторов, то за последние 10 лет они действительно улучшались в плане энергоемкости со средней скоростью порядка 7% в год. Похоже, что революции здесь ждать не стоит, хотя на постепенную эволюцию рассчитывать можно. 

Существенной проблемой некоторых топливных элементов остается то, что они выделяют массу тепловой энергии, чуть не столько же, сколько и электрической, разогреваясь в некоторых случаях до 1000 C. Избавиться от этого тепла сложно, учитывая, что БЛА как правило делаются и легких материалов, включая пластик. Кроме того, использование топливных элементов может мешать работе бортовых ИК-сенсоров. Это заставляет говорить об ограниченной применимости топливных элементов на борту БЛА. 

Гексакоптер на топливном элементе MMC

Тем не менее, если разработчики топливных элементов продолжат работу над их миниатюризацией, мы наверняка увидим появление целого ряда небольших БЛА с таким источником энергии на борту в ближайшем будущем. Это особенно актуально для стран, где разрешено применение БЛА за пределами "прямой видимости". 

+ 

В России также интересуются темой водород-воздушных топливных элементов и выпускают соответствующие энергетические системы, например, AT Energy. Есть и ряд беспилотников, рассчитанных на работу с такими энергетическими системами, например, ижмашевский Тахион, Инспектор-402 (Аэрокон) или НЕЛК-В8. 

+ +