بواسطة لورين ناجيل
تُعد أجهزة WindShapers أحدث التقنيات في اختبار الديناميكا الهوائية للطائرات المسيّرة، ولكن ما هي بالضبط؟ تُعد مصطلحات «نفق هوائي مفتوح»، و«مولّد رياح»، و«مكوّن تدفق رياح ثلاثي الأبعاد» جميعها دقيقة، لكنها لا تعبّر تمامًا عما يمكن لـ WindShaper القيام به.
في هذا المقال، سنشرح ما هو WindShaper، وكيف يعمل، وكيف يُعد تحسينًا مقارنة بتقنيات اختبار الطائرات المسيّرة الأخرى. إليك نظرة عامة:
جدول المحتويات
- ما هو WindShaper (المفهوم والهيكل)
- كيفية التحكم في WindShaper
- ما أنواع أشكال الرياح التي يمكنني إنتاجها؟
- المزايا والعيوب
- الأنظمة المتوافقة (اختبار الدفع، وآلية الإمالة، إلخ)
الشكل 1: طائرة مسيّرة ذات جناح ثابت تحلق أمام WindShaper من نوع 12 × 8 وحدة
1. ما هو WindShaper
المكوّن الأساسي لـ WindShaper هو جداره الرئيسي من المراوح الذي ينتج أنماطًا للرياح لاختبار الطائرات المسيّرة في ظروف مختلفة. وتشمل أنواع الاختبارات الممكنة اختبارات مقاومة الرياح، واختبارات الطيران الحر، وغيرها الكثير.
تتميز أجهزة WindShaper بتصميم معياري للغاية، إذ تتكوّن من وحدات أساسية تُسمى «وحدات الرياح»، والتي يمكن تكديسها ودمجها بأي طريقة. ويُحدد حجم WindShaper بعدد الوحدات التي يحتوي عليها؛ فعلى سبيل المثال، يكون WindShaper مقاس 6 × 3 بعرض 6 وحدات وارتفاع 3 وحدات.
تبلغ أبعاد كل وحدة رياح حوالي 25 × 25 سم، وتحتوي على 9 بكسلات رياح منفردة. ويتم التحكم في كل بكسل رياح بشكل مستقل، ويحتوي على مروحتين. يمكن للمراوح أن تنتج سرعة رياح تصل إلى 16 م/ث (36 ميلًا في الساعة)، أو حتى 45 م/ث (100 ميل في الساعة) مع استخدام مجمّع، وذلك حسب حجم WindShaper.
الشكل 2: WindShaper مقاس 2 × 2 مع وحدة رياح وبكسل رياح موضحان بالتسميات
يمكن برمجة كل مروحة بشكل مستقل من حيث السرعة والتوقيت، مما يتيح للمستخدم إنشاء أنماط رياح ثلاثية الأبعاد. وسنناقش هذا بمزيد من التفصيل في القسم 3.
بالإضافة إلى الجدار الرئيسي من المراوح (1)، يمكن للمستخدمين إضافة جدران جانبية (2) لإنشاء رياح عرضية، ومحاكاة الزوايا، وتنويع إمكانيات الاختبار. وتشمل المكونات الرئيسية الأخرى صناديق توزيع الطاقة (3) والكمبيوتر المدمج (4)، والتي تظهر جميعها في الشكل 3 أدناه.
الشكل 3: هيكل WindShaper
من المرجح أنك لاحظت أن أجهزة WindShaper هذه تأتي بجميع الأشكال والأحجام - فبعضها يمكن أن يناسب مكتبك، بينما يتطلب البعض الآخر مساحة مختبر خاصة به.
2. كيفية التحكم في WindShaper
يتم التحكم في WindShaper باستخدام برنامج WindControl، وتظهر واجهة المستخدم الرسومية الخاصة به أدناه (الشكل 4). يشير مفتاح PWM في أقصى اليمين إلى الطاقة المزوّدة، ويمثل كل مربع أزرق فاتح بكسل رياح واحد (وحدة مروحة). تتكوّن المراوح المستخدمة في الجهاز من طبقتين من الدوارات التي تدور في اتجاهين متعاكسين، وتُسمى طبقات المراوح. بشكل افتراضي، يتم ضبط كلتا الطبقتين على نفس السرعة أو قيمة PWM. ويحقق هذا أفضل أداء وأقل مستوى من الدوران، ولكن إذا رغبت، يمكن التحكم في طبقات المراوح بشكل مستقل.
في WindShaper هذا تحديدًا، يوجد جدار رئيسي بعرض 12 وحدة وارتفاع 8 وحدات، بالإضافة إلى جدارين جانبيين بعرض 2 وحدة وارتفاع 8 وحدات، مما يمنحك إجمالي 1008 بكسل رياح، أو 2016 مروحة يمكن التحكم فيها بشكل مستقل. يمكن التحكم في الجدران الثلاثة في وقت واحد باستخدام التحكم اليدوي أو واجهة برمجة تطبيقات Python المتقدمة.
الشكل 4: واجهة برنامج WindControl
التحكم اليدوي في الجدار بسيط مثل إدخال قيم السرعة للبكسلات الفردية (أو مجموعات البكسلات)، والتي يتم تفعيلها على الفور. عندما يكون المستخدم جاهزًا لتغيير الطاقة لمجموعة من البكسلات، فإنه ببساطة يحدد تلك البكسلات ويدخل قيمة جديدة، مما يوفر تحكمًا ديناميكيًا في WindShaper. يمكنك أيضًا إدخال دالة رياضية لجعل الجهاز يعيد إنتاج أي نمط رياح ثابت أو متغير مع الزمن.
يتم أيضًا توفير واجهة برمجة تطبيقات Python مع الجهاز، مما يتيح للمستخدم برمجة اختبارات مؤتمتة. يتم تصميم تدفق الرياح مسبقًا ويعمل بشكل مستقل دون تدخل. وهذا يتيح للمستخدم التركيز على التحكم في الطائرة / الجناح الهوائي أو مراقبة الاختبار. تتيح واجهة برمجة تطبيقات Python أيضًا للمستخدمين إنشاء تدفق أكثر تعقيدًا، وربط WindShaper مباشرة بأنظمة أخرى (طائرة مسيّرة، وكاميرات تتبع، ومجسّات متصلة، إلخ)
بمجرد اكتمال الاختبارات، يمكن إخراج البيانات من كل وحدة رياح إلى مجلد مضغوط على الكمبيوتر الرئيسي يحتوي على معلومات مؤرخة بالوقت حول أداء WindShaper وحالته.
3. ما أنواع أشكال الرياح التي يمكنني إنتاجها؟
باستخدام WindShaper، يمكنك إنشاء عدد من حالات الرياح، الثابتة والمتغيرة مع الزمن. إليك بعض الفئات الأساسية لأشكال الرياح التي يمكن استخدامها بمفردها أو بالاشتراك.
تدفق ثابت
يحاكي هذا الإعداد التدفق الثابت الذي من المرجح أن تراه في نفق هوائي تقليدي، وهو أمر رائع لتقييم الديناميكا الهوائية للطائرة المسيّرة. يتم إنشاء حالة ثابتة عن طريق ضبط سرعة تدفق WindShaper على السرعة التي ستسافر بها الطائرة المسيّرة في الهواء الساكن، بينما تحافظ الطائرة المسيّرة على موقعها فوق الأرض. في هذا السيناريو، تكون سرعة الرياح النسبية، كما تراها الطائرة المسيّرة، مكافئة للسرعة التي ستطير بها الطائرة المسيّرة. يمكن استخدام ممهّد للتدفق لتحقيق تدفق رياح بمستوى اضطراب أقل.
الشكل 5: طائرة مسيّرة تحلق في رياح ثابتة
تدفق مضطرب
التدفق المضطرب مثالي لمحاكاة الظروف التي من المرجح أن تواجهها الطائرة المسيّرة في بيئة عملها بسبب الطقس والتضاريس. على الارتفاع الذي تطير فيه الطائرات المسيّرة عادةً، من غير المرجح أن تختبر تدفقًا صفائحيًا. في إعداد الاختبار هذا، يمكن التحكم في مستوى الاضطراب عن طريق تعديل الطاقة المزوّدة لكل بكسل رياح. يمكن أن يكون مستوى الاضطراب متساويًا عبر WindShaper أو مختلفًا في كل قسم من منطقة الاختبار.
الشكل 6: طائرة مسيّرة تحلق في ظروف رياح مضطربة
تدفق القص
يصف مصطلح «تدفق القص» نمطًا للرياح تتحرك فيه طبقات السوائل المتجاورة بالتوازي ببعضها البعض بسرعات مختلفة. يمكن أن يؤدي هذا إلى عدم استقرار التدفق بالقرب من الجدران أو الغطاء النباتي أو في المناطق ذات التأثيرات الحرارية الملحوظة. يمكن محاكاة ذلك عن طريق ضبط بكسلات الرياح في مصفوفة مروحة واحدة على سرعة رياح بطيئة وضبط بكسلات الرياح في مصفوفة مروحة مجاورة على سرعة رياح أعلى. تتيح هذه التقنية أيضًا للمستخدمين إنشاء طبقة حدودية بسهولة دون الحاجة إلى استخدام مولّدات طبقة حدودية تقليدية مثل كتل الخشونة أو الأبراج التي توجد في الأنفاق الهوائية التقليدية.
الشكل 7: مجموعة من الطائرات المسيّرة تحلق في بيئة ذات قص رياح
تدفق متغير مع الزمن
مع التدفقات المتغيرة مع الزمن، يمكنك إنشاء أنماط رياح فريدة عن طريق تغيير سرعة الرياح لكل بكسل رياح بمرور الوقت. قد يبدأ بكسل رياح معين عند 2 م/ث، ويزداد إلى 10 م/ث، ثم يعود إلى 2 م/ث وهكذا. مع هذا المستوى من التحكم، يمكنك إنشاء أشكال رياح تحاكي ظروف الطيران في الحياة الواقعية، مثل مرور مركبة بجانب طائرة مسيّرة (الشكل 8).
الشكل 8: تتغير سرعة الرياح التي تختبرها الطائرة المسيّرة أثناء طيرانها خلف شاحنة
هبّة رياح
يمكن أن تكون التغييرات المفاجئة في سرعة الرياح (الهبات) صعبة على الطائرة المسيّرة للتنقل من خلالها. يمكن محاكاة الهبات بتغييرات سريعة في سرعة الرياح القادمة من بكسلات الرياح. وهذا يتيح لك دراسة إزاحة الطائرة المسيّرة أو مقاومتها للهبات، واستجابة وحدة التحكم في الطيران. إضافة جدران جانبية إضافية إلى WindShaper هي طريقة أخرى لمحاكاة الهبات والرياح العرضية.
الشكل 9: تختبر طائرة مسيّرة هبّة رياح أثناء طيرانها حول مبنى
الرياح الرأسية / تحسين مرحلة الهبوط
أثناء الهبوط، تختبر الطائرات المسيّرة رياحًا نسبية من الأسفل ناتجة عن أثرها الخاص (التدفق الهابط)، مما يؤدي إلى وضع غير مستقر. لمحاكاة هذا الوضع، يتم وضع WindShaper أفقيًا وينتج تدفق رياح مكافئ للتدفق الهابط للطائرة المسيّرة.
الشكل 10: طائرة مسيّرة تتدرب على الإقلاع والهبوط
كما ترى، هناك تنوع كبير في أشكال الرياح التي يمكنك إنتاجها باستخدام أجهزة WindShaper هذه، وهذا المقال لا يغطيها جميعًا. إذا كان لديك نوع معين من الاختبار في ذهنك، تواصل مع قسم المبيعات لدينا لمعرفة ما إذا كان ذلك ممكنًا.
4. المزايا والعيوب
هناك عدة مزايا وعيوب للعمل مع WindShaper لاختبار الطائرات المسيّرة والتحقق من صحتها. إليك بعض أهمها:
المزايا
- قابلية التحكم وتكرار الاختبارات: عند إجراء رحلة اختبارية في الهواء الطلق، يمكن أن يكون الطقس والرياح غير متوقعين، مما يجعل من الصعب الحصول على نتائج قابلة للتكرار. مع WindShaper، يمكنك برمجة ظروف الرياح الخاصة بك لإجراء نفس الاختبار مرارًا وتكرارًا.
- الراحة: WindShaper مزود بعجلات، لذا يمكن نقله ووضعه بسهولة حيثما يلزم. كما أنه لا يشغل مساحة تخزين كبيرة بفضل شكله المدمج.
- مساحة اختبار كبيرة: يعني التصميم المعياري لـ WindShaper أنه يمكنك بناء منطقة اختبار بالحجم الذي تحتاجه. وهذا يتيح لك اختبار طائرات كاملة الحجم أو حتى طائرات متعددة لاختبار الطيران التشكيل.
- تدفقات متغيرة مع الزمن: بما أن كل بكسل رياح يتم التحكم فيه بشكل مستقل، فمن الممكن إنشاء تدفقات متغيرة مع الزمن عبر مساحة الاختبار، وهو أمر غير ممكن عند استخدام مروحة واحدة في نفق هوائي تقليدي. وهذا يضيف إمكانية إعادة إنتاج تدفقات جوية معقدة تتغير في كل من الوقت والمكان.
- اختبار الطيران الحر: يوفر تصميم WindShaper مساحة كافية للطائرة المسيّرة للطيران أمامه مع البقاء ضمن تدفق الرياح المبرمج. وهذا على النقيض من معظم الأنفاق الهوائية التقليدية التي تتطلب أن تكون الطائرة المسيّرة ثابتة في النفق أو مقيدة بطريقة ما.
- إمكانيات اختبار لا محدودة: بما أن كل بكسل رياح يتم التحكم فيه بشكل مستقل، فهناك عدد لا نهائي تقريبًا من إمكانيات الاختبار، بما في ذلك التباينات في الاضطراب، والهبات، والتأثيرات الحرارية، والمزيد
- اختبار أفقي ورأسي في جهاز واحد: مع إمكانية الإمالة الإضافية لـ WindShaper، يمكن استخدامه كمصدر رياح أفقي ورأسي. ومع نفق هوائي تقليدي، سيتطلب هذا بناء منشأتين منفصلتين.
- التجانس حسب الطلب: يمكن ضبط تجانس التدفق باستخدام البرامج لضمان نمط مسطح تمامًا عبر قسم الاختبار، على عكس الأنفاق الهوائية التقليدية.
الشكل 11: اختبار طائرة رباعية المراوح باستخدام WindShaper مقاس 8 × 8
العيوب
- سرعة الرياح محدودة: تسمح جدران رياح WindShaper بسرعة رياح قصوى تبلغ 20 م/ث (45 ميلًا في الساعة)، أو حتى 58 م/ث (130 ميلًا في الساعة) مع استخدام مجمّع. وبينما هذا مناسب لاختبار معظم الطائرات المسيّرة، فإنه لا يصل إلى السرعات شبه الصوتية أو فوق الصوتية.
- مستوى الاضطراب: مقارنة بالأنفاق الهوائية من الدرجة الجوية، فإن شدة الاضطراب في WindShaper ليست منخفضة بنفس القدر (حوالي 5%). ولكن يمكن استخدام مرشّح تدفق اختياري (انظر القسم 5) لخفض مستوى الاضطراب إلى أقل من 1%.
- الضوضاء: بسبب مراوحها الصغيرة، ستنتج أجهزة WindShaper ضوضاء ذات تردد أعلى مقارنة بالأنفاق الهوائية التقليدية. ولكن بما أن هذه الضوضاء عالية التردد، فلن تنتشر بعيدًا، ويمكن إيقافها بسهولة بواسطة جدار خرساني أو زوج من سدادات الأذن (مقارنة بالأنفاق الهوائية الكبيرة الأخرى التي يمكن أن تهز مبنى بأكمله وتحتاج إلى مخمدات لتعمل بشكل صحيح).
5. الأنظمة المتوافقة
يحتوي WindShaper على عدة أنظمة تكميلية يمكن أن تعزز اختبار الطائرة المسيّرة الخاصة بك. تواصل مع فريق المبيعات لدينا للحصول على مزيد من المعلومات حول أي من هذه الإضافات:
جهاز اختبار قوة الدفع
يمكن إقران WindShapers بمنصة اختبار قياس للسماح لك بتسجيل بيانات الأداء أثناء تعرض نظام الدفع الخاص بك لظروف رياح مختلفة. تم تصميم محطة WindShaper مقاس 2 × 2 خصيصًا لهذا التطبيق، مما يتيح لك اختبار المحركات والمراوح التي تنتج دفعًا يصل إلى 5 كجم من القوة والتي يصل قطرها إلى 16 بوصة.
الشكل 12: محطة WindShaper مقاس 2 × 2
يمكنك أيضًا استخدام منصة اختبار أكبر مع WindShaper بحجم مخصص للطائرات المسيّرة الأكبر. على سبيل المثال، يأتي فلايت ستاند بحجمين لقياس 15 أو 50 كجم من الدفع لإعدادات المحرك الفردي أو المحورين.
تتيح لك جهاز اختبار قوة الدفع قياس قوة الدفع وعزم الدوران وسرعة الدوران والقدرة والكفاءة لنظامك في كل مرحلة من مراحل الطيران.
المُجمِّع
يتيح لك المُجمِّع زيادة السرعة القصوى للرياح من 16 م/ث (36 ميلًا في الساعة) إلى 45 م/ث (100 ميل في الساعة). يُثبَّت المُجمِّع في مقدمة WindShaper ويمرّر الهواء عالي السرعة عبر منطقة اختبار مغلقة. لاحظ أن هذا الجهاز سيقلّل من حجم منطقة الاختبار، اعتمادًا على حجم WindShaper. يمكن إضافة مُفرِّع بعد قسم الاختبار (كما في الشكل 14) لزيادة سرعة الرياح إلى ما يتجاوز 55 م/ث (135 ميلًا في الساعة).
مرشّح التدفق / تقليل الاضطراب
يمكن إضافة مرشّح تدفق إلى WindShaper لتقليل الاضطراب غير المرغوب فيه وضمان انخفاض شدة الاضطراب. تضمن هذه الميزة تدفقًا متساويًا للهواء، وهي خيار ممتاز لاختبارات الديناميكا الهوائية التقليدية باستخدام قياسات القوة أو الضغط، والتي يمكن أن تستفيد من نسبة إشارة إلى ضوضاء أقل.
الشكل 15: WindShaper من طراز 6 × 3 مزوّد بمرشّح لتقليل الاضطراب
آلية الإمالة
تتيح لك إضافة آلية الإمالة تدوير WindShaper بزاوية 90 درجة، بحيث يمكن أن يكون عموديًا أو أفقيًا. يُعد هذا إعدادًا ممتازًا لمحاكاة تأثيرات التيارات الحرارية وتأثير الأرض، والتدرب على الهبوط في ظروف مختلفة. فهو ليس مجرد أداة لقياس أداء طائرتك المسيَّرة، بل يتيح أيضًا لطياريكم صقل مهاراتهم.
الخلاصة
إذا كانت لديك أي أسئلة متبقية، فاترك لنا تعليقًا أدناه وسنحرص بالتأكيد على الرد عليك.
إذا كنت مهتمًا بشراء WindShaper، يمكنك طلب عرض أسعار من فريق المبيعات لدينا.