درس تعليمي بالفيديو - تحسين وقت طيران الطائرة المسيّرة
الهدف من هذا التقرير هو عرض عملية بسيطة لإطالة وقت طيران طائرتك متعددة المراوح. تنطبق العديد من المفاهيم المعروضة هنا أيضًا على المركبات ذات الأجنحة الثابتة. ويمكن أيضًا استخدام المفاهيم المطبقة هنا لزيادة قدرة طائرتك المسيّرة على الرفع.
جدول المحتويات
- المقدمة والافتراضات
- كيف تطير الطائرة المسيّرة؟
- معادلة الكفاءة
- العثور على المروحة الأكثر كفاءة للطائرة المسيّرة
- العثور على المحرك الأكثر كفاءة للطائرة المسيّرة
- اختيار وحدة التحكم الإلكترونية بالسرعة (ESC)
- حساب وقت طيران الطائرة المسيّرة (باستخدام الحاسبة)
ملاحظة: سنستخدم جهاز اختبار قوة الدفع من سيريز 1585 لجمع بيانات المحرك والمروحة لهذا المقال.
1. المقدمة والافتراضات
عملية التحسين هي حلقة، لذا نحتاج إلى البدء بوضع بعض الافتراضات. أولًا، لنفترض أن الطائرة المسيّرة تطير بالفعل، وبالتالي لديك تصميم موجود تعرف وزنه وحجم بطاريته. بالإضافة إلى ذلك، سنقوم بتحسين طائرة متعددة المراوح تستخدم معظم وقتها في التحليق الثابت (طائرتنا ليست طائرة سباق ولا طائرة للمسابقات).
مزيد من القراءة: حسابات وتصميم الطائرة المسيّرة
الشكل 1: طائرة Otus رباعية المراوح
لتوضيح العملية بشكل أفضل، سنستخدم طائرة Otus رباعية المراوح كمثال، على الرغم من أن هذه الطريقة قابلة للتطبيق على أي مركبة جوية غير مأهولة.
النسخة الأولى غير المحسّنة من طائرتنا رباعية المراوح تحتوي على:
- 4 مراوح: Gemfan 5040
- 4 محركات: محركات Hypetrain 2207-2450Kv
- 4 وحدات ESC: وحدة Afro 20A Race Spec Mini ESC مع BEC
- بطارية واحدة: حزمة Lipo Turnigy nano-tech 1300mAh 4S 45~90C
- الهيكل والحمولة
مع هذا التصميم الحالي، يبلغ وقت طيراننا ≈ 4 دقائق.
2. كيف تطير الطائرة المسيّرة؟
الخطوة الأولى هي فهم كيف يمكن للطائرة المسيّرة أن تطير وتقلع. لكي ترتفع الطائرة المسيّرة، يجب أن تتغلب على وزنها ومقاومتها. وزن الطائرة المسيّرة هو حاصل ضرب كتلتها في الجاذبية، والمقاومة هي القوة التي تقاوم حركة الطائرة المسيّرة عبر الهواء، والتي تعتمد على المساحة المرجعية وكثافة الهواء وسرعة التدفق.
يولّد دوران المراوح قوة دفع ويسمح للطائرة المسيّرة بالارتفاع والحفاظ على الطيران. عند التحليق الثابت، يمكننا افتراض أن قوة الدفع الإجمالية للمراوح تساوي الوزن الإجمالي للطائرة المسيّرة.
من هذا الافتراض ومع وزن الطائرة المسيّرة، يمكننا استنتاج قوة الدفع المطلوبة من كل مروحة للحفاظ على التحليق الثابت. هنا، تزن طائرتنا 777 غ، لذا نحتاج إلى قوة دفع إجمالية تبلغ 7.6 نيوتن للتحليق الثابت أو 1.9 نيوتن لكل مروحة.
الشكل 2: وزن الطائرة المسيّرة ومتطلبات قوة دفع التحليق الثابت
للحفاظ على سلطة تحكم جيدة، يجب أن تكون أقصى قوة دفع يمكن للمروحة تحقيقها حوالي ضعف قوة دفع التحليق الثابت. ضع في اعتبارك أن هذا مجرد توصية. ستمتلك طائرات السباق رباعية المراوح نسبة أقصى قوة دفع إلى وزن أعلى بكثير.
نحن نبحث عن المروحة الأكثر كفاءة التي تولّد 1.9 نيوتن من قوة الدفع والتي يبلغ حجمها الأقصى 6 بوصات، ويمكنها تحقيق 3.8 نيوتن من أقصى قوة دفع.
يمكننا تغيير المعلمات مثل الخطوة والحجم والملف الشخصي والمادة والعلامة التجارية للعثور على نظام الدفع الأكثر كفاءة لدينا.
3. معادلة الكفاءة
الكفاءة هي نسبة الناتج مقسوماً على المدخلات. هنا، تحوّل المراوح الطاقة الميكانيكية إلى قوة دفع.
4. العثور على المروحة الأكثر كفاءة للطائرة المسيّرة
أولًا، قم باختيار أولي للمروحة بناءً على بيانات الشركة المصنّعة. لسوء الحظ، اختبار المراوح ليس موحّدًا ولا يمكنك مقارنة البيانات المقدمة من الشركات المصنّعة المختلفة. غالبًا ما تقدم الشركات المصنّعة الحد الأدنى من المواصفات الفنية، لذا يقع على عاتق المشتري أن يكون لديه بعض المعرفة حول الأداء المتوقع قبل الشراء.
لقد قمنا بتجميع قاعدة بيانات لبيانات محرك الطائرة المسيّرة والمروحة ووحدة ESC التي يمكن أن تساعدك في تقييم المراوح قبل الشراء.
مزيد من القراءة: كيفية استخدام قاعدة بياناتنا لمحركات ومراوح ووحدات ESC الطائرة المسيّرة
يمكنك أيضًا استخدام جهاز اختبار قوة الدفع RCbenchmark سيريز 1585 لاختبار جميع مراوحك بنفس المحرك وتسجيل قوة الدفع وعزم الدوران والجهد والتيار وسرعة دوران المحرك والاهتزاز. اختياريًا، يمكنك استخدام ميزة تحميل قاعدة البيانات في التطبيق التي ستقودك عبر عملية الاختبار باستخدام نص برمجي للاختبار.
نريد قياس قوة الدفع وعزم الدوران وسرعة الدوران. بيانات المروحة مستقلة عن بيانات المحرك عندما تعتمد على عزم الدوران والسرعة. قوة دفع مروحة معينة تعتمد فقط على سرعة المروحة وسرعة الهواء الداخل، وليس على المحرك الذي يغذي المروحة.
بغض النظر عن المحرك الذي تختاره، ستكون قوة الدفع المتولدة هي نفسها عند سرعة دوران معينة. هذه الخاصية مفيدة للتحقق من أن اختباراتك قد أجريت بشكل صحيح. يجب أن تكون نقاط البيانات على رسم بياني لقوة الدفع مقابل سرعة الدوران لمروحة واحدة تم اختبارها بمحركات متعددة قريبة جدًا من نفس الخط كما في الصورة أدناه.
عندما تحدد عزم الدوران والسرعة المطلوبة للمروحة الأكثر كفاءة عند التحليق الثابت، يمكنك إجراء بحث عن المحرك الأكثر كفاءة عند عزم الدوران والسرعة هذا. ولكن أولًا نحتاج إلى العثور على مروحتنا.
لنركز على 3 مراوح فقط للحفاظ على البساطة. سنختبرها باستخدام جهاز اختبار قوة الدفع سيريز 1585.
- 6030R Gemfan => القطر: 6 بوصات، الخطوة: 3 بوصات، الوزن 2.22 غ
- 6040R King Kong => القطر: 6 بوصات، الخطوة: 4 بوصات، الوزن 3.38 غ
- 5040R Gemfan => القطر: 5 بوصات، الخطوة: 4 بوصات، الوزن 3.00 غ
يمكن إجراء الاختبار يدويًا أو باستخدام نص برمجي. لقد أجرينا الاختبار باستخدام نص برمجي وقارنا النتائج بتلك الموجودة في قاعدة بيانات الدفع الخاصة بنا للطائرة المسيّرة. إليك مقارنة للكفاءة الميكانيكية للمروحة (N/W) كدالة لقوة الدفع (N).
كما هو موضح في الرسم البياني، عند 1.9 نيوتن، المروحة الأكثر كفاءة هي Gemfan 6030 عند 0.077 نيوتن/واط. يمكننا استبعاد المروحتين الأخريين لأنهما أقل كفاءة.
عند قوة دفع تبلغ 1.9 نيوتن، تعمل Gemfan 6030 عند 1300 راديان/ثانية، حيث تولّد أيضًا 0.0184 نيوتن متر من عزم الدوران (الشكل 6).
5. العثور على المحرك الأكثر كفاءة لطائرتك ومروحتك
الآن بعد أن وجدنا مروحة، خطوتنا التالية هي البحث عن المحرك الأكثر كفاءة عند نقطة التشغيل 0.0184 نيوتن متر و1300 راديان/ثانية. سنقصر بحثنا على محركين مختلفين لغرض هذا الدرس التعليمي، ولكن في الواقع، هناك العديد من المرشحين الآخرين للاختيار من بينهم.
يوضح الرسم البياني في الشكل 8 الكفاءة الميكانيكية للمحركات المختبرة عند تجهيزها بمروحة Gemfan 6030. عند قوة دفع تبلغ 1.9 نيوتن، تبلغ كفاءة Multistar 68% بينما تبلغ كفاءة EMAX 60%. لذلك، نستنتج أنه بالنسبة لهذه المروحة المحددة عند التحليق الثابت، فإن المحرك الأكثر كفاءة هو Multistar Elite 2306.
سمح لنا الرسم البياني أعلاه بملاحظة فرق الكفاءة لخطوط عزم الدوران والسرعة لمحركين. لم نحدد أن Multistar محرك أفضل بشكل عام، بل فقط أنه يؤدي بشكل أفضل لهذه المروحة المحددة. قد يكون محرك Emax أكثر كفاءة من Multistar مع مروحة أخرى.
شيء آخر يجب علينا التحقق منه هو أن هذا المحرك قادر أيضًا على توليد أقصى قوة دفع للمروحة لسلطة تحكم كافية. ذكرنا سابقًا أننا نبحث عن المروحة الأكثر كفاءة عند قوة دفع تبلغ 1.9 نيوتن والتي يمكنها أيضًا تحقيق 3.8 نيوتن من أقصى قوة دفع.
نؤكد بيانيًا أن هذا المحرك قادر على توليد قوة الدفع القصوى البالغة 3.8 نيوتن التي نحتاجها. عند 3.8 نيوتن، المحرك قادر على توليد 0.035 نيوتن متر من عزم الدوران عند 1783 راديان/ثانية.
6. اختر وحدة ESC
بمجرد اختيار المحرك والمراوح، يمكننا اختيار وحدة ESC مناسبة. في الوقت الحالي، نختار فقط وحدة ESC قادرة على توفير تيار الذروة للمحرك البالغ 7 أمبير مع عامل أمان. سنختار وحدة Afro Race Spec Mini ESC التي تدعم 20 أمبير. هناك بعض التحسينات التي يمكن إجراؤها على وحدة ESC، ولكن هذا خارج نطاق هذا المقال.
7. حساب وقت طيران الطائرة المسيّرة
أخيرًا، يمكننا استخدام المعلومات التي جمعناها لتحديد وقت طيراننا:
يمكن التعبير عن سعة البطارية (Ebattery بالواط ساعة) على أنها وقت الطيران (FT) بالساعات، مضروبًا في الطاقة المتولدة (Power بالواط).
سعة البطارية (Ebattery) تساوي وزن البطارية (Wbattery بالغرام) مضروبًا في كثافة الطاقة (sigmabattery بالواط ساعة/غ).
إجمالي الطاقة (Power بالواط) يساوي وزن الطائرة المسيّرة (Wdrone (g) = Wframe (g) + Wbattery (g)) مقسومًا على كفاءة المراوح (propefficiency بالغرام/واط).
كفاءة المروحة هي دالة في إجمالي وزن الطائرة المسيّرة مقسومًا على عدد المراوح في طائرتك.
لذلك من خلال الجمع بين المعادلات، نحصل على وقت الطيران [eq1]:
زيادة وزن البطارية تزيد من حد القسمة في المعادلة أعلاه وتقلل من كفاءة المروحة. بهذه الطريقة، يمكن للبطارية أن تؤثر على وقت الطيران في كلا الاتجاهين. البطاريات الأكبر لها سعة أعلى، مما يمكن أن يزيد وقت الطيران، ولكنها أيضًا ذات وزن أعلى، مما يزيد قوة الدفع المطلوبة للتشغيل، وبالتالي يقلل وقت الطيران. يوضح الشكل 11 مثالًا على كيفية العثور على "النقطة المثالية" عند الموازنة بين سعة البطارية ووزنها.
تم تنفيذ هذه المعادلات في جدول البيانات هنا:
استخدم جدول بيانات Google الخاص بنا لحساب وقت طيران الطائرة المسيّرة بسهولة.
هناك بعض الافتراضات التي يجب عليك إضافتها عند استخدام جدول بيانات Google، مثل وزن سعة بطاريتك. أيضًا، اكتب الوزن الإجمالي لطائرتك الرباعية (بدون البطارية) وعدد المراوح. الآن لديك كل ما تحتاج إليه لحساب وقت الطيران!
مزيد من القراءة: بناء الطائرة المسيّرة وتحسينها (كتاب إلكتروني)
يمكنك ملاحظة تأثير تغيير سعة البطارية على وقت الطيران. كما ترى، فإن زيادة البطارية إلى 33.3 مللي أمبير ساعة يزيد وقت الطيران لبضع دقائق، ولكنه يقلل سلطة التحكم لأن نسبة الوزن إلى قوة الدفع تنخفض. إظهار حجم أكبر يظهر فوائد قليلة جدًا من حيث وقت الطيران، ولكنه يزيد الضوضاء ويقلل سلطة التحكم.
الخلاصة
في هذا المقال غطينا كيفية اختيار مروحة، ومحرك، ووحدة ESC، وبطارية لطائرتنا المسيّرة، ونظرنا في كيفية مقارنة الكفاءات، وتحليل البيانات، وحساب وقت الطيران.
يمكن أن تغير جميع هذه التعديلات الوزن الإجمالي لطائرتك المسيّرة، خاصة إذا اخترت بطارية أخرى. قد تحتاج إلى إعادة التحليل إذا قمت بتغيير وزن الطائرة المسيّرة بشكل كبير.
كما ذكرنا في بداية المقال، فإن عملية بناء الطائرة المسيّرة هي حلقة تتكرر مع تعلمنا عن مكوناتها وأدائها من خلال الاختبار. نضع افتراضات، ونختار القطع بناءً عليها، ونختبر النظام، ونستبدل القطع، ونكرر العملية.
بغض النظر عن الأداة المستخدمة لجمع البيانات، نوصي بشدة بقياس عزم الدوران أثناء اختباراتك. سيتيح لك ذلك تحليل بيانات المحرك والمروحة بشكل مستقل وقياس الكفاءة. لقد صممنا أدوات متعددة لتسهيل جمع البيانات وتحليلها وجعله أكثر دقة.
من شأن إمكانية الاختبار التلقائي في سيريز 1585 بالاشتراك مع قاعدة بياناتنا لبيانات دفع الطائرات المسيّرة أن تتيح لك اختيار أفضل محرك ومروحة ومنظم سرعة إلكتروني (ESC) في غضون بضع ساعات من الاختبار. يمكن أن تؤدي الاختبارات إلى زيادة وقت الطيران، وقدرة الرفع، وتقليل الحرارة الناتجة عن النظام، مما يزيد من عمر مكوناتك.
إذا كنت ترغب في التعمق أكثر في موضوع نظرية المحركات لتحسين أداء محركك بالكامل، فقم بمشاهدة الفيديو “كيفية زيادة وقت طيران طائرتك المسيّرة إلى أقصى حد” على قناة YouTube الخاصة بنا. في هذا الفيديو، نأخذك عبر الخطوات التي اتخذناها لبناء طائرة Otus الرباعية، وكيف زدنا وقت طيرانها من 4 إلى 8 دقائق، وحتى 13 دقيقة!
لمزيد من القراءة حول عملية التحسين هذه، اطّلع على الجزء الثاني من هذا المقال - حسابات وافتراضات حلقة تصميم الطائرة المسيّرة