بقلم ميلا كانيفسكي
الاهتزاز عقبة شائعة يجب التغلب عليها عند بناء الطائرات المسيّرة. يمكن أن يتسبب الاهتزاز المفرط في مشاكل أثناء الطيران أو الاختبار.
في هذا المقال، سنستعرض طريقتين للتعامل مع مشكلة الاهتزاز في أجهزة اختبار قوة الدفع الخاصة بالطائرات المسيّرة: المحاكاة والاختبار التجريبي. الحل الذي استخدمناه لتغيير الترددات الأساسية باستخدام المخمدات مشابه لما قد تستخدمه مع الطائرة المسيّرة.
ملخص:
- خلفية
- اهتزاز جهاز اختبار قوة الدفع
- محاكاة الاهتزاز
- الاختبار التجريبي
- الاهتزاز في الطائرات المسيّرة
خلفية - تصميم منصة الاختبار
أطلقنا مؤخرًا منصة الاختبار الجديدة فلايت ستاند 15/ 50، وهي منصة اختبار دفع/مقياس قوة مصممة لاختبار الطائرات المسيّرة التي يمكنها تحمل أحمال تصل إلى 50 كجم من قوة الدفع. تتميز المنصة بهيكل أنبوبي مجوف لتوفير ديناميكيات هوائية أفضل بالإضافة إلى تحسين إدارة الكابلات، حيث تمر الكابلات داخل الأنبوب بدلًا من امتدادها على طول الجانب الخارجي.
كان التحدي الأبرز في تصميم جهاز اختبار قوة الدفع هو الحد من كمية الاهتزاز أثناء اختبار الدفع. وكما ذكرنا، فإن الشكل الأساسي للمنصة عبارة عن أنبوب عمودي يجب أن يستوعب وحدة قياس القوة (FMU) ويحمل محركًا ومروحة مثبتين في الأعلى (الشكل 1).
تُستخدم المنصة لاختبار المحركات والمراوح، والتي تسبب بطبيعتها اهتزازات قد تتلف الأداة. ولتحسين أداء المنصة وحمايتها، أجرينا سلسلة من اختبارات الاهتزاز المشابهة لتلك المستخدمة لمكونات الطائرات المسيّرة مثل أذرع الطائرات رباعية المراوح. نوضح إجراءاتنا التجريبية ونتائجها في هذا المقال.
الشكل 1: المفهوم التصميمي الأولي لمنصة اختبار الطيران.
اهتزاز جهاز اختبار قوة الدفع
يمكن تكييف جهاز اختبار قوة الدفع مع محركات ومراوح العملاء، ويصاحب ذلك تباين في معايير التصميم. أحد المعايير التي تؤثر بقوة على تردد النظام هو الكتلة الإجمالية.
توضح المعادلات أدناه كيف يؤدي ارتفاع الكتلة إلى خفض التردد الطبيعي للنظام. يمكن للمنصة قياس نطاق واسع من قوى الدفع، ولذلك سيتم استخدام كتل مختلفة من المراوح والمحركات. وبناءً على كتلة مروحة ومحرك المستخدم، سيتغير التردد الطبيعي [1]:
نظرًا للتباينات في الكتلة وحجم المروحة وقوة الدفع لأنظمة الدفع القابلة للاختبار، فإن جهاز اختبار قوة الدفع لديها القدرة على العمل ضمن نطاق واسع من الترددات.ومع ذلك، قد يقع التردد الرنيني للهيكل ضمن نطاق تشغيل المنصة.
يحدث الرنين عندما يتم تحفيز التردد الطبيعي لهيكل ما، مما يؤدي إلى سعة اهتزاز أكبر أو ما يمكن اعتباره حركة أكبر في الهياكل. ويؤدي الحفاظ على هذا التردد إلى زيادة التحفيز ويمكن أن يؤدي إلى تلف الهيكل أو فشله.
من الأمثلة الشائعة على خطر الرنين انهيار جسر تاكوما عام 1940. ورغم وجود عدة أسباب للانهيار، إلا أن الرنين كان مساهمًا رئيسيًا في تسبب التواء الجسر وتحركه بشكل لا يمكن السيطرة عليه.
محاكاة الاهتزاز
عند تصميم المنصة، لاحظنا أن التردد الطبيعي سيقع ضمن نطاق التشغيل. تتمتع جهاز اختبار قوة الدفع بالقدرة على قياس أي قيمة من 1.5 كجم من قوة الدفع إلى 50 كجم، وهو ما يتوافق مع المراوح التي يمكن تشغيلها بسرعة تتراوح من 1,000 إلى أكثر من 10,000 دورة في الدقيقة، ما يرتبط بترددات تتراوح تقريبًا بين 16 هرتز و200 هرتز.
أجرينا بعض عمليات محاكاة الاهتزاز لملاحظة رد فعل المنصة تجاه أنماط الاهتزاز المختلفة، الموضحة في الشكل 2. وتمثل أنماط الاهتزاز الحركة التي ستحدث إذا تم الحفاظ على اهتزاز معين. من المهم الامتناع عن تشغيل المنصة في هذه الأنماط لفترات طويلة لتجنب الرنين.
الشكل 2: أنماط اهتزاز جهاز اختبار قوة الدفع (*مع ملاحظة أن هذه اختبارات أولية ولا تعكس الأرقام الحالية لمنصة اختبار الطيران 15 /50*)
الاختبار التجريبي
تم بناء منصة أولية للسماح بفهم أفضل لكيفية تأثير هذه الاهتزازات على المنصة في الواقع. ورغم أن عمليات المحاكاة مفيدة جدًا، فمن المهم معرفة كيفية تأثر المنصة بالاهتزازات أثناء الاختبارات الحقيقية.
تم تجميع المنصة الموضحة في الشكل 3 واختبارها باستخدام حامل محرك قابل للتكيف في الأعلى بدلًا من وحدة قياس القوة (FMU). واستُخدمت مروحة تم ضبطها من جانب واحد لإحداث عدم توازن في النظام.
الشكل 3: منصة أولية لاختبار الدفع واختبار الاهتزاز
تم تسجيل ديناميكيات الاهتزاز باستخدام برنامج فلايت ستاند. وكانت إحدى الملاحظات الرئيسية هي أهمية القاعدة المستقرة. عندما لا تكون المنصة مثبتة بإحكام على الأرض، تتعرض القاعدة لمزيد من الحركة، مما يؤدي إلى تردد رنيني أقل وقراءات اهتزاز أعلى.
يوضح الشكل 4 كيفية تحديد الترددات الرنينية من خلال الاختبار. بعد تشغيل المحرك وزيادة سرعة المروحة ببطء، يمكن ملاحظة قفزات كبيرة في الاهتزاز طوال الاختبار، والتي يمكن ربطها بالرنين.
الشكل 4: اهتزاز جهاز اختبار قوة الدفع مع زيادة سرعة المروحة
تم النظر في طرق التخميد النموذجية مثل حوامل الساندويتش، ومع ذلك يجب استخدام مخمدات الاهتزاز في نفس اتجاه حدوث الاهتزاز. المواقع المتاحة على المنصة لتركيب التخميد هي في الاتجاه الرأسي، لكن الاهتزازات تحدث أساسًا بشكل جانبي، مما يشكل تحديًا.
أُجريت الاختبارات الأولية على نموذج أولي صُمم وشُكل داخليًا. وأُجريت جولة ثانية من الاختبارات باستخدام نموذج أولي رسمي، تم تشغيله في ورشة عمل بالتفاوتات والملاءمة الصحيحة. خلال هذه الاختبارات، كان الضوضاء في حدها الأدنى وكانت المنصة صلبة جدًا. وكما في الاختبار السابق، لاحظنا أن استقرار القاعدة كان مهمًا جدًا.
عند تثبيت المنصة مباشرة في الخرسانة، تعرضت المنصة لاهتزاز ضئيل جدًا وكانت الضوضاء في حدها الأدنى عند أعلى اهتزاز مسجل. وعند تثبيتها على السكك، كانت لا تزال هناك ضوضاء وحركة ضئيلة في المنصة، لكن قراءة الاهتزاز كانت أعلى وكانت المنصة أقل استقرارًا بقليل.
إذا كانت هناك مشاكل كبيرة في الاهتزاز أو الضوضاء عند تثبيت المنصة على السكك، فإننا نوصي بإضافة المزيد من مثبتات الخرسانة للحد من حركة السكك.
الاهتزاز في الطائرات المسيّرة
يمكن العثور على تشابهات بين الاهتزاز الملاحظ في جهاز اختبار قوة الدفع والاهتزاز الملاحظ في الطائرات المسيّرة. في كلتا الحالتين، ينتج الاهتزاز عن حركة المروحة والمحرك، مع تعقيدات إضافية للطائرات المسيّرة لأنها مصممة للحركة المستمرة وحمل إلكترونيات حساسة.
تُزود الطائرات المسيّرة بالعديد من أجهزة الاستشعار لمراقبة النظام وتوفير بيانات مفيدة حول موقع وسرعة المركبة، لكن الاختبارات الإضافية في المختبر يمكن أن تساعد في التنبؤ ومنع الأضرار الناجمة عن الاهتزاز للهيكل والمكونات الإلكترونية الحساسة.
الشكل 5: طائرة مسيّرة في رحلة مع حمولة كاميرا
يتم شرح تحليل الاهتزاز لهيكل متعدد المراوح بالتفصيل في المرجع [2] مع بعض التشابهات مع الاختبارات الموصوفة في هذا المقال. أولًا، تُجرى تجربة دفع لتحديد سرعة الدوران التي تسبب عندها المروحة أكبر قدر من الاهتزاز.
باستخدام هذه المعلومات، يتم إكمال تحليل نمطي للمحاكاة، يليه تجربة تحفيز لمعرفة كيفية تأثير الترددات على النظام.
عدم التوازن هو مصدر رئيسي للاهتزاز في الطائرات المسيّرة. اطّلع على ورقتنا البيضاء لمعرفة المزيد: عواقب عدم توازن المروحة على أداء الطائرة المسيّرة.
الخلاصة
كما تم توضيحه، فإن عملية اختبار الاهتزاز متشابهة لأجهزة اختبار قوة الدفع ومكونات الطائرات المسيّرة. المحاكاة والحسابات جزء مهم من العملية، يليها الاختبار التجريبي.
يمكن لهذه التجارب أن توفر رؤى مهمة للمصممين ويمكن أن تساعد في النهاية على تقليل الاهتزاز في أدوات الاختبار والمركبات الجوية التي تختبرها.
قراءة إضافية: كيفية بناء منصة اختبار دفع (المحامل والمفصلات)
المراجع
[1] Engineering ToolBox, (2017). Beams Natural Vibration Frequency. [online] Available at: https://www.engineeringtoolbox.com/structures-vibration-frequency-d_1989.html
[2] J. Verbeke, S. Debruyne, “Vibration analysis of a UAV multirotor frame,” In Proc. ISMA2016, 2016, pp.2329-2338.