تصميم الطائرة المسيّرة - الحسابات والافتراضات

 بقلم Lauren Nagel

غالبًا ما تسير عملية هندسة الطائرات المسيّرة وفق «حلقة تصميم»، والتي تشير إلى الطبيعة الدائرية لعملية التصميم. يعتمد بناء الإصدار الأول من الطائرة المسيّرة على افتراضات معينة، سيتغير الكثير منها مع اختيار المكونات وتكامل التصميم.

سنتناول في هذا المقال:

1. العثور على بطارية لزيادة وقت الطيران
2. كيفية اختيار محرك ومروحة الطائرة المسيّرة (مع قاعدة بيانات)
3. استبدال المكونات لزيادة الكفاءة إلى أقصى حد
4. كيفية اختيار وحدة تحكم إلكترونية بالسرعة (ESC)
5. كيفية حساب وقت طيران الطائرة المسيّرة

 

سنستخدم جهاز اختبار قوة الدفع من سيريز 1585 لجمع البيانات لهذا المقال.

تبدأ حلقة التصميم عندما يرى المصمم كيف يختلف الإصدار الأول من التصميم عن الافتراضات، ثم يعود إلى البداية بالمعلومات الجديدة (الشكل 1). 

الشكل 1: توضيح حلقة تصميم الطائرة المسيّرة

في مقالنا السابق، كيفية زيادة وقت طيران الطائرة المسيّرة وقدرة الرفع، تناولنا المرحلة الأولى من عملية التصميم ووصلنا إلى الإصدار الأول من تصميمنا. سنبدأ في هذا المقال من حيث توقفنا، لنرى مدى صحة افتراضاتنا.

مراجعة

بدأنا عملية التصميم بافتراض أن وزن طائرتنا المسيّرة سيكون 777 غ أن تكون قادرة على الطيران بمفردها. وبناءً على هذه الافتراضات، توقعنا أننا سنحتاج إلى 1.9 نيوتن من قوة الدفع لكل مروحة للحفاظ على الطيران الثابت، لذلك بحثنا عن مزيج المحرك والمروحة الذي سيكون الأكثر كفاءة عند 1.9 نيوتن. وبمجرد العثور على المزيج الأكثر كفاءة، أصبح لدينا الأدوات اللازمة لتقدير وقت الطيران، وهو ما سنبدأ به اليوم.

في هذا المقال، سنكون أكثر دقة بشأن كتلة مكوناتنا. سنفترض التوزيع التالي لكتلة طائرتنا التي تزن 777 غ:

• المحركات (4): 148 غ
• المراوح (4): 13.5 غ
• البطارية (1): 155 غ
• مكونات أخرى (كاميرا، إطار، وحدة ESC، إلخ): 460.5 غ

وقت الطيران

هدفنا هو زيادة وقت طيران طائرتنا المسيّرة إلى أقصى حد حتى تتمكن من البقاء ثابتة في الهواء لأطول فترة ممكنة. في مقالنا السابق، قمنا بنمذجة وقت طيران طائرتنا مع سعات بطارية مختلفة (الشكل 2).

الشكل 2: وقت الطيران مقابل سعة البطارية لتصميم الطائرة المسيّرة الأصلي

افترضنا أن تصميمنا سيشمل بطارية Turnigy nano-tech بسعة 1300 مللي أمبير/ساعة من نوع 4S، وأدرجنا كتلتها في حساباتنا الإجمالية. تبلغ سعة البطارية ما يزيد قليلاً عن 19.2 واط ساعة (14.8 فولت * 1.3 أمبير ساعة = 19.2 واط ساعة)، وهو ما يقع ضمن مرحلة النمو في الرسم البياني ويمنحنا حوالي 4.5 دقيقة فقط من وقت الطيران.

إذا زدنا سعة البطارية، يمكننا أيضاً زيادة وقت الطيران، ولكن المقابل سيكون زيادة الوزن. وهنا تبدأ حلقة التصميم، حيث نستبدل المكونات لمحاولة بناء الطائرة المسيّرة التي تلبي احتياجاتنا بأفضل شكل.

التكرار 2: اختيار بطارية جديدة لأقصى وقت طيران

حتى علامة 0.2 ساعة، هناك زيادة في وقت الطيران مع زيادة سعة البطارية، ولكن بعد حوالي 100 - 125 واط ساعة، تصبح المكاسب الهامشية أقل أهمية. لهذا السبب، سنبدأ باستبدال بطاريتنا القديمة ببطارية جديدة بسعة تتراوح بين 100 - 125 واط ساعة تقريبًا لزيادة وقت الطيران. تتناسب حزمة Turnigy 5000 مللي أمبير/ساعة من نوع 6S LiPo بشكل جيد مع معاييرنا بسعة 111 واط ساعة (الشكل 3). 

الشكل 3: بطارية Turnigy 5000 مللي أمبير/ساعة/111 واط ساعة من نوع LiPo (صورة: HobbyKing)

تزن هذه البطارية الجديدة 655 غرامًا، وهو وزن كبير مقارنة ببطاريتنا القديمة التي كانت تزن 155 غرامًا فقط. بافتراض أن جميع مكوناتنا الأخرى ستبقى كما هي بوزن 622 غرامًا، فإن الكتلة الإجمالية لطائرتنا المسيّرة هي الآن 1,277 غرامًا.

لذلك سنحتاج إلى إنتاج 12.5 نيوتن على الأقل من قوة الدفع حتى تتمكن الطائرة المسيّرة من البقاء ثابتة في الهواء (1.277 كجم * 9.81)، أي ما يزيد قليلاً عن 3.1 نيوتن لكل مروحة. نود أيضًا تحقيق ضعف هذه القوة على الأقل للحصول على سلطة تحكم جيدة، لذلك سنبحث عن المروحة الأكثر كفاءة عند 3.1 نيوتن، والتي يمكنها أيضًا تحقيق قوة دفع تصل إلى 6.2 نيوتن.

للمراجعة، لدينا ثلاث مراوح في قائمتنا من المرشحين:

• 6030R Gemfan => القطر: 6 بوصات، الخطوة: 3 بوصات، الكتلة: 2.22 غ
• 6040R King Kong => القطر: 6 بوصات، الخطوة: 4 بوصات، الكتلة: 3.38 غ
• 5030R Gemfan => القطر: 5 بوصات، الخطوة: 4 بوصات، الكتلة: 3.00 غ

سنعمل بافتراض أن إطار طائرتنا المسيّرة ثابت ولا يمكننا تجاوز قطر 6 بوصات لمراوحنا. يمكننا معرفة المزيد عن مراوحنا الثلاثة المرشحة من خلال الاطلاع على قاعدة بيانات المحركات الكهربائية والمراوح ووحدات ESC في RCbenchmark. يتم جمع بيانات الاختبار مثل قوة الدفع وعزم الدوران وسرعة الدوران في الدقيقة (RPM) والطاقة والكفاءة والمزيد باستخدام إحدى أجهزة اختبار قوة الدفع لدينا، وبالنسبة لهذه الطائرة المسيّرة، من المرجح أن يكون RCbenchmark سيريز 1585 هو الأنسب.

بالنسبة لمرشحينا، تخبرنا البيانات الواردة في قاعدة البيانات أن المراوح الثلاثة تصل إلى قوة دفع البقاء ثابتًا لدينا البالغة 3.1 نيوتن، ولكن فقط 6040R King Kong تقترب من أقصى قوة دفع تبلغ 6.2 نيوتن (0.63 كجمf) (الشكل 4).

الشكل 4: أداء قوة الدفع للمراوح المرشحة

تشير هذه النتائج إلى أن بطاريتنا إما ثقيلة جدًا أو أن مزيج المحرك/المروحة لم يكن ينتج قوة دفع كافية. نحن نهدف إلى الحصول على أطول وقت طيران ممكن، لذلك بدلًا من البحث عن بطارية أصغر على الفور، دعونا نستكشف المزيد من المراوح التي تتناسب مع حدود إطارنا، ولكن تنتج قوة دفع أكبر.

قراءة إضافية: كيف يسبب عدم التوازن اهتزاز المروحة

التكرار 3: اختيار مرشحين جدد للمروحة والمحرك

يحدنا إطارنا بمراوح قطرها 6 بوصات أو أقل، ولكن لا يزال بإمكاننا التجربة مع الخطوة والمادة والعلامة التجارية. سنستخدم قاعدة بيانات مكونات الطائرة المسيّرة لتصفية المراوح التي يبلغ قطرها 6 بوصات وتنتج قوة لا تقل عن 6.2 نيوتن (0.63 كجمf). وفر هذا البحث عدة خيارات جيدة، ولكن للتبسيط سنضيقها إلى ثلاثة مرشحين ينتجون أكبر قدر من قوة الدفع:

• المروحة 1 ← القطر: 6 بوصات، الخطوة: 4 بوصات، الكتلة: 3.38 غ، المادة: بلاستيك
• المروحة 2 ← القطر: 6 بوصات، الخطوة: 4 بوصات، الكتلة: 4.32 غ، المادة: نايلون
• المروحة 3 ← القطر: 6 بوصات، الخطوة: 4.5 بوصات، الكتلة: 6.78 غ، المادة: ألياف الكربون (CF)

الشكل 5: قوة الدفع مقابل سرعة الدوران للمراوح المرشحة الجديدة

كما ترون في الشكل 5، يمكن لجميع مراوحنا المرشحة إنتاج 10 نيوتن (1 كجمf) من قوة الدفع أو أكثر. لهذا السبب، يمكننا استهداف قوة دفع للبقاء ثابتًا تبلغ 5 نيوتن وأقصى قوة دفع تبلغ 10 نيوتن، مما سيسمح لنا برفع بطارية أكبر بنفس وحدة الدفع. 

كما هو موضح في الشكل 6، عند قوة دفع البقاء ثابتًا الأصلية لدينا البالغة 3.1 نيوتن (0.32 كجمf) وعند قوة دفع البقاء ثابتًا الجديدة لدينا البالغة 5.0 نيوتن (0.51 كجمf)، فإن كفاءة المروحة 1 والمروحة 2 متشابهة جدًا، حيث يفصل بينهما حوالي 0.1 غرام/واط فقط. المروحة 2 أكثر كفاءة قليلًا، ولكنها أيضًا أثقل. يمكن أن يؤدي هذا الوزن الزائد إلى وقت طيران أقصر ويترك كتلة أقل متاحة للبطارية. في طائرة رباعية المراوح، سيكون الفرق الإجمالي 3.76 غ ((4.32 غ - 3.38 غ)*4).

الشكل 6: كفاءة المروحة مقابل قوة الدفع للمراوح المرشحة الجديدة

بعد نظرة سريعة على الأسواق الإلكترونية، من الواضح أن 4 غ لا تحدث فرقًا من حيث السعة للبطاريات بهذا الحجم. لهذا السبب، ونظرًا إلى التأثير الضئيل لكتلة 4 غ على طائرتنا المسيّرة، فمن المنطقي استخدام المروحة 2 نظرًا إلى كفاءتها العالية.

ستكون خطوتنا التالية هي العثور على المحرك عديم الفحمات الذي يكون الأكثر كفاءة مع هذه المروحة عند قوة دفع البقاء ثابتًا الجديدة لدينا البالغة 5 نيوتن. بشكل عام، نبحث عن محرك يمكنه تجاوز أقصى قوة دفع لدينا البالغة 10 نيوتن، ولكن ليس بهامش كبير جدًا. لا نريد تشغيل المحرك بأقصى سرعة لفترة طويلة جدًا، ولكننا أيضًا لا نريد حمل محرك ينتج قوة دفع وعزم دوران أكثر مما نحتاج إليه.

من بين المحركين اللذين اختبرناهما سابقًا، MultiStar Elite 2306 2150 Kv و EMAX RSII 2207 2300 Kv، يلبي محرك 2300 Kv فقط متطلب أقصى قوة دفع لدينا (الشكل 7). لذلك سيتعين علينا استخدام قاعدة بيانات المحركات للعثور على مرشح جديد.

الشكل 7: كفاءة المحرك مقابل قوة الدفع لمرشحي المحركات 2150 Kv و 2300 Kv

من قاعدة البيانات نجد Hypetrain Blaster 2207 2450 Kv، والذي يلبي معاييرنا. أجرينا اختبارًا لكل من المحركين مقترنين بالمروحة 2، والنتائج موضحة في الشكل 8. المحرك 2، EMAX RSII 2207 2300 Kv، هو الأكثر كفاءة مع المروحة 2 عند نقطة تشغيل البقاء ثابتًا لدينا البالغة 5 نيوتن (0.51 كجمf) وهو أيضًا أكثر كفاءة عند أقصى قوة دفع لدينا البالغة 10 نيوتن (1.02 كجمf). فرق الكفاءة عند قوة دفع البقاء ثابتًا هو حوالي 2.2% (55.6% مقابل 53.4%)، ولكن محرك 2300 Kv أخف وزنًا أيضًا (32.37 غ مقابل 36.96 غ)، لذلك يجعل قرارنا سهلًا.

الشكل 8: كفاءة المحرك مقابل قوة الدفع لمرشحي المحركات 2300 Kv و 2450 Kv

التكرار 4: اختيار بطارية جديدة لأقصى وقت طيران يتناسب مع تصميمنا الجديد

الآن هو وقت جيد لتلخيص كتلة مكوناتنا بما أن كتلة مراوحنا ومحركاتنا قد تغيرت وكذلك قوة دفع البقاء ثابتًا لدينا. إليكم التوزيع الجديد: 

• المحركات (4): 129.5 غ
• المراوح (4): 17.3 غ
• مكونات أخرى (كاميرا، إطار، وحدة ESC، إلخ): 460.5 غ
• كتلة ما قبل البطارية: 607.3 غ
• الكتلة القصوى: ~ 2,000 غ

بناءً على هذه القيم الجديدة، لدينا 1392.7 غ من الكتلة المتاحة لبطاريتنا. 

بما أننا اخترنا أيضًا محركنا ومروحتنا، يمكننا أيضًا تحديد احتياجات التفريغ (تصنيف C) لدينا، والتي ستكون أيضًا اعتبارًا لاختيار البطارية. نريد التأكد من أن محركنا لن يسحب تيارًا أكثر مما يمكن لبطاريتنا توفيره، وإلا فقد تتدهور البطارية بسرعة أو ترتفع حرارتها. الصيغة المتبعة لتحديد سحب التيار لبطارية هي: التيار (A) = تصنيف C * السعة (Ah).

 

قراءة إضافية: تحليل طاقة وكفاءة المحرك عديم الفحمات

لا توجد معلومات عبر الإنترنت عن التيار المستمر أو التيار النبضي لمحرك EMAX RSII 2207 2300 Kv، ولكن يمكننا الاطلاع على البيانات في قاعدة بيانات RCbenchmark ومقارنة جميع الاختبارات التي أجريت على هذا المحرك. كما يمكننا أن نرى في الشكل 9، فإن أقصى تيار تم الوصول إليه خلال الاختبارات المختلفة كان حوالي 42 أمبير. 

الشكل 9: التيار مقابل سرعة الدوران لمحرك EMAX RSII 2207 2300 Kv

تمتلك حزمة Turnigy عالية السعة 16000 مللي أمبير/ساعة 4S 12C Lipo Pack أعلى سعة بالواط ساعة بين جميع البطاريات في نطاق وزننا، مما يمنحنا 4 * 3.7 * 16 = 236.8 واط ساعة. تزن 1,366 غرامًا، ولديها تصنيف تفريغ 12 C وسعة 16 أمبير ساعة، لذلك يمكنها التعامل مع سحب تيار يبلغ 192 أمبير، وهو أكثر مما نحتاج إليه.

التكرار 5: اختيار وحدة ESC

الاعتبار الرئيسي لاختيار وحدة ESC هو أنها يمكن أن توفر تيار الذروة للمحرك. في حالتنا لا نتوقع أن يتجاوز محركنا 42 أمبير، لذلك فإن وحدة ESC مثل HobbyKing 60A ESC 4A SBEC ستعمل بشكل رائع. يمكنها توفير تيار ثابت يصل إلى 60 أمبير وتيار نبضي يصل إلى 80 أمبير، مع توفير 4 أمبير إلى BEC. هذا يمنحنا هامش أمان قليلًا، لذلك ستكون وحدة ESC هذه خيارًا جيدًا لطائرتنا المسيّرة.

الشكل 10: HobbyKing 60A ESC 4A SBEC (صورة: HobbyKing)

حساب وقت طيراننا

كما تعلمنا في مقالنا السابق، يعتمد وقت الطيران على سعة البطارية والطاقة المسحوبة من نظام الدفع. وبالتالي تدخل العديد من العوامل في الحسبان، وملخصة في الصيغة أدناه (انظر المقال السابق حول زيادة وقت الطيران لمزيد من التفاصيل): 

حيث 

E = السعة

σ = كثافة الطاقة

M = الكتلة بالغرامات (غ)

يمكننا نسخ بيانات اختبار الدفع لدينا ولصقها في حاسبة وقت الطيران العملية هذه، وإدخال الوزن وسعة البطارية، وستعطينا أفضل تقدير لوقت الطيران بناءً على بياناتنا. يبلغ وقت الطيران المقدر لدينا 15.2 دقيقة (الشكل 11)، وهو تحسن كبير مقارنة بتصميمنا الأصلي، الذي كان يمتلك حوالي 4.5 دقيقة فقط من وقت الطيران.

الشكل 11: استخدام حاسبة وقت الطيران لتقدير وقت طيران طائرتنا المسيّرة

الخلاصة

كما رأينا، فإن عملية تصميم الطائرة المسيّرة دائرية، وهناك دائمًا مجال لتحسين التصميم.

إذا كنت ترغب في تطوير تصميمك إلى مستوى أبعد، فكر في إضافة مستشعرات مخصصة إلى إعداد الاختبار الخاص بك.

يُعد جمع بيانات الدفع أحد أفضل الطرق لتحديد المجالات التي يمكن تحسينها في طائرتك المسيّرة، ونحن نقدم العديد من منصات الاختبار والأدوات لمساعدتك في ذلك:

• سيريز 1585 - تقيس قوة دفع تصل إلى 5 كغف / عزم دوران يبلغ 2 نيوتن متر
• منصة فلايت ستاند 15 - تقيس قوة دفع تصل إلى 15 كغف / عزم دوران يبلغ 8 نيوتن متر
• منصة فلايت ستاند 50 - تقيس قوة دفع تصل إلى 50 كغف / عزم دوران يبلغ 30 نيوتن متر
• منصة فلايت ستاند 150 - تقيس قوة دفع تصل إلى 150 كغف / عزم دوران يبلغ 150 نيوتن متر

 

إذا استمتعت بقراءة هذا المقال، فستستمتع أيضًا بكتابنا الإلكتروني المجاني: بناء الطائرات المسيّرة وتحسينها: كيفية زيادة وقت الطيران، الحمولة والكفاءة الإجمالية.