بقلم لورين ناجل
طوّر ألاستير ب. ثورلبك ويوي كاو إطارًا للنمذجة لمقارنة هياكل أنظمة الطاقة المختلفة للطائرات المسيّرة العمودية والإقلاع والهبوط (VTOL). ويقدّمان عملهما في ورقتهما البحثية «تحليل ونمذجة هياكل أنظمة طاقة الطائرات المسيّرة».
نادراً ما يكون تصميم نظام طاقة الطائرة المسيّرة بسيطاً بقدر اختيار بطارية ومحرك ومروحة مناسبة. ففي بناء الطائرات المسيّرة من الصفر، يجب مراعاة محولات التيار المستمر إلى تيار مستمر (DC-DC)، ومحولات التيار المستمر إلى تيار متردد (DC-AC)، وناقل تيار مستمر (DC bus)، ومصدر طاقة أحادي أو هجين.
ومثل المكونات الرئيسية لنظام الدفع، يمكن أن تؤثر الاختلافات في هذه العناصر على كفاءة النظام، مما يؤدي إلى تغيرات في قدرة الطائرة المسيّرة على التحمل ومدة طيرانها.
للمزيد من القراءة: بناء الطائرات المسيّرة وتحسينها (كتاب إلكتروني)
لاستكشاف الاختلافات بين هياكل أنظمة الطاقة، صمّم ثورلبك وكاو نموذجاً يُقدّر أداء الهياكل المختلفة بناءً على مكوناتها.
ثم تحقّقا من صحة النموذج باستخدام ثلاثة أنظمة طاقة فريدة مبنية فعلياً، واختُبرت باستخدام منصة اختبار RCbenchmark سيريز 1780 (الشكل 1).
تضمنت الهياكل الثلاثة جميعها مصدراً للطاقة من بطارية، وناقلاً للتيار المستمر، ومحوّلاً للتيار المستمر إلى تيار متردد، ومحركاً متزامناً مغناطيسياً دائماً (PMSM).
كان الهيكل الأول فريداً لأنه استخدم محوّلاً للتيار المستمر إلى تيار مستمر بين البطارية وناقل تيار مستمر ثابت.
استبعد الهيكل الثاني محوّل التيار المستمر إلى تيار مستمر واستخدم بدلاً من ذلك ناقلاً متأرجحاً للتيار المستمر. استخدم الهيكل الثالث مصدراً هجيناً للطاقة يتألف من بطارية وخلية وقود، وكلاهما متصل بمحوّل للتيار المستمر إلى تيار مستمر وناقل تيار مستمر ثابت مشترك (الشكل 2).
الشكل 2: هياكل أنظمة الطاقة 1 و2 و3 التي اختُبرت في التجربة
في تجربتهما الأولى، اختبرا محركاً بقوة 100KV (T-Motor U10II KV100) بمروحتين مختلفتين (T-Motor G28x9.2 وG30x10.5) لتوفير حمل واقعي.
تم مسح سرعة المحرك من الصفر إلى سرعته المقدرة مع مروحة G28x9.2، وإلى تياره المقدر مع مروحة G30x10.5.
قاست منصة اختبار سيريز 1780 قوة الدفع وعزم الدوران والسرعة والطاقة الواصلة إلى عاكس التيار المستمر إلى تيار متردد. ثم قاما بمسح نموذجهما عبر نفس قيم عزم الدوران والسرعة لحساب تقديرات فقدان الطاقة.
تمت مقارنة تلك النتائج بنتائج الاختبارات الفعلية، والتي يمكن رؤيتها في الشكل 3.
الشكل 3: فقدان الطاقة عبر مسح سرعة المحرك للبيانات التجريبية والمنمذجة
تطابقت خسائر الطاقة المقدرة من نموذجهما مع الخسائر المقاسة من النظام التجريبي مع مبالغة طفيفة في التقدير. وبناءً على هذه النتائج، اعتبرا النموذج «دقيقاً بما يكفي لأغراض تصميم أنظمة الطاقة وتحليلها».
للمزيد من القراءة: تحليل طاقة وكفاءة المحرك التيار المباشر بدون فرش
بعد ذلك، استخدما النموذج لتقدير أداء طائرة مسيّرة افتراضية للإقلاع والهبوط العمودي باستخدام كل من هياكل أنظمة الطاقة الثلاثة. في مقارنة بسيطة بين فقدان الطاقة وقوة الدفع، أظهر الهيكلان 1 و2 خسائر متشابهة يهيمن عليها المحرك والبطارية.
جاءت خسائر الطاقة الرئيسية للهيكل 3 من خلية الوقود، تليها خسائر المحرك والبطارية. وقد أنتجا رسوماً بيانية ثلاثية الأبعاد تنمذج العلاقة بين السرعة وعزم الدوران والكفاءة الإجمالية، مما يوضح أعلى كفاءة في حالة سرعة دورانية عالية وعزم دوران منخفض (الشكل 4).
الشكل 4: رسم بياني ثلاثي الأبعاد للسرعة الدورانية وعزم الدوران والكفاءة الإجمالية لهيكل نظام الطاقة 2
حاكت تجاربهما النهائية كل هيكل من هياكل الطاقة عبر ملف طيران المهمة وحددت أقصى مدد طيران لها. ووجدا أن الهيكل 2 تطلب أدنى طاقة دخل خلال ملف المهمة وبالتالي كان الأعلى كفاءة بنسبة تقارب 83%.
كان للهيكل 3 أدنى كفاءة خلال ملف المهمة، ولكنه حقق أعلى مدة طيران قصوى بلغت 32 دقيقة، مقارنة بـ 25.5 و30 دقيقة للهيكلين 1 و2 (الشكل 5).
الشكل 5: منحنيات أقصى مدة طيران لهياكل أنظمة الطاقة الثلاثة
حدثت خسائر الكفاءة الرئيسية للهيكل 3 أثناء إعادة شحن خلية الوقود للبطارية أثناء الطيران، لكنه نجح في تحقيق أطول مدة طيران بفضل الطاقة النوعية الأعلى لخلية الوقود، والتي كانت أعلى بـ 1.83 مرة من بطاريات الليثيوم بوليمر المستخدمة.
يُعد هذا النموذج الذي صممه ثورلبك وكاو أداة مفيدة للمصممين الذين يرغبون في مقارنة هياكل أنظمة الطاقة دون بناء نماذج أولية متعددة. وله القدرة على توفير الوقت والموارد لبناة الطائرات المسيّرة مع توجيههم نحو التصميم الأكثر كفاءة.