دراسة NRC حول تجمد مراوح الطائرات المسيّرة عند سرعات دوران عالية

اختُبرت أربع شفرات في التجارب، تراوحت أقطارها من 8 بوصات إلى 14 بوصة. صُنعت ثلاث من الشفرات الأربع من ألياف الكربون (CF)، بينما صُنعت الرابعة من البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (GFR).

وُلخصت خصائصها في الجدول 1. وفي جميع التجارب، تم تحديد انخفاض قوة الدفع بنسبة 50% كنقطة انقطاع لإنهاء الاختبار. 

الجدول 1: خصائص الشفرات المستخدمة في التجارب

الجزء 1: متوسط قطر حجم قطرة الماء (MVD)

نظرت الجولة الأولى من الاختبارات في تأثير حجم قطرات الماء على تراكم الجليد وأداء الدفع للشفرات الثلاث المصنوعة من ألياف الكربون. تم ضبط متوسط قطر قطرات الماء عند 20 أو 40 أو 60 ميكرومتر، مع تثبيت المعايير الأخرى عند سرعة دورانية = 8000 دورة في الدقيقة، وسرعة الهواء الحقيقية = 15 م/ث، وزاوية الانزلاق الجانبي = 0°، ودرجة حرارة الهواء الساكن = -12 درجة مئوية، ومحتوى الماء السائل = 0.5 غ/م3.

بالنسبة لجميع الشفرات وعند جميع قيم متوسط قطر حجم قطرة الماء، استغرق الأمر نحو 20 ثانية حتى يبدأ تراكم الجليد في التأثير على قوة الدفع، مما تسبب في انخفاض بطيء وتدريجي في قوة الدفع المقاسة بالنيوتن.

بالنسبة للشفرة Prop1، شهد الانخفاض في قوة الدفع فترة استقرار قصيرة عند متوسط قطر حجم قطرة ماء = 20 ميكرومتر و40 ميكرومتر قبل أن يستأنف انخفاضه. لم يُلاحظ هذا التأثير عند متوسط قطر حجم قطرة ماء = 60 ميكرومتر للشفرة Prop1، بينما لوحظت «فترات استقرار مماثلة ولكن أقصر» للشفرتين Prop21 وProp3.

ومن المثير للاهتمام أن الشفرة Prop1 استغرقت نحو ضعف الوقت للوصول إلى 50% من قوة الدفع (75 - 130 ثانية) مقارنة بالشفرة Prop21 (48 - 64 ثانية) والشفرة Prop3 (40 - 47 ثانية) (الشكل 4a). 

الشكل 4: زيادة قوة الدفع (a) وانخفاض عزم الدوران (b) بمرور الوقت عند قيم مختلفة لمتوسط قطر حجم قطرة الماء

أدى تراكم الجليد أيضًا إلى زيادة عزم الدوران والقدرة الكهربائية للمحرك. عند 50% من قوة الدفع، بلغت الشفرة Prop1 نسبة 150% من عزم الدوران (الشكل 4b) و100% من القدرة الكهربائية (الشكل 5) مقارنة بالقيمة عند بداية حدث التجمد.

كانت الزيادات في عزم الدوران والقدرة الكهربائية أقل حدة للشفرة Prop21 عند 100% و60% وللشفرة Prop3 عند 40% و25%.

الشكل 5: زيادة القدرة الكهربائية مع زمن تراكم الجليد

يعزو الباحثون فترات استقرار قوة الدفع إلى تساقط الجليد و/أو تحركه نحو أطراف شفرات المروحة. يُظهر الجدول 2 إجمالي كتلة الجليد والوقت اللازمين لكل شفرة للوصول إلى 50% من قوة الدفع عند متوسط قطر حجم قطرة ماء = 60 ميكرومتر.

انخفض الوقت اللازم مع زيادة قطر الشفرة. 

الجدول 2: كتلة الجليد وزمن الرش للشفرات للوصول إلى 50% من قوة الدفع عند متوسط قطر حجم قطرة ماء = 60 ميكرومتر

الجزء 2: محتوى الماء السائل (LWC)

هدفت هذه السلسلة من الاختبارات إلى استقصاء تأثير اختلاف محتوى الماء السائل في منطقة الاختبار على تجمد الشفرات وأدائها. تم ضبط محتوى الماء السائل عند 0.2 أو 0.5 أو 1.0 غ/م3، بينما ثُبّتت المتغيرات الأخرى عند سرعة دورانية = 8000 دورة في الدقيقة، وسرعة هواء حقيقية = 15 م/ث، وزاوية انزلاق جانبي = 0°، ودرجة حرارة هواء ساكن = -12 درجة مئوية، ومتوسط قطر حجم قطرة ماء = 20 ميكرومتر.

كان لمحتوى الماء السائل تأثير مماثل ولكنه أكثر وضوحًا على تحمل التجمد مقارنة بمتوسط قطر حجم قطرة الماء. ومع زيادة محتوى الماء السائل، انخفض الوقت اللازم للوصول إلى 50% من قوة الدفع.

كانت هناك فروق كبيرة في زمن تراكم الجليد لقيم محتوى الماء السائل الثلاث، حيث استغرق الأمر 20 - 50 ثانية للوصول إلى 50% من قوة الدفع عند محتوى ماء = 0.2 غ/م3، و45 - 130 ثانية عند 0.5 غ/م3، و120 - 430 ثانية عند 1.0 غ/م3.

على غرار نتائج متوسط قطر حجم قطرة الماء، استقرت قوة الدفع لفترة لجميع قيم محتوى الماء السائل الثلاث، وإن كانت فترات الاستقرار أكثر وضوحًا عند 0.2 و0.5 غ/م3 مقارنة بـ 1.0 غ/م3. وبالمقابل، لم يُلاحظ تساقط الجليد عند محتوى ماء = 1.0 غ/م3، مما يفسر جزئيًا الانخفاض الأسرع إلى 50% من قوة الدفع (الشكل 6). 

كما لوحظت زيادة في عزم الدوران والقدرة الكهربائية، على غرار نتائج متوسط قطر حجم قطرة الماء، وكانت هذه الزيادة في أعلى مستوياتها عند محتوى ماء = 0.5 غ/م3. وعند هذا المستوى من محتوى الماء السائل، بلغت الزيادات في عزم الدوران والقدرة الكهربائية 130% و80% للشفرة Prop1، و100% و60% للشفرة Prop21، و30% و20% للشفرة Prop3.

بشكل عام، كان لمحتوى الماء السائل تأثير أكثر أهمية على تحمل التجمد من متوسط قطر حجم قطرة الماء، كما يتضح من انخفاض الوقت اللازم للوصول إلى 50% من قوة الدفع عند محتوى ماء = 1.0 غ/م3 (الجدول 3). 

الجدول 3: كتلة الجليد وزمن الرش للشفرات للوصول إلى 50% من قوة الدفع عند محتوى ماء = 1.0 غ/م3

الجزء 3: درجة حرارة الهواء الساكن (SAT)

نظرت المجموعة الثالثة من الاختبارات في تأثيرات درجة حرارة الهواء الساكن على تحمل التجمد من خلال استقصاء ثلاث قيم لدرجة حرارة الهواء الساكن: -2 و-5 و-12 درجة مئوية، مع تثبيت المتغيرات الأخرى عند سرعة دورانية = 8000 دورة في الدقيقة، وسرعة هواء حقيقية = 15 م/ث، وزاوية انزلاق جانبي = 0°، ومتوسط قطر حجم قطرة ماء = 20 ميكرومتر، ومحتوى ماء سائل = 0.5 غ/م3.

شهدت الشفرات الثلاث جميعها أسرع انخفاض في قوة الدفع عند درجة حرارة هواء ساكن = -12 درجة مئوية، تليها درجة حرارة هواء ساكن = -5 درجة مئوية. ومن المثير للاهتمام أنه عند درجة حرارة هواء ساكن = -2 درجة مئوية، لم تصل الشفرتان Prop21 وProp3 أبدًا إلى 50% من قوة الدفع، بل حافظتا على 80% على الأقل من قوة الدفع الأصلية طوال التجربة.

عند درجة حرارة هواء ساكن = -5 درجة مئوية، مرت الشفرتان Prop1 وProp21 بعدة دورات من تساقط الجليد، حتى وصلت الشفرة Prop1 في النهاية إلى 50% من قوة الدفع، بينما لم تنخفض الشفرة Prop21 أبدًا إلى تلك النقطة. وكانت الشفرة Prop1 هي الشفرة الوحيدة التي وصلت إلى 50% من قوة الدفع عند جميع قيم درجات حرارة الهواء الساكن الثلاث (الشكل 7).

الشكل 7: زيادة قوة الدفع (a) وانخفاض عزم الدوران (b) بمرور الوقت عند قيم مختلفة لدرجة حرارة الهواء الساكن

كان لتراكم الجليد وتساقطه أيضًا تأثير على مستويات الاهتزاز. تم قياس الاهتزاز بواسطة منصة الاختبار بوحدة تسارع الجاذبية (g).

لوحظت زيادة في الاهتزاز مع زيادة تراكم الجليد، تلاها انخفاض في الاهتزاز عند تساقط الجليد من الشفرة (الشكل 8). 

الشكل 8: الاهتزاز الناتج عن دورات تساقط الجليد

الجزء 4: سرعة الدوار

درست المجموعة التالية من الاختبارات تحمل التجمد عند 9000 دورة في الدقيقة، أي بزيادة 1000 دورة في الدقيقة عن الاختبارات السابقة عند 8000 دورة في الدقيقة. وفي هذه الاختبارات، تم تغيير محتوى الماء السائل ودرجة حرارة الهواء الساكن، لأن هذين المتغيرين كان لهما تأثير أكبر على التحمل من متوسط قطر حجم قطرة الماء في الاختبارات السابقة.

بشكل عام، لم تكن الزيادة في السرعة الدورانية إلى 9000 دورة في الدقيقة كافية لإحداث تغيرات كبيرة في تراكم الجليد وفقدان قوة الدفع.

ويتضح ذلك في الشكل 9، الذي يقارن قوة الدفع المعيارية عند 8000 دورة في الدقيقة و9000 دورة في الدقيقة لأسوأ ظروف تجمد عند درجة حرارة هواء ساكن = -12 درجة مئوية، ومتوسط قطر حجم قطرة ماء = 20 ميكرومتر، ومحتوى ماء سائل = 1.0 غ/م3، مع الشفرة Prop21. 

الشكل 9: قوة الدفع المعيارية بمرور الوقت عند 8000 دورة في الدقيقة و9000 دورة في الدقيقة للشفرة Prop21

أجرى الباحثون فحصًا بصريًا لشفرات المروحة بعد الاختبار ولاحظوا أن تساقط الجليد كان أكبر عند 9000 دورة في الدقيقة في ظل ظروف معينة. ومع ذلك، لم يؤدِّ ذلك إلى فروق كبيرة في الأداء بين الحالتين.

الجزء 5: زاوية الانزلاق الجانبي

هدفت المجموعة الخامسة من التجارب إلى قياس تحمل شفرات المروحيات للتجمد لطائرة مسيّرة في حالة الطيران إلى الأمام، وتم ذلك من خلال إمالة الشفرة إلى زاوية انزلاق جانبي (AOS) تبلغ 30° بالنسبة لتدفق الهواء في النفق الهوائي.

تم ضبط السرعة الدورانية عند 8000 دورة في الدقيقة ومتوسط قطر حجم قطرة الماء عند 20 ميكرومتر. وتم تغيير محتوى الماء السائل بين 0.2 و0.5 و1.0 غ/م3، ودرجة حرارة الهواء الساكن بين -2 و-5 و-12 درجة مئوية.

للمزيد من القراءة: اختبار الدفع باستخدام نفق هوائي في جامعة أوتاوا

في بداية حدث التجمد، لاحظوا زيادة في قوة الدفع الديناميكية، ويعزون ذلك إلى انخفاض سرعة الهواء الفعالة التي تتعرض لها الشفرة عند زاوية 30°، والتي بلغت 13 م/ث بدلًا من 15 م/ث.

ولم تتسبب زاوية 30° بخلاف ذلك في إحداث فرق ملحوظ في تحمل الشفرة Prop21 للتجمد، والتي اختُبرت مرة أخرى في أسوأ ظروف التجمد (درجة حرارة هواء ساكن = -12 درجة مئوية، ومتوسط قطر حجم قطرة ماء = 20 ميكرومتر، ومحتوى ماء سائل = 1.0 غ/م3) (الشكل 10).

الشكل 10: قوة الدفع المعيارية بمرور الوقت عند زاويتي انزلاق جانبي 0° و30° للشفرة Prop21

الجزء 6: مادة الشفرة

درست التجربة النهائية اختلاف تحمل الشفرات المصنوعة من البلاستيك المقوى بألياف الزجاج (GFR) مقارنة بتلك المصنوعة من ألياف الكربون (CF). اختُبرت الشفرة Prop22 المصنوعة من GFR في نفس ظروف الشفرة Prop21 المصنوعة من CF والتي لها نفس القطر، مع تثبيت زاوية الانزلاق الجانبي عند 0° والسرعة الدورانية عند 8000 دورة في الدقيقة، بينما تم تغيير محتوى الماء السائل بين 0.2 و0.5 و1.0 غ/م3 ودرجة حرارة الهواء الساكن بين -2 و-5 و-12 درجة مئوية.

لوحظ فرقان رئيسيان في الشفرة Prop22 المصنوعة من GFR، أولهما انخفاض أسرع في قوة الدفع مقارنة بالشفرة Prop21 عند محتوى ماء سائل = 0.2 غ/م3.

والفرق الثاني هو أن الشفرة Prop22 شهدت انخفاضًا في قوة الدفع بنسبة 25% تقريبًا قبل تساقط الجليد عند درجة حرارة هواء ساكن = 2 درجة مئوية (الشكل 11)، وهو وضع لم يؤثر على قوة دفع الشفرة Prop21.

ونتيجة لذلك، حدثت زيادة مقابلة في عزم الدوران والقدرة الكهربائية، وهو ما لم يُلاحظ أيضًا في الشفرة Prop21. بخلاف ذلك، كان تحمل الشفرة المصنوعة من GFR للتجمد مماثلاً جدًا لتحمل الشفرة المصنوعة من ألياف الكربون في نفس الظروف.

الشكل 11: قوة الدفع وعزم الدوران والقدرة مقابل زمن تراكم الجليد للشفرة Prop22

الخلاصة

لقد أجادَت هذه الدراسة في تحديد خصائص تحمل شفرات الطائرات المسيّرة الصغيرة للتجمد عند السرعات الدورانية العالية. وتقدم النتائج عدة استنتاجات عملية يمكن لمشغلي الطائرات المسيّرة الاستفادة منها.

أولًا، استغرقت الشفرات الأكبر وقتًا أقل لتنخفض إلى 50% من قوة الدفع مع تراكم الجليد على الشفرات، مما يشير إلى أن قطر الشفرة يلعب دورًا في تحملها للتجمد. علاوة على ذلك، كانت الشفرات المصنوعة من GFR أقل تحملًا للتجمد من تلك المصنوعة من ألياف الكربون، إذ فقدت قوة الدفع بسهولة أكبر.

كما أظهرت الدراسة أن مقاييس الأداء قد تكون مضللة إذا لم تُفهم جيدًا. فخلال العديد من الاختبارات، شهد انخفاض قوة الدفع فترة استقرار بسبب تساقط الجليد من الشفرات.

قد يدفع هذا التأثير مشغّل الطائرة المسيّرة إلى الاعتقاد بأن تأثير تراكم الجليد قد بلغ ذروته، ومع ذلك، أعقب هذه المستويات الثابتة انخفاض حاد في قوة الدفع.

أكدت هذه التجارب أن تراكم الجليد على المروحة يزداد سوءًا بشكل عام بدلًا من أن يتحسن دون تدخل، لذا ينبغي لمشغّلي الطائرات المسيّرة أن يكونوا على دراية تامة بالدلالات الكامنة وراء التغيرات في الأداء.

يتطلع الباحثون في المركز الوطني للأبحاث إلى إجراء المزيد من التجارب باستخدام مراوح أكبر لإثراء قاعدة المعرفة هذه.

للمزيد من القراءة: كيفية قياس كفاءة المحرك التيار المباشر بدون فرش والمروحة