“تُظهر النتائج أنه بالنسبة للتركيبات غير المتساوية، ينبغي للمستخدم وضع المروحة الأصغر في الأمام لتحقيق كفاءة أكبر، ولكن للحصول على أقصى قدرة دفع، يُفضّل استخدام مروحتين متساويتين”
في دراستهم الأخيرة، استقصاء خصائص الأداء للمراوح المحورية غير المتساوية، استقصى ماكس مايلز والدكتور ستيفن د. براير كيف تؤثر أحجام المراوح ومسافات الفصل المختلفة على الدفع والكفاءة واستهلاك الطاقة في أنظمة دفع الطائرات المسيّرة.
أشارت الدراسات السابقة إلى أن وضع مروحة أصغر أمام مروحة أكبر يمكن أن يحسن الأداء، مع نسبة فصل مثالية (z/D) تتراوح بين 0.1 و0.4. وقد سعى فريق الدكتور براير إلى التحقق من صحة هذه النتائج بشكل أكبر وتوسيع فهمنا لديناميكيات المراوح المحورية.
إعداد الاختبار
أُجريت التجارب باستخدام فلايت ستاند 15 Pro، وهي منصة دفع يعرفها الفريق جيدًا. صرّح الدكتور براير قائلًا: “لقد استخدمنا مجموعة من منصات دفع TYTO (1585 و1780 وFS15) على مدى العقد الماضي لتحسين فهمنا وقياسنا للمراوح ذات المقاييس المختلفة.” كما طوّر الفريق نصًا برمجيًا مخصصًا بلغة MATLAB لتحسين تصميمات المراوح واختبار مجموعة من المراوح المطبوعة ثلاثيَّ الأبعاد والمصممة خصيصًا لنطاقات تشغيل محددة.
الشكل 1: منصات دفع فلايت ستاند 15 Pro في تكوين محوري متقابل
تم تشغيل كل مروحة بواسطة محرك كهربائي U8 Kv100 من T-Motor، مع تصحيح الأداء إلى Kv80 بعد التحقق الأولي. تم تشغيل المحركات بواسطة وحدة تحكم إلكترونية T-Motor Alpha 60A 6S ESC، وتزويدها بالطاقة بواسطة بطاريات Li-Po سعة 25C 6S (22.2 V) مشحونة بالكامل.
اختبرت الدراسة تركيبات من مراوح T-Motor المصنوعة من ألياف الكربون مقاس 26 بوصة و29 بوصة عبر خمس نسب z/D: 0.05 و0.1 و0.2 و0.3 و0.35. وتكون نسبة z/D هي النسبة بين المسافة بين الشفرات، z، وقطر الشفرة، D.
تم تشغيل كلتا المروحتين عند مستويات دفع متكافئة. بدءًا من مستوى دفع 20%، أُعطيت النظام مهلة للاستقرار قبل زيادة مستوى الدفع بنسبة خمسة في المائة، وصولًا إلى 90%. سجل برنامج منصة الدفع الدفع والتيار وعزم الدوران وسرعة الدوران (RPM) وطاقة الإدخال الكهربائية وطاقة الإخراج الميكانيكية.
اختُبرت المراوح أولًا بشكل منفصل لوضع أساس للمقارنة مع التكوينات المحورية التجريبية. يُشار إلى هذا الأساس باسم “الزوج المحوري المثالي”: مروحتان منفصلتان تعملان بشكل مستقل عن بعضهما البعض دون أي تداخل بينهما.
نلخص أدناه بعض النتائج الرئيسية.
النتائج
تحسين مسافة الفصل (نسبة z/D)
اختلفت مسافة الفصل المثالية، من حيث الحد الأدنى لفقدان الدفع، قليلًا بين التكوينات. اتبعت النتائج شكل “الوعاء” المميز، حيث يكون الأداء ضعيفًا عند مسافة فصل صغيرة، ويتحسن مع زيادة المسافة، ثم ينخفض في النهاية مرة أخرى، كما هو موضح في الشكل 2.
كانت نسبة z/D المثالية 0.2 للزوج غير المتساوي مع وضع المروحة الأصغر في الأمام، بينما بالنسبة للتكوينات الأخرى، كانت المسافة المثالية بين 0.1 و0.2.
الشكل 2: خسائر الدفع لأنظمة الدفع المحورية المتساوية وغير المتساوية، عند مقارنتها بـزوج محوري مثالي
خسارة الدفع
يوضح الشكل 3 النسبة المئوية لخسارة الدفع لكل نظام دفع محوري مقارنة بالزوج المحوري المثالي. بالنسبة لتركيبات المراوح غير المتساوية، أدى وضع المروحة الأصغر في الأمام إلى أدنى خسائر في الدفع.
أظهرت مروحة أمامية مقاس 26 بوصة مقترنة بمروحة خلفية مقاس 29 بوصة أدنى خسارة دفع بلغت 17.3%، بينما نتج عن التكوين العكسي خسارة بنسبة 23.8%.
الشكل 3: خسارة الدفع لأنظمة محورية مختلفة مقارنة بـزوج مثالي
إجمالي الدفع
عند مقارنة إجمالي إنتاج الدفع لكل تكوين، أنتجت أزواج المراوح المتساوية أعلى دفع صافٍ. حقق الزوج المكون من مروحتين مقاس 29 بوصة دفعًا قدره 34.9 نيوتن عند أقصى مستوى دفع، وهو ما كان أعلى بنسبة 12% من أفضل التركيبات غير المتساوية أداءً.
ضمن الأزواج غير المتساوية، أنتج التكوين الذي يحتوي على مروحة أصغر مقاس 26 بوصة أمام مروحة أكبر مقاس 29 بوصة دفعًا أعلى بمقدار 2.2 نيوتن عند أقصى مستوى دفع مقارنة بالتكوين العكسي، بزيادة قدرها 7.5%.
الشكل 4: إجمالي الدفع الناتج عن تركيبات المراوح المحورية المتساوية وغير المتساوية
لمحاولة استبعاد حجم المروحة كعامل مؤثر، قاموا بتوحيد إجمالي الدفع وفقًا لمساحة قرص المروحة المحورية، والتي يُشار إليها باسم تحميل القرص.
مع هذا التوحيد، لوحظ أن الزوج المتساوي الأكبر من المراوح مقاس 29 بوصة حقق أعلى تحميل للقرص وأكبر إنتاج إجمالي للدفع عند أي سرعة دوران من 400 إلى 1700 دورة في الدقيقة.
الشكل 5: تحميل القرص المحوري حسب سرعة الدوران
استهلاك الطاقة والكفاءة
احتاج المروحة الخلفية، الموضوعة في أثر المروحة الأمامية، إلى طاقة إضافية لإنتاج نفس الدفع الذي تنتجه مروحة منعزلة. شهد كلا الزوجين غير المتساويين زيادة أقل في الطاقة مقارنة بالأزواج المتساوية. أظهر الزوج غير المتساوي الصغير في المقدمة زيادة في الطاقة بنسبة 22.7%، بينما أظهرت الأزواج المتساوية زيادة في الطاقة بنسبة 27%.
الشكل 6: النسبة المئوية لزيادة الطاقة للأنظمة المحورية مقارنة بـزوج مثالي
الخلاصة
قدمت هذه الدراسة نظرة متعمقة على العلاقة بين تكوين المروحة المحورية والأداء. وقد أكدت صحة العديد من النتائج الحالية وساهمت برؤى قيمة حول كيفية تأثر الدفع والطاقة والكفاءة بموضع المروحة ومسافة الفصل والحجم النسبي.