بقلم لورين ناجل
يستكشف كندي إدموندز والدكتور بليك سترينغر من جامعة كينت ستيت إمكانية توسيع نطاق طرق الدفع الحالية للطائرات المسيّرة الصغيرة (sUAS) في ورقتهما البحثية الرائعة: أبحاث دفع الطائرات المسيّرة ذات الإقلاع والهبوط العمودي – إمكانية توسيع نطاق تكوين محرك-دوار الكوادكوبتر خارج نطاق الطائرات المسيّرة الصغيرة.
إن مزايا توسيع نطاق الكوادكوبترات واضحة: حمولات أكبر، مدى أطول، وقت تحليق أطول، إلخ. ومع ذلك، فإن الطائرات متعددة الدوارات الكبيرة أكثر تكلفة في الاختبار والبناء، لذا من المغري اختبار نسخ صغيرة النطاق أولاً.
وبينما تُعد هذه استراتيجية صالحة، يجب على المصممين أن يكونوا على دراية بحدود نماذجهم.
إحدى المشكلات الرئيسية التي تم استكشافها في الورقة البحثية هي الاستجابة العابرة لتكوينات الدوارات متغيرة السرعة: كيف يؤثر القصور الذاتي المتزايد على زمن استجابة الأنظمة الأكبر حجمًا؟
يشير الباحثان إلى اختلافات في القدرة والقدرة على المناورة بين الطائرات المسيّرة متغيرة السرعة ذات الخطوة الثابتة، والمروحيات ثابتة السرعة ذات الخطوة المتغيرة. تتطلب طائرة كوادكوبتر طاقة أكبر بنسبة 27% أثناء التحليق والمناورات مقارنة بمروحية بنفس سعة حمل الحمولة (الشكل 1).
من هذا التحليل، استخلصا استنتاجين: “(1) مع زيادة حجم الطائرة، يساعد زيادة قطر الدوار في الحفاظ على متطلبات طاقة يمكن إدارتها. (2) مع زيادة حجم الدوارات، تزداد أيضًا متطلبات الطاقة لتدوير الدوارات للتغلب على القصور الذاتي وسحب المقطع العرضي للشفرات.”
مزيد من القراءة: كيفية اختيار المحرك والمروحة المناسبين لطائرتك المسيّرة 
الشكل 1: متطلبات طاقة التحليق مقابل الوزن وحمل القرص بالحصان (يسار) والكيلوواط (يمين)
من أجل مزيد من الاستقصاء حول إمكانية توسيع نطاق الدوارات متغيرة السرعة، أجرى الباحثون عدة اختبارات لقياس الاستجابة العابرة لتكوينات الدوارات المختلفة باستخدام منصة اختبار RCbenchmark سيريز 1780 (الشكل 2).
تم اختبار خمسة محركات: Turnigy RotoMax 150cc، وKDE Direct 10218XF105 (Mega)، وT-Motor P80 120kv، وKDE Direct 7215XF-135 (KDE)، وKDE Direct 4215XF465 (Mini)، بالإضافة إلى ثلاث دوارات مختلفة: مروحة من ألياف الكربون بثلاث شفرات بقطر 30.5 بوصة وخطوة 9.7 بوصة من KDE Direct، ومروحة من ألياف الكربون بشفرتين بقطر وخطوة 27 بوصة و8.8 بوصة من Falcon، ومروحة من ألياف الكربون بشفرتين بقطر وخطوة 15 بوصة و5.5 بوصة على التوالي، من تصنيع T-Motor.
الشكل 2: الإعداد التجريبي مع منصة اختبار الفئة 1780
تظهر نتائج تجارب الاستجابة العابرة في الشكل 3.
ومن المثير للاهتمام أنهم يلاحظون أن، “هناك تباين أكبر بكثير في استجابة كل تكوين محرك-دوار مما كان متوقعًا”، مما يسلط الضوء على أهمية اختبار الدفع في تصميم النظام.
من هذه البيانات استخلصا استنتاجين رئيسيين: 1) “عملية التباطؤ أكثر حساسية لحجم المحرك-الدوار من عملية التسارع”، 2) “يجب دراسة تأثير جميع عوامل الإدخال بشكل أكبر لتحديد متغيرات الإدخال الأساسية للاستجابة العابرة. يجب أن يكون نطاق قيم الإدخال واسعًا قدر الإمكان.”
الشكل 3: زمن استقرار جميع المحركات مرسوم مقابل التغير في عدد الدورات في الدقيقة
يرتبط استنتاج ثالث وغير متوقع مستخلص من الدراسة بالديناميكا الحرارية، 3) “درجة الحرارة والإدارة الحرارية اعتبارات مهمة للمحركات متغيرة السرعة، خاصة إذا كانت تنمو ولا يوجد تبريد سوى تدفق هواء الدوار.” بعد أن بدأ أحد المحركات في التجربة بإصدار الدخان، أجروا اختبارات متابعة وتمكنوا من توصيف ارتفاع درجة حرارة المحركات بعد توقف المروحة وانقطاع التبريد.
يشير هذا إلى الحاجة إلى استراتيجية إدارة حرارية في الطائرات المسيّرة التي تحمل محركات أكبر، وهو اعتبار تصميم مهم للمصنعين. عند توسيع نطاق المحرك، تزداد المساحة المتاحة للتبديد الحراري مع مربع الحجم، بينما تزداد كتلة النحاس مع مكعب الحجم.
هذا البحث مورد ممتاز للمصنعين للنظر فيه عند تصميم الطائرات المسيّرة الكبيرة. اقرأ الورقة الكاملة لمزيد من التفاصيل حول عملية الاختبار الخاصة بهم.
مزيد من القراءة: دراسة حول تجمد المروحة عند عدد دورات مرتفع