ملخصتتكون أنظمة الطاقة للطائرات بدون طيار الموجودة في السوق اليوم بشكل أساسي من أنظمة محرك المكبس وأنظمة الطاقة الكهربائية، وتشكل أنظمة الطاقة الكهربائية غالبية الطائرات بدون طيار المدنية بسبب كثافتها العالية من الطاقة، وصغر حجمها، وخفة وزنها، وسهولة صيانتها، وما إلى ذلك. تقدم هذه الورقة مقدمة أكثر تفصيلاً لمكونات نظام الطاقة للطائرات بدون طيار الكهربائية.

【الكلمات الرئيسية】نظام طاقة الطائرات بدون طيار مصدر الطاقة التحكم في السرعة

حاليًا، يُستخدم نظام محرك المكبس على نطاق واسع في الطائرات بدون طيار الكبيرة والصغيرة والخفيفة. ولانخفاض تكلفته وسهولة استخدامه، يُستخدم نظام الطاقة الكهربائية على نطاق واسع في الطائرات بدون طيار الصغيرة. يتكون نظام الطاقة الكهربائية بشكل رئيسي من ثلاثة أجزاء: مصدر الطاقة، ومحرك الطاقة، ونظام تنظيم السرعة.

1 مصدر الطاقة

يوفر مصدر الطاقة بشكل أساسي الطاقة الكهربائية اللازمة لتشغيل محرك الطاقة. تُستخدم البطاريات الكيميائية عادةً كمصدر طاقة للطائرات الكهربائية بدون طيار، وتشمل بشكل رئيسي بطاريات النيكل-الهيدروجين، وبطاريات النيكل-الكروم، وبطاريات الليثيوم-بوليمر، وبطاريات الليثيوم-أيون. من بين هذه البطاريات، استُبدل النوعان الأولان بشكل كبير ببطاريات الليثيوم-بوليمر نظرًا لوزنها الثقيل وكثافة طاقتها المنخفضة. تختلف بطاريات الطاقة عن البطاريات التقليدية، حيث تتميز بكثافة طاقة عالية ووزن خفيف وخصائص أخرى. هناك العديد من المعايير التي تحدد أداء البطارية، وأهمها قيمة الجهد، وسعة تخزين الطاقة، وسعة التفريغ.

1.1 قيمة جهد البطارية

تُحدَّد قيمة جهد مصدر الطاقة بالفولت (V). على سبيل المثال، يبلغ الجهد الاسمي لبطارية ليثيوم بوليمر عالية الجهد 3.7 فولت، ويمكن أن يصل إلى 4.35 فولت عند الشحن الكامل، بينما يبلغ الحد الأدنى لجهد التفريغ 3.5 فولت. أما بطارية NiMH، فيبلغ الجهد الاسمي 1.2 فولت، ويمكن أن يصل إلى 1.5 فولت عند الشحن الكامل، بينما يبلغ الحد الأدنى لجهد التفريغ 1.1 فولت.

1.2 سعة تخزين الطاقة

يتم تحديد سعة تخزين الطاقة لمصدر الطاقة بالملي أمبير في الساعة (mAh)، مما يعني أنه يمكن تفريغ البطارية لمدة ساعة واحدة عند تفريغها بتيار ثابت، مثل علامة بطارية ليثيوم بوليمر (15C، 20000mAh، 14.8V).

1.3 سعة التفريغ

يتم تحديد سعة تفريغ مصدر الطاقة من خلال معدل التفريغ (C)، مما يعني أقصى رقم لتيار التفريغ الذي يمكن تحقيقه وفقًا لسعة تخزين شعار مصدر الطاقة. على سبيل المثال: شعار مصدر الطاقة لـ 2200MA، 20C، ثم يتم حساب أقصى تيار مستمر لمصدر الطاقة على النحو التالي: السعة X رقم التفريغ C = 2.2X20 = ​​44A. إذا كان مصدر الطاقة أكثر من 44A لفترة طويلة للعمل، سيؤثر بشكل كبير على عمر البطارية. بالنسبة لبطارية ليثيوم بوليمر المستخدمة بشكل شائع، مشحونة بالكامل، جهد خلية واحدة إلى 4.15 ~ 4.20 مناسب، واستخدام جهد خلية واحدة بحد أدنى 3.5 فولت أو أكثر، إذا كانت الحاجة إلى الحفاظ على المدى الطويل، فإن جهد خلية واحدة هو الأفضل لـ 3.85 فولت، تأكد من الانتباه إلى الإفراط في التفريغ والشحن الكامل طويل الأمد للحفاظ على البطارية للبطارية لديها قدر كبير من الضرر.

2 محرك الطاقة

يمكن تقسيم محركات الطاقة المستخدمة في الطائرات بدون طيار الصغيرة إلى فئتين: محرك الفرشاة ومحرك بدون فرشاة. من بينها، لم تعد محركات الفرشاة تُستخدم تدريجيًا في مجال الطائرات بدون طيار نظرًا لانخفاض كفاءتها. يعتمد طراز المحرك بشكل أساسي على الحجم. على سبيل المثال، المحرك بدون فرشاة 2814، يعني الشعار أن طول المحرك باستثناء الملف الإلكتروني للعمود هو 14 مم وقطر ملف الجزء الثابت للمحرك 28 مم. في بعض الأحيان توجد بعض الشعارات التي لا تشير إلى الحجم، ولكن إلى الفئة التي ينتمي إليها. هناك العديد من المؤشرات الفنية لمحركات الطاقة، وأكثرها صلة بخصائص طاقة الطائرات بدون طيار هما السرعة والقدرة. غالبًا ما يتم تحديد سرعة المحرك بالكيلوفولت، مما يعني الزيادة في سرعة المحرك لكل زيادة قدرها 1 فولت. على سبيل المثال، إذا تم وضع علامة على المحرك kV1400، عند استخدام بطارية 12.6 فولت، يمكن أن تصل السرعة إلى 1400 × 12 = 17640. أو 17640 دورة في الدقيقة.

نظام التحكم في السرعة 3

يتحول نظام التحكم في سرعة محرك الطاقة إلى وحدة تحكم إلكترونية للسرعة (ESC)، والعملية برمتها عبارة عن وحدة تحكم إلكترونية للسرعة. وتنقسم محركات الطاقة المختلفة إلى وحدة تحكم إلكترونية للسرعة بفرشاة ووحدة تحكم إلكترونية بدون فرشاة. وتتحكم هذه الوحدة في سرعة محرك الطاقة وفقًا لإشارة تعديل عرض النبضة (PWM) من وحدة التحكم في الطيران.

تكون روابط مصدر الطاقة ووحدة التحكم الإلكترونية ومحرك الطاقة بشكل عام على النحو التالي:

(1) خط إدخال الطاقة لرابط إمداد الطاقة ESC؛

(2) يتم توصيل خط إشارة التحكم في وحدة التحكم في الطيران بخط إشارة وحدة التحكم الإلكترونية في السرعة؛

(3) يتم توصيل خط خرج الطاقة الخاص بـ ESC بمحرك الطاقة.

يرجى ملاحظة أن وحدة التحكم الإلكترونية في الطيران عادة ما تكون مجهزة بخط إخراج طاقة (BWC)، والذي يكون عادةً على خط الإشارة، بجهد يبلغ حوالي 5 فولت، ويُستخدم عادةً لتشغيل وحدة التحكم في الطيران أو جهاز الاستقبال RC أو الدفة.

4 مروحة

مبدأ عمل المروحة هو أن شفرة المروحة للدوران عالي السرعة، سيتم دفع كمية كبيرة من الهواء باستمرار للخلف، بحيث يتم توليد قوة عكسية على الشفرة، والتي هي مصدر طاقة الطائرة بدون طيار. إذا تم قطع المروحة، فإننا نرى من المقطع إلى حد كبير المقطع العرضي للجناح، وبعد الدوران، تتكون سرعة المروحة بالنسبة لتدفق الهواء من جزأين، السرعة الأمامية + سرعة الدوران. عند الدوران، ستشكل قوة ديناميكية هوائية على شفرة المروحة، والقوة المكونة في الاتجاه الأمامي هي ما نسميه غالبًا سحب المروحة. بالإضافة إلى ذلك، عندما تدور المروحة، سيتم تشكيل عزم لمنع المروحة من الدوران، وغالبًا ما نسميه غالبًا عزم الدوران المعاكس، وسيتم موازنة هذا العزم بعزم المحرك. تسمى الزاوية التي تشكلها وتر ملف تعريف المروحة ومستوى الدوران بزاوية تثبيت المروحة. وأخيرًا، عندما تدور المروحة دورة واحدة، غالبًا ما يشار إلى مسافة الدفع الأمامي باسم خطوة المروحة. في الواقع، السرعة الأمامية لكل مقطع على المروحة ثابتة، لكن السرعة المحيطية تتناسب طرديًا مع بُعد المقطع (نصف القطر) عن العمود الدوار، لذا تتناقص الزاوية بين تدفق الهواء النسبي لكل مقطع والمستوى الدوار تدريجيًا مع ازدياد المسافة عن العمود الدوار. وهذا هو سبب التواء كل شفرة مروحة. على سبيل المثال، المروحة ثنائية الشفرات 1240 الشائعة الاستخدام تشير إلى أن قطرها 12 بوصة وزاوية ميلها 40.

5 العلاقة بين نوع الطائرة والمحرك والمروحة

كلما كبرت المروحة المستخدمة بواسطة الطائرة بدون طيار، زاد الالتواء المضاد الذي تنتجه المروحة للطائرة، لذا فإن كيفية اختيار المروحة، سيكون ذلك مرتبطًا بطول جناحي الطائرة بدون طيار، ويجب أن ينتبه اختيار المروحة أيضًا إلى معلمات المحرك المقابل. على سبيل المثال، إذا كانت المروحة 1240، فيجب أن يكون باع الجناح للطائرات بدون طيار ذات الأجنحة الثابتة أكثر من 90 سم مناسبًا، وإلا فإن الالتواء الكبير وعدم استقرار الطيران؛ مثال آخر، مع مروحة 6040 مناسبة لباع الجناح على أكثر من 40 سم. إذا تم استخدام المروحة 4530 في جناح طائرة بدون طيار يزيد طولها عن متر واحد، فهل هذا ممكن؟ بالطبع يمكن ذلك، لكن الطائرة ستطير متعطشة للطاقة للغاية، لأن باع الجناح هو مقاومة طيران كبيرة، وتنتج مروحة 4530 قوة دفع صغيرة بالنسبة للحالة، فهي مثل سيارة صغيرة تجرها الخيول. لذا، عند اختيار نظام طاقة الطائرة بدون طيار، يجب مراعاة العلاقة بين مصدر الطاقة، ومحرك الطاقة، ووحدة التحكم الإلكترونية، والمروحة. يجب أولاً مراعاة حجم طراز الطائرة بدون طيار، وجناحها، وباع جناحيها، ثم اختيار المحرك والمروحة ووحدة الطاقة المناسبة. انتبه جيدًا، فاستخدام مروحة كبيرة الحجم بمحرك عالي الجهد قد يُسبب احتراق المحرك، مما يؤثر على عمر البطارية، وقد يُسبب احتراق وحدة التحكم الإلكترونية. حتى وحدة التحكم الإلكترونية قد تحترق.

6 أجهزة أخرى

مع تطور تكنولوجيا المحركات النفاثة التوربينية المأهولة، يوفر تطوير المحركات النفاثة التوربينية للطائرات بدون طيار أساسًا تقنيًا مهمًا. في الوقت الحاضر، تُستخدم المحركات النفاثة التوربينية الصغيرة في عدد قليل من الطائرات المستهدفة بدون طيار عالية السرعة وطائرات الدفاع الجوي المفاجئة بدون طيار. تتكون آلية المحرك النفاثة التوربينية الصغيرة من أربعة أجزاء: الضاغط، وغرفة الاحتراق، والتوربين، والفوهة. يتمثل دور الضاغط في تمرير الهواء عبر مجرى الهواء بسرعة عالية ليصل في النهاية إلى غرفة الاحتراق. تُستخدم غرفة الاحتراق بشكل أساسي لإشعال الوقود المُدخل للاحتراق. سيدفع الهواء المتمدد التوربين، والذي سيعود إلى التحكم في الضاغط، وسيعمل المحرك في دورة. سيتم استخدام الغاز المتسارع عالي الحرارة من الفوهة في النهاية كقوة دفع للطائرة بأكملها. بالإضافة إلى أنظمة الطاقة المذكورة أعلاه، هناك بعض تطبيقات التوربين العمودي، والتوربيني المروحي، والتوربيني المروحي، ووحدات الطاقة الأخرى في الطائرات بدون طيار.