كيف يمكن أن تكون طائرة بدون طيار تعمل بالطاقة الشمسية؟

تبدو الفكرة رائعة: وضع الألواح الشمسية على الطائرة بدون طيار ، وبعد ذلك لن يحتاج إلى بطارية. بدونها ، يمكن التحكم في الطائرة بدون طيار بينما تشرق الشمس. هذا رائع (على افتراض أن نواياك نقية). هذا هو بالضبط ما فعله الطلاب في جامعة سنغافورة الوطنية .

ولكن من الفيديو يتضح أن طائرتهم المسطحة مسطحة مثل ورقة الشجر. لذلك ، في الواقع ، السؤال هو: ما الكتلة والحجم الذي يمكن أن يكون لمثل هذا الجهاز بحيث يمكن أن يرتفع في الهواء فقط على الطاقة الشمسية؟ سوف أجيب على هذا السؤال وأزودك بآلة حاسبة خاصة للطائرات الرباعية التي تعمل بالطاقة الشمسية.

الطاقة الشمسية

الطاقة هي الطاقة لكل وحدة زمنية تقاس بالواط. من الناحية المثالية ، تحتاج إلى إعادة توجيه كل الطاقة من الألواح الشمسية إلى الطيران. هذا يعني أنه لا حاجة إلى بطارية للتخزين المؤقت للطاقة - وجيد ، لأنه سيزيد فقط الكتلة. ولكن ما مقدار الطاقة التي يمكنك عصرها من الألواح الشمسية؟ هذه هي المشكلة الحقيقية.

يعتمد خرج الطاقة من الألواح الشمسية على القيم التالية:

• قوة الشمس. تبلغ طاقة الطاقة الشمسية على سطح الأرض حوالي 1000 واط لكل متر مربع. لا يمكن تغيير هذه القيمة بدون تغيير الشمس (وهذا غير مستحسن) (E)
• حجم الألواح الشمسية. كلما كبرت البطارية ، زادت الطاقة. لنبدأ بـ 0.04 م ² (أ)
• كفاءة البطارية الشمسية. لا يعني مجرد سقوط 1000 واط / م ² على اللوحة أن كل هذه الطاقة ستتحول إلى كهرباء. يبدو لي أن الرقم الموثوق هو 28٪ (هـ)
• زاوية التوجيه. من الأفضل أن تضرب أشعة الشمس اللوحة بشكل عمودي. لكن الشمس ، على الأرجح ، لن تكون على حق في ذروتها. ماذا عن الزاوية 45 = 45 °؟

ونتيجة لذلك ، نحصل على إنتاج الطاقة وفقًا للمعادلة التالية:

$$

$$P = e A E cos \ theta$$

وهذه هي الطاقة الشمسية.

طاقة الطيران

إن حساب طاقة الطيران لطائرة رباعية هو أكثر صعوبة. ومع ذلك ، سيكون هذا الحساب صحيحًا لأي طائرة تقلع بدعم من الهواء.

لنبدأ بطبيعة القوى والحركة. لإعطاء سرعة كائن يستريح ، مطلوب القوة. يعتمد حجم القوة على كتلة الجسم وحجم السرعة والوقت الذي تتغير فيه. سنستبدل العنصر بالهواء - وهذا هو بالضبط ما يستخدمه جهازنا للطيران. يمكن زيادة قوة رد الفعل باستخدام كتلة كبيرة من الهواء أو مساحة كبيرة من الدوار. كما يمكن زيادتها بزيادة سرعة الهواء.

محاكاة التوجه كوادكوبتر

لا يمكن تسمية الديناميكا الهوائية لدوار دوار تافهة. ومع ذلك ، لم توقفني هذه المشاكل في وقت سابق على طريق بناء نموذج مبسط. في النموذج المادي التالي المبسط للغاية ، سأفترض أن قوة دفع المروحية تظهر بسبب تغير في زخم الهواء يتحرك لأسفل. لتحقيق الجر الكافي لرحلة طائرات الهليكوبتر ، لدينا طريقتان. يمكنك أخذ برغي صغير ودفع الهواء لأسفل بسرعة كبيرة ، أو أخذ برغي كبير ودفع الهواء ببطء أكثر.

إذا كانت منطقة اللولب A ، وكانت كثافة الهواء ρ ، فسيتم التعبير عن قوة الرفع من حيث سرعة الهواء على النحو التالي:

$$

$$F_ {height} = {{dp_ {air}} \ over {dt}} = {{\ rho A v ^ 2} \ على {2}}$$

ماذا عن السلطة؟ القوة هي التغير في الطاقة الحركية للهواء مقسومة على الفترة الزمنية. كلما كان الهواء أسرع ، زادت الطاقة الحركية وأقصر الفاصل الزمني. لقد استشهدت بالاستنتاج الكامل لهذه الصيغة في مقال حول آلة طيران تعمل بالطاقة العضلية . هنا تعبير للسلطة.

$$

$$P = {{\ rho A v ^ 3} \ على {4}}$$

نظرًا لأن الطاقة تتناسب مع مكعب سرعة الهواء ، بالنسبة لطائرة هليكوبتر ذات قوة عضلية ، يجب أن تكون صغيرة ، مما يعني أن الطائرة يجب أن تكون كبيرة. هكذا هي .

الآن إلى جدولي المفضل. كنت أعلم أن نموذجي يمكن أن يكون لا يمكن الدفاع عنه تمامًا ، لذلك درست البيانات على المروحيات الحقيقية. استنادًا إلى كتلة المروحة وحجمها ، يمكنك حساب قوة الطيران ومقارنتها بقوة المحرك المحددة. هنا رسم بياني - القوة المحسوبة مقابل الطاقة المحددة لبعض المروحيات.



لقد فوجئت جدا بخطية البيانات.

المزيد من بيانات طائرات الهليكوبتر

أراني صديق لي ، مدمن على إنشاء طائرة رباعية الدفع الخاصة به ، موقع T-Motor الإلكتروني ، الذي يسرد الكثير من المحركات الكهربائية والبيانات عن كفاءتها. فيما يلي المواصفات المدرجة هناك:

• الحجم.
• الجهد.
• الحالي.
• التوجه يعتمد على الخانق.
• سرعة الدوران.
• الطاقة هي نتاج التيار والجهد.

ما الذي يمكن فعله حيال ذلك؟ نظرًا لأن لدي حجم ودفع المسمار ، يمكنني حساب سرعة الهواء. يمكن استخدامه لحساب القوة النظرية والمقارنة مع القوة المحددة. هذا ما حصلت عليه.



أجل. لا تزال خطية. هنا كنت قلقا بعض الشيء بالفعل - بدا من غير المحتمل أن النموذج المبسط لقوة دفع المروحيات سيعمل على هذا النطاق. علاوة على ذلك ، حتى منحدر الرسوم البيانية متشابه - 0.656 و 0.411. ماذا يعني هذا المنحدر؟ هذا يعني أن قوة تصميمي أقل مرتين تقريبًا. إذا كتبت السلطة على النحو التالي:

$$

$$P = {{\ rho A v ^ 3} \ على {2}}$$

ثم سوف تتطابق القوة المحسوبة مع المحدد. لست متأكدا من أين جاء تعالى. ربما أخطأت بأخذ المشتق في حساب متوسط ​​سرعة الهواء.

إذا كانت لدينا بيانات ، فيمكننا بناء جدول زمني آخر ، وهو جائزة. اعتماد سرعة الهواء المقدرة على سرعة دوران المسمار.



ماذا يعني هذا؟ كلما زادت سرعة دوران شفرات الدوار ، زادت سرعة تحريك الهواء. أظن أنه هنا متغير آخر مهم - ميل الشفرات.

العودة إلى الطاقة الشمسية

لكننا لسنا بحاجة إلى الجر ، نحتاج إلى القوة. زيادة سرعة الهواء تزيد من طاقته الحركية. كلما زادت الطاقة الحركية الأسرع ، زادت الطاقة المطلوبة لذلك.



هذا يعني أنه يمكنك صنع طائرة ذات مراوح صغيرة تدفع الهواء بسرعة كبيرة ، أو بمروحة كبيرة تدفع الهواء بشكل أبطأ. لكن طاقة هذين الخيارين مختلفة. تتناسب الطاقة الحركية مع مربع السرعة ، لذلك تتطلب المروحة الصغيرة طاقة أكبر بكثير للطيران. لذلك ، يجب أن تكون طائرة هليكوبتر حقيقية ذات قوة عضلية ضخمة بحيث تحتوي على طاقة بشرية كافية.

حساب القوة

بدلاً من مراعاة جميع الخيارات الممكنة لحجم quadrocopter والمراوح والألواح الشمسية ، فضلاً عن فعاليتها ، قمت للتو بآلة حاسبة - برنامج Python يحسب حجم المسمار الذي يحتاجه الجهاز ليطير مع المعلمات المعطاة.

مع تقديراتي الأولية ، حصلت على قطر لولبي يبلغ 5.9 سم ، وهو أمر يمكن تصديقه. ويمكن الآن حساب جميع الخيارات مع زيادة الكتلة أو تغيير حجم الألواح الشمسية على الآلة الحاسبة.