1. مقدمة
مرحبا اسمي ايليا. أنا من سان بطرسبرغ. عمري 31 سنة. لفترة طويلة ، كان لديّ الهوايات الرئيسية - البطاريات والسيارات الكهربائية والطيران.
في عام 2010 ، تعلمت عن الطريقة الأكثر ديمقراطية لإيجاد أجنحة شخصية:
بالمظلات مع السيارات ، paramotor ، بالمظلات بالطاقة. أخف وأبطأ ممثل الطيران خفيفة.
هذا حقا شيء مدهش! آلة طيران شخصية حقيقية من أفلام عن المستقبل ، والتي مكنت من تحقيق حلم البشرية أن تطير مثل الطيور!
وهو يتألف من جناح ناعم تم شراؤه بشكل منفصل - طائرة شراعية ومحطة كهرباء - حقيبة مزودة بمحرك وبرغي ، يتم ارتداؤها على ظهره. يمكنك الطيران على ارتفاعات من الصفر إلى 5000 متر بسرعات من 35 إلى 75 كم / ساعة. هناك إصدارات مع عجلات ومقعد الركاب الثاني - paratrikes.
هذا كل شيء تقلع مباشرة من الأرض. لا حاجة "القفز من التل". كل ما نحتاج إليه هو شفرة مسطح مدورة وفي دائرة نصف قطرها 200-300 متر بحيث لا توجد أشجار وأسلاك وأعمدة ومنازل وأشياء أخرى. على الإنترنت ، للاستعلام "paramotor takeoff" ، يوجد العديد من مقاطع الفيديو حول هذا الموضوع. نعم ، يجب عليك التقيد الصارم بالقيود المفروضة على الظروف الجوية وقانون الطيران في الاتحاد الروسي هو كمية كبيرة منفصلة من المعرفة المطلوبة للدراسة. أيضًا ، موضوع محادثة أخرى هو إتقان الرحلات على هذا الشيء - كقاعدة عامة ، يستغرق الأمر حوالي 3 أشهر مع مدرب ذي خبرة.
في الفترة من 2011 إلى 2016 ، كنت أقوم بنشاط برحلات مئات الساعات وآلاف الكيلومترات في المصنع باستخدام محرك الاحتراق الداخلي Moster-185:
معلومات موجزة عن ذلك.
محرك بنزين ثنائي الأشواط ، أسطوانة واحدة ، 185 سم مكعب أقصى قوة 25 حصان (18 كيلو واط) ، أقصى دوران على العمود المرفقي - 8300 دورة في الدقيقة ، أقصى دوران على المسمار بقطر 125 سم - 2950 دورة في الدقيقة ، جر ثابت أقصى - 70 كجم ، استهلاك الوقود في رحلة مباشرة بدون مجموعة - حوالي 3-4 لتر / ساعة. الباراموتور الوزن - 25 كجم.
طار على paramotor Moster-185 بشكل مثير للدهشة. قوية وموثوقة ، مزق الأرض في بضع خطوات مع الرياح المعاكسة الصغيرة. كان من الممكن الطيران على دبابة واحدة لمدة ثلاث ساعات دون توقف ، مما أعطى بسرعة الجناح 40 كم / ساعة أكثر من مائة كيلومتر من "الجري".
ومع ذلك ، كانت هناك عيوب:
- متطلبات التزود بالوقود بنزين عالي الجودة بطول 95 م وزيت اصطناعي باهظ الثمن ؛
- الضوضاء والاهتزازات من ضربتين.
- الرائحة ، والادعاءات المستمرة لجيران الشقة بأنها "نتنة ، أنت تسممنا جميعًا" (نعم ، أبقيت الباروتور في الشقة وحتى المستأجرة ، مع الجيران في غرف أخرى) ؛
- الحاجة إلى إجراء صيانة متكررة هي استبدال الينابيع التي تبلى من الاهتزازات والكتل الصامتة والحشيات وفحص المكسرات واللحامات ومجموعة من كل شيء قبل كل رحلة.
في موازاة ذلك ، كان هناك بالفعل ممارسة راسخة لركوب دراجة كهربائية بعشرات الآلاف من الكيلومترات والعديد من بطاريات Li-ion المجمعة للسيارات الكهربائية ذات العجلات.
في مرحلة ما ، أصبحت فكرة الجمع بين عالم الكهرباء وعالم الطيران ككل مهووس للغاية.
كان مهتمًا جدًا بمبدأ "خلع البطاريات" ، فضلاً عن تجربة الجهاز ، الذي كان من المفترض أن:
- لديك انخفاض مستوى الضوضاء.
- ضمان عدم وجود اهتزاز والاهتزاز.
- لا تحتاج الوقود والمواد الاستهلاكية.
- لا تتطلب عمليات تفتيش وصيانة مستمرة.
أول شيء بدأت به هو نظرية الطيران لفهم ما إذا كان الأمر يستحق المشاركة في هذا الموضوع على الإطلاق.
أود أن أكرر الحسابات النظرية التي أجريتها قبل 6 سنوات ، ولكن بحضور القراء المهتمين بالفعل.
2. حساب الطاقة المطلوبة للطيران الأفقي. وضع الإقلاع
أول شيء يجب أن نفهمه هو أنه على الرغم من تشابهها الواضح مع المظلة أو حتى بالون قابل للنفخ (سمعت مثل هذه الجمعيات) ، فإن المظلة هي جناح ذو مظهر جانبي ديناميكي للجناح. كيف تحلق طائرة وكيف تطير طائرة شراعية. كل من الطائرة والمظلة - من أجل خلق رفع والحفاظ على أنفسهم في الهواء - من الضروري التحرك باستمرار إلى الأمام عبر الهواء. وللتحرك في الوسط - تحتاج إلى محرك يتغلب على مقاومته (هذه البيئة).
أي طائرة تعتمد على الأجنحة - لديها مؤشر مثل "الجودة الهوائية". هذا مؤشر على كمال الديناميكية الهوائية للطائرة ، وهو نوع من التناظرية عن "كفاءتها" (قد يغفر لي الفنيون القاسيون هذه المقارنة التافهة). كلما زاد حجم AK - انخفضت نسبة الضغط من الوزن الضروري لإبقاء الجهاز في الهواء بحيث لا يفقد الطول. إذا كان المحرك في وضع إيقاف التشغيل ولا يعطي الجر - فإن الطائرة سوف تنخفض ببطء - تخطط. وهنا AK يظهر نسبة السرعات الأفقية والرأسية.
أثناء الطيران على محرك البنزين ، قمت بقياس سرعتي في عدة رحلات ومعدل التراجع مع إيقاف تشغيل المحرك.
كانت القيم على النحو التالي: سرعة 10.3 م / ث (تقاس بواسطة GPS في هدوء) ، وسرعة نزول 1.5 م / ث (تقاس بمقياس مظلات Brauninger IQ One).
تم الحصول عليها بشكل تجريبي AK = 6.8
لم يكن من الصعب حساب وزن الإقلاع عن طريق إضافة وزن جسدي وجناحي والتركيب - حوالي 127 كجم ، وإذا كان هناك تعريف صارم للوزن - ثم حوالي 1250 نيوتن.
اقسم الوزن على AK - 1250 / 6.8 = 183 N من الجر المطلوب.
الآن نحن بحاجة إلى الانتقال بطريقة أو بأخرى من حجم الاتجاه المطلوب إلى القوة الميكانيكية على عمود المروحة. وهنا يجب أن تذهب خطوط الصيغ.
لكن لحسن الحظ ، هناك برنامج رائع مثل Propeller Selector ، تم اختباره من قبل مصممي الطائرات (و paramotorists). نحن نستبدل بياناتنا الملولبة وعدد الشفرات والسرعة الجوية وفويلا:
كانت القوة الميكانيكية التي يجب إحضارها إلى المروحة حوالي 3300 واط.
دائرة paramotor الكهربائية بسيطة: البطارية ، وحدة تحكم BLDC ، محرك بدون فرش.
من الضروري أن تأخذ كفاءة كل رابط:
- البطارية ، الأسلاك 97 ٪ (المقاومة الداخلية) ؛
- 99 ٪ تحكم
- المحرك 87 ٪.
الكفاءة الكلية: 83.5٪ (يجب أن يقال هنا أن الكفاءة تعتمد على القوة المطلوبة ، لذلك في الطريقة الصحيحة ، لا بد لي من إجراء بعض التكرارات ، لكن بما أنني أعرف النتيجة بالفعل ولا أريد أن أجعل المقال طويلاً ، فأنا أغفل عن وعي بعض النقاط).
3300 واط / 0.835 = 3950 واط.
ما يقرب من 4 كيلو واط من استهلاك الطاقة المستمر. دعونا نتوقف للحظة والتفكير. ما هو 4 كيلو واط؟ هذا كثير جدا!
- هذه شقة تضمنت غلاية ومكنسة كهربائية وجهاز كمبيوتر وأضواء وغسالة ملابس ؛
- إنها فرصة لركوب دراجة كهربائية بسرعة 70 كم / ساعة ؛
- انها بقدر 72A في الجهد من 55V.
لكن هذا ليس كل شيء. نحن بحاجة إلى الخروج بطريقة أو بأخرى عن الكوكب والبدء في كسب الارتفاع الأولي. 4 كيلو واط لا يمكننا تعويض سوى انخفاض طائرة بالمظلات الخاصة بـ 1.5 م / ث ، وإذا أردنا كسب 1.5 م / ث أخرى ، فإننا نحتاج إلى 4 كيلوواط أخرى. وحتى أكثر من ذلك. إذا كنت تلعب مع برنامج Propeller Selector ، يمكنك أن ترى أنه كلما زادت الطاقة التي نضخها في المروحة ، كلما كانت كفاءتها أسوأ:
(غالباً ما يكون لهواة تصميم الطائرات إصدارات لماذا تتناقص كفاءة المروحة مع زيادة السرعة. وبطريقة ما لم يتمكنوا من سماع الإصدار الصحيح. الكل يخطئ في عيوب هندسة المروحة ، في حالة الاضطراب ، ولكن الأمر في قوانين الفيزياء الأساسية. إذا كانت سرعة الشفرة تزداد بشكل خطي ، يزداد اتجاهها من الناحية الرباعية ، ويزداد استهلاك الطاقة للتغلب على مقاومة الهواء ، وبكلمات بسيطة ، كلما أسرعنا في تدوير المروحة ، زادت الطاقة في تسريع الهواء وتذهب إلينا طاقة أقل ، لأن لدينا لا يمكن أن يزيد سرعة الهواء بسبب تفاصيل تشغيل الطائرة الشراعية. يجب إضافة معلومات لأولئك الذين لم يطيروا بالطائرات الشراعية - يطير الطيران الشراعي بنفس السرعة تقريبًا بغض النظر عن ما إذا كان المحرك يعمل أم لا ، والسرعة لا تعتمد على الغاز. أيضا موضوع منفصل للمحادثة).
أظهر لنا البرنامج 8.36 / 0.835 = 10 كيلو واط من الطاقة الكهربائية المستهلكة عند الإقلاع.
ترجمت إلى حصانا - إنها حوالي 14 حصان. تتوافق هذه القيمة تمامًا مع أقصى طاقة للمحركات الأخف وزنا على المحرك. لا يمكنك أن تفعل أقل - لن تقلع.
عند جهد 55 فولت ، يبدأ الحديث عن المجموعة الحالية من بطارية أكثر من 200A.
3. كيف هي البطاريات لدينا أو مصدر طاقة مدمج 10 كيلو واط؟
منذ البداية ، لم أكن أرغب في الفوضى باستخدام بطاريات طائرات طراز ليثيوم بوليمر. كان معروفًا أنهم سيسحبون مثل هذا الحمل. لكنني لم أحب القصص المتعلقة بتورمهم وانفجاراتهم ، كانت هناك بعض الشائعات الغريبة التي كانت كافية لمدة 50 دورة شحن فقط.
بحلول ذلك الوقت ، بدأت ثقافة vape وممارسة الاستخدام الضخم لـ 18650 عنصر في السيناريوهات المحملة للغاية في التطور.
على عكس خلايا الكمبيوتر المحمول ، لم يستخدم الجيل الجديد كيمياء الكوبالت ، ولكن NMC - النيكل المنغنيز والكوبالت ، الذي قدم تيارات تفريغ كبيرة الذروة ، وقدرة كبيرة محددة ، وانخفاض الأسعار سنة بعد سنة ، وتخفيضًا صغيرًا في عدد دورات شحن التصريف كمكافأة مقارنة LiCoO2 (من 1000 إلى 500).
من البداية ، أحببت شكل 18650 - جسم فولاذي ، صمام طوارئ لتخفيف الضغط ، راحة لحام / لحام ، القدرة على ضبط الشكل المطلوب للبطارية.
حائر فقط النقوش المعلنة في أوراق البيانات على 18650 عالية الحالية: "15A" ، "20A".
اقترح الحدس أنه في مجموعة غير مبردة ، حيث تقوم العديد من الخلايا بتدفئة بعضها البعض جنبًا إلى جنب ، سيكون الحد الأقصى للمجموعة الحالية أقل كثيرًا.
كانت هناك حاجة إلى تقنية واضحة لتقييم القدرة على إزالة التيارات المستمرة الكبيرة من بطارية مدمجة.
كانت الفكرة بسيطة: البطارية لديها مقاومة داخلية. لديها أيضا قدرة الحرارة. معرفة التيار الذي تمت إزالته - يمكنك حساب الطاقة المفقودة داخل البطارية للتدفئة الذاتية. معرفة الوقت - يمكنك تقدير زيادة درجة الحرارة في درجات حزمة البطارية بالكامل من خلال الطاقة الحرارية والقدرة الحرارية.
بعد إجراء سلسلة من التجارب مع مجموعات البطاريات التي تعمل بالبطارية ، تبلغ السعة الحرارية التجريبية للمادة التي صنعت منها خلايا Li-ion 0.25 واط / كجم (بالمناسبة ، تزامن ذلك تقريبًا مع البيانات الموجودة على بوابات النقل الكهربائية الأجنبية - "795 J / kg * K" السعة الحرارية المحددة لـ Li-Ion (0.22 Wh / kgxC) ").
البند 3.1. يقدر وقت الرحلة
بالنسبة للمحركات ذات المحركات الاحتراق الداخلي لمدة ساعتين أو ثلاث ساعات ، فإن تعليق الهواء ليس هو الحد الأقصى. في بعض الأحيان كان لا بد من وقف الرحلات الجوية بسبب التعب البدني ، وليس استنفاد احتياطيات الوقود.
مع البطاريات ، لن تعمل هذه الخدعة.
ومع ذلك ، أردت الحصول على الحد الأقصى من الوقت الذي تقضيه في الهواء من تهمة واحدة.
الحد الأقصى لوزن الوحدة التي لا تزال مريحة في تشغيلها هو 30 كجم.
من 30 كجم - 7 كجم يذهب إلى BLDC motor + screw ، 1 كجم من السلك + جهاز التحكم ، 10 كجم - نظام التعليق + الإطار المعدني.
لا يزال هناك 12 كجم من الوزن تحت البطارية.
تم اختيار خلايا LG - HG2 على أنها تجمع بين الحد الأدنى من المقاومة الداخلية والسعة القصوى لتنسيق 18650:
تبلغ كثافة الطاقة حوالي 0.22 كيلو واط / كجم.
إجمالي احتياطي الطاقة هو 12 كجم / (0.22 كيلو واط ساعة / كجم) = 2.6 كيلو واط ساعة (240 خلية).
المفسد:
نحسب وقت الطيران الأفقي دون مراعاة الذروة الحالية عند الإقلاع:
2.6 / 4 = 0.65 ساعة أو 39 دقيقة.
البند 3.2. تصنيف تسخين البطارية
تجدر الإشارة إلى أن البطارية لم توفر في البداية أي تبريد قسري.
- هذا من شأنه أن يؤدي إلى زيادة في تعقيد التجمع وتأخير الرحلات الجوية الأولى إلى أجل غير مسمى.
- لم يكن لدى فريق المتخصصين لدينا شخص يمكنه حساب نظام التبريد بشكل صحيح. اقترح الحدس أن برودة بسيطة من شأنها أن تساعد قليلا. (البطارية التي تزن 12 كجم عند مستوى تقديري لا تتطلب سوى ضخ عشرات الكيلوجرام من الهواء من خلالها - وهذا هو عشرات الأمتار المكعبة في بضع عشرات من الدقائق).
- ستزداد أبعاد البطارية ووزنها ، وهو أمر غير مرغوب فيه للغاية لتركيب حقيبة ظهر ، والذي يحتوي على معايير وزن محدودة للغاية.
اعتمد الحساب فقط على الظروف التي لن تصل البطارية إلى الحدود الحرارية عند 60 درجة ، والتي تحددها الشركة المصنعة للخلية كحد أقصى ، في نهاية التفريغ.
بالإضافة إلى ذلك ، أظهر تحليل نظري للتدفئة أنه في البداية ، يمكن الاستغناء عن التبريد القسري.
معين:
- 15S16P بناء التكوين
- الحمل الحالي - 72A
- المقاومة الداخلية لبطارية التيار المستمر - 24 مللي أمبير (تقاس تجريبياً)
- زمن الرحلة - 0.65 ساعة
- وزن البطارية - 12 كجم
تبديد الحرارة داخل البطارية: (75 أ) ^ 2 × 0.024 أوم × 0.65 ساعة = 88 واط (قانون جول-لينز)
زيادة درجة الحرارة: (88 واط / 12 كجم) / 0.23 واط / كجم درجة = 32 درجة.
إذا افترضنا أن الباراموتور الكهربائي يتم إخراجه من غرفة المعيشة بدرجة حرارة 25 درجة ، وبعد ذلك تصل درجة حرارة البطارية إلى 25 + 32 = 57 درجة ، والتي تتناسب مع حدود درجة الحرارة.
الاستنتاجات:
- البطاريات الحديثة مناسبة لحل مشكلة إنشاء طائرة شخصية لمدة رحلة نصف ساعة تقريبًا ؛
- تسمح المقاومة الداخلية الصغيرة لخلايا NMC عالية التيار ، بالتقريب الأول ، بالاستغناء عن أنظمة التبريد القسري ؛
- يجب أن تتضمن الزيادة في مدة البقاء في الهواء لطائرة تستخدم طائرة شراعية كجناح داعم ، في ظل وجود إمدادات محدودة من الطاقة - نهجًا متكاملًا:
- استخدام طائرة بالمظلات مع أقصى قدر من الجودة الهوائية ؛
- زيادة قطر المسمار من أجل زيادة كفاءتها ؛
- انخفاض في وزن الإقلاع (نعم ، بما في ذلك استخدام الوجبات الغذائية لفقدان الوزن) ؛
- تقليل وزن الإطار ، والتعليق من أجل تحريره لخلايا البطارية الإضافية ؛
- استخدام 3500 خلية ماه ، مع مقاومة داخلية أكبر قليلاً ، بدلاً من 3000 مللي أمبير مع حساب حراري متكرر.
تابع في
المقالة التالية: "كيفية خلع البطاريات أو ممارسة تشغيل محرك كهربائي SkyMax paramotor. الجزء 2 "