1. Einleitung
Guten Tag. Ich heiße Ilya. Ich komme aus St. Petersburg. Ich bin 31 Jahre alt. Lange Zeit hatte ich die wichtigsten Hobbys - Batterien, Elektrofahrzeuge und Luftfahrt.
Im Jahr 2010 habe ich gelernt, wie man am demokratischsten persönliche Flügel findet:
Gleitschirm mit Motor, Motorschirm, angetriebenem Gleitschirm. Der leichteste und langsamste Vertreter der ultraleichten Luftfahrt.
Das ist wirklich eine erstaunliche Sache! Eine echte persönliche Flugmaschine aus Filmen über die Zukunft, die es ermöglichte, den Traum der Menschheit zu verwirklichen, wie ein Vogel zu fliegen!
Es besteht aus einem separat erhältlichen weichen Flügel - einem Gleitschirm und einem Kraftwerk - einem Ranzen mit einem Motor und einer Schraube, die am Rücken getragen werden. Sie können in Höhen von null bis 5000 Metern mit Geschwindigkeiten von 35 bis 75 km / h fliegen. Es gibt Versionen mit Rädern und einem zweiten Beifahrersitz - Paratrikes.
Das Ganze startet direkt vom Boden aus. Es ist kein "Springen vom Hügel" erforderlich. Alles, was benötigt wird, ist eine ebene, gerollte Lichtung in einem Radius von 200-300 Metern, damit es keine Bäume, Drähte, Masten, Häuser und andere Dinge gibt. Im Internet gibt es für die Abfrage „Motorschirm abheben“ viele Videos zu diesem Thema. Ja, Sie sollten die Einschränkungen der Wetterbedingungen genau beachten, und das Luftgesetzbuch der Russischen Föderation stellt einen gesonderten erheblichen Wissensstand dar, der für das Studium erforderlich ist. In einem weiteren Gespräch geht es auch darum, die Flüge zu diesem Thema zu meistern - in der Regel dauert es mit einem erfahrenen Instruktor ca. 3 Monate.
In der Zeit von 2011 bis 2016 habe ich im Werk mit dem Moster-185-Verbrennungsmotor Hunderte von Stunden und Tausende von Kilometern Strecken geflogen:
Kurzinformation dazu.
Zweitakt-Benziner, Einzylinder, 185 ccm Maximale Leistung 25 PS (18 kW), maximale Drehung an der Kurbelwelle - 8300 U / min, maximale Drehung an der Schnecke mit einem Durchmesser von 125 cm - 2950 U / min, maximale statische Traktion - 70 kg, Kraftstoffverbrauch im Geradeausflug ohne Satz - ungefähr 3-4 Liter / Stunde. Motorgewicht - 25 kg.
Es flog erstaunlicherweise auf dem Motorschirm Moster-185. Kraftvoll, zuverlässig, mit leichtem Gegenwind in wenigen Schritten vom Boden gerissen. Es war möglich, drei Stunden lang mit einem Panzer zu fliegen, ohne anzuhalten, was bei einer Flügelgeschwindigkeit von 40 km / h mehr als hundert Kilometer „Laufen“ bedeutete.
Es gab jedoch Nachteile:
- Anforderungen für das Betanken mit hochwertigem 95-m-Benzin und teurem synthetischem Öl;
- Geräusche, Vibrationen durch Zweitakt;
- der Geruch, die ständigen Behauptungen der Nachbarn der Wohnung, dass "es stinkt, Sie vergiften uns alle" (ja, ich habe den Motorschirm in der Wohnung und sogar den gemieteten mit den Nachbarn in anderen Räumen gelassen);
- Die Notwendigkeit, häufige Wartungsarbeiten durchzuführen, besteht darin, vor jedem Flug Federn auszutauschen, die durch Vibrationen, geräuscharme Blöcke, Dichtungen, Inspektionen von Muttern, Schweißnähten und vielem mehr abgenutzt sind.
Parallel dazu gab es bereits eine etablierte Praxis, ein Elektrofahrrad mit mehreren Zehntausend Kilometern Länge und viele zusammengebaute Li-Ionen-Batterien für Elektrofahrzeuge mit Rädern zu fahren.
Irgendwann wurde die Idee, die Welt der Elektrizität und die Welt der Luftfahrt als Ganzes zu verbinden, sehr obsessiv.
Er interessierte sich sehr für das Prinzip des "Startens mit Batterien" und versuchte es mit dem Gerät, das sollte:
- einen reduzierten Geräuschpegel haben;
- Stellen Sie sicher, dass keine Erschütterungen oder Vibrationen auftreten.
- Benötigen Sie keinen Kraftstoff und keine Verbrauchsmaterialien;
- Keine laufenden Inspektionen und Wartungen erforderlich.
Das erste, womit ich angefangen habe, war die Luftfahrttheorie, um zu verstehen, ob es sich überhaupt lohnt, sich mit diesem Thema zu befassen.
Ich möchte noch einmal die theoretischen Berechnungen wiederholen, die ich vor 6 Jahren in Anwesenheit interessierter Leser durchgeführt habe.
2. Berechnung der erforderlichen Leistung für den Horizontalflug. Startmodus
Das Erste, was man verstehen muss, ist, dass der Gleitschirm trotz seiner offensichtlichen Ähnlichkeit mit einem Gleitschirm oder sogar einem aufblasbaren Ballon (ich habe solche Assoziationen gehört) ein Flügel mit dem typischsten aerodynamischen Flügelprofil ist. Wie ein Flugzeug fliegt und wie ein Gleitschirm fliegt, hat vieles gemeinsam. Sowohl das Flugzeug als auch der Gleitschirm - um Auftrieb zu erzeugen und sich in der Luft zu halten - müssen ständig vorwärts durch die Luft bewegt werden. Und um sich durch das Medium zu bewegen, brauchen Sie einen Beweger, der seinen Widerstand (dieser Umgebung) überwindet.
Jedes Flugzeug, das auf Flügeln basiert, hat einen solchen Indikator wie "aerodynamische Qualität". Dies ist ein Indikator für die aerodynamische Perfektion des Flugzeugs, eine Art Analogie zu seiner "Effizienz" (mögen ernsthafte Techniker mir einen so leichtfertigen Vergleich verzeihen). Je größer die AK ist, desto geringer ist der Schubanteil des Gewichts, der erforderlich ist, um das Gerät in der Luft zu halten, damit es nicht an Höhe verliert. Wenn der Motor abgestellt ist und keine Traktion gibt - dann wird das Flugzeug langsam sinken - planen. Und hier zeigt AK das Verhältnis von horizontaler und vertikaler Geschwindigkeit.
Beim Fliegen mit einem Benzinmotor habe ich auf mehreren Flügen meine Geschwindigkeit und die Abnahmerate bei ausgeschaltetem Motor gemessen.
Die Werte waren wie folgt: eine Geschwindigkeit von 10,3 m / s (gemessen mit GPS in Ruhe), eine Abstiegsgeschwindigkeit von 1,5 m / s (gemessen mit einem Brauninger IQ One Gleitschirmvariometer).
Experimentell erhaltenes AK = 6,8
Es war nicht schwierig, das Startgewicht zu berechnen, indem ich das Gewicht meines Körpers, meines Flügels und meiner Installation addierte - ungefähr 127 kg, und wenn eine strenge Definition des Gewichts - dann ungefähr 1250 Newton.
Teilen Sie das Gewicht durch AK - 1250 / 6.8 = 183 N der erforderlichen Traktion.
Jetzt müssen wir irgendwie von der Größe des erforderlichen Schubes zur mechanischen Kraft auf der Propellerwelle übergehen. Und hier sollten die Zeilen der Formeln gehen.
Aber zum Glück gibt es so ein wundervolles Propeller Selector-Programm, das von Flugzeugmodellierern (und Paramotoristen) getestet wurde. Wir ersetzen unsere Schneckendaten, die Anzahl der Blätter, die Fluggeschwindigkeit und den Voila:
Die mechanische Leistung, die zum Propeller gebracht werden muss, betrug ca. 3300 Watt.
Die Schaltung des elektrischen Paramotors ist einfach: Batterie, BLDC-Regler, bürstenloser Motor.
Es ist notwendig, die Effizienz jeder Verbindung zu nehmen:
- Batterie, Drähte 97% (Innenwiderstand);
- 99% Controller
- Motor 87%.
Gesamtwirkungsgrad: 83,5% (hier sollte gesagt werden, dass der Wirkungsgrad von der erforderlichen Leistung abhängt, so dass ich auf die richtige Weise einige Iterationen durchführen muss. Da ich das Ergebnis jedoch bereits kenne und den Artikel nicht sehr lang gestalten möchte, verzichte ich bewusst darauf einige Punkte).
3300 W / 0,835 = 3950 W.
Fast 4 kW Dauerstromverbrauch. Lassen Sie uns einen Moment innehalten und nachdenken. Was ist 4 kW? Das ist ziemlich viel!
- Dies ist ein Apartment, in dem sich ein Wasserkocher, ein Staubsauger, ein Computer, Lichter und eine Waschmaschine befanden.
- Es ist eine Gelegenheit, ein Elektrofahrrad mit einer Geschwindigkeit von 70 km / h zu fahren.
- es ist so viel wie 72A bei einer Spannung von 55V.
Das ist aber noch nicht alles. Wir müssen uns irgendwie vom Planeten lösen und anfangen, an Anfangshöhe zu gewinnen. 4 kW können wir nur die Reduzierung des Gleitschirms um 1,5 m / s ausgleichen, und wenn wir noch einmal 1,5 m / s an Höhe zulegen wollen, brauchen wir weitere 4 kW. Und noch mehr. Wenn Sie mit dem Propeller-Auswahlprogramm spielen, können Sie feststellen, dass die Effizienz umso schlechter ist, je mehr Leistung wir in den Propeller pumpen:
(Amateure des Flugzeugmodells haben oft Versionen, warum der Wirkungsgrad des Propellers mit zunehmender Geschwindigkeit abnimmt. Und irgendwie konnten sie die richtige Version nicht hören. Jeder sündigt an der Unvollkommenheit der Propellergeometrie, an den Turbulenzen, aber die Angelegenheit liegt in den Grundgesetzen der Physik. Wenn sich die Blattgeschwindigkeit linear erhöht, Sein Schub wächst quadratisch, und der Stromverbrauch zur Überwindung des Luftwiderstands wächst kubisch: Je schneller wir den Propeller drehen, desto mehr Energie fließt in die Beschleunigung der Luft und desto weniger Energie geht an uns, seit unsere Die Fluggeschwindigkeit kann aufgrund der Besonderheiten des Gleitschirmbetriebs nicht erhöht werden. Es müssen Informationen für diejenigen hinzugefügt werden, die nicht mit dem Motor geflogen sind - der Gleitschirm fliegt mit nahezu der gleichen Geschwindigkeit, unabhängig davon, ob der Motor läuft oder nicht auch ein separates Gesprächsthema).
Das Programm zeigte uns 8,36 / 0,835 = 10 kW verbrauchte elektrische Leistung beim Start.
Übersetzt in PS - es geht um 14 PS. Dieser Wert stimmt perfekt mit der maximalen Leistung der leichtesten Motoren des Motors überein. Sie können nicht weniger - Sie werden nicht abheben.
Bei einer Spannung von 55 V beginnt es über die Stromabnahme aus einer Batterie von mehr als 200 A zu sprechen.
3. Wie sind unsere Batterien oder eine kompakte 10 kW-Stromquelle?
Ich wollte mich von Anfang an nicht mit Lithium-Polymer-Modellflugzeugbatterien anlegen. Es war bekannt, dass sie eine solche Last ziehen würden. Aber ich mochte die Geschichten über ihre Schwellung, Explosionen nicht, es gab einige seltsame Gerüchte, dass sie für nur 50 Entladezyklen ausreichten.
Zu dieser Zeit begannen sich die Dampfkultur und die Praxis des Massengebrauchs von 18650 Elementen für sehr belastete Szenarien zu entwickeln.
Im Gegensatz zu Notebook-Zellen verwendete die neue Generation keine Kobaltchemie, sondern NMC - Nickel-Mangan-Kobalt, das große Spitzenentladeströme, eine große spezifische Kapazität, einen Jahr für Jahr niedrigeren Preis und eine geringe Reduzierung der Anzahl von Entladezyklen zur Abrechnung bereitstellte im Vergleich zu LiCoO2 (von 1000 bis 500).
Von Anfang an mochte ich das 18650-Format - ein Stahlgehäuse, ein Notventil zur Druckentlastung, die Bequemlichkeit des Lötens / Schweißens und die Möglichkeit, die gewünschte Form der Batterie einzustellen.
Verwechselt werden nur die deklarierten Beschriftungen in Datenblättern auf Hochstrom 18650: "15A", "20A".
Die Intuition legte nahe, dass in einer ungekühlten Baugruppe, in der sich viele Zellen nebeneinander erwärmen, die maximale Stromaufnahme viel geringer ist.
Es war eine klare Technik erforderlich, um die Fähigkeit zu bewerten, große Dauerströme aus einer kompakten Batterie zu entfernen.
Die Idee war einfach: Die Batterie hat einen Innenwiderstand. Sie hat auch eine Wärmekapazität. Kenntnis des entnommenen Stroms - Sie können die Leistung berechnen, die in der Batterie für die Eigenerwärmung verloren geht. Kenntnis der Zeit - Sie können den Temperaturanstieg des gesamten Akkus durch Wärmeenergie und Wärmekapazität in Grad abschätzen.
Nach einer Reihe von Experimenten mit batteriebetriebenen Batterieanordnungen beträgt die experimentelle Wärmekapazität des Materials, aus dem Li-Ionen-Zellen hergestellt wurden, 0,25 Wh / kg Grad (im Übrigen stimmte dies fast mit den Daten auf ausländischen elektrischen Transportportalen überein - „795 J / kg * K Spezifische Wärmekapazität für Li-Ion (0,22 Wh / kgxC) ”).
Ziffer 3.1. Geschätzte Flugzeit
Bei Paramotoren mit Verbrennungsmotor für zwei oder drei Stunden ist das Hängen in der Luft nicht die Grenze. Manchmal mussten Flüge wegen körperlicher Müdigkeit und nicht wegen Erschöpfung der Treibstoffreserven gestoppt werden.
Mit Batterien funktioniert dieser Trick nicht.
Trotzdem wollte ich mit einer Ladung die maximale Zeit in der Luft verbringen.
Das maximale Gewicht des Gerätes, mit dem es noch angenehm zu fahren ist, beträgt 30 kg.
Von 30 kg - 7 kg geht an den BLDC-Motor + Schraube, 1 kg Draht + Regler, 10 kg - Aufhängungssystem + Metallrahmen.
Es verbleiben 12 kg Gewicht unter der Batterie.
LG-HG2-Zellen wurden ausgewählt, um den minimalen Innenwiderstand und die maximale Kapazität für das 18650-Format zu kombinieren:
Ihre Energiedichte beträgt ca. 0,22 kWh / kg.
Die Gesamtenergiereserve beträgt 12 kg / (0,22 kWh / kg) = 2,6 kWh (240 Zellen).
Spoiler
Wir berechnen die horizontale Flugzeit ohne Berücksichtigung des Spitzenstroms beim Start:
2,6 / 4 = 0,65 Stunden oder 39 Minuten.
Ziffer 3.2. Batterie-Heizleistung
Es ist gleich darauf hinzuweisen, dass der Akku anfangs keine forcierte Kühlung ermöglichte.
- Dies würde zu einer Erhöhung der Komplexität der Montage und der Verzögerung der ersten Flüge auf unbestimmte Zeit führen.
- Unser Team von Spezialisten hatte keine Person, die das Kühlsystem korrekt berechnen konnte. Intuition schlug vor, dass ein einfacher Kühler wenig helfen würde. (Bei einer Batterie mit einem Gewicht von 12 kg müssten schätzungsweise viele zehn Kilogramm Luft durch sich selbst gepumpt werden - und das sind zehn Kubikmeter in zehn Minuten).
- Die Abmessungen und das Gewicht der Batterie würden zunehmen, was für eine Rucksackinstallation, die sehr begrenzte Gewichtsparameter aufweist, äußerst unerwünscht ist.
Die Berechnung basierte ausschließlich auf den Bedingungen, dass die Batterie am Ende der Entladung die vom Zellenhersteller als Grenze festgelegten thermischen Grenzen von 60 Grad kaum erreichen würde.
Eine theoretische Analyse der Erwärmung ergab zudem, dass zunächst auf eine forcierte Kühlung verzichtet werden kann.
Gegeben:
- 15S16P Build-Konfiguration
- Laststrom - 72A
- Innenwiderstand der DC-Batterie - 24 mOhm (experimentell gemessen)
- Flugzeit - 0,65 Stunden
- Batteriegewicht - 12 kg
Wärmeableitung innerhalb der Batterie: (75 A) ^ 2 x 0,024 Ohm x 0,65 h = 88 Wh (Joule-Lenz-Gesetz)
Temperaturanstieg: (88 Wh / 12 kg) / 0,23 Wh / kg-Grad = 32 Grad.
Wenn wir davon ausgehen, dass der elektrische Motor mit einer Temperatur von 25 Grad aus dem Wohnzimmer genommen wird, erreicht die Batterie nach den Flügen eine Temperatur von 25 + 32 = 57 Grad, die in die Temperaturgrenzen passt.
Schlussfolgerungen:
- Moderne Batterien eignen sich zur Lösung des Problems, ein Privatflugzeug mit einer Flugdauer von etwa einer halben Stunde herzustellen.
- Durch den geringen Innenwiderstand von Hochstrom-NMC-Zellen kann in erster Näherung auf Zwangskühlsysteme verzichtet werden;
- Die Verlängerung der Aufenthaltsdauer in der Luft eines Flugzeugs mit einem Gleitschirm als Tragfläche bei begrenzter Energieversorgung sollte einen integrierten Ansatz umfassen:
- die Verwendung eines Gleitschirms mit maximaler aerodynamischer Qualität;
- Erhöhen des Durchmessers der Schraube, um ihre Effizienz zu erhöhen;
- Reduzierung des Startgewichts (ja, einschließlich der Verwendung von Diäten zur Gewichtsreduktion);
- Reduzierung des Rahmengewichts, Aufhängung, um sie für zusätzliche Batteriezellen freizugeben;
- die Verwendung von 3500 mAh-Zellen mit einem etwas größeren Innenwiderstand anstelle von 3000 mAh mit wiederholter thermischer Berechnung.
Fortsetzung im
nächsten Artikel: „Wie man Batterien entlädt oder wie man den elektrischen Motor SkyMax bedient. Teil 2"