1. Introduction
Bonjour Je m'appelle Ilya. Je viens de Saint-Pétersbourg. J'ai 31 ans. Pendant longtemps, j'ai eu les principaux passe-temps - batteries, véhicules électriques et aviation.
En 2010, j'ai découvert la manière la plus démocratique de trouver des ailes personnelles:
Parapente avec moteur, paramoteur, parapente motorisé. Le représentant le plus léger et le plus lent de l'aviation ultra-légère.
C'est vraiment une chose incroyable! Une véritable machine volante personnelle à partir de films sur l'avenir, qui a permis de réaliser le rêve de l'humanité de voler comme un oiseau!
Il se compose d'une aile souple achetée séparément - un parapente et une centrale électrique - une sacoche avec un moteur et une vis, portée à l'arrière. Vous pouvez voler à des altitudes de zéro à 5000 mètres avec des vitesses de 35 à 75 km / h. Il existe des versions avec roues et un deuxième siège passager - paratrikes.
Tout cela décolle du sol. Aucun "saut de la colline" n'est nécessaire. Tout ce qu'il faut, c'est une clairière plane et roulée dans un rayon de 200 à 300 mètres pour qu'il n'y ait pas d'arbres, de fils, de poteaux, de maisons et d'autres choses. Sur Internet, pour la requête «décollage paramoteur» il existe de nombreuses vidéos sur ce sujet. Oui, vous devez respecter strictement les restrictions sur les conditions météorologiques et le Code aérien de la Fédération de Russie est une quantité importante de connaissances distinctes requises pour l'étude. De plus, le sujet d'une autre conversation est de maîtriser les vols sur cette chose - en règle générale, cela prend environ 3 mois avec un instructeur expérimenté.
Au cours de la période de 2011 à 2016, je volais activement des centaines d'heures et des milliers de kilomètres de routes à l'usine avec le moteur à combustion interne Moster-185:
Brève information à ce sujet.
Moteur à essence à deux temps, monocylindre, 185 cc Puissance max 25 ch (18 kW), rotation max sur le vilebrequin - 8300 tr / min, rotation max sur la vis d'un diamètre de 125 cm - 2950 tr / min, traction statique max - 70 kg, consommation de carburant en vol rectiligne sans ensemble - environ 3-4 litres / heure. Poids du paramoteur - 25 kg.
Il a volé étonnamment sur le paramoteur Moster-185. Puissant, fiable, a arraché le sol en quelques étapes avec un petit vent de face. Il a été possible de voler sur un char pendant trois heures sans s'arrêter, ce qui à une vitesse de l'aile de 40 km / h a donné plus d'une centaine de kilomètres de «course».
Cependant, il y avait des inconvénients:
- les exigences de ravitaillement en carburant avec de l'essence de haute qualité de 95 m et de l'huile synthétique coûteuse;
- bruit, vibrations de deux temps;
- l'odeur, les affirmations constantes des voisins de l'appartement selon lesquelles "ça pue, vous nous empoisonnez tous" (oui, j'ai gardé le paramoteur dans l'appartement, et même le loué, avec des voisins dans d'autres pièces);
- la nécessité d'effectuer un entretien fréquent - pour remplacer les ressorts qui s'usent à cause des vibrations, les silentblocs, les joints, inspecter les écrous, les soudures et tout un tas avant chaque vol.
En parallèle, il existait déjà une pratique établie de faire du vélo électrique de plusieurs dizaines de milliers de kilomètres et de nombreuses batteries Li-ion assemblées pour véhicules électriques à roues.
À un moment donné, l'idée de combiner le monde de l'électricité et le monde de l'aviation dans son ensemble est devenue très obsessionnelle.
Il était très intéressé par le principe du "décollage sur batteries", ainsi que par l'essai de l'appareil, qui était censé:
- ont un niveau de bruit réduit;
- assurer l'absence de secousses et de vibrations;
- Pas besoin de carburant et de consommables;
- Ne nécessite pas d'inspections et d'entretien continus.
La première chose que j'ai commencée était avec la théorie de l'aviation pour comprendre s'il valait vraiment la peine de s'impliquer dans ce sujet.
Je voudrais répéter les calculs théoriques que j'ai refait il y a 6 ans, mais déjà en présence de lecteurs intéressés.
2. Calcul de la puissance requise pour le vol horizontal. Mode décollage
La première chose à comprendre est que malgré toute sa similitude apparente avec un parapente ou même un ballon gonflable (j'ai entendu de telles associations), le parapente est une aile avec le profil d'aile aérodynamique le plus typique. Comment un avion vole et comment vole un parapente a beaucoup de points communs. L'avion et le parapente - afin de créer de la portance et de se maintenir en l'air - il est nécessaire d'avancer constamment dans les airs. Et pour se déplacer dans le médium - vous avez besoin d'un déménageur qui surmontera sa résistance (cet environnement).
Tout avion basé sur des ailes - a un indicateur tel que «qualité aérodynamique». Ceci est un indicateur de la perfection aérodynamique de l'avion, une sorte d'analogue de son "efficacité" (que les durs techniciens me pardonnent une comparaison aussi frivole). Plus l'AK est grand, plus le pourcentage de poussée du poids nécessaire pour maintenir l'appareil en l'air est faible, afin qu'il ne perde pas de hauteur. Si le moteur est coupé et ne donne pas de traction - alors l'avion déclinera lentement - planifiez. Et ici AK montre le rapport des vitesses horizontales et verticales.
En volant sur un moteur à essence, j'ai mesuré en plusieurs vols ma vitesse et le taux de déclin moteur coupé.
Les valeurs étaient les suivantes: une vitesse de 10,3 m / s (mesurée par GPS au calme), une vitesse de déclin de 1,5 m / s (mesurée par un variomètre de parapente Brauninger IQ One).
AK obtenu expérimentalement = 6,8
Il n'a pas été difficile de calculer le poids au décollage en ajoutant le poids de mon corps, de mon aile et de l'installation - environ 127 kg, et si une définition stricte du poids - puis environ 1250 Newton.
Divisez le poids par AK - 1250 / 6,8 = 183 N de traction requise.
Maintenant, nous devons en quelque sorte passer de la magnitude de la poussée requise à la puissance mécanique sur l'arbre d'hélice. Et ici, les lignes de formules devraient aller.
Mais heureusement, il existe un merveilleux programme de sélection d'hélice, testé par des modélistes d'aéronefs (et des paramoteurs). Nous substituons nos données de vis, le nombre de pales, la vitesse et le tour est joué:
La puissance mécanique qui devait être apportée à l'hélice était d'environ 3300 watts.
Le circuit du paramoteur électrique est simple: batterie, contrôleur BLDC, moteur brushless.
Il faut prendre l'efficacité de chaque lien:
- batterie, fils 97% (résistance interne);
- Contrôleur à 99%
- moteur 87%.
Efficacité totale: 83,5% (il faut dire ici que l'efficacité dépend de la puissance requise, donc dans le bon sens, je dois faire quelques itérations. Mais comme je connais déjà le résultat et que je ne veux pas faire l'article très long, j'omet consciemment certains points).
3300 W / 0,835 = 3950W.
Près de 4 kW de consommation électrique continue. Arrêtons-nous un instant et réfléchissons. Qu'est-ce que 4 kW? C'est à peu près ça!
- c'est un appartement dans lequel ils comprenaient une bouilloire, un aspirateur, un ordinateur, des lumières et une machine à laver;
- c'est l'occasion de rouler à vélo électrique à une vitesse de 70 km / h;
- c'est autant que 72A à une tension de 55V.
Mais ce n'est pas tout. Nous devons en quelque sorte nous éloigner de la planète et commencer à gagner en hauteur initiale. 4 kW, nous ne pouvons compenser que la réduction du parapente de 1,5 m / s, et si nous voulons gagner encore 1,5 m / s en hauteur, nous avons besoin de 4 kW supplémentaires. Et encore plus. Si vous jouez avec le programme de sélection d'hélice, vous pouvez voir que plus nous injectons de puissance dans l'hélice, plus son efficacité est mauvaise:
(Les amateurs de modélisation d'avion ont souvent des versions pour lesquelles l'efficacité de l'hélice diminue avec l'augmentation de la vitesse. Et d'une manière ou d'une autre, ils ne pouvaient pas entendre la bonne version. Tout le monde pèche sur l'imperfection de la géométrie de l'hélice, sur la turbulence, mais la question se trouve dans les lois fondamentales de la physique. Si la vitesse de la pale augmente linéairement, sa poussée croît de façon quadratique, et la consommation d'énergie pour surmonter la résistance de l'air augmente de façon cubique. En termes simples, plus nous faisons tourner l'hélice rapidement, plus l'énergie entre en accélération de l'air et moins d'énergie nous parvient, la vitesse ne peut pas augmenter en raison des spécificités du fonctionnement du parapente. Il doit y avoir des informations supplémentaires pour ceux qui n'ont pas volé sur le paramoteur - le parapente vole à presque la même vitesse, que le moteur tourne ou non. La vitesse ne dépend pas du gaz. Pourquoi est-ce également un sujet distinct pour la conversation).
Le programme nous a montré 8,36 / 0,835 = 10 kW de puissance électrique consommée au décollage.
Traduit en chevaux - c'est environ 14 ch. Cette valeur est parfaitement cohérente avec la puissance maximale des moteurs les plus légers sur le moteur. Vous ne pouvez pas faire moins - vous ne décollerez pas.
À une tension de 55V, il commence à parler de collecte de courant à partir d'une batterie de plus de 200A.
3. Comment sont nos batteries ou une source d'alimentation compacte de 10 kW?
Dès le début, je ne voulais pas jouer avec les batteries d'avion au lithium-polymère. On savait qu'ils tireraient une telle charge. Mais je n'aimais pas les histoires sur leur gonflement, leurs explosions, il y avait des rumeurs étranges selon lesquelles elles n'étaient suffisantes que pour 50 cycles de décharge-charge.
À ce moment-là, la culture de la vape et la pratique de l'utilisation massive de 18650 éléments pour des scénarios très chargés ont commencé à se développer.
Contrairement aux cellules d'ordinateurs portables, la nouvelle génération n'a pas utilisé la chimie du cobalt, mais le NMC - nickel-manganèse-cobalt, qui fournissait de grands courants de décharge de pointe, une grande capacité spécifique, un prix inférieur année après année et une petite réduction du nombre de cycles de décharge-charge comme récompense. par rapport à LiCoO2 (de 1000 à 500).
Dès le début, j'ai aimé le format 18650 - un corps en acier, une soupape d'urgence pour relâcher la pression, la commodité du soudage / soudage, la possibilité de définir la forme souhaitée de la batterie.
Confondre seulement les inscriptions déclarées dans les fiches techniques sur le courant élevé 18650: "15A", "20A".
L'intuition a suggéré que dans un assemblage non refroidi, où de nombreuses cellules se réchauffent côte à côte, la collecte de courant maximale sera beaucoup moins.
Une technique claire était nécessaire pour évaluer la capacité à éliminer les grands courants continus d'une batterie compacte.
L'idée était simple: la batterie a une résistance interne. Elle a également une capacité thermique. Connaître le courant supprimé - vous pouvez calculer la puissance perdue à l'intérieur de la batterie pour l'auto-échauffement. Connaître l'heure - vous pouvez estimer l'augmentation de la température en degrés de l'ensemble de la batterie grâce à l'énergie thermique et à la capacité thermique.
Après avoir mené une série d'expériences avec des ensembles de batteries alimentés par batterie, la capacité thermique expérimentale du matériau à partir duquel les cellules Li-ion ont été fabriquées est de 0,25 Wh / kg-degré (au fait, cela a presque coïncidé avec les données sur les portails de transport électrique étrangers - «795 J / kg * K Capacité thermique spécifique pour Li-Ion (0,22 Wh / kgxC) ”).
Article 3.1. Temps de vol estimé
Sur les paramoteurs à moteur à combustion interne pendant deux ou trois heures, la suspension dans l'air n'est pas la limite. Parfois, les vols devaient être interrompus en raison de la fatigue physique et non de l'épuisement des réserves de carburant.
Avec des piles, cette astuce ne fonctionnera pas.
Néanmoins, je voulais obtenir le temps maximum passé dans l'air à partir d'une seule charge.
Le poids maximum de l'unité avec laquelle il est toujours confortable à courir est de 30 kg.
De 30 kg - 7 kg vont au moteur BLDC + vis, 1 kg de fil + contrôleur, 10 kg - système de suspension + châssis métallique.
Il reste 12 kg de poids sous la batterie.
Les cellules LG - HG2 ont été sélectionnées comme combinant la résistance interne minimale et la capacité maximale pour le format 18650:
Leur densité d'énergie est d'environ 0,22 kWh / kg.
La réserve d'énergie totale est de 12 kg / (0,22 kWh / kg) = 2,6 kWh (240 cellules).
Spoiler
Nous calculons le temps de vol horizontal sans tenir compte du courant de crête au décollage:
2,6 / 4 = 0,65 heure ou 39 minutes.
Clause 3.2. Puissance de chauffage de la batterie
Il convient de noter tout de suite que la batterie ne prévoyait initialement aucun refroidissement forcé.
- Cela entraînerait une augmentation de la complexité du montage et le retard des premiers vols pour une durée indéterminée.
- Notre équipe de spécialistes n'avait pas de personne capable de calculer correctement le système de refroidissement. L'intuition a suggéré qu'un simple refroidisseur aiderait peu. (Une batterie pesant 12 kg ne nécessiterait, à un niveau estimé, que le pompage à travers elle-même de plusieurs dizaines de kg d'air - et cela représente des dizaines de mètres cubes en quelques dizaines de minutes).
- Les dimensions et le poids de la batterie augmenteraient, ce qui est extrêmement indésirable pour une installation de sac à dos, qui a des paramètres de poids très limités.
Le calcul était basé uniquement sur les conditions qu'à la fin de la décharge, la batterie atteindrait à peine les limites thermiques de 60 degrés, spécifiées par le fabricant de la cellule comme limite.
De plus, une analyse théorique du chauffage a montré que, dans un premier temps, le refroidissement forcé peut être supprimé.
Étant donné:
- Configuration de construction 15S16P
- courant de charge - 72A
- Résistance interne de la batterie DC - 24 mOhm (mesurée expérimentalement)
- temps de vol - 0,65 heures
- poids de la batterie - 12 kg
Dissipation thermique à l'intérieur de la batterie: (75 A) ^ 2 x 0,024 Ohm x 0,65 h = 88 Wh (loi Joule-Lenz)
Augmentation de la température: (88 Wh / 12 kg) / 0,23 Wh / kg-degré = 32 degrés.
Si nous supposons que le paramoteur électrique est sorti du salon avec une température de 25 degrés, alors après les vols, la batterie atteint une température de 25 + 32 = 57 degrés, ce qui correspond aux limites de température.
Conclusions:
- Les batteries modernes conviennent pour résoudre le problème de la création d'un avion personnel avec une durée de vol d'environ une demi-heure;
- La faible résistance interne des cellules NMC à courant élevé permet, en première approximation, de s'affranchir des systèmes de refroidissement forcé;
- L'augmentation de la durée de séjour dans l'air d'un aéronef utilisant un parapente comme aile d'appui, dans des conditions de fourniture d'énergie limitée - devrait inclure une approche intégrée:
- l'utilisation d'un parapente avec une qualité aérodynamique maximale;
- augmenter le diamètre de la vis afin d'augmenter son efficacité;
- réduction du poids au décollage (oui, y compris l'utilisation de régimes pour perdre du poids);
- réduction du poids du cadre, suspension afin de le libérer pour des cellules de batterie supplémentaires;
- l'utilisation de cellules de 3500 mAh, avec une résistance interne légèrement plus grande, au lieu de 3000 mAh avec calcul thermique répété.
Suite dans l'
article suivant: «Comment décoller sur batteries ou la pratique du paramoteur électrique SkyMax. Partie 2 "