1. Pendahuluan
Halo Nama saya Ilya. Saya dari St. Petersburg. Umur saya 31 tahun. Sudah lama saya memiliki hobi utama - baterai, kendaraan listrik, dan penerbangan.
Pada 2010, saya belajar tentang cara paling demokratis untuk menemukan sayap pribadi:
Paraglider dengan motor, paramotor, paraglider bertenaga. Perwakilan paling ringan dan paling lambat dari penerbangan ultralight.
Ini benar-benar hal yang luar biasa! Mesin terbang sungguhan pribadi dari film-film tentang masa depan, yang memungkinkan untuk mewujudkan impian umat manusia untuk terbang seperti burung!
Ini terdiri dari sayap lunak yang dibeli secara terpisah - paraglider dan pembangkit listrik - tas dengan mesin dan sekrup, dikenakan di bagian belakang. Anda dapat terbang di ketinggian mulai dari nol hingga 5.000 meter dengan kecepatan dari 35 hingga 75 km / jam. Ada versi dengan roda dan kursi penumpang kedua - paratrik.
Semua ini lepas landas dari tanah. Tidak perlu "melompat dari bukit". Semua yang dibutuhkan adalah sebuah rawa yang digulung rata dan dalam radius 200-300 meter sehingga tidak ada pohon, kabel, tiang, rumah dan hal-hal lainnya. Di Internet, untuk kueri "lepas landas paramotor" ada banyak video tentang hal ini. Ya, Anda harus benar-benar mematuhi pembatasan pada kondisi cuaca dan Kode Udara Federasi Rusia adalah sejumlah besar pengetahuan yang diperlukan untuk belajar. Juga, topik untuk percakapan lain adalah untuk menguasai penerbangan tentang hal ini - sebagai aturan, dibutuhkan sekitar 3 bulan dengan instruktur berpengalaman.
Pada periode 2011-2016, saya aktif terbang ratusan jam dan ribuan kilometer rute di pabrik dengan mesin pembakaran internal Moster-185:
Informasi singkat tentang itu.
Mesin bensin dua langkah, satu silinder, 185 cc Tenaga maksimum 25 hp (18 kW), putaran maks pada poros engkol - 8300 rpm, putaran maks pada sekrup dengan diameter 125 cm - 2950 rpm, traksi statis maks - 70 kg, konsumsi bahan bakar dalam penerbangan lurus tanpa satu set - sekitar 3-4 liter / jam. Paramotor berat - 25 kg.
Itu terbang di paramotor Moster-185 luar biasa. Kuat, dapat diandalkan, merobek tanah dalam beberapa langkah dengan angin sakal kecil. Dimungkinkan untuk terbang dengan satu tangki selama tiga jam tanpa henti, yang pada kecepatan sayap 40 km / jam memberi lebih dari seratus kilometer "lari".
Namun, ada kerugiannya:
- persyaratan pengisian bahan bakar dengan bensin 95 m berkualitas tinggi dan minyak sintetis mahal;
- kebisingan, getaran dari dua langkah;
- bau, klaim konstan dari tetangga apartemen bahwa "itu bau, kamu meracuni kita semua" (ya, saya menyimpan paramotor di apartemen, dan bahkan yang dengan tetangga di kamar lain);
- kebutuhan untuk melakukan perawatan yang sering adalah untuk mengganti mata air yang aus karena getaran, blok yang tidak bersuara, gasket, memeriksa mur, las dan banyak hal sebelum setiap penerbangan.
Secara paralel, sudah ada praktik mengendarai sepeda listrik beberapa puluh ribu kilometer dan banyak baterai Li-ion yang dirakit untuk kendaraan listrik beroda.
Pada titik tertentu, gagasan menggabungkan dunia listrik dan dunia penerbangan secara keseluruhan menjadi sangat obsesif.
Dia sangat tertarik pada prinsip "melepas baterai", serta mencoba perangkat, yang seharusnya:
- mengurangi tingkat kebisingan;
- memastikan tidak adanya getaran dan getaran;
- Tidak perlu bahan bakar dan bahan habis pakai;
- Tidak memerlukan inspeksi dan pemeliharaan yang berkelanjutan.
Hal pertama yang saya mulai adalah dengan teori penerbangan untuk memahami apakah layak terlibat dalam topik ini sama sekali.
Saya ingin mengulangi perhitungan teoritis yang saya lakukan 6 tahun yang lalu lagi, tetapi sudah ada di hadapan pembaca yang tertarik.
2. Perhitungan daya yang diperlukan untuk penerbangan horizontal. Mode lepas landas
Hal pertama yang harus dipahami adalah bahwa untuk semua kemiripannya dengan paraglider atau bahkan balon tiup (saya mendengar asosiasi seperti itu), paraglider adalah sayap dengan profil sayap aerodinamik yang paling khas. Bagaimana sebuah pesawat terbang dan bagaimana seorang paraglider terbang memiliki banyak kesamaan. Baik pesawat dan paraglider - untuk menciptakan daya angkat dan menjaga diri mereka sendiri di udara - perlu terus bergerak maju di udara. Dan untuk bergerak melalui medium - Anda membutuhkan penggerak yang akan mengatasi resistensi (lingkungan ini).
Setiap pesawat yang didasarkan pada sayap - memiliki indikator "kualitas aerodinamik". Ini adalah indikator dari kesempurnaan aerodinamis dari pesawat, semacam analog dari "efisiensi" nya (semoga teknisi yang parah memaafkan saya dengan perbandingan yang begitu remeh). Semakin besar AK - semakin rendah persentase dorong dari berat yang diperlukan untuk menjaga perangkat tetap di udara agar tidak kehilangan ketinggian. Jika mesin dimatikan dan tidak memberikan traksi - maka pesawat akan perlahan-lahan menolak - rencana. Dan di sini AK menunjukkan rasio kecepatan horizontal dan vertikal.
Terbang dengan mesin bensin, saya mengukur dalam beberapa penerbangan kecepatan saya dan laju penurunan dengan mesin dimatikan.
Nilainya adalah sebagai berikut: kecepatan 10,3 m / s (diukur dengan GPS dalam kondisi tenang), kecepatan turun 1,5 m / s (diukur dengan variometer paraglider Brauninger IQ One).
Diperoleh secara eksperimental AK = 6,8
Tidak sulit untuk menghitung berat lepas landas dengan menambahkan berat tubuh, sayap, dan pemasangan saya - sekitar 127 kg, dan jika definisi berat yang ketat - maka sekitar 1.250 Newton.
Bagilah bobot dengan AK - 1250 / 6.8 = 183 N dari traksi yang diperlukan.
Sekarang kita perlu entah bagaimana pergi dari besarnya daya dorong yang diperlukan ke kekuatan mekanik pada poros baling-baling. Dan di sini garis-garis formula harus pergi.
Tapi untungnya, ada program Pemilih Propeller yang begitu bagus, diuji oleh pemodel pesawat (dan paramotoris). Kami mengganti data sekrup kami, jumlah blade, kecepatan udara, dan voila:
Tenaga mekanis yang harus dibawa ke baling-baling adalah sekitar 3300 watt.
Rangkaian paramotor listrik sederhana: baterai, pengontrol BLDC, motor brushless.
Diperlukan efisiensi dari setiap tautan:
- baterai, kabel 97% (resistansi internal);
- 99% pengontrol
- motor 87%.
Total efisiensi: 83,5% (harus dikatakan di sini bahwa efisiensi tergantung pada daya yang diperlukan, jadi dengan cara yang benar, saya harus membuat beberapa iterasi. Tetapi karena saya sudah tahu hasilnya dan saya tidak ingin membuat artikel sangat lama, saya dengan sadar menghilangkannya beberapa poin).
3300 W / 0,835 = 3950W.
Hampir 4 kW konsumsi daya berkelanjutan. Mari kita berhenti sejenak dan berpikir. Apa itu 4 kW? Cukup banyak!
- ini adalah apartemen di mana mereka termasuk ketel, penyedot debu, komputer, lampu dan mesin cuci;
- ini adalah kesempatan untuk mengendarai sepeda listrik dengan kecepatan 70 km / jam;
- itu sebanyak 72A pada tegangan 55V.
Tapi itu belum semuanya. Kita perlu melepaskan diri dari planet ini dan mulai mendapatkan ketinggian awal. 4 kW kita hanya bisa mengkompensasi pengurangan paraglider sendiri sebesar 1,5 m / s, dan jika kita ingin mendapatkan ketinggian 1,5 m / s lainnya, maka kita membutuhkan 4 kW lainnya. Dan bahkan lebih. Jika Anda bermain dengan program Propeller Selector, Anda dapat melihat bahwa semakin banyak daya yang kami pompa ke baling-baling, semakin buruk efisiensinya:
(Amatir pemodelan pesawat sering memiliki versi mengapa efisiensi baling-baling menurun dengan meningkatnya kecepatan. Dan entah bagaimana mereka tidak dapat mendengar versi yang benar. Semua orang berdosa karena ketidaksempurnaan geometri baling-baling, pada turbulensi, tetapi masalahnya ada dalam hukum fisika dasar. Jika kecepatan bilah meningkat secara linear, jika daya dorongnya tumbuh secara kuadratik, dan konsumsi daya untuk mengatasi hambatan udara meningkat secara kubik. Dengan kata sederhana, semakin cepat kita memutar baling-baling, semakin banyak energi digunakan untuk mempercepat udara dan semakin sedikit energi yang mengalir ke kita, karena kita kecepatan udara tidak dapat meningkat karena kekhasan operasi paraglider, di sini Anda perlu menambahkan informasi bagi mereka yang tidak terbang dengan paramotor - paraglider terbang dengan kecepatan yang hampir sama terlepas dari apakah mesinnya berjalan atau tidak. Kecepatannya tidak tergantung pada gas. Mengapa ini juga topik terpisah untuk percakapan).
Program menunjukkan kepada kita 8,36 / 0,835 = 10 kW daya listrik yang dikonsumsi saat lepas landas.
Diterjemahkan ke tenaga kuda - sekitar 14 hp. Nilai ini sangat konsisten dengan daya maksimum dari mesin paling ringan pada engine. Anda tidak bisa berbuat lebih sedikit - Anda tidak akan tinggal landas.
Pada tegangan 55V, mulai berbicara tentang pengumpulan saat ini dari baterai lebih dari 200A.
3. Bagaimana baterai kita atau sumber daya 10 kW yang ringkas?
Sejak awal, saya tidak ingin mengacaukan baterai pesawat model lithium-polimer. Diketahui bahwa mereka akan menarik beban seperti itu. Tapi saya tidak suka cerita tentang pembengkakan, ledakan, ada beberapa desas-desus aneh bahwa mereka cukup untuk hanya 50 siklus pengisian daya.
Pada saat itu, budaya vape dan praktik penggunaan massal 18650 elemen untuk skenario yang sangat sarat mulai berkembang.
Tidak seperti sel notebook, generasi baru tidak menggunakan kimia kobalt, tetapi NMC - nikel-mangan-kobalt, yang menyediakan arus debit puncak yang besar, kapasitas spesifik yang besar, harga yang lebih rendah dari tahun ke tahun, dan sedikit pengurangan dalam jumlah siklus pengisian-muatan sebagai imbalan dibandingkan dengan LiCoO2 (dari 1000 hingga 500).
Sejak awal, saya menyukai format 18650 - badan baja, katup darurat untuk menghilangkan tekanan, kenyamanan penyolderan / pengelasan, kemampuan untuk mengatur bentuk baterai yang diinginkan.
Hanya membingungkan prasasti yang dinyatakan dalam lembar data pada 18650 arus tinggi: "15A", "20A".
Intuisi menyarankan bahwa dalam perakitan tanpa pendingin, di mana banyak sel saling menghangatkan satu sama lain, pengumpulan arus maksimum akan jauh lebih sedikit.
Diperlukan teknik yang jelas untuk menilai kemampuan menghilangkan arus kontinu yang besar dari baterai yang ringkas.
Idenya sederhana: baterai memiliki resistansi internal. Dia juga memiliki kapasitas panas. Mengetahui arus yang dilepas - Anda dapat menghitung daya yang hilang di dalam baterai untuk pemanasan sendiri. Mengetahui waktu - Anda dapat memperkirakan kenaikan suhu dalam derajat seluruh paket baterai melalui energi panas dan kapasitas panas.
Setelah melakukan serangkaian percobaan dengan rakitan baterai bertenaga baterai, kapasitas panas eksperimental bahan dari mana sel-sel Li-ion dibuat adalah 0,25 Wh / kg-derajat (omong-omong, ini hampir bertepatan dengan data pada portal transportasi listrik asing - "795 J / kg * K Kapasitas Panas Spesifik untuk Li-Ion (0,22 Wh / kgxC) ”).
Klausa 3.1. Perkiraan Waktu Penerbangan
Pada parameter dengan mesin pembakaran internal selama dua atau tiga jam, menggantung di udara bukanlah batasnya. Terkadang penerbangan harus dihentikan karena kelelahan fisik, dan tidak habisnya cadangan bahan bakar.
Dengan baterai, trik ini tidak akan berhasil.
Namun demikian, saya ingin mendapatkan waktu maksimum yang dihabiskan di udara dari satu tuduhan.
Berat maksimum unit yang masih nyaman untuk dijalankan adalah 30 kg.
Dari 30 kg - 7 kg pergi ke motor BLDC + sekrup, 1 kg pengontrol + kawat, 10 kg - sistem suspensi + rangka logam.
Berat baterai masih tersisa 12 kg.
Sel LG - HG2 dipilih sebagai kombinasi dari resistansi internal minimum dan kapasitas maksimum untuk format 18650:
Kepadatan energi mereka sekitar 0,22 kWh / kg.
Cadangan energi total adalah 12 kg / (0,22 kWh / kg) = 2,6 kWh (240 sel).
Spoiler
Kami menghitung waktu penerbangan horizontal tanpa memperhitungkan arus puncak pada saat take-off:
2,6 / 4 = 0,65 jam atau 39 menit.
Klausa 3.2. Peringkat pemanasan baterai
Perlu dicatat segera bahwa baterai pada awalnya tidak menyediakan pendinginan paksa.
- Ini akan menyebabkan peningkatan kompleksitas perakitan dan keterlambatan penerbangan pertama untuk periode yang tidak terbatas.
- Tim spesialis kami tidak memiliki orang yang dapat dengan benar menghitung sistem pendingin. Intuition menyarankan agar pendingin sederhana tidak banyak membantu. (Baterai dengan berat 12 kg akan pada tingkat yang diperkirakan hanya membutuhkan pemompaan melalui banyak puluhan kg udara - dan ini adalah puluhan meter kubik dalam beberapa puluh menit).
- Dimensi dan berat baterai akan meningkat, yang sangat tidak diinginkan untuk instalasi ransel, yang memiliki parameter bobot yang sangat terbatas.
Penghitungan hanya didasarkan pada kondisi bahwa pada akhir pengosongan, baterai hampir tidak akan mencapai batas termal 60 derajat, yang ditentukan oleh produsen sel sebagai batas.
Selain itu, analisis teoritis pemanasan menunjukkan bahwa, pada awalnya, pendinginan paksa dapat dihilangkan.
Diberikan:
- Konfigurasi pembangunan 15S16P
- memuat arus - 72A
- Resistansi internal baterai DC - 24 mOhm (diukur secara eksperimental)
- waktu penerbangan - 0,65 jam
- berat baterai - 12 kg
Pembuangan panas di dalam baterai: (75 A) ^ 2 x 0,024 Ohm x 0,65 jam = 88 Wh (hukum Joule-Lenz)
Peningkatan suhu: (88 Wh / 12 kg) /0.23 Wh / kg-derajat = 32 derajat.
Jika kita mengasumsikan bahwa paramotor listrik dikeluarkan dari ruang tamu dengan suhu 25 derajat, maka setelah penerbangan baterai mencapai suhu 25 + 32 = 57 derajat, yang sesuai dengan batas suhu.
Kesimpulan:
- Baterai modern cocok untuk menyelesaikan masalah membuat pesawat terbang pribadi dengan durasi penerbangan sekitar setengah jam;
- Resistansi internal kecil sel NMC arus tinggi memungkinkan, untuk perkiraan pertama, membuang sistem pendingin paksa;
- Peningkatan durasi tinggal di udara pesawat terbang menggunakan paraglider sebagai sayap pendukung, dalam kondisi pasokan energi yang terbatas - harus mencakup pendekatan terpadu:
- penggunaan paraglider dengan kualitas aerodinamis maksimum;
- meningkatkan diameter sekrup untuk meningkatkan efisiensinya;
- pengurangan berat badan take-off (ya, termasuk penggunaan diet untuk menurunkan berat badan);
- mengurangi berat bingkai, suspensi untuk melepaskannya untuk sel baterai tambahan;
- penggunaan 3500 mAh sel, dengan resistansi internal yang sedikit lebih besar, bukan 3000 mAh dengan perhitungan termal berulang.
Lanjutan di
artikel berikutnya: “Cara melepas baterai atau praktik mengoperasikan paramotor listrik SkyMax. Bagian 2 "