دال - التقدم المحرز في نظم الدفع الكهربائي للمركبات الجوية غير المأهولة

وقد حولت المركبات الجوية غير المأهولة، التي يشار إليها عادة بالطائرات بدون طيار، الصناعات من الزراعة إلى السينما، وفي قلب هذا التحول يكمن نظام الدفع الكهربائي - وهو مزيج من السيارات والبطاريات والتحكم والزواحف التي تحدد مدى تحمل الرحلات الجوية والقدرة على تحميلها والكفاءة التشغيلية، وتدفع السلف السريعة في الدفعات الكهربائية إلى الأمام إلى أبعد من مجرد أدوات جديدة.

The Fundamentals of Electric Propulsion in UAVs

ويتكون نظام الدفع الكهربائي لطائرة واحدة من طراز UAV من أربعة مكونات رئيسية هي: المحرك الكهربائي، وجهاز التحكم بالسرعة الالكترونية، وحزمة البطاريات، وجهاز الدفع، وتحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة آلية، وتتحكم شركة ESC في سرعة المحرك وتوجهه، ومخزونات البطاريات والطاقة الكهربائية، وجهاز الدفع يترجم حركة التناوب إلى قوة دفع، وتتوقف كفاءة نظام التشغيل بأكمله على مدى كثافة العمل.

Key advancements in Motor Technology

محركات البلدان النامية عديمة الرحمة

وأصبحت محركات البلدان النامية غير المهددة معياراً للدفع غير المستعمل بسبب كفاءتها العالية، وانخفاض مستوى الصيانة، وارتفاع نسب القوة إلى الوزن، وخلافاً للمحركات المكشوفة، تستخدم هذه البلدان المحركات الدوارة التحول الإلكتروني، وتزيل فرشاة الغليان التي تُسلِّم من الطاقة وتهدرها، وتركز التطورات الأخيرة على أفضل التقنيات التي تُستخدم فيها أجهزة الدفع المغنطيسية، ومواد المغناطيسية، وقنوَّبة المغنَّبة المغنَّبة.

Axial Flux Motors

(أ) البديل الناشئ عن محركات التدفق الإشعاعي التقليدية للمركبات غير المزروعة هو تصميم التدفق الحاد، وتتمتع محركات التدفق الحرفي بشكل ثابت وشبه مركب حيث تتدفق المغنطيسيات في موازٍ للسرقة الآلية، ويتيح هذا التشكيل كثافة حرارية أعلى وعاملاً أكثر حزماً، مما يجعلها جذابة بشكل خاص بالنسبة لمركبات الأشعة فوق البنفسجية التي تتطلب استجابة سريعة.

محركات عالية التردد لتطبيقات ثقيلة

وبالنسبة للطائرات الآلية ذات الطاقات الثقيلة التي تحمل أجهزة استشعار كبيرة أو مجموعات تسليم أو رشاشات زراعية، فإن المحركات ذات الطوابق العالية ضرورية، كما أن التقدم في تصميم الدوائر المغناطيسية واستخدام النواة المركبة المغنطية الناعمة قد زادا من ناتج الأنابيب العاتية دون زيادة متناسبة في الوزن، كما أن الإدارة الحرارية تحسن أيضاً من حرائق عالية التردد تدمج الآن أصابع التحلل أو تنفجر بشكل فعال.

Battery Technology Breakthroughs

ولا يزال تخزين الطاقة هو أكثر العوامل تقييدا في أداء المركبات الكهربائية غير المأهولة، وكانت البطاريات من نوع ليثيوم - بلمير (ليبو) هي مجموعة العمل الصناعية منذ وقت طويل لأنها توفر توازنا جيدا في الطاقة المحددة (نحو 150 إلى 250 وكيلوغراما) ومعدل التسريح، غير أن المنتجات البحثية والتجارية الحديثة تضغط على هذه الحدود.

البطاريات التابعة للدولة الصلبة

Solid-state batteries replace the liquid electrolyte found in conventional LiPo cells with a solid, often ceramic, electrolyte. This design eliminates the risk of leakage, reduces flammability, and allows for much higher energy densities -theoretically exceeding 400 Wh/kg. several startups, including QuantumScape

خلايا الليثيوم - الأيون العالية الطاقة

وفي موازاة ذلك، يواصل مصنعون مثل Panasonic وSamsung SDI]] تحسين الكيمياء التقليدية لليثيوم، وتُنتج التركيبات الجديدة التي تتضمن الأنود السيليكونية بدلاً من الغرافيت، عادة ما تُخزَّن أكثر من الطاقة لكل غرام.

نظم سلامة البطاريات وإدارتها

With higher energy densities comes the need for robust bat management systems (BMS) Modern BMS units monitor individual cell voltages, temperatures, and current draw in real-time. they can automatically reduce power output if a cell approaches safe limits, preventing fires or swelling. Some advanced BMS designs also include active balancing-pumping charge from high-voltage cells to low-voltage cells during both charging

المراقب المالي الإلكتروني للسرعة وإدارة الطاقة

ويؤدي جهاز التحكم بالسرعة الإلكترونية دورا محوريا في ترجمة الأوامر التجريبية إلى رقابة دقيقة على السيارات، وكانت أجهزة التحكم المبكر بسيطة في النبضات، ولكن الوحدات الحديثة تضغط على أجهزة التحكم الدقيقة القوية التي تعمل بالبرمجيات العادمة مثل BLHli 32 أو سيمونك، ويمكن أن تعدل هذه الأجهزة التوقيت، وتستكمل معدلات الطيران، وتعيد تشكيل الكفاءة الحالية.

Regenerative Braking and Energy Recovery

(أ) أن المكابح الإبداعية، التي تُستخدم في السيارات الكهربائية، يجري تنفيذها الآن في أجهزة إعادة الإمداد بالأشعة فوق البنفسجية ذات الرفع العالي، وعندما تحلل طائرة بدون طيار أو تقلل من عجلاتها، تعمل المحركات كمولدات، وتحوّل بعض الطاقة الحركية إلى طاقة كهربائية تُحمّل البطارية، ويمكن أن تسترد هذه المركبات بنسبة تصل إلى 15 في المائة من الطاقة التي ستفقد كتدفئة.

التسويق العالي التردد

:: تحويل أجهزة الاتصال الإلكترونية الحديثة إلى أجهزة تحويل كهربائية بترددات 50 كيلوهرتز أو أعلى، مقارنة بـ 10 إلى 20 كيلوهرتز في الوحدات القديمة، وتخفض الترددات العالية التي تبدل الترددات من اليقظة المحركة، وتحسن التقريب بين الموجات الغرامية، وتخفض الضوضاء الصوتية، وهذا يعود بالفائدة بوجه خاص على الطائرات الرادارية التي تستخدم في رصد الحياة البرية أو التسليم الحضري، حيث تضيق الضوضاء الضوضاء.

مواد الوزن الخفيف والتصميم الهوائي

ويمتد السعي إلى الطائرات المسيرة الخفيفة إلى ما هو أبعد من الطاقة نفسها، ويجري إعادة تصميم مواد الحاسوب الجوي، والزواحف، بل والأسلاك، لحلق غرامات مع الحفاظ على السلامة الهيكلية.

Carbon Fiber and Advanced Composites

وقد أصبحت البوليمرات المسببة للسيارات المصفحة من نوع الكربون المعيار الذي تستخدمه أُطر الطائرات بدون طيار، وقد أدت التطورات الأخيرة في دورات التنسيب والتعالج الآلية إلى خفض التكاليف، مما جعل أطر الكربون متاحة لمناطق التليف العالي المدى، مقارنة بمناطق الألومنيوم أو النيلون الزجاجي، وتوفر الألياف الكربونية نسبة من التصلب إلى الوزن تزيد عن أربعة إلى خمس مرات.

كفاءة المرسل وتصميمه

كما أن تصميم البرابل يؤثر تأثيرا مباشرا على نسبة الدفع إلى القوى، كما أن محاكاة السوائل المحوسبة تتيح للمصممين أن يتقنوا الشكل الصاروخي، وزاوية التلوي، وتركيب المعلومات في مسارات محددة للرحلات، وعلى سبيل المثال، فإن المراوح التي تحتوي على ملعب أعلى تتسم بالكفاءة في تصميمات الزجاج العالية (مثلا بالنسبة للمركبات الثابتة الجناحين) بينما ينتج الرافعات الأكثر تقدما من حيث التراكم.

تخفيض الوزن في أجهزة الاسترداد والربط

وفي كثير من الأحيان، تكون منطقة الأسلاك الكهربائية مُنهَزة، وتُردّ أسلاك مُحدَّدة من الفلول الخماسي الكلور ذات البوليثيلين المتقاطع أو الأكمام المطاطية الحريرية تقلل من حجم قياسها لنفس التصنيف الحالي. وبالمثل، فإن أجهزة ربط الوزن الخفيف مثل XT60

الإدارة الحرارية في النظم العالية الأداء

ويؤدي ارتفاع الطاقة الكهربائية إلى توليد حرارة كبيرة، لا سيما في الريح المتحركة وأجهزة الطاقة الكهربائية المزودة بالطاقة الكهربائية في منطقة شرق المحيط الهادئ، وبدون إدارة حرارية فعالة، يمكن أن تتجاوز درجات الحرارة المكوّنة الحدود الآمنة، مما يتسبب في إخفاق المغناطيسات في إزالة الرؤوس أو المباعات، وتشمل الحلول الحرارية المتقدمة ما يلي:

• دمج لوحات التبريد بالنحاس أو الألمنيوم مباشرة في قلب المحركات
• وباستخدام مركبات التعبئة المسيّرة الحرارية لحرق الدوائر التابعة لشركة ESC وإخضاع إطار الطائرة بدون طيار للتدفئة.
• التبريد النشط عن طريق المراوح الصغيرة أو قنوات الترام - جو (العمل على المركبات الثابتة الجناحين من طراز UAV).
• تطبيق مواد تغيير المرحلة مثل شمع البارافين لاستيعاب المسامير الحرارية أثناء المناورات العدوانية.

وتتيح هذه التدابير للمحركات والمتحكمين العمل في قوة مستمرة أعلى دون تهجير الطائرات بدون طيار، وتمكين الطائرات بدون طيار من التسلق بسرعة، وحمل حمولات أثقل، والطيران في ظروف عمل مأمونة ساخنة، ويقوم المصنعون الآن بنشر مخططات أداء حرارية مفصلة، ومساعدة المشغلين على اختيار التركيبة الصحيحة لبطاقات السيارات - مركبات الإيسيك - إيك - إيك - إيك - تي - بيئتهم التشغيلية.

نظم الإشهار الهجينة

وبالنسبة للبعثات التي تتطلب تحملا طويلا )ساعات طويلة(، كثيرا ما تقصر النظم الكهربائية النقية بسبب القيود المفروضة على البطاريات، إذ تجمع الدافع الهجين محركا كهربائيا بمحرك احتراقي داخلي صغير أو محركات وقنوات الوقود أرضية متوسطة قاهرة.

مهجَّرات كهربائية

In a chain hybrid formation, an motor-generator set charges the bat in flight while the electric motor(s) drive the propellers. The motor can run at a single, optmive RPM, minimising fuel consumption and emissions. The bat provides top power for takeoff, jump, jump, and gust response, then slow recharges during cruise. Companies such as Amptest

خلية الوقود الكهربائية

وتتحول خلايا وقود الهيدروجين مباشرة إلى الكهرباء، مع الماء فقط كمنتج ثانوي، وهي توفر طاقات محددة تبلغ 600-800 و/كغ (مستوى النظام)، وتتجاوز كثيراً بطاريات ليبو، وهناك عدة منابر للطائرات بدون طيار، مثل H4 Hovering Solutions HyTech.

الأثر على القدرات في مجال المركبات الجوية فوق البنفسجية

التأثير التراكمي لهذه التقدمات في الدفع كان دراميًا، يمكن للطائرات الآن أن تحقق حركات كانت خيال علمي منذ عقد.

وقت الطيران الممتد

وقد طار أحد طائرات المستهلكين الآلية قبل بضع سنوات لمدة 15-20 دقيقة، واليوم، يمكن أن تبقى نماذج متوسطة المدى مجهزة بحزمة من ليون الكثافة العالية وأجهزة السيارات الفعالة لمدة 40 إلى 60 دقيقة، وتسمح مركبات الطائرات فوق الباخرة الثابتة الجناحين من الفئة الفنية، مثل ] WingtraOne ، بالبقاء بعيدا لمدة تصل إلى 90 دقيقة على متن طائرة واحدة.

تعزيز القدرة على تحمل عبء العمل

:: نظم إطلاق الخفيف الخالية من ميزانية الوزن للمستشعرات والشحنات - يمكن الآن لمروحية الرفع الثقيل أن تحمل حمولة تبلغ 20 كيلوغراما لمدة 30 دقيقة، مقارنة بـ 10 كيلوغرامات قبل بضع سنوات، مما يتيح توصيل الإمدادات الطبية وقطع الغيار بل والغذاء الساخن على أساس الطائرة بدون طيار، ويمكن للطائرات غير الآلية أن تطير بخزانات رذاذ كاملة تبلغ 15 لترا، مما يقلل الحاجة إلى إعادة التصفية وتغطية المزيد من الهكتارات في الساعة.

عملية هدوء

والمحركات الكهربائية أكثر هدوءاً من محركات الاحتراق الداخلية، إذ إن الطائرات الآلية الحديثة، التي ترافقها أجهزة الدفع المثلى وأجهزة الدفع المتواترة العالية، تنتج مستويات ضوضاء منخفضة تصل إلى 55 درجة مئوية من إجمالي عدد المحركات التي تستخدمها أجهزة التجميل، أي ما يعادل 30 متراً، مما فتح تطبيقات في البيئات الحضرية (التوصيل من قبل السفن الصغيرة)، ورصد الحياة البرية، وحتى بالقرب من المستشفيات، حيث يجب أن يُقلل من مقدمي خدمات التسويق.

تحسين السلامة والاعتماد

أما نظم الدفع الكهربائي فتتراوح بين أجزاء متحركة أقل من محركات الاحتراق، مما يقلل من احتمال حدوث الفشل الميكانيكي، وتدرج أجهزة الاتصال الإلكترونية الحديثة أجهزة مراقبة مستقلة ذات محركات مزدوجة في حالة فشل أحد المتحكمين، ويمكن للجهاز الآخر أن يحافظ على الطيران، أما نظم إدارة البطاريات فتتوقع أن تبقى من وقت الطيران بدقة وت تلقائيا عند هبوط الاحتياطيات إلى أدنى من عتبة، وقد خفضت هذه السمات معدلات الحوادث التي تحدث أثناء الطيران(23) بدرجة كبيرة في العمليات التجارية.

التطبيقات والاستخدامات العالمية الحقيقية

الزراعة

تستخدم الطائرات المسيّرة للزراعة الدقيقة الكهربية للطيران منخفضاً وبطيء على الحقول، وحمل كاميرات متعددة الأطياف وأجهزة رذاذ، وتتيح لها التطورات في حياة البطاريات تغطية 100 هكتار لكل رحلة، ورسم خرائط لصحة المحاصيل، وتطبيقها بصورة انتقائية، وتبدو المحركات الكهربائية الهادئة أقل مواشياً وتمتثل لقيود الضوضاء قرب المزارع.

السوقيات والتسليم

وتعتمد الطائرات المسيرة التي تُبث في آخر ميل على الدفع الكهربائي للإقلاع الرأسي والهبوط (VTOL) والعملية الهادئة في المناطق السكنية، وتستفيد شركات مثل Zipline (التوصيلات الطبية) و من نظامي توريد الطاقة الكهربائية المصممين حسب الطلب (100 كيلو متر مربع)

التفتيش على الهياكل الأساسية

فتفتيش خطوط الطاقة، وتوريبينات الرياح، والجسور، وخطوط الأنابيب المستخدمة في طلب طائرات هليكوبتر مع أفرقة من التسلقين، وتقوم الطائرات الكهربائية بلا طيار المجهزة بكاميرات عالية الاستبانة، وتقوم شركة ليدار الآن بعمليات التفتيش هذه بسرعة وبأسعار أرخص وأسلم، كما أن فترات الطيران الموسعة تسمح للمشغلين بتغطية خطوط النقل في فصيل واحد، كما أن القدرة على تحمل أجهزة التصوير الحرارية وأجهزة الاستشعار الغازية دون أن تؤدي إلى استقرار أدق.

البحث والإنقاذ

وفي سيناريوهات الطوارئ، يمكن للطائرات الكهربائية بدون طيار أن تطلق في غضون ثواني، وتطير صامتة، وتحمل كاميرات حرارية لتحديد أماكن المفقودين، كما أن تحسين كثافة الطاقة في البطاريات الحديثة يكفل لها البقاء في مسافات دقيقة من 30 إلى 40 دقيقة، وهي مهمة كثيرا ما تتطلبها مسح منطقة واسعة، وتستخدم بعض فرق البحث والإنقاذ الآن طائرات خلية للوقود الهجينة يمكنها أن تحلق لمدة تصل إلى 4 ساعات، مما يوفر الوعي المستمر.

الاتجاهات المستقبلية والاتجاهات الناشئة

ولا تدل سرعة الابتكار في مجال الدفع الكهربائي للمصابين بالمركبات غير المصفحة على حدوث تباطؤ، وهناك اتجاهات عديدة مهيأة لزيادة تحويل الميدان.

البطاريات ذات الولاية الصلبة في سكال

ومع ارتفاع مكامن تصنيع البطاريات في الدول الصلبة، يتوقع أن تزيد الطاقات المحددة على 500 كيلوغرام من العجلات في غضون العقد، مما سيمكن الطائرات بدون طيار من الطيران لمدة ساعتين وثلاث ساعات مع حمولات كبيرة، ويتنافس مع بقاء الطائرات الصغيرة المأهولة، كما أن السلامة المتأصلة من الكهرباء في الدول الصلبة تسهل أيضا الحصول على شهادات للعمليات على المناطق المأهولة بالسكان.

الشحن بلا سلك و التنقيب المستقل

فالحلول التي تُجرى على شكل صناديق لاسلكية مع أجهزة الشحن تسمح للمركبات غير المرخصة بالهبوط والشحن والبدء بصورة مستقلة دون تدخل بشري، وستؤدي التحسينات في الكفاءة التي تُدفع على نحو غير مباشر (التي تتجاوز حاليا 90 في المائة) والبطاريات التي تشحن عبر خطوط الشحن (تكلفة كاملة في 15 دقيقة) إلى جعل العمليات المستمرة ممكنة لدوريات الطرق السريعة وأمن المحيط والزراعة.

AI-Optimized Propulsion Control

ويمكن أن تحلل خوارزميات التعلم الماكنة بيانات القياس عن بعد لتعظيم التوقيت الحركي، وأنماط التبديل في إطار التعاون الاقتصادي، وطريقة الدفع في الوقت الحقيقي لمرحلة الطيران الحالية، وقد أدرجت عدة شركات للطائرات الآلية (]) [تخفيضات البطارية ]، PX4) "

السلف التنظيمية

وتستكمل سلطات الطيران في جميع أنحاء العالم الأنظمة اللازمة لاستيعاب الدفع الكهربائي المتطور، وقد أدخلت وكالة سلامة الطيران التابعة للاتحاد الأوروبي قواعد محددة لإصدار شهادات لنظم الطاقة بدون طيار، تشمل اختبار مسارات البطاريات الحرارية، واعادة التشغيل، وامتثال شركة EMI. ]

خاتمة

فنظم الدفع الكهربائي للمركبات الجوية غير المأهولة تطورت من مكونات هوائية بسيطة إلى قوالب متقدمة عالية الأداء تقوم على صناعة متعددة البلونات، وتقتصر الابتكارات في صقلات تصميم السيارات، وتركيب هياكل التدفق الحاد، والإدارة الحرارية المتكاملة على رفع الحد الأقصى للتوجه والكفاءة.