چكیده
در سال‌های اخیر، توانمندیهای پرنده های كوچك (mini aerial vehicles) و میكروپرنده‌ها (MAV's) به منظور انجام عملیات شناسایی، اكتشاف و تجسس در كنار هواپیماهای بدون سرنشین (UAV)، بسیار مشهود بوده است. انتخاب تركیب مناسبی از سیستم پیشرانش (موتور و ملخ)، یكی از مهمترین مراحل تعیین كننده در طراحی این وسایل پرنده میباشد. در این مقاله به مطالعه و بررسی سیستم اندازه‌گیری و محاسبه كارآیی بخش پیشرانش میكروپرنده‌ها پرداخته خواهد شد. همچنین آزمایشات تجربی مختلف در راستای محاسبه نیروی تراست و توان تولیدی در این وسایل پرنده شرح داده میشود. نتایج حاصل از آزمایشات تجربی با داده‌های شركت سازنده مقایسه شده و از این طریق، صحت روند آزمایشات بررسی میگردد. بررسی سیستم‌های اندازه‌گیری و انجام آزمایشات تجربی، موجب بهینه شدن روند طراحی ملخ‌ها و انتخاب مناسب موتور با توجه به پارامترهای انجام مأموریت وسیله پرنده خواهد شد.
كلمات كلیدی : میكروپرنده، مشخصه‌های سیستم پیشرانش، آزمایشات تونل باد، بهینه‌سازی ملخ.
مقدمه
اخیراً، طراحی، پیشرفت و گسترش پرنده‌های كوچك بدون سرنشین توجه بسیاری از متخصصین را به خود جلب نموده است. دهانه بال این وسایل پرنده بین 0.3 تا 2.5 متر (1 تا 8 فوت) و محدوده وزنی آنها بین 1 تا 10 كیلوگرم میباشد. آنها قادرند محموله‌ای با وزن بیش از یك كیلوگرم را در شرایط مختلف حمل كنند. با چنین توانایی، آنها توانایی حمل محموله‌هایی نظیر دوربین‌های هوایی، سنسورهای شیمیایی و زیست محیطی، مواد منفجره، سیستم جمع‌آوری اطلاعات و ... را دارند.
حدود 60 درصد وزن كل پرنده‌های كوچك را سیستم پیشرانش آنها تشكیل میدهد و این در حالی است كه سهم وزنی محموله، سیستم‌های كنترل و سازه روی هم 40 درصد از وزن كل میباشد. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت در مورد برخی میكروپرنده‌ها نشان میدهد كه در مقابل افزایش نیروی پسای هواپیما به میزان 0.01 نیوتن (1 گرم)، مداومت پروازی هواپیما به میزان 180 ثانیه كاهش مییابد. همچنین افزایش یك گرم به جرم هواپیما، 3 ثانیه مدت زمان مداومت پروازی را كاهش میدهد. لذا، اندازه و وزن سیستم پیشرانش در كارآیی پروازی وسیله پرنده نقش بسزایی را ایفا میكند. استفاده از ملخ به عنوان تأمین كننده نیروی تراست، برای پرنده‌های كوچك و میكروپرنده‌ها مناسبترین گزینه میباشد. با توجه به سطح تكنولوژی كنونی، موتورهای احتراق داخلی كوچك و موتورهای الكتریكی به عنوان مولد قدرت در پرنده‌های كوچك استفاده میشوند. مناسبترین سوخت مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی، سوخت‌های پایه متانول میباشد و منبع ایجاد انرژی در موتورهای الكتریكی، انواع باتریها و سلول‌های خورشیدی به‌شمار میروند.
تئوری پیشرانش
سیستم پیشرانشی كه بالاترین راندمان كلی و حداقل وزن را با توجه به محدودیت‌های مأموریتی دارا باشد، به عنوان بهترین گزینه در وسایل هوایی، مطرح خواهد بود. راندمان كلی سیستم پیشرانش بصورت حاصل‌ضرب راندمان ملخ و راندمان منبع تولید توان، تعریف میگردد :
كه Ps توان محور موتور، J نسبت پیشروی، CT ضریب نیروی تراست و Cp ضریب قدرت میباشند. برای محاسبه نسبت پیشروی داریم :
در موتورهای الكتریكی، راندمان از تقسیم توان تولیدی محور موتور به توان ورودی محاسبه میشود :
كارایی موتورهای احتراق داخلی با اندازه‌گیری مقدار مصرف ویژه سوخت (SFC) مشخص میگردد. مصرف ویژه سوخت به صورت وزن سوخت مصرف شده برای تولید یك واحد قدرت در واحد زمان تعریف میشود.
طراحی و پیشرفت آزمایشات تجربی
تست تونل باد میكروپرنده‌ها :
تونل بادی با ابعاد 1.25*1*1 متر در IIT Bombay به منظور انجام آزمایش‌های آیرودینامیكی و پیشرانشی طراحی و ساخته شده است. این تونل باد از نوع باز بوده و هوا در آن توسط دو موتور با توان 10 اسب بخار با دور 960 در دقیقه به جریان در میآید. موتورها توسط اتوترانسفورمر 440 ولت و 30 آمپری كنترل میشوند. این تونل برای انجام انواع آزمایشات روی میكروپرنده‌ها طراحی شده و در آن محدوده‌ی سرعت بین صفر تا 25 متر بر ثانیه میباشد كه این مقدار، محدوده‌ی عملیاتی میكروپرنده‌ها به‌شمار میرود. اتاقك آزمایش این تونل باد طوری طراحی شده كه میكروپرنده یا مدلی از آن با ابعاد 0.6*0.6 متر به راحتی جهت اندازه‌گیری بارهای آیرودینامیكی در آن نصب میشود. جهت آزمایش سیستم پیشرانش، سكوی اندازه‌گیری توان و نیروی تراست، به‌كمك پایه‌های مختلف، در درون تونل نصب شده‌اند.
نحوه اندازه‌گیری توان به صورت تجربی:
دستگاه اندازه‌گیری توان ، مجهز به سنسور اندازه‌گیری گشتاور، ملخ و محل نصب موتور در كنار سنسور میباشد. ملخ، موتور و سنسور توسط محور مركزی بهم متصلند و خود محور توسط چهار بیرینگ به میز آزمایش محكم شده است. كار ایجاد شده توسط موتور، موجب چرخیدن ملخ میشود و گشتاور حاصل از آن توسط سنسور اندازه‌گیری گشتاور، محاسبه میگردد. توان خروجی از محور موتور، حاصل این گشتاور و سرعت چرخشی ملخ میباشد ( ). افت توان ناشی از اصطكاك موجود در بیرینگ‌ها، با بكار انداختن موتور بدون بارگذاری (بدون ملخ)، و مشخص كردن افت موجود بر حسب دور موتور، محاسبه و اتخاذ میگردد. جعبه زیر موتور بایستی تا حد امكان كوچك باشد تا شرایط كاری ملخ را با مشكل مواجه نكند. به منظور اندازه‌گیری دور موتور، سنسور اندازه‌گیری دور در پشت ملخ تعبیه شده است كه با ارسال نور قرمز و دریافت آن با هر دور چرخیدن ملخ، دور موتور را در زمان مشخص، معلوم میكند.
دستگاه اندازه‌گیری نیروی تراست :
دستگاه اندازه‌گیری نیروی تراست، مجهز به نیروسنجی (load cell) متناسب با محدوده عملكرد ریزپرنده‌ها میباشد. موتور الكتریكی (DC)، به كمك دو گیره به سكوی آزمایش و نیروسنج متصل شده است. سمت دیگر نیروسنج به محل صلب و بدون حركتی محكم شده است. عملكرد نیروسنج همانند عملكرد تیر یك سر درگیر میباشد و نیروی تراست ایجاد شده توسط ملخ، در راستای عمود بر نیروسنج بصورت نیروی برشی، عمل كرده و مقدار آن توسط نیروسنج مشخص میگردد. دور موتور را به روش مشابه كه در بالا تشریح گردید، میتوان اندازه گرفت. از آنجا كه این دستگاه اندازه‌گیری در درون تونل مخصوص نصب میشود تا نیروی تراست ایجاد شده توسط ملخ را در سرعت‌های مختلف جریان نشان دهد، لذا بایستی نیروی پسای حاصل از دستگاه را محاسبه نموده و در مقادر ثبت شده لحاظ كرد. در زیر شاهد تجهیزاتی هستید كه برای اندازه‌گیری پارامترهای مربوط به نیروی پیشران میكروپرنده‌ها مورد نیاز است :
میزان دقت و اعتبار آزمایشات تجربی :
جهت اطلاع از دقت دستگاه آزمایش تجربی، دستگاه اندازه‌گیری گشتاور و نیروی راست را با ملخ نوع 12x8APC به قطر 12 اینچ و گام 8، آزمایش شده است. نمودارهای 1 و 2 نتایج حاصل از آزمایشات تجربی و مقادیر موجود در مراجع را با هم مقایسه كرده‌اند. نتایج تجربی بیانگر حدود 10 درصد افت در دور 5000 در دقیقه، نسبت به مقادیر ذكر شده هستند و این افت ناشی از انواع اصطكاك‌ها و یكسان نبودن شرایط آزمایش میباشد. این نتایج، بیانگر صحت و قابل اعتماد بودن نتایج حاصل از دستگاه تست تجربی میباشد.
کاربردها :
انتخاب مناسبترین ملخ :
با مشخص شدن پارامترهای عمومی ملخ در روند طراحی وسیله پرنده، با ثابت نگه داشتن سرعت جریان در تونل و رساندن دور موتور از صفر به حداکثر مقدار خود برای ملخ‌های مختلف، میتوان با ثبت نتایج، مناسبترین ملخ را از بین ملخ‌های تست شده، انتخاب نمود. این عمل موجب بهینه شدن پارامترهایی است که مستقیماً با عملکرد ملخ در ارتباطند.
انتخاب مناسبترین موتور و تعیین پارامترهای آن :
انتخاب موتور برای ریزپرنده‌ها، به دو عامل تعیین کننده بازده موتور و نسبت وزن به توان موتور بستگی دارد. با در دست داشتن دستگاه اندازه‌گیری توان، میتوان در شرایط مختلف عملیاتی موتور، مقادیر پارامترهای فوق را محاسبه نمود. اطلاع کافی از پارامترهای مختلف موتور در شرایط مختلف، موجب انجام صحیح مأموریت وسیله پرنده و پیشگیری از بروز سوانح پیش‌بینی نشده خواهد شد.
تعیین پارامترهای مهم موتورهای احتراق داخلی :
با در اختیار داشتن دستگاه اندازه‌گیری نیروی تراست و توان موتورهای احتراق داخلی، میتوان مقدار مصرف سوخت ویژه را در دورهای مختلف موتور بدست آورد و این تحلیل موجب تعیین دور ایده‌آل موتور برای به حداقل رساندن مصرف سوخت میگردد. میزان مصرف سوخت به ملخ، موتور و نوع سوخت بستگی دارد. با ثابت نگه داشتن گاز و دور موتور، میتوان در مدت زمان مشخص، مقدار سوخت مصرفی را به راحتی اندازه‌گیری نمود.
نتیجه‌گیری :
بررسیهای گسترده در مورد عملکرد پرنده‌های بدون‌سرنشین و ریزپرنده‌ها، بیانگر اهمیت و نقش اساسی و تعیین کننده سیستم پیشرانش در انجام موفق مأموریت این وسایل پروازی است. اطلاعات دقیق و کافی از عملکرد سیستم پیشرانش و در دست داشتن وسایل اندازه‌گیری پارامترهای مرتبط با آن موجب پیشرفت در روند طراحی، ساخت و پرواز آنها خواهد بود. با در دست داشتن دستگاه‌های اندازه‌گیری تجربی، میتوان عملکرد موتور و ملخ را در شرایط مختلف بررسی نمود و با ثبت نتایج حاصل از آزمایشات، مقادیر بهینه شده پارامترهایی از قبیل دور ایده‌آل و حداکثر دور موتور، حداکثر نیروی تراست، مصرف سوخت ویژه، پارامترهای مؤثر در ملخ و ... را در تعریف کاربرد پرنده اعمال نمود.
