چكيده

در سال‌هاي اخير، توانمنديهاي پرنده هاي كوچك (mini aerial vehicles) و ميكروپرنده‌ها (MAV's) به منظور انجام عمليات شناسايي، اكتشاف و تجسس در كنار هواپيماهاي بدون سرنشين (UAV)، بسيار مشهود بوده است. انتخاب تركيب مناسبي از سيستم پيشرانش (موتور و ملخ)، يكي از مهمترين مراحل تعيين كننده در طراحي اين وسايل پرنده ميباشد. در اين مقاله به مطالعه و بررسي سيستم اندازه‌گيري و محاسبه كارآيي بخش پيشرانش ميكروپرنده‌ها پرداخته خواهد شد. همچنين آزمايشات تجربي مختلف در راستاي محاسبه نيروي تراست و توان توليدي در اين وسايل پرنده شرح داده ميشود. نتايج حاصل از آزمايشات تجربي با داده‌هاي شركت سازنده مقايسه شده و از اين طريق، صحت روند آزمايشات بررسي ميگردد. بررسي سيستم‌هاي اندازه‌گيري و انجام آزمايشات تجربي، موجب بهينه شدن روند طراحي ملخ‌ها و انتخاب مناسب موتور با توجه به پارامترهاي انجام مأموريت وسيله پرنده خواهد شد.
كلمات كليدي : ميكروپرنده، مشخصه‌هاي سيستم پيشرانش، آزمايشات تونل باد، بهينه‌سازي ملخ.

مقدمه

اخيراً، طراحي، پيشرفت و گسترش پرنده‌هاي كوچك بدون سرنشين توجه بسياري از متخصصين را به خود جلب نموده است. دهانه بال اين وسايل پرنده بين 0.3 تا 2.5 متر (1 تا 8 فوت) و محدوده وزني آنها بين 1 تا 10 كيلوگرم ميباشد. آنها قادرند محموله‌اي با وزن بيش از يك كيلوگرم را در شرايط مختلف حمل كنند. با چنين توانايي، آنها توانايي حمل محموله‌هايي نظير دوربين‌هاي هوايي، سنسورهاي شيميايي و زيست محيطي، مواد منفجره، سيستم جمع‌آوري اطلاعات و ... را دارند.
حدود 60 درصد وزن كل پرنده‌هاي كوچك را سيستم پيشرانش آنها تشكيل ميدهد و اين در حالي است كه سهم وزني محموله، سيستم‌هاي كنترل و سازه روي هم 40 درصد از وزن كل ميباشد. نتايج حاصل از آناليز حساسيت در مورد برخي ميكروپرنده‌ها نشان ميدهد كه در مقابل افزايش نيروي پساي هواپيما به ميزان 0.01 نيوتن (1 گرم)، مداومت پروازي هواپيما به ميزان 180 ثانيه كاهش مييابد. همچنين افزايش يك گرم به جرم هواپيما، 3 ثانيه مدت زمان مداومت پروازي را كاهش ميدهد. لذا، اندازه و وزن سيستم پيشرانش در كارآيي پروازي وسيله پرنده نقش بسزايي را ايفا ميكند. استفاده از ملخ به عنوان تأمين كننده نيروي تراست، براي پرنده‌هاي كوچك و ميكروپرنده‌ها مناسبترين گزينه ميباشد. با توجه به سطح تكنولوژي كنوني، موتورهاي احتراق داخلي كوچك و موتورهاي الكتريكي به عنوان مولد قدرت در پرنده‌هاي كوچك استفاده ميشوند. مناسبترين سوخت مورد استفاده در موتورهاي احتراق داخلي، سوخت‌هاي پايه متانول ميباشد و منبع ايجاد انرژي در موتورهاي الكتريكي، انواع باتريها و سلول‌هاي خورشيدي به‌شمار ميروند.

تئوري پيشرانش

سيستم پيشرانشي كه بالاترين راندمان كلي و حداقل وزن را با توجه به محدوديت‌هاي مأموريتي دارا باشد، به عنوان بهترين گزينه در وسايل هوايي، مطرح خواهد بود. راندمان كلي سيستم پيشرانش بصورت حاصل‌ضرب راندمان ملخ و راندمان منبع توليد توان، تعريف ميگردد :

كه Ps توان محور موتور، J نسبت پيشروي، CT ضريب نيروي تراست و Cp ضريب قدرت ميباشند. براي محاسبه نسبت پيشروي داريم :

در موتورهاي الكتريكي، راندمان از تقسيم توان توليدي محور موتور به توان ورودي محاسبه ميشود :

كارايي موتورهاي احتراق داخلي با اندازه‌گيري مقدار مصرف ويژه سوخت (SFC) مشخص ميگردد. مصرف ويژه سوخت به صورت وزن سوخت مصرف شده براي توليد يك واحد قدرت در واحد زمان تعريف ميشود.

طراحي و پيشرفت آزمايشات تجربي

تست تونل باد ميكروپرنده‌ها :
تونل بادي با ابعاد 1.25*1*1 متر در IIT Bombay به منظور انجام آزمايش‌هاي آيروديناميكي و پيشرانشي طراحي و ساخته شده است. اين تونل باد از نوع باز بوده و هوا در آن توسط دو موتور با توان 10 اسب بخار با دور 960 در دقيقه به جريان در ميآيد. موتورها توسط اتوترانسفورمر 440 ولت و 30 آمپري كنترل ميشوند. اين تونل براي انجام انواع آزمايشات روي ميكروپرنده‌ها طراحي شده و در آن محدوده‌ي سرعت بين صفر تا 25 متر بر ثانيه ميباشد كه اين مقدار، محدوده‌ي عملياتي ميكروپرنده‌ها به‌شمار ميرود. اتاقك آزمايش اين تونل باد طوري طراحي شده كه ميكروپرنده يا مدلي از آن با ابعاد 0.6*0.6 متر به راحتي جهت اندازه‌گيري بارهاي آيروديناميكي در آن نصب ميشود. جهت آزمايش سيستم پيشرانش، سكوي اندازه‌گيري توان و نيروي تراست، به‌كمك پايه‌هاي مختلف، در درون تونل نصب شده‌اند.

نحوه اندازه‌گيري توان به صورت تجربي:

دستگاه اندازه‌گيري توان ، مجهز به سنسور اندازه‌گيري گشتاور، ملخ و محل نصب موتور در كنار سنسور ميباشد. ملخ، موتور و سنسور توسط محور مركزي بهم متصلند و خود محور توسط چهار بيرينگ به ميز آزمايش محكم شده است. كار ايجاد شده توسط موتور، موجب چرخيدن ملخ ميشود و گشتاور حاصل از آن توسط سنسور اندازه‌گيري گشتاور، محاسبه ميگردد. توان خروجي از محور موتور، حاصل اين گشتاور و سرعت چرخشي ملخ ميباشد ( ). افت توان ناشي از اصطكاك موجود در بيرينگ‌ها، با بكار انداختن موتور بدون بارگذاري (بدون ملخ)، و مشخص كردن افت موجود بر حسب دور موتور، محاسبه و اتخاذ ميگردد. جعبه زير موتور بايستي تا حد امكان كوچك باشد تا شرايط كاري ملخ را با مشكل مواجه نكند. به منظور اندازه‌گيري دور موتور، سنسور اندازه‌گيري دور در پشت ملخ تعبيه شده است كه با ارسال نور قرمز و دريافت آن با هر دور چرخيدن ملخ، دور موتور را در زمان مشخص، معلوم ميكند.

دستگاه اندازه‌گيري نيروي تراست :

دستگاه اندازه‌گيري نيروي تراست، مجهز به نيروسنجي (load cell) متناسب با محدوده عملكرد ريزپرنده‌ها ميباشد. موتور الكتريكي (DC)، به كمك دو گيره به سكوي آزمايش و نيروسنج متصل شده است. سمت ديگر نيروسنج به محل صلب و بدون حركتي محكم شده است. عملكرد نيروسنج همانند عملكرد تير يك سر درگير ميباشد و نيروي تراست ايجاد شده توسط ملخ، در راستاي عمود بر نيروسنج بصورت نيروي برشي، عمل كرده و مقدار آن توسط نيروسنج مشخص ميگردد. دور موتور را به روش مشابه كه در بالا تشريح گرديد، ميتوان اندازه‌ گرفت. از آنجا كه اين دستگاه اندازه‌گيري در درون تونل مخصوص نصب ميشود تا نيروي تراست ايجاد شده توسط ملخ را در سرعت‌هاي مختلف جريان نشان دهد، لذا بايستي نيروي پساي حاصل از دستگاه را محاسبه نموده و در مقادر ثبت شده لحاظ كرد. در زير شاهد تجهيزاتي هستيد كه براي اندازه‌گيري پارامترهاي مربوط به نيروي پيشران ميكروپرنده‌ها مورد نياز است :

ميزان دقت و اعتبار آزمايشات تجربي :

جهت اطلاع از دقت دستگاه آزمايش تجربي، دستگاه اندازه‌گيري گشتاور و نيروي راست را با ملخ نوع 12x8APC به قطر 12 اينچ و گام 8، آزمايش شده است. نمودارهاي 1 و 2 نتايج حاصل از آزمايشات تجربي و مقادير موجود در مراجع را با هم مقايسه كرده‌اند. نتايج تجربي بيانگر حدود 10 درصد افت در دور 5000 در دقيقه، نسبت به مقادير ذكر شده هستند و اين افت ناشي از انواع اصطكاك‌ها و يكسان نبودن شرايط آزمايش ميباشد. اين نتايج، بيانگر صحت و قابل اعتماد بودن نتايج حاصل از دستگاه تست تجربي ميباشد.

کاربردها :

انتخاب مناسبترين ملخ :
با مشخص شدن پارامترهاي عمومي ملخ در روند طراحي وسيله پرنده، با ثابت نگه داشتن سرعت جريان در تونل و رساندن دور موتور از صفر به حداکثر مقدار خود براي ملخ‌هاي مختلف، ميتوان با ثبت نتايج، مناسبترين ملخ را از بين ملخ‌هاي تست شده، انتخاب نمود. اين عمل موجب بهينه شدن پارامترهايي است که مستقيماً با عملکرد ملخ در ارتباطند.

انتخاب مناسبترين موتور و تعيين پارامتر‌هاي آن :

انتخاب موتور براي ريزپرنده‌ها، به دو عامل تعيين کننده بازده موتور و نسبت وزن به توان موتور بستگي دارد. با در دست داشتن دستگاه اندازه‌گيري توان، ميتوان در شرايط مختلف عملياتي موتور، مقادير پارامترهاي فوق را محاسبه نمود. اطلاع کافي از پارامترهاي مختلف موتور در شرايط مختلف، موجب انجام صحيح مأموريت وسيله پرنده و پيشگيري از بروز سوانح پيش‌بيني نشده خواهد شد.

تعيين پارامترهاي مهم موتورهاي احتراق داخلي :

با در اختيار داشتن دستگاه اندازه‌گيري نيروي تراست و توان موتورهاي احتراق داخلي، ميتوان مقدار مصرف سوخت ويژه را در دورهاي مختلف موتور بدست آورد و اين تحليل موجب تعيين دور ايده‌آل موتور براي به حداقل رساندن مصرف سوخت ميگردد. ميزان مصرف سوخت به ملخ، موتور و نوع سوخت بستگي دارد. با ثابت نگه داشتن گاز و دور موتور، ميتوان در مدت زمان مشخص، مقدار سوخت مصرفي را به راحتي اندازه‌گيري نمود.

نتيجه‌گيري :

بررسيهاي گسترده در مورد عملکرد پرنده‌هاي بدون‌سرنشين و ريزپرنده‌ها، بيانگر اهميت و نقش اساسي و تعيين کننده سيستم پيشرانش در انجام موفق مأموريت اين وسايل پروازي است. اطلاعات دقيق و کافي از عملکرد سيستم پيشرانش و در دست داشتن وسايل اندازه‌گيري پارامترهاي مرتبط با آن موجب پيشرفت در روند طراحي، ساخت و پرواز آنها خواهد بود. با در دست داشتن دستگاه‌هاي اندازه‌گيري تجربي، ميتوان عملکرد موتور و ملخ را در شرايط مختلف بررسي نمود و با ثبت نتايج حاصل از آزمايشات، مقادير بهينه شده پارامترهايي از قبيل دور ايده‌آل و حداکثر دور موتور، حداکثر نيروي تراست، مصرف سوخت ويژه، پارامترهاي مؤثر در ملخ و ... را در تعريف کاربرد پرنده اعمال نمود.