ما هو البطارية الأطول عمرًا للطائرات المُسيرة؟

بطاريات الطائرات المُسيرة طويلة المدى: كشف القدرة الأساسية لتحسين كفاءة الطيران

يُعد وقت الطيران أحد المؤشرات الأكثر أهمية في أداء الطائرة المُسيرة – سواء في التصوير الجوي، أو المسح، أو الزراعة، أو التفتيش، أو الخدمات اللوجستية، أو الطيران الترفيهي. لا تسمح البطارية الأطول عمرًا للطائرة المُسيرة بالبقاء في الجو لفترة أطول فحسب، بل تحسّن أيضًا كفاءة المهام، وتقلل من عدد الرحلات العائدة، وتعزز السلامة، وتمكّن الطائرة من تنفيذ مهام أكثر تعقيدًا. بالنسبة للطيارين المحترفين، تعني البطارية ذات العمر الأطول كفاءة تشغيلية أعلى، وجمع بيانات أكثر استقرارًا، وأداء طيران أكثر موثوقية. ومع التقدم المستمر في تقنية البطاريات، أصبح فهم "أي بطارية طائرة مُسيرة تمتلك أطول عمر" أمرًا بالغ الأهمية.

أولًا: بطاريات الطائرات المُسيرة: الدعم الأساسي لقوة الطيران

بطارية الطائرة المسيرة هي نظام طاقة قابل لإعادة الشحن يمد محركات الطائرة المسيرة ونظام التحكم في الطيران وأجهزتها الاستشعارية وجميع المعدات الإلكترونية المحمولة على متنها بالطاقة. ويجب أن تمتاز هذه البطارية بكثافة طاقة عالية، ومستوى مستقر لإخراج الجهد، وقدرات آمنة على التفريغ لضمان استقرار الطيران. حاليًا، تكون معظم بطاريات الطائرات المسيرة السائدة مصنوعة من الليثيوم، وتشمل بشكل رئيسي ثلاثة أنواع: بطاريات الليثيوم بوليمر (LiPo) التي تتميز بمعدل تفريغ عالٍ (مُعدّل C)، ووزن خفيف، وقدرة قوية على تزويد الطاقة، ما يجعلها الخيار السائد للطائرات المسيرة المستخدمة في السباقات وأنظمة الرؤية الأولى (FPV) والطائرات المتعددة المراوح عالية الأداء؛ وبطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) التي تتمتع بكثافة طاقة أعلى وتصلح للطائرات المسيرة طويلة الأمد، والطائرات الثابتة الأجنحة، والمهام بعيدة المدى؛ إضافة إلى بطاريات فوسفات الحديد الليثيوم (LiFePO4) التي تمتاز باستقرار أكبر وأمان أعلى وعمر دورة أطول، رغم انخفاض كثافة طاقتها، وتُستخدم غالبًا في الطائرات الصناعية أو الخاصة.

تتكون البطارية من خلايا متعددة. الجهد الاسمي لخلية ليثيوم أيون واحدة هو 3.6–3.7 فولت، وخلية الليثيوم بوليمر هو 3.7 فولت. عادةً ما تُوصل بطاريات الطائرات المُسيرة على التوالي (S) أو التوازي (P) أو مزيج منهما، مثل 3S، 4S، 6S، أو 12S، لتلبية متطلبات الطاقة. تحتاج بطارية طائرة مُسيرة عالية الجودة إلى تحقيق توازن في استقرار الجهد، وسعة التفريغ، ونسبة الوزن إلى السعة، والاستقرار الحراري، وعمر الدورة. تحدد هذه العوامل مجتمعةً مدة طيران الطائرة المُسيرة وما إذا كانت أداء الطيران مستقرًا أم لا.

ثانيًا: أنواع بطاريات الطائرات المُسيرة ذات أطول زمن طيران

تُعد بطاريات الطائرات المُسيرة الأطول عمرًا نسبيًا عبارة عن حزم بطاريات ليثيوم أيون عالية السعة وكثافة طاقة، مصممة للبعثات طويلة المدى. وتتمحور السمة الأساسية لهذه البطاريات حول التركيز على "سعة التخزين للطاقة" بدلًا من "سعة التفريغ الفوري"، مما يمكّن الطائرات المُسيرة من تحقيق أوقات طيران مستمرة تتراوح بين ساعة و3 ساعات. حاليًا، تشمل أنواع البطاريات ذات أطول أوقات طيران بشكل رئيسي: حزم بطاريات ليثيوم أيون عالية الكثافة الطاقية من نوع 18650/21700، والتي تصل كثافتها الطاقية إلى 300–350 واط-ساعة/كجم، وتُستخدم عادةً في طائرات التصوير الجوي طويلة المدى، والطائرات ذات الأجنحة الثابتة أو الطائرات العمودية (VTOL)؛ وبطاريات وحدات هجينة من ليثيوم أيون/ليثيوم بوليمر (LiPo)، التي توازن بين الوزن وأداء التفريغ؛ إضافةً إلى أنظمة بطاريات الليثيوم أيون من الجيل التالي فائقة السعة (المستخدمة مع أنظمة طاقة فعّالة)، والتي يمكنها تحقيق أوقات طيران قياسية تمتد لعدة ساعات. وتجدر الإشارة إلى أنه على الرغم من قوة بطاريات الليثيوم بوليمر (LiPo)، فإنها تُستخدم أساسًا لإخراج تيار عالٍ، ولا تُعد الخيار الأمثل للحصول على أطول مدة طيران. باختصار، تُعد بطاريات الليثيوم أيون عالية الكثافة الطاقية هي البطاريات الأطول عمرًا للطائرات المُسيرة.

ثالثاً: "العمر الافتراضي المزدوج" لبطاريات الطائرات المسيرة: وقت الطيران الفردي ومتانة الدورات

يمكن تقسيم "العمر الافتراضي" لبطارية الطائرة المسيرة إلى جزأين: وقت الطيران الفردي (المدة التي يمكن أن تطير فيها بشحنة واحدة) وعمر الدورة (عدد مرات الشحن والتفريغ). تتراوح أوقات الطيران الفردية النموذجية كما يلي: الطائرات المسيرة الترفيهية من 5 إلى 10 دقائق، والطائرات المسيرة الاستهلاكية الخاصة بالتصوير الجوي من 20 إلى 40 دقيقة، والطائرات المسيرة الاحترافية الخاصة بالرسم الخرائقي من 45 إلى 60 دقيقة، والطائرات المسيرة ذات الأجنحة الثابتة عالية التحمل من 90 إلى 180 دقيقة، ويمكن للأنظمة الهجينة (هجينة كهربائية-بنزينية) الوصول إلى 2–5 ساعات أو أكثر. من حيث عمر الدورة، فإن بطاريات الليثيوم بوليمر (LiPo) تبلغ حوالي 150–300 دورة، وبطاريات الليثيوم أيون (Li-ion) من 300 إلى 500 دورة، وتمتد بطاريات الليثيوم الحديديديك (LiFePO4) لأكثر من 1000 دورة. ويتأثر عمر الدورة أيضًا بشكل كبير بعوامل مثل طريقة الشحن، وفولتية التخزين، ودرجة الحرارة.

رابعاً: طرز الطائرات المسيرة ذات أطول وقت طيران

حاليًا، تُعد الطائرات المُسيرة ذات أطول زمن طيران في السوق هي في الغالب طائرات مُسيرة بجناح ثابت وطائرات مُسيرة عمودية الإقلاع والهبوط (VTOL) طويلة المدى، وتُستخدم بشكل رئيسي في المجالات الاحترافية مثل المسح الجوي، والدوريات، والزراعة. وتتراوح أقصى أزمنة طيران نموذجية كما يلي: الطائرات المُسيرة الاحترافية بجناح ثابت من 120 إلى 180 دقيقة، والطائرات المُسيرة (VTOL) طويلة المدى من 90 إلى 150 دقيقة، والطائرات المُسيرة الهجينة من 4 إلى 6 ساعات أو أكثر. وفي السوق الاستهلاكية (مثل الطائرات المُسيرة القابلة للطي لتصوير الفيديو الجوي)، يكون أقصى زمن طيران عادةً من 40 إلى 50 دقيقة، وهي أداء يتحقق أساسًا من خلال بطاريات ليثيوم أيون ذات كثافة طاقة عالية وهياكل خفيفة الوزن.

خامسًا. العوامل الرئيسية المؤثرة في زمن طيران الطائرة المُسيرة

لا يتحدد زمن طيران الطائرة المُسيرة فقط بسعة البطارية، بل يعتمد على التأثير المشترك لعوامل متعددة. وهناك ستة عوامل رئيسية مؤثرة:
1. سعة البطارية (مللي أمبير/ساعة أو واط/ساعة): كلما زادت السعة، زاد زمن الطيران النظري، ولكن الوزن سيزداد أيضًا؛
2. وزن الطائرة المُسيرة (بما في ذلك الحمولة): كلما زاد وزن الطائرة، زادت متطلبات قوة المحرك، وازداد استهلاك الطاقة بسرعة أكبر؛
3. كفاءة المحرك ومطابقة الدوار: يمكن لنظام قوة فعّال أن يحسّن بشكل كبير من مدة التشغيل؛
4. الظروف البيئية (الرياح، درجة الحرارة): يمكن أن تؤدي درجات الحرارة المنخفضة إلى انخفاض الجهد، كما تزيد الرياح القوية من عبء العمل على المحرك؛
5. وضع الطيران والسرعة الجوية: يؤدي الطيران بسرعة عالية أو المناورات المتكررة إلى تقصير زمن الطيران بشكل ملحوظ؛
6. هيكل الطائرة (متعددة المراوح مقابل جناح ثابت): تعتمد الطائرات متعددة المراوح بالكامل على المحركات للحصول على الرفع، في حين يمكن للطائرات ذات الأجنحة الثابتة التحليق، وبالتالي فإنها تتمتع بمدة طيران أطول.

سادساً. طريقة حساب وقت طيران الطائرة المُسيرة

يساعد تقدير وقت الطيران الطيارين في تخطيط المهام، وتحديد ما إذا كانت البطارية كافية، وتقييم كفاءة الطيران. ويمكن تحقيق ذلك من خلال طريقة حسابية مكونة من أربع خطوات: أولاً، التحقق من سعة البطارية (مللي أمبير/ساعة)؛ ثانياً، تحويلها إلى أمبير/ساعة (Ah)، على سبيل المثال، 6000 مللي أمبير/ساعة = 6 أمبير/ساعة؛ ثالثاً، تحديد متوسط استهلاك التيار للطائرة بدون طيار أثناء الطيران (A)؛ رابعاً، استخدام الصيغة "وقت الطيران (بالدقائق) = (سعة البطارية بوحدة الأمبير/ساعة ÷ التيار بالأمبير) × 60 × معامل الكفاءة" للحساب، حيث يكون معامل الكفاءة عادة حوالي 0.85. على سبيل المثال، إذا كانت البطارية بسعة 6000 مللي أمبير/ساعة (6 أمبير/ساعة) والتيار أثناء الطيران هو 18 أمبير، فإن التعويض في الصيغة يعطي (6 ÷ 18) × 60 × 0.85 ≈ 17 دقيقة. السابع: حالات استخدام الطائرات بدون طيار التي تتطلب بطاريات طويلة العمر

تعتمد الصناعات الستة التالية بشكل كبير على الطائرات بدون طيار ذات مدى طويل لضمان استمرارية المهمة وسلامة البيانات:
1. المسح والنمذجة الطبوغرافية: تتطلب مهام المسح الجوي على نطاق واسع طيرانًا مستمرًا لفترات طويلة؛
2. الحماية النباتية الزراعية ومراقبة الحقول: تتطلب مراقبة مئات الأفدنة طائرات مسيرة طويلة العمر لتقليل تبديل البطاريات؛
3. مهام البحث والإنقاذ (SAR): يمكن للطائرات المسيرة طويلة المدى أن تقوم بمهام تفتيش بالتصوير الحراري لفترات أطول؛
4. تفتيش البنية التحتية: يُطلب المراقبة المستمرة لخطوط الكهرباء، والأنابيب، والسكك الحديدية، والجسور، إلخ؛
5. المراقبة البيئية وحيوانات الحياة البرية: تتطلب الأبحاث العلمية غالبًا جمع بيانات على نطاق واسع وعلى مدى طويل؛
6. الخدمات اللوجستية وتسليم الطلبات بالطائرات المسيرة: تتطلب النقلات طويلة المدى أنظمة طاقة فعّالة أو أنظمة هجينة.

الاستنتاج

حاليًا، تعد بطاريات الطائرات المسيرة الأطول عمرًا نظم بطاريات ليثيوم-أيون ذات كثافة طاقة عالية، مصممة لتمكين أوقات طيران طويلة ومهمات احترافية. عادةً ما تحلق الطائرات المسيرة الاستهلاكية لمدة تصل إلى 20–40 دقيقة كحد أقصى، في حين يمكن للطائرات المسيرة الاحترافية ذات الجناح الثابت، وطائرات الإقلاع والهبوط العمودي (VTOL)، والأنظمة الهجينة تحقيق أوقات طيران تتراوح بين 90 دقيقة وساعات عديدة أو أكثر. وتأثر أداء بطارية الطائرة المسيرة ليس فقط بالنظام الكيميائي، بل أيضًا بالسعة، والوزن، وكفاءة نظام الطاقة، وبيئة الطيران، واستراتيجية الطيران. إن فهم العوامل المؤثرة في المدى وطرق حساب وقت الطيران سيساعد الطيارين على اختيار نظم بطاريات أكثر ملاءمة وتحسين الأداء أثناء الطيران بشكل كبير. ومع استمرار تطور تقنية البطاريات، ستتمكن الطائرات المسيرة من تنفيذ مهام أطول مدى وأكثر كفاءة، وستكون البطاريات طويلة الأمد مفتاحًا لدفع هذا التطور.

الوصف

تحسّن بطاريات الطائرات المسيرة طويلة المدى—وخاصة حزم الليثيوم أيون عالية الكثافة الطاقية—مدة التحليق بشكل كبير، وتعزز الكفاءة، وتدعم المهام الصعبة مثل المسح الجوي والزراعة والتفتيش والخدمات اللوجستية. ويساعد فهم أنواع البطاريات ومدة صلاحيتها وعوامل مدة التحليق وأساليب الحساب الطيارين في اختيار النظام الكهربائي المناسب لتحقيق أداء طائرات مسيرة أطول وأكثر أماناً وموثوقية.