ما نوع البطاريات التي تستخدمها الطائرات المُسيَّرة؟

مقدمة

تُعَدُّ بطاريات الطائرات المُسيرة قلب كل مركبة جوية غير مأهولة (UAV). وهي توفر الطاقة اللازمة للطيران، وتؤثر بشكل مباشر على مدة الطيران، وقدرة الحمولة، والأداء العام، وسلامة التشغيل. سواء كنت تستخدم طائرة مسيرة للتصوير الجوي، أو الزراعة، أو المسح الجيوديسي، أو عمليات التفتيش، أو الطيران الترفيهي، فإن اختيار البطارية المناسبة يُعَدُّ أحد أهم القرارات التي يمكنك اتخاذها. وبالفعل، لا تحسِّن البطارية المُختارة بدقة كفاءة الطيران فحسب، بل تمتد أيضًا مدة خدمة كلٍّ من البطارية والطائرة المسيرة.

في الوقت الراهن، يعتمد معظم الطائرات المُسيرة على بطاريات قائمة على الليثيوم، لأنها توفر مزيجًا ممتازًا من خفة الوزن وكثافة الطاقة العالية ومخرج طاقةٍ موثوقٍ به. ومع ذلك، فإن تقنيات بطاريات الليثيوم المختلفة تقدّم مزايا مختلفة. وبفهم الخصائص المميزة لكل نوع من أنواع البطاريات، إلى جانب المواصفات الأساسية مثل السعة والجهد ومعدل التفريغ، يمكن للطيارين وشركات التصنيع اختيار البطارية الأنسب لتطبيقاتهم. ويوضّح هذا الدليل الأنواع الرئيسية لبطاريات الطائرات المُسيرة، وكيفية قياس أداء البطارية، وكيفية تقدير مدة الطيران، وأفضل الممارسات المتعلقة بسلامة البطاريات وصيانتها.

الجزء الأول: فهم بطاريات الطائرات المُسيرة

١. أنواع بطاريات الطائرات المُسيرة

١.١ بطاريات الليثيوم البوليمر (LiPo)

بطاريات الليثيوم بوليمر، والمعروفة عادةً باسم بطاريات ليبو، هي البطاريات الأكثر انتشارًا في الطائرات المُسيرة الحديثة. وتجعلها تصميماتها خفيفة الوزن وقدرتها الممتازة على التفريغ مثاليةً للتطبيقات التي تتطلب توصيل طاقة قوية وفورية. وبما أن بطاريات ليبو يمكن تصنيعها بأشكال وأحجام مختلفة، فإنها توفر مرونةً أكبر لمصنّعي الطائرات المُسيرة عند تصميم طائراتٍ مدمجة وخفيفة الوزن.

يُعدّ القدرة على توصيل تيارٍ عالٍ فورًا أحد أكبر المزايا التي تتميّز بها بطاريات ليبو. ويمكن لبطاريات ذات تصنيفات تفريغ مثل ٤٠C أو ٥٠C أو ٧٠C تلبية متطلبات المحركات بلا فرشاة القوية بسهولة، ما يسمح للطائرات المُسيرة بالتسارع السريع والحفاظ على أداءٍ مستقر أثناء المناورات العنيفة. ولهذا السبب تُعتبر بطاريات ليبو الخيار المفضّل للطائرات المُسيرة المستخدمة في سباقات الرؤية الأولى شخصيًا (FPV)، والطائرات المُسيرة الخاصة بالتصوير الجوي، والطائرات المُسيرة الزراعية (UAVs)، والعديد من المنصات الصناعية.

ورغم أدائها الممتاز، فإن بطاريات الليثيوم بوليمر (LiPo) تتطلب عنايةً مناسبة. ويجب شحنها دائمًا باستخدام شاحن متوازن متوافق، وحمايتها من الشحن الزائد والتفريغ العميق، وتخزينها عند الجهد الموصى به عند عدم استخدامها لفترات طويلة. وتؤدي الصيانة السليمة إلى تحسين عمر البطارية بشكلٍ كبير، مع الحد من المخاطر الأمنية المحتملة.

1.2 بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion)

تم تصميم بطاريات الليثيوم أيون لتوفير عمر تشغيل أطول وكفاءة طاقية أعلى مقارنةً ببطاريات الليثيوم بوليمر (LiPo). وبفضل كثافتها الطاقية الأعلى، يمكن للطائرات المُسيرة أن تبقى في الجو لفترات أطول باستخدام بطاريات ذات أحجام وأوزان مماثلة. ونتيجةً لذلك، أصبحت بطاريات الليثيوم أيون أكثر انتشارًا في الرحلات طويلة المدى والعمليات التجارية للطائرات المُسيرة، حيث يكتسب عمر التشغيل أهميةً أكبر من التسارع السريع.

ميزةٌ أخرى مهمةٌ لبطاريات الليثيوم-أيون هي عمرها الافتراضي الأطول. فهي تدعم عمومًا عددًا أكبر من دورات الشحن قبل أن تبدأ في فقدان سعتها بشكل ملحوظ، ما يجعلها حلاً اقتصاديًّا فعّالًا لمشغِّلي الطائرات المُسيرة الذين يستخدمونها بكثرة. كما أن معدل التفريغ الذاتي المنخفض لهذه البطاريات يسمح لها بالاحتفاظ بالطاقة المخزَّنة بكفاءة أعلى أثناء التخزين طويل الأمد.

مع ذلك، لا تستطيع بطاريات الليثيوم-أيون تزويد أجهزة الطيران بتيارات تفريغ عالية جدًّا مثل بطاريات الليثيوم-بوليمر (LiPo). وبسبب هذه القيود، فهي ليست الخيار الأمثل للطائرات المُسيرة المستخدمة في السباقات أو للطائرات التي تتطلّب انفجارات مفاجئة من الطاقة. وبدلًا من ذلك، تُستخدم عادةً في الطائرات المُسيرة الاستهلاكية المزودة بكاميرات، والطائرات المُسيرة الخاصة بالرسم الخرائطي، والطائرات المُسيرة الخاصة بالمسوحات الجوية، ومنصات الفحص التي تُركِّز على مدة الطيران أكثر من أقصى سرعة.

١.٣ بطاريات الليثيوم-حديد-الفوسفات (LiFePO4)

بطاريات ليثيوم حديد فوسفات، والمعروفة أيضًا باسم بطاريات LiFePO4، تُعَدُّ مُعْرَفَةً بأمانها الاستثنائي ومتانتها. وبالمقارنة مع كيمياء البطاريات الليثيوم الأخرى، فإنها أكثر مقاومةً بكثيرٍ للاشتعال الزائد والانهيار الحراري، ما يجعلها خيارًا جذّابًا للتطبيقات التي تتطلّب موثوقيةً عاليةً.

كما توفر بطاريات LiFePO4 عمر دورةٍ طويلٍ للغاية. وفي ظل ظروف التشغيل المناسبة، يمكنها غالبًا أن تقدّم عدد دورات شحنٍ يفوق بعدة أضعافٍ عدد دورات الشحن في البطاريات الليثيوم التقليدية. ويسمح هيكلها الكيميائي المستقر لها بالتحمل المتكرر لعمليات الشحن والتفريغ مع الحفاظ على أداءٍ ثابتٍ على مدى سنوات عديدة.

العيب الرئيسي لبطاريات ليثيوم حديد الفوسفات (LiFePO4) هو كثافتها الطاقية المنخفضة نسبيًّا. فهي أثقل من بطاريات الليثيوم بوليمر (LiPo) والليثيوم أيون (Li-ion) ذات السعات المماثلة، ما يحد من استخدامها في الطائرات المُسيَّرة الاستهلاكية الخفيفة. ومع ذلك، تظل خيارًا ممتازًا للطائرات المُسيَّرة الصناعية، وطائرات الاستجابة للطوارئ، وأنظمة الأمن، وغيرها من التطبيقات الاحترافية التي تُعتبر فيها السلامة الأولوية القصوى.

٢. مقاييس أداء بطاريات الطائرات المُسيَّرة

يساعد فهم مواصفات البطارية مستخدمي الطائرات المُسيَّرة على مقارنة البطاريات المختلفة واختيار مصدر الطاقة الأنسب لطائرة معينة.

٢.١ السعة (مللي أمبير-ساعة / أمبير-ساعة)

تشير سعة البطارية إلى كمية الطاقة الكهربائية التي يمكن للبطارية تخزينها، وعادةً ما تُقاس بوحدة الملي أمبير-ساعة (mAh) أو الأمبير-ساعة (Ah). وبشكل عام، فإن البطارية ذات السعة الأعلى قادرة على تشغيل الطائرة المسيرة لفترة أطول. ومع ذلك، فإن زيادة السعة تؤدي أيضًا إلى زيادة وزن البطارية. وبما أن البطاريات الأثقل تتطلب طاقة أكبر للحفاظ على الطائرة المسيرة في الجو، فإن اختيار أكبر بطارية متوفرة لا يؤدي دائمًا إلى أطول فترة طيران. ولذلك، فإن إيجاد التوازن الأمثل بين السعة والوزن أمرٌ بالغ الأهمية لتحقيق أفضل أداء عام.

٢.٢ الجهد (فولت)

يُحدِّد الجهد كمية الطاقة الكهربائية المُورَّدة إلى محركات الطائرة المسيَّرة وأنظمتها الإلكترونية. وعادةً ما تُصنَع بطاريات الطائرات المسيَّرة عن طريق ربط عدة خلايا ليثيوم على التوالي. ومن التكوينات الشائعة للبطاريات: 2S (7.4 فولت)، و3S (11.1 فولت)، و4S (14.8 فولت)، و6S (22.2 فولت)، وأنظمة أكبر تصل إلى 18S (66.6 فولت). وبشكل عام، فإن الأنظمة ذات الجهد الأعلى تحسِّن الكفاءة لأنها قادرة على توصيل القدرة المطلوبة مع سحب تيار أقل، مما يقلل من إنتاج الحرارة والخسائر في الطاقة.

معدل التفريغ C: ٢.٣

يقيس تصنيف C مدى سرعة تفريغ البطارية لطاقتها المخزنة بشكل آمن. ويسمح التصنيف الأعلى لـ C للبطارية بتوصيل تيار أكبر إلى المحركات، مما يوفّر تسارعًا أقوى وأداءً أفضل في التسلق. وعادةً ما تتطلب الطائرات المسيرة عالية الأداء بطاريات ذات تصنيفات C أعلى، بينما تعمل الطائرات المسيرة الاستهلاكية التي تطير بسرعات معتدلة بكفاءة غالبًا باستخدام معدلات تفريغ أقل. ويُساعد اختيار بطارية ذات تصنيف C مناسب على الحفاظ على استقرار الجهد أثناء ظروف الطيران الصعبة.

دورة الشحن

تشير دورة الشحن إلى عملية تفريغ البطارية بالكامل ثم شحنها مرة واحدة. وبمرور الوقت، تفقد كل بطارية ليثيوم تدريجيًّا جزءًا من سعتها بسبب التقدم الطبيعي في العمر الكيميائي. ويمكن لمعظم بطاريات الطائرات المسيرة أن توفر ما يقارب ٣٠٠ إلى ٥٠٠ دورة شحن قبل أن تبدأ سعتها القابلة للاستخدام في الانخفاض بشكل ملحوظ. ويمكن أن تؤدي عادات الشحن السليمة، ودرجات حرارة التشغيل المعتدلة، والظروف الصحيحة لتخزين البطارية إلى إطالة عمر البطارية بشكل كبير.

كفاءة البطارية

لا يوجد نظام بطاريات يحوّل كل الطاقة المخزَّنة إلى طاقة مفيدة. فبعض الطاقة يُفقد بشكل طبيعي على هيئة حرارة بسبب المقاومة الداخلية والمكونات الإلكترونية الموجودة داخل الطائرة المسيرة. وتعمل أنظمة بطاريات الطائرات المسيرة الحديثة عادةً بكفاءة تتراوح بين ٨٠ و٩٠ في المئة. وبأخذ كفاءة البطارية في الاعتبار، يمكن الحصول على تقديرٍ أكثر واقعيةٍ لزمن الطيران الفعلي في ظل الظروف التشغيلية العادية.

٢.٦ استهلاك الطائرة المسيرة للطاقة

يعتمد إجمالي استهلاك الطائرة المسيرة للطاقة على عدة عوامل، منها المحركات ووحدة التحكم في الطيران والكاميرا ونظام تحديد المواقع العالمي (GPS) ونظام نقل الفيديو وأي حمولة إضافية. وبطبيعة الحال، تستهلك الطائرات المسيرة الأكبر حجمًا والتي تحمل معدات ثقيلة طاقةً أكبر من النماذج الترفيهية الخفيفة الوزن. وغالبًا ما تنشر الشركات المصنِّعة أرقام استهلاك الطاقة المتوسطة، ويمكن الحصول على قياسات أكثر دقة باستخدام معدات اختبار متخصصة مثل أجهزة قياس القدرة الكهربائية (الواط متر).

٣. حساب زمن طيران الطائرة المسيرة

يساعد تقدير وقت الطيران مشغِّلي الطائرات المسيرة في التحضير للبعثات وإدارة استهلاك البطارية بشكل أكثر فعالية. وتحسب إحدى الصيغ الشائعة لوقت الطيران استنادًا إلى سعة البطارية، وفولتية البطارية، وكفاءة النظام، واستهلاك الطاقة المتوسط.

فعلى سبيل المثال، يمكن لطائرة مسيرة مزودة ببطارية سعتها ٥٠٠٠ ملي أمبير/ساعة (٥ أمبير/ساعة) تعمل عند جهد ١٤,٨ فولت وكفاءة متوسطة تبلغ ٨٥ في المئة واستهلاك طاقة متوسط يقدَّر بـ ١٥٠ واط أن تحقِّق وقت طيران تقديري يبلغ نحو ٢٥ دقيقة. وعلى الرغم من أن هذه الحسابات توفِّر إرشادًا مفيدًا، فإن وقت الطيران الفعلي يتغير تبعًا لأسلوب القيادة، وظروف الطقس، ووزن الحمولة، وحالة البطارية.

الرياح القوية تتطلب من المحركات بذل جهد أكبر، مما يقلل من مدة التشغيل. كما أن حمل كاميرات أو أجهزة استشعار أثقل يزيد من استهلاك الطاقة. وتنخفض كفاءة البطارية في الطقس البارد، بينما يؤدي الطيران العنيف والتسارع السريع المتكرر إلى استهلاك الطاقة بوتيرة أسرع بكثير من الطيران السلس المستقر. ولضمان السلامة وطول عمر البطارية، يوصي معظم المصنّعين بالهبوط مع بقاء ما لا يقل عن ٢٠٪ من سعة البطارية، بدلًا من تفريغها بالكامل.

٤. سلامة البطارية والمخاطر المرتبطة بها

يُعد التعامل الآمن مع البطاريات أمرًا ضروريًّا لحماية معداتك وضمان عمليات طيران آمنة. ومعظم حالات فشل البطاريات ناتجة عن الشحن غير الصحيح أو ممارسات التخزين الرديئة أو الأضرار الجسدية، وليس بسبب عيوب تصنيع.

ارتفاع درجة الحرارة

يُعَدّ ارتفاع درجة حرارة البطارية من أكثر مشاكل البطاريات شيوعًا. وقد يحدث ذلك بسبب تيار تفريغ مفرط، أو شحن البطارية فور الانتهاء من الطيران، أو ارتفاع درجات الحرارة المحيطة، أو الشحن الزائد. وتؤدي الحرارة المفرطة إلى تسريع عملية تدهور البطارية، وقد تؤدي في الحالات الشديدة إلى حدوث انفلات حراري. ولتقليل هذا الخطر، يُنصح بالسماح للبطاريات بالتبريد الطبيعي قبل شحنها، والتشغيل ضمن نطاق درجة الحرارة الموصى به.

انتفاخ البطارية

يُشير انتفاخ البطارية عادةً إلى تلف أو تدهور الخلايا الداخلية. وقد يؤدي الشحن الزائد، أو التفريغ العميق، أو الصدمات الفيزيائية، أو التعرّض الطويل لدرجات الحرارة المرتفعة إلى انتفاخ البطارية. ويجب ألا تُستخدم البطارية المنتفخة أبدًا في الطيران، لأنها قد تفشل بشكل غير متوقع أو تشكّل خطرًا على السلامة. وأفضل خيارٍ من حيث الأمان هو استبدال البطاريات التالفة فورًا.

الاستخدام غير السليم للبطارية

استخدام شاحن غير مناسب، أو تخزين البطاريات مشحونة بالكامل لفترات طويلة، أو تعريضها للرطوبة، أو السماح لها بالتفريغ إلى ما دون الجهد الموصى به، كلُّ ذلك قد يقلل من عمر البطارية. وتشمل الممارسات البسيطة التي تحسّن الأداء والسلامة على حدٍّ سواء فحص البطاريات بانتظام قبل كل رحلة، وتخزينها في مكان بارد وجاف، واتباع تعليمات الشركة المصنعة الخاصة بالشحن.

الجزء الثاني: بطاريات الطائرات المسيَّرة المخصصة

خطوات الحصول على بطاريات الطائرات المسيَّرة المخصصة

وبموازاة تطور تقنية الطائرات المسيَّرة، يحتاج العديد من الشركات المصنِّعة والمشغلين التجاريين إلى حلول بطاريات لا تتيحها المنتجات القياسية. وتُصمَّم بطاريات الطائرات المسيَّرة المخصصة لتلبية متطلبات الأداء المحددة، مما يمكن الطائرات من تحقيق أوقات طيران أطول، وكفاءة أعلى، أو أبعاد تركيب فريدة.

الخطوة الأولى في تطوير بطارية مخصصة هي تحديد السعة المطلوبة، وفولتية التشغيل، والأبعاد الفيزيائية، وقيود الوزن. ويجب أن تتطابق هذه العوامل مع نظام المحرك الخاص بالطائرة المسيرة والمساحة المتاحة للتثبيت، مع الحفاظ على توزيع وزن مناسب لضمان طيران مستقر.

ويُعَد اختيار الموصلات عاملاً آخر مهمًا. ويجب أن تستخدم البطارية موصلات متوافقة مع النظام الكهربائي للطائرة المسيرة، وقادرة على تحمل التيار المتوقع بأمان. علاوةً على ذلك، فإن العديد من حزم البطاريات المخصصة تتضمن ميزات حماية متقدمة مثل أنظمة إدارة البطاريات (BMS)، وتوازن الخلايا، وحماية الإفراط في الشحن، وحماية الإفراط في التفريغ، ومراقبة درجة الحرارة، وحماية الدوائر القصيرة. ويساعد التعاون مع شركة مصنِّعة خبيرة في مجال البطاريات على ضمان توافق البطارية مع توقعات الأداء ومع المعايير الدولية للأمان.

الجزء الثالث: الأسئلة الشائعة

هل يمكنني استخدام شاحن من طرف ثالث لبطارية طائرتي المسيرة؟

يمكن استخدام شاحن من طرف ثالث إذا كان متوافقًا تمامًا مع تركيب البطارية الكيميائي، والجهد، وعدد الخلايا، ومواصفات الشحن. وعمومًا يُوصى باستخدام شواحن متوازنة عالية الجودة مصممة للبطاريات الليثيوم لأنها تشحن كل خلية بشكل متساوٍ وتساعد في تحسين سلامة البطارية.

هل يمكن حمل بطاريات الطائرات المسيرة على متن الطائرات؟

تسمح معظم شركات الطيران بحمل بطاريات الليثيوم التي لا تتجاوز سعتها ١٠٠ واط/ساعة في الأمتعة اليدوية، رغم أن اللوائح تختلف باختلاف البلد وشركة الطيران. ويجب حماية البطاريات الاحتياطية بشكل مناسب لمنع حدوث دوائر قصيرة، كما ينبغي على الركاب دائمًا التحقق من أحدث سياسات شركة الطيران قبل السفر.

لماذا تنخفض سعة بطارية الطائرة المسيرة مع مرور الوقت؟

تنخفض سعة البطارية بشكل طبيعي مع تقدم عمر البطارية. وتُسهم دورات الشحن المتكررة، والتعرض لدرجات حرارة مرتفعة، والشحن الزائد، والتفريغ العميق، وتخزين البطارية بطريقة غير صحيحة في فقدان السعة. ويمكن لممارسة ممارسات الشحن والتخزين السليمة إبطاء هذه العملية التدهورية إلى حد كبير.

كيف تعمل عملية تفريغ بطارية الطائرة المسيرة؟

تبلغ الجهد الاسمي لبطارية ليثيوم بوليمر (LiPo) النموذجية حوالي 3.7 فولت لكل خلية، وتصل إلى 4.2 فولت لكل خلية عند الشحن الكامل. وخلال الطيران، ينخفض جهد البطارية تدريجيًّا قبل أن ينخفض بشكل أسرع قرب نهاية دورة التفريغ. ولحماية صحة البطارية وضمان التشغيل الآمن، ينبغي على الطيارين تجنُّب استنزاف البطارية بالكامل والهبوط قبل أن تصبح السعة المتبقية منخفضة جدًّا.

تعرف على أنواع بطاريات الطائرات المُسيَّرة، والمقاييس الرئيسية للأداء، وحسابات مدة الطيران، ونصائح السلامة، والحلول المخصصة للبطاريات لتحسين أداء الطائرات المُسيَّرة وتمديد عمر البطارية.