أي طائرة مُسيرة تمتلك أطول عمر للبطارية

1. نظرة عامة على الطائرات المسيرة، وأهمية البطاريات، ونطاق هذه المقالة

لقد تطورت الطائرات المسيرة بسرعة من منتجات إلكترونية استهلاكية متخصصة إلى أدوات حيوية في قطاعات متعددة، تشمل التصوير الفوتوغرافي، والزراعة، والمسح، وتفتيش البنية التحتية، والسلامة العامة، والخدمات اللوجستية. ومع تطور منصات الطائرات المسيرة وازدياد متطلبات المهام، تستمر التوقعات فيما يخص مدة الطيران في الارتفاع. سواء كانت الطائرة المسيرة مصممة للسباقات عالية السرعة بنظام FPV أو لمهام مسح تمتد لساعات، فإن أدائها العام محدود في جوهره بمكوّن أساسي واحد: البطارية.
تحدد البطارية مدة طيران الطائرة المسيرة، وقدرتها على حمل الحمولة، وحدود المناورة، وموثوقية إتمام المهمة. وتأثر اختيار البطارية ليس فقط بمدة الطيران، بل أيضًا بالسلامة التشغيلية، وتكاليف دورة الحياة، ومتطلبات الصيانة.
يقدم هذا المقال نظرة شاملة ومنهجية على تقنية بطاريات الطائرات المُسيرة، ويُفسر تعريف بطارية الطائرة المُسيرة، والأنظمة الكيميائية الشائعة، والمعنى الحقيقي لعبارة "أطول زمن طيران" في سياق الطائرات المُسيرة، والطول الفعلي لعمر بطاريات الطائرات المُسيرة، والعوامل الرئيسية المؤثرة في زمن الطيران. كما يقدم طرقًا بسيطة لحساب زمن الطيران، ويناقش تطبيقات الطائرات المُسيرة التي تتطلب متانة عالية جدًا.

2. ما هي بطارية الطائرة المُسيرة؟

2.1 التعريف والوظيفة

بطارية الطائرة المُسيرة هي جهاز قابل لإعادة الشحن لتخزين الطاقة، تم تصميمه خصيصًا لتوفير الطاقة لجميع الأنظمة الإلكترونية المثبتة على متن الطائرة المُسيرة. وتشمل هذه الأنظمة عادةً محركات الدفع، ومحولات السرعة الإلكترونية (ESCs)، ووحدة التحكم في الطيران، ووحدات الملاحة مثل نظام تحديد المواقع (GPS)، وروابط الاتصال، والأحمال المهمة مثل الكاميرات، وأجهزة استشعار الليدار، أو معدات المسح.

على عكس البطاريات المستخدمة في الهواتف الذكية أو أجهزة الكمبيوتر المحمولة، يجب أن تفي بطاريات الطائرات المسيرة بمطلبين صارمين في آنٍ واحد: أولاً، تخزين طاقة كافية لضمان وقت طيران فعّال؛ وثانيًا، القدرة على تزويد تيار عالي بشكل فوري ومتكرر، خاصة أثناء الإقلاع، والصعود، والتسارع السريع، ومناورات الطوارئ. يجعل هذا الطلب المزدوج على كثافة طاقة عالية وإخراج قدرة عالية تصميم بطاريات الطائرات المسيرة أمرًا بالغ الصعوبة.

2.2 الأنظمة الكيميائية الشائعة (بوليمر الليثيوم، أيون الليثيوم) وسценاريوهات التطبيق

بطاريات بوليمر الليثيوم (Li-Po)
تستخدم بطاريات بوليمر الليثيوم إلكتروليتًا على شكل بوليمر أو هلام، مغلّفًا في غلاف لين. يمنح هذا التصميم البنيوي البطارية خفة في الوزن وقدرة على التكيّف مع أشكال متعددة، ما يجعلها جذابة للغاية للطائرات المسيرة التي تتطلب متطلبات صارمة من حيث الوزن والحجم.
تُعرف بطاريات الليثيوم بوليمر بسرعات التفريغ الفائقة العالية، والتي تتراوح عادةً بين 25C إلى أكثر من 100C، ما يعني أنها يمكن أن تُخرج تيارات كهربائية عالية بالنسبة لسعتها. تجعل هذه الخاصية منها خيارًا مثاليًا للطائرات المُسيرة التي تتطلب قوة فورية قوية واستجابة سريعة لدَفَّة السرعة.
تشمل التطبيقات النموذجية: الطائرات المسيرة لسباقات الرؤية الأولى (FPV)، والطائرات الحرة (freestyle)، والمنصات متعددة المراوح التي تحمل أحمالًا ثقيلة وتحتاج إلى طاقة دفع عالية.

بطاريات الليثيوم أيون (Li-ion)
تستخدم بطاريات الليثيوم أيون عادةً خلايا أسطوانية أو متعددة الأوجه مع غلاف معدني صلب. يتمحور تصميمها حول كثافة طاقة أعلى وعمر أطول، بدلاً من إخراج تيار قصوى.
بالمقارنة مع بطاريات الليثيوم بوليمر، توفر بطاريات الليثيوم أيون عادةً أوقات طيران أطول لكل شحنة وعمر دورة أفضل، ولكنها تمتلك معدلات تفريغ قصوى أقل. وبالتالي، فهي الأنسب للتطبيقات التي تستهلك طاقة بشكل مستقر بدلاً من المناورات العنيفة.
تُستخدم بطاريات الليثيوم أيون عادةً في: الطائرات المُسيرة طويلة المدى بنظام الرؤية الأولى (FPV)، والطائرات المُسيرة ذات الجناح الثابت، ومنصات الطائرات المُسيرة التي تكون فيها المدة الطويلة في الجو شرطًا أساسيًا.

3. ما هي بطارية الطائرة المُسيرة الأطول عمرًا؟

3.1 معنيان لكلمة "الأطول عمرًا"
للهجة "بطارية الطائرة المُسيرة الأطول عمرًا" تفسيران مختلفان، ويُعد التمييز بينهما أمرًا بالغ الأهمية:

مدة الطيران الفردية
بمعنى واحد، يشير مصطلح "الأطول عمرًا" إلى المدة التي يمكن للطائرة المُسيرة أن تظل فيها في الجو بشحنة واحدة. ويعتمد هذا بشكل أساسي على سعة تخزين الطاقة الكلية للبطارية وكفاءة استهلاك الطاقة في الطائرة المُسيرة. وعادةً ما تؤدي الكثافة الطاقية الأعلى (بوحدة واط-ساعة لكل كيلوجرام واط/ساعة/كجم) إلى أوقات طيران أطول.
في هذا الجانب، غالبًا ما تتفوق بطاريات الليثيوم أيون وبطاريات الكيمياء العالية الجديدة على بطاريات الليثيوم بوليمر ذات معدل التفريغ العالي.

دورة الحياة
بمعنى آخر، يشير مصطلح "الأطول عمرًا" إلى العمر الافتراضي الكلي للبطارية نفسها، ويُقاس بعدد دورات الشحن والتفريغ. يمكن شحن البطاريات ذات دورة الحياة الأطول واستخدامها لعدد أكبر من المرات قبل أن يحدث تدهور كبير في السعة.
تمتلك بطاريات الليثيوم أيون عمومًا دورة حياة أطول مقارنة ببطاريات الليثيوم بوليمر، خاصة عند استخدامها في ظل ظروف حمل معتدلة. 3.2 النطاق النموذجي للسعة العالية (10,000–30,000 ملي أمبير/ساعة)

تعتمد الطائرات المُسيرة الاحترافية والصناعية عادةً على حزم بطاريات عالية السعة لتحقيق أوقات طيران أطول. وتشمل نطاقات السعة الشائعة ما يلي:
الطائرات المُسيرة الاحترافية الصغيرة: 10,000-12,000 ملي أمبير/ساعة (mAh)
الطائرات المُسيرة الخاصة بالمسوحات والزراعة: 16,000-22,000 ملي أمبير/ساعة (mAh)
المنصات الثقيلة أو طويلة التحمل: 28,000-30,000 ملي أمبير/ساعة (mAh) أو أكثر

بينما تعني السعة الأعلى طاقة مخزنة أكبر، فإنها أيضًا تزيد من الوزن، مما قد يقلل كفاءة الطائرة المسيرة. لذلك، فإن إيجاد التوازن الأمثل بين السعة والوزن أمر بالغ الأهمية لتعظيم مدة الطيران.

3.3 الأنظمة الكيميائية الناشئة (بطاريات النيكل المنغنيز الكوبالت الحالة الصلبة، إلخ)
للتغلب على محدوديات بطاريات الليثيوم بوليمر والليثيوم أيون التقليدية، يتم باستمرار تطوير تقنيات بطاريات جديدة. وتهدف بطاريات الليثيوم شبه الصلبة والصلبة إلى تحسين كثافة الطاقة والاستقرار الحراري والسلامة.
على سبيل المثال، تستخدم بطاريات النيكل المنغنيز الكوبالت (NMC) الحالة الصلبة موادًا صلبة أو شبه صلبة لاستبدال معظم الإلكتروليت السائل. وتُظهر هذه البطاريات إمكانات كبيرة من حيث المدى الطويل والسلامة، خاصةً في عمليات الطائرات المسيرة الصناعية عالية القيمة، على الرغم من أنها لا تزال تواجه حاليًا تحديات تتعلق بالتكلفة والإنتاج الجماعي.

4. كم تدوم بطاريات الطائرات المسيرة فعليًا؟

4.1 نطاق وقت الطيران (الاستهلاكية، المهنية، الصناعية)

يختلف وقت الطيران بشكل كبير حسب نوع وتصميم الطائرة المسيرة:
الطائرات المسيرة الاستهلاكية: تطير عادةً لمدة 20-40 دقيقة
الطائرات المسيرة الاحترافية للتصوير الجوي والطائرات المستخدمة في الشركات: تصل عادةً إلى 40-55 دقيقة
الطائرات المسيرة الصناعية ذات الجناح الثابت: يمكن أن تطير لمدة 1-3 ساعات
الطائرات المسيرة الهجينة ذات الإقلاع والهبوط العموديين (VTOL) والطائرات المتخصصة طويلة المدى: يمكن أن تظل في الجو لساعات عديدة
تعتمد البيانات أعلاه على ظروف مثالية وحالة بطارية جيدة. ويتأثر وقت الطيران الفعلي بشكل كبير بالعوامل الخارجية مثل الرياح ودرجة الحرارة والحمولة. 4.2 مقارنة عمر الدورات بين بطاريات الليثيوم بوليمر وبطاريات الليثيوم أيون
يقاس عمر البطارية عادةً بعدد الدورات، حيث تشير الدورة الواحدة إلى تفريغ كامل يتبعه شحن كامل:
بطاريات الليثيوم بوليمر: تبلغ عمرها الافتراضي عادةً من 150 إلى 300 دورة؛ ويؤدي التفريغ عالي التيار المتكرر إلى تسريع التدهور.
بطاريات الليثيوم أيون: تحت حمل معتدل، تكون عمر البطارية عادةً بين 300 و600 دورة أو أكثر.
سوف يقل عمر الدورات لكلا تركيبتي البطارية بشكل كبير في حالة الطيران العدوانية، أو التفريغ العميق، أو البيئات ذات درجات الحرارة العالية.

4.3 أفضل الممارسات لإدارة البطارية
لتعظيم عمر البطارية وأدائها، يجب على المستخدمين اتباع هذه الممارسات الموصى بها:
● تجنب الشحن فوق الحد الأقصى الجهد الموصى به.
● منع التفريغ دون العتبة الآمنة.
● الحفاظ على شحن جزئي للبطارية عند عدم الاستخدام لفترات طويلة.
● السماح للبطارية بالتبريد إلى درجة حرارة الغرفة قبل الشحن.
● استخدام شاحن مخصص للشحن المتوازن لحزم البطاريات متعددة الخلايا.
إن الإدارة السليمة للبطارية لا تمدد العمر الافتراضي فحسب، بل تعزز أيضًا السلامة.

5. العوامل المؤثرة على زمن طيران الطائرات المسيرة

5.1 سعة البطارية
تحدد سعة البطارية إجمالي الطاقة المتاحة للطيران، ولكن زيادة السعة تزيد أيضًا من الوزن، مما قد يقلل الكفاءة. ويتمثل المفتاح في إيجاد التوازن الأمثل بين الأمرين لتعظيم زمن الطيران.

5.2 وزن الطائرة / الحمولة
تتطلب الطائرات الأثقل والحمولات الأكبر دفعًا أكبر، وبالتالي تزيد من استهلاك الطاقة. وتساهم المواد خفيفة الوزن واختيار المحركات بكفاءة وتحسين التصميم الهوائي جميعها في إطالة زمن الطيران.

5.3 الظروف البيئية
تؤثر العوامل البيئية مثل الرياح وكثافة الهواء والارتفاع ودرجة الحرارة بشكل مباشر على متطلبات الطاقة. وتقلل درجات الحرارة المنخفضة من أداء البطارية، في حين تسرّع درجات الحرارة العالية من تدهور البطارية.

5.4 أسلوب الطيران (السرعة، المناورات)
تستهلك أنماط الطيران العدوانية مثل التسارع السريع، والمنعطفات الحادة، والصعود والهبوط المتكرر طاقة أكثر مقارنة بالطيران السلس وثابت السرعة. ويمكن تحسين مدة الطيران بشكل فعّال من خلال تحسين مسارات الطيران والحفاظ على سرعات معتدلة.

5.5 صحة البطارية وكفاءة نظام الدفع
مع تقدم البطاريات في العمر، تزداد مقاومتها الداخلية وتقل سعتها المتاحة. كما تؤثر كفاءة المحرك، وجودة وحدة التحكم في السرعة الإلكترونية (ESC)، وتصميم الدوار بشكل كبير على الكفاءة الكلية للطاقة.

6. كيف تحسب مدة طيران الطائرة المُسيرة؟

6.1 صيغة حساب السعة والتيار (T = C ÷ I)
تُعد الصيغة البسيطة لتقدير مدة الطيران هي:
مدة الطيران (بالساعات) = سعة البطارية (بأمبير-ساعة، Ah) ÷ متوسط استهلاك التيار (بأمبير، A)
مثال: تستخدم طائرة مُسيرة بطارية سعتها 20 أمبير-ساعة (Ah) ومتوسط استهلاك تيارها 25 أمبير (A). تكون مدة الطيران المقدرة 0.8 ساعة (حوالي 48 دقيقة).

6.2 المتغيرات البيئية الفعلية
الحساب أعلاه هو تقدير تقريبي فقط. تتأثر مدة الطيران الفعلية بعوامل مثل التقلبات الحالية، وانخفاض الجهد، والظروف البيئية، وتقدم البطارية في العمر، وعادة ما تكون أقل بنسبة 10-20% من التقدير النظري.

7. أي تطبيقات الطائرات المُسيرة تتطلب أطول مدة طيران؟

7.1 المسح والرسم الخرائطي
تستفيد مهام المسح في المناطق الواسعة بشكل كبير من مدد الطيران الطويلة، حيث تقلل من عدد عمليات الإقلاع والهبوط وتحسن استمرارية جمع البيانات.

7.2 الزراعة
في الزراعة الدقيقة، تمكن مدد الطيران الأطول الطائرات المُسيرة من تغطية مساحات أوسع من الأراضي الزراعية بكفاءة لمراقبة المحاصيل، والرش، وتحليلها.

7.3 البحث والإنقاذ
تُعد مدد الطيران الطويلة أمرًا بالغ الأهمية في مهام البحث والإنقاذ؛ إذ تؤثر مدة الطيران ونطاق التغطية مباشرةً على فعالية عمليات الإنقاذ.

7.4 الرصد البيئي
غالبًا ما تتطلب مهام مثل تتبع الحياة البرية، وكشف التلوث، والبحوث البيئية دعمًا بالطيران المستمر لعدة ساعات.

7.5 تفتيش البنية التحتية
إن تفتيش خطوط الكهرباء والأنابيب والبنية التحتية للنقل باستخدام طائرات مسيرة طويلة المدى يُحسّن الكفاءة بشكل كبير.

7.6 الخدمات اللوجستية/التوصيل
بالنسبة لطائرات التوصيل المسيرة، تعني أوقات الطيران الأطول نصف قطر توصيل أكبر، وقدرة تحمل حمولة أكبر، وعددًا أقل من تبديل البطاريات، وكلها عوامل تُحسّن الكفاءة التشغيلية.

الاستنتاج

تلعب تقنية البطاريات دورًا حاسمًا في أداء الطائرات المسيرة الحديثة وجدواها العملية. ويساعد فهم الفروق بين تركيبات البطاريات المختلفة، والعوامل المؤثرة في مدة الطيران، والمعنى الحقيقي لعبارة "أطول مدة طيران"، مصممي الطائرات المسيرة والمستخدمين على اتخاذ قرارات أفضل.
على الرغم من أن بطاريات الليثيوم بوليمر تظل الخيار الأساسي للتطبيقات عالية القدرة، إلا أن بطاريات الليثيوم أيون وتقنيات البطاريات الصلبة الناشئة تواصل باستمرار توسيع حدود المدى الزمني للعمل. ومع التطورات في تقنية البطاريات، ستتمكن الطائرات المُسيرة من أداء مهام أطول وأكثر أمانًا وكفاءة في مجموعة متزايدة من الصناعات.

الوصف： تُوجد أطول مدة حياة للبطارية في الطائرات المُسيرة ذات الجناح الثابت والطائرات الهجينة العمودية الإقلاع والهبوط (VTOL)، وليس في الطائرات متعددة المراوح. يمكن للمنصات الصناعية مثل الطائرات المُسيرة طويلة المدى ذات الجناح الثابت أن تطير لعدة ساعات، في حين تصل الطائرات الهجينة من الفئة القياسية إلى ما يصل إلى 10 ساعات. وعادةً ما تكون الطائرات المُسيرة الاستهلاكية محدودة بأقل من ساعة واحدة لكل بطارية.