عند شراء طائرات بدون طيار لمكافحة الحرائق، ما هو نظام الطاقة الذي يجب أن أختاره لمهام المراقبة التي تتطلب التحليق لمدة طويلة؟

إن رؤية طائرة بدون طيار تفقد الطاقة في منتصف عملية حرجة هو كابوس كل قائد. خلال اختبارات الطيران في منشأة شيان، أدركنا أن البطاريات القياسية غالبًا ما تفشل في توفير الثبات اللازم لرصد الدخان، مما يعرضنا لخطر فقدان المعلومات الاستخباراتية الحيوية.

بالنسبة لمهام المراقبة التي تتطلب التحليق لفترات طويلة، فإن أنظمة الطاقة المربوطة هي الخيار الأمثل لأنها توفر وقت طيران غير محدود عبر مصدر طاقة أرضي مستمر. وفي حين أن المحركات الهجينة توفر إمكانية التنقل للمهام التي تستغرق 3 ساعات، فإن الحلول المربوطة تلغي وقت التوقف تماماً، مما يجعلها متفوقة في المراقبة المستمرة لبؤر حرائق الغابات الثابتة.

تابع القراءة لتحليل المفاضلات المحددة لكل تهيئة طاقة تناسب احتياجات قسمك.

هل نظام الطاقة المربوط هو الخيار الأكثر موثوقية لمهام المراقبة الجوية المستمرة؟

إن التبديل المستمر للبطارية يعطل سير العمل ويترك نقاطاً عمياء أثناء الطوارئ. غالبًا ما نوضح لعملائنا في الولايات المتحدة أن مقاطعة بث الفيديو المباشر للهبوط وإعادة الشحن أثناء نشوب حريق في أحد المباني أمر خطير حرائق الهياكل ¹ وغير فعالة.

نعم، إن أنظمة الطاقة المربوطة هي الخيار الأكثر موثوقية للمراقبة الجوية المستمرة لأنها تتجاوز حدود سعة البطارية تمامًا. فهي توفر نقل بيانات آمن وغير قابل للتشويش وإمكانية التحليق على مدار الساعة طوال أيام الأسبوع من خلال اتصال كابل مباشر، مما يضمن عدم تفويت الكاميرات الحرارية الخاصة بك التطورات الحرجة بسبب استنفاد الطاقة.

ميكانيكا الطيران غير المحدود

عندما نصمم أنظمة للمراقبة الثابتة، فإننا ننظر إلى ما وراء الطائرة نفسها. يستبدل النظام المربوط الاعتماد على البطارية التقليدية بكابل رفيع عالي الشد متصل بمحطة أرضية. يمكن تشغيل هذه المحطة بواسطة مولد أو عاكس شاحنة مكافحة الحرائق أو الشبكة. بالنسبة لإدارات الإطفاء، هذا يعني أن الطائرة بدون طيار تصبح سارية افتراضية. ويمكنها أن تحوم على ارتفاع 100 متر إلى أجل غير مسمى، لتعمل كعين في السماء دون أن يقلق الطيار من تحذير "انخفاض البطارية".

تأتي الموثوقية من بساطة مصدر الطاقة. على عكس البطاريات، التي تعاني من ترهل الجهد تحت الحمل الثقيل أو الحرارة الشديدة تباطؤ الجهد ², ، الطاقة الرئيسية ثابتة. في اختباراتنا في المصنع، قمنا بتشغيل الوحدات المربوطة لأكثر من 24 ساعة متواصلة لمحاكاة سيناريوهات قيادة الحوادث طويلة الأمد.

أمن البيانات وتداخلها

أحد الجوانب التي غالباً ما يغفلها مديرو المشتريات هو سلامة الإشارة. في مشهد الحرائق الفوضوي، يكون تداخل التردد اللاسلكي (RF) شائعًا بسبب أجهزة الراديو المتعددة والهياكل المعدنية والطائرات بدون طيار الأخرى.

نظرًا لاحتواء كابل الحبل على ألياف بصرية أو خطوط بيانات نحاسية، فإن تغذية الفيديو تكون سلكية. وهذا يجعل الاتصال غير قابل للتشويش ومحصن ضد ضوضاء التردد اللاسلكي. ضوضاء الترددات اللاسلكية ³ نوصي بهذا الإعداد للحرائق في المناطق الحضرية حيث يكون ازدحام الإشارة مرتفعًا. يمكنك الحصول على صورة حرارية واضحة تمامًا لهيكل السقف بغض النظر عن البيئة الكهرومغناطيسية.

الطقس وتقنية الونش

محطات الربط الحديثة ليست مجرد كابلات "غبية". فهي تستخدم روافع ذكية. تستشعر هذه الأنظمة الآلية الشد على الكابل. إذا تحركت الطائرة بدون طيار بسبب هبوب الرياح، تقوم الونش بتحرير المزيد من الكابلات. وإذا هبطت الطائرة بدون طيار، فإنها تقوم بسحب التراخي.

يعد هذا التحكم النشط في الشد أمراً بالغ الأهمية لتحقيق الاستقرار. فهو يسمح للطائرة بدون طيار بالحفاظ على وضع التحليق الدقيق حتى في الهواء المضطرب الناجم عن تيار النار الصاعد. فيما يلي مقارنة لكيفية تكديس الأنظمة المربوطة مقابل الخيارات القياسية للمهام الثابتة.

مقارنة: البطارية المربوطة مقابل البطارية القياسية

هل يمكن أن توفر المحركات الهجينة التي تعمل بالغاز والكهرباء القدرة على التحليق لفترات طويلة التي أحتاجها للمهام المعقدة؟

تحد كابلات الحبل بشكل كبير من النطاق التشغيلي. عندما يجري مهندسونا اختبارات ميدانية في السلاسل الجبلية الشاسعة، نرى بوضوح أن الخطوط الثابتة تفشل في تغطية حرائق الغابات المنتشرة أو مهام البحث التي تغطي أميالاً من التضاريس.

يمكن للمحركات الهجينة التي تعمل بالغاز والكهرباء أن توفر بالفعل تحليقاً طويل الأمد للمهام المعقدة، حيث توفر أوقات طيران تصل إلى ثلاث ساعات بدون كابلات. وهي تجمع بين كثافة طاقة البنزين والدقة الكهربائية، مما يجعلها مثالية لتغطية مناطق جغرافية واسعة حيث يتعذر الوصول إلى البنية التحتية الأرضية أو تكون قيود الحبال غير عملية.

سد الفجوة بين القدرة على التحمل والرشاقة

يضع النظام الهجين بشكل أساسي مولدًا طائرًا على إطار الطائرة بدون طيار. يقوم محرك احتراق داخلي بتدوير مولد كهربائي ينتج الكهرباء محرك الاحتراق الداخلي ⁴ لتشغيل المحركات وشحن بطارية عازلة صغيرة. يحل هذا الإعداد أكبر مشكلة في الطائرات بدون طيار الكهربائية الخالصة: كثافة الطاقة. كثافة الطاقة ⁵ يحمل الوقود السائل طاقة أكبر بكثير لكل رطل من أي تقنية بطارية حالية.

بالنسبة لرئيس الإطفاء، هذا يعني أنه يمكن للطائرة بدون طيار أن تنطلق من قاعدة، وتطير لمسافة 5 أميال إلى خط التلال، وتحوم لمدة ساعتين لمراقبة اندلاع حريق، ثم تعود إلى المنزل. لا تستطيع الطائرة بدون طيار المربوطة القيام بذلك. يجب أن تعود الطائرة بدون طيار ذات البطارية القياسية بعد 20 دقيقة.

تحدي الاهتزازات

ومع ذلك، يجب علينا معالجة المفاضلات الهندسية. تهتز المحركات. في عملية التطوير لدينا، نقضي شهوراً في ضبط مخمدات العزل. إذا لم تتم السيطرة على الاهتزاز، فإنه يفسد تغذية الفيديو، مما يتسبب في "الهلام تأثير الجيلو ⁶ التأثير."

للمراقبة، تحتاج إلى لقطات ثابتة. إذا اخترت نظامًا هجينًا، فيجب عليك التأكد من أن الشركة المصنعة لديها تخميد عالي الجودة. فبدونه، ستكون إمكانيات التكبير بعيد المدى للكاميرا عديمة الفائدة لأن الصورة ستكون مهتزة للغاية بحيث لا تستطيع تحديد البصمات الحرارية بدقة.

اعتبارات الضوضاء والارتفاع

الطائرات بدون طيار الهجينة صاخبة. صوتها يشبه صوت جزازة العشب في السماء. في مهمات البحث والإنقاذ حيث قد تحتاج إلى الاستماع إلى الضحايا، فإن هذا عيب. في سيناريو حرائق الغابات، عادةً ما تكون الضوضاء ضئيلة مقارنةً بهدير الحريق نفسه.

عامل حاسم آخر هو الارتفاع. تفقد محركات الاحتراق قوتها في الهواء الرقيق. إذا كان نطاق اختصاصك يشمل جبالاً عالية (فوق 6000 قدم)، يفقد محرك الغاز كفاءته. غالباً ما يتعين علينا إعادة معايرة أنظمة حقن الوقود للعملاء في المناطق المرتفعة مثل كولورادو أو أجزاء من أوروبا.

الكفاءة على ارتفاعات مختلفة

كيف يمكنني تحديد التوازن الأمثل بين وزن البطارية ووقت الطيران لحمولتي المحددة؟

تستنزف الكاميرات الحرارية الثقيلة الطاقة بسرعة. كثيراً ما نقوم بتعديل تصميمات هياكل الطائرات لدينا لأن إضافة 500 جرام فقط من الحمولة يمكن أن يقلل من وقت الطيران بنسبة تزيد عن عشرين في المائة، مما يجبر العملاء على إعادة التفكير في ملامح مهماتهم.

لتحديد التوازن الأمثل، يجب عليك حساب نسبة الطاقة إلى الوزن المحددة لطائرتك بدون طيار مقابل كتلة الحمولة البصرية. أعط الأولوية لبطاريات الحالة الصلبة عالية الكثافة أو بطاريات LiPo إذا كانت خفة الحركة هي المفتاح، ولكن عليك أن تقبل أن الكاميرات الثقيلة عالية التكبير ستقلل حتماً من قدرة التحليق إلى أقل من 45 دقيقة على الأجهزة الكهربائية الخالصة.

فيزياء التحليق

التحليق هو الحالة الأكثر استهلاكاً للطاقة بالنسبة للطائرة بدون طيار متعددة المراوح. على عكس الطائرة التي تولد الرفع من الأجنحة، فإن الطائرة بدون طيار تحارب الجاذبية بقوة دفع المحرك فقط. توليد الرفع من الأجنحة ⁷ كلما كانت الطائرة بدون طيار أثقل، كلما زادت قوة عمل المحركات، وكلما زادت سرعة استنزاف الأمبير من البطارية.

عندما نتشاور مع مديري المشتريات، نسأل عن الوزن الدقيق للكاميرا المطلوبة. يزن المستشعر الحراري البسيط القليل جداً. أما الحمولة ثلاثية الاستشعار المزودة بجهاز تحديد المدى بالليزر وتقريب بصري 30 ضعفاً فهي ثقيلة الوزن. لا يمكنك الحصول على أقصى وقت طيران و أقصى وزن للحمولة في وقت واحد. وهي استحالة حسابية مع تقنية الليثيوم بوليمر (LiPo) الحالية. تقنية ليثيوم بوليمر الليثيوم (LiPo) ⁸

استكشاف البدائل عالية الكثافة

وللتخفيف من حدة هذه المشكلة، تتجه الصناعة نحو التقنيات الجديدة. وخلايا الوقود الهيدروجينية هي المنافس الرئيسي هنا. فهي توفر حلاً وسطاً خلايا الوقود الهيدروجينية ⁹ بين قدرة تحمّل الطائرات الهجينة التي تعمل بالغاز والاهتزاز المنخفض للأنظمة الكهربائية. يمكن للطائرة الهيدروجينية بدون طيار الهيدروجينية أن تحوم لمدة تصل إلى 4 ساعات.

ومع ذلك، فإن البنية التحتية للهيدروجين نادرة. وبالنسبة لمعظم الأقسام، فإن الخيار العملي هو بطاريات LiPo ذات الجهد العالي أو البطاريات شبه الصلبة الناشئة. وتوفر هذه البطاريات تحسناً طفيفاً في كثافة الطاقة (واط/ساعة لكل كيلوغرام).

حساب احتياجاتك

لإيجاد التوازن، انظر إلى مواصفات "استهلاك طاقة التحليق". إذا كانت الطائرة بدون طيار تستهلك 1000 واط للتحليق ولديها بطارية 1000 واط في الساعة، فستطير لمدة ساعة واحدة (نظرياً). إذا قمت بإضافة كاميرا ثقيلة، فقد يقفز الاستهلاك إلى 1300 واط، مما يقلل من وقت الطيران إلى 46 دقيقة.

احرص دائمًا على استخدام مخزن مؤقت 20%. إذا كانت مهمتك تتطلب 30 دقيقة من رؤية الهدف، فاشترِ نظامًا مصنفًا لمدة 45 دقيقة على الأقل. تتحلل البطاريات، وتزيد الرياح من استهلاك الطاقة.

تأثير الحمولة على القدرة على التحمل (مثال على البيانات)

ما هي تكاليف الصيانة طويلة الأجل المرتبطة بأنظمة الطاقة عالية التحمل المختلفة؟

غالباً ما يؤدي شراء معدات رخيصة الثمن إلى إصلاحات باهظة الثمن في المستقبل. وقد لاحظ فريق الصيانة لدينا أن تجاهل صيانة المحرك أو سوء التعامل مع دورات البطارية يكلف الإدارات الآلاف في عمليات الاستبدال المبكرة والأعطال التشغيلية.

تتفاوت تكاليف الصيانة على المدى الطويل بشكل كبير؛ فالأنظمة الهجينة تتطلب صيانة متكررة للمحرك وتغيير فلتر الوقود على غرار معدات الحديقة. وفي المقابل، تتسم الأنظمة المربوطة بصيانة ميكانيكية أقل ولكن تكاليفها الأولية أعلى، في حين أن البطاريات القياسية تتكبد تكاليف استبدال عالية سنوياً بسبب تدهور الدورة من الشحن المتكرر والسريع.

التكاليف الخفية للبطاريات

يبدو أن البطاريات لا تحتاج إلى صيانة، ولكنها مواد مستهلكة. عادةً ما تدوم بطارية الطائرة بدون طيار عالية الأداء من 200 إلى 300 دورة قبل أن تنخفض قدرتها إلى ما دون المستويات الآمنة. إذا كان قسمك يطير يومياً، فسوف تستبدل أسطول البطاريات بالكامل كل عام.

علاوة على ذلك، فإن إدارة "جهد التخزين" أمر بالغ الأهمية. إذا ترك فريقك البطاريات جهد التخزين ¹⁰ مشحونة بالكامل على الرف لأسابيع، تتحلل الكيمياء الداخلية. ونحن نرى ذلك في كثير من الأحيان مع عملاء البلدية الذين يسافرون بشكل متقطع. يؤدي سوء الإدارة هذا إلى تدمير قيمة البطارية، مما يجبرهم على إعادة شراء البطاريات باهظة الثمن.

صيانة المحرك الهجين

تقدم الأنظمة الهجينة تعقيداً ميكانيكياً. أنت تقوم بصيانة محرك صغير ثنائي الأشواط. وهذا ينطوي على:

• خلط النفط والغاز بدقة.
• تنظيف أو استبدال شمعات الإشعال كل 25-50 ساعة.
• استبدال فلاتر الوقود والأغشية.
• إصلاح المحرك (حلقات المكبس) بعد 100-200 ساعة.

على الرغم من أن الوقود رخيص، إلا أن ساعات العمل تتراكم. أنت بحاجة إلى فني يفهم المحركات الصغيرة، وليس فقط الإلكترونيات. إذا تعطل المحرك في منتصف الطيران، تعمل الطائرة بدون طيار على البطاريات الاحتياطية لمدة دقيقة أو دقيقتين، ولكن خطر التحطم يزداد إذا أهملت الصيانة.

اقتصاديات نظام الحبل

تتميز محطات الربط بأعلى تكلفة مقدمة ولكن بأقل تكلفة متغيرة. فالكهرباء رخيصة. عنصر التآكل الرئيسي هو كابل الحبل نفسه. يمكن أن يتآكل مع مرور الوقت إذا تم سحبه على أرض وعرة مثل الخرسانة أو الصخور. محرك الرافعة قوي بشكل عام.

من من منظور التكلفة الإجمالية للملكية (TCO)، يكون النظام المربوط أرخص على مدى 3 سنوات بالنسبة للقسم الذي يقوم بمراقبة ثابتة ومتكررة (مثل مراقبة منشأة معينة عالية الخطورة). أما بالنسبة للفرق المتنقلة، فإن تعدد استخدامات البطاريات أو الهجينة يبرر ارتفاع تكاليف تشغيلها.

الخاتمة

باختصار، يحدد اختيار نظام الطاقة القدرة التشغيلية. للمراقبة الثابتة غير المحدودة, الأنظمة المربوطة هي الملك بلا منازع. للمهام البعيدة المدى والمتنقلة حيث يكون الضجيج مقبولاً, المحركات الهجينة توفر أفضل قدرة تحمل. بالنسبة للمناظر التكتيكية القصيرة سريعة الاستجابة، فإن البطاريات تظل هي المعيار. قم بتقييم ملف تعريف مهمتك الأساسية - سواءً كانت حراسة محيط أو استكشاف غابة - للقيام بالاستثمار الصحيح.

الحواشي

1. يوفر سياقاً إحصائياً عن حرائق المباني من منظمة رائدة في مجال السلامة من الحرائق. ︎

2. يشرح الظاهرة الفنية لانخفاض الجهد في الأنظمة الكهربائية. ︎

3. الدليل الحكومي الرسمي بشأن تداخل الترددات اللاسلكية وضوضاء الإشارة. ︎

4. معلومات أساسية عامة عن ميكانيكا محركات الاحتراق. ︎

5. مورد وزارة الطاقة الذي يشرح مقاييس البطاريات ومفاهيم تخزين الطاقة. ︎

6. تعريف أثر التشوه البصري الشائع في التصوير الرقمي. ︎

7. شرح علمي لمبادئ الرفع الديناميكي الهوائي من قبل ناسا. ︎

8. سياق البحث الأكاديمي حول تكنولوجيا بطاريات الليثيوم الحالية وقيودها. ︎

9. وثائق رائدة في الصناعة حول تطبيقات الطاقة الهيدروجينية للطائرات بدون طيار. ︎

10. إرشادات الشركة المصنعة بشأن إجراءات الصيانة والتخزين المناسبة للبطارية. ︎