Хабрахабр

Как взлететь на батарейках или немного теории электропарамотора. Часть 1

1. Вступление.
Здравствуйте. Меня зовут Илья. Я из Санкт-Петербурга. Мне 31 год. С давних пор у меня основные увлечения — аккумуляторы, электротранспорт и авиация.
В 2010 году я узнал про самый демократичный способ обрести личные крылья:

image

Самый легкий и тихоходный представитель сверхлегкой авиации.
Это поистине потрясающая вещь! Параплан с мотором, парамотор, powered paraglider. Самый настоящий персональный летательный аппарат из фильмов про будущее, который позволил осуществить мечту человечества летать как птица!

Можно летать на высотах от нуля до 5000 метров со скоростями от 35 до 75 км/ч. Состоит из отдельно приобретаемого мягкого крыла — параплана и силовой установки — ранца с двигателем и винтом, одеваемого на спину. Есть версии с колесами и вторым креслом для пассажира — паратрайки.

Никаких «прыгать с горки» не нужно. Взлетает все это дело с прямо с земли. В интернете по запросу «взлет парамотора» много видеороликов на эту тему. Необходима лишь ровная укатанная полянка и в радиусе 200-300 метров чтобы не было деревьев, проводов, столбов, домов и прочего. Также тема для другого разговора — освоить полеты на этой штуке — как правило, это занимает около 3 месяцев с опытным инструктором. Да, следует строго соблюдать ограничения по погодным условиям и Воздушный Кодекс РФ — это отдельный значительный объем знаний, требуемых для изучения.

по 2016 г. В период с 2011 г. я уже активно налетывал сотни часов и тысячи километров маршрутов на фабричной установке с двигателем внутреннего сгорания Moster-185:
image

Макс.мощность 25 л.с (18 кВт), макс.обороты на коленвале — 8300 об/мин, макс.обороты на винте диаметром 125 см — 2950 об/мин, макс.статическая тяга — 70 кг, расход топлива в прямолинейном полете без набора — около 3-4 литра/час. Краткая информация по ней:
Двигатель двухтактный бензиновый, одноцилиндровый, объемом 185 куб.см. Вес парамотора — 25 кг.

Мощный, надежный, с земли срывал за несколько шагов при небольшом встречном ветре. Леталось на парамоторе Moster-185 изумительно. На одном баке можно было лететь три часа без остановки, что при скорости крыла 40 км/ч давало более сотни км «пробега».

Однако были и недостатки:
— требования к заправке качественным 95-м бензином и дорогостоящим синтетическим маслом;
— шум, вибрации от двухтактника;
— запах, постоянные претензий соседей по квартире, что «воняет, травишь всех нас» (да-да, я парамотор хранил в квартире, да еще и съемной, с соседями в других комнатах);
— необходимость проводить частые техобслуживание — заменять изнашивающиеся от вибраций пружинки, сайлентблоки, прокладки, осматривать гайки, сварные швы и кучу всего перед каждым полетом.

Параллельно была уже наработанная практика езды на электровелосипеде в несколько десятков тысяч км и много собранных Li-ion батарей для колесного электротранспорта.

image

С некоторого момента, идея совместить мир электричества и мир авиации в одно целое, стала очень навязчивой.
Крайне заинтересовал сам принцип «взлететь на батарейках», а также попробовать в деле аппарат, который должен был:
— иметь уменьшенный уровень шума;
— обеспечивать отсутствие тряски и вибраций;
— не нуждаться в топливе и расходниках;
— не требовать постоянных осмотров и техобслуживания.

Первое, с чего я начал — это с авиационной теории, чтобы понять, стоило ли вообще тогда ввязываться в эту тему.
Теоретические расчеты, которые я делал 6 лет назад, хочется повторить снова, но уже в присутствии заинтересованных читателей.

Расчет потребной мощности для горизонтального полета. 2. То, как летает самолет и как летает параплан — имеет очень много общего. Взлетный режим.
Первое, что следует понимать, что при всей своей кажущейся похожести параплана на парашют или даже надувной воздушный шар (слышал и такие ассоциации) — параплан является крылом с самым типичным аэродинамическим крыльевым профилем. А для движения сквозь среду — необходим движитель, который будет преодолевать её (этой среды) сопротивление. И самолету, и параплану — для создания подъемной силы и удержания себя в воздухе — необходимо постоянно двигаться вперед сквозь воздушную среду.

Это показатель аэродинамического совершенства летательного аппарата, некий аналог его «КПД» (да простят мне суровые технари такое фривольное сравнение). Любой летательный аппарат опирающийся на крылья — имеет такой показатель как «аэродинамическое качество». Если двигатель выключен и тягу не дает — то летательный аппарат медленно будет снижаться — планировать. Чем больше АК — тем меньший процент тяги от веса необходим для удержания аппарата в воздухе, чтобы он не терял высоты. И здесь АК показывает соотношение горизонтальной и вертикальной скоростей.

3 м/с (измерялась GPS'ом в штиль), скорость снижения 1. Летая на бензиновом аппарате я промерил в нескольких полетах свою скорость и скорость снижения с заглушенным двигателем.
Значения были таковы: скорость 10. 8 5 м/с (измерялась парапланерным вариометром Brauninger IQ One)
Экспериментально полученное АК = 6.

image

Взлетный вес было нетрудно посчитать, сложив вес моего организма, крыла и установки — около 127 кг, а если строгое определение веса — то около 1250 Ньютон.

8= 183 Н потребной тяги. Делим вес на АК — 1250/6.

И тут должны пойти строки формул.
Но к счастью, есть такая прекрасная, проверенная авиамоделистами (и парамотористами) программа Propeller Selector. Теперь нам надо как-то от величины потребной тяги перейти к механической мощности на валу воздушного винта. Подставляем наши данные винта, число лопастей, воздушную скорость и вуаля:

image

Механическая мощность, которую надо подвести к воздушному винту составила около 3300 Вт.

5% (тут следует сказать, что значения КПД зависит от потребной мощности, поэтому по-правильному — я должен сделать расчет в несколько итераций. Схема электропарамотора проста: батарея, контроллер BLDC, безщеточный мотор.
Необходимо взять КПД каждого звена:
— батарея, провода 97% (на внутреннем сопротивлении);
— контроллер 99%;
— мотор 87%.
Итоговый КПД: 83. Но так как я уже знаю результат и мне не хочется делать статью очень длинной — я осознанно опускаю некоторые моменты).

835 = 3950Вт. 3300 Вт/0.

Давайте на минуточку остановимся и задумаемся. Почти 4 кВт непрерывной потребляемой мощности. Это довольно много!
— это квартира, в которой включили чайник, пылесос, компьютер, свет и стиральную машинку;
— это возможность ехать со скоростью 70 км/ч на электровелосипеде;
— это целых 72А при напряжении 55В. Что такое 4 кВт?

Нам надо как-то оторваться от планеты и начать набирать первоначальную высоту. Но это еще не все. 5 м/с, а если мы хотим набирать высоту еще 1. 4 кВт нам могут только скомпенсировать собственное снижение параплана в 1. И даже больше. 5 м/с в плюс — то надо еще 4 кВт. Если поиграть с программой Propeller Selector, то можно увидеть, что чем больше мы закачиваем мощности в воздушный винт — тем хуже у него КПД:

image

И как-то не удавалось услышать правильную версию. (У любителей авиамоделизма часто ходят версии почему КПД винта с ростом оборотов падает. При увеличении скорости лопасти по линейному закону — ее тяга растет квадратично, а потребляемая мощность для преодоления сопротивления воздуха — кубично. Все грешат на несовершенство геометрии винта, на завихрения, но дело в фундаментальных законах физики. Тут надо добавить информацию для тех, кто не летал на парамоторе — параплан летит практически с одинаковой скоростью независимо от того, работает двигатель или нет. Простыми словами, чем быстрее мы крутим пропеллер — тем больше энергии уходит на разгон воздуха и меньше энергии достается нам самим, так как наша воздушная скорость не может увеличиться из-за специфики работы параплана. Почему так — это тоже отдельная тема для разговора) Скорость не зависит от газа.

36/0. Программа показала нам 8. Такое значение прекрасно согласуется с максимальной мощностью самых легких установок на ДВС. 835 = 10 кВт потребляемой электрической мощности на взлете.
В переводе на лошадиные силы — это около 14 л.с. Меньше нельзя — не взлетишь.
При напряжении 55В речь начинает идти о токосъеме с батареи более 200А.

Как поживают наши аккумуляторы или компактный источник энергии 10 кВт.
С самого начала я не хотел связываться с литий-полимерными авиамодельными аккумуляторами. 3. Но мне не нравились истории про их вздувания, взрывы, ходили какие-то странные слухи, что их хватает всего-навсего на 50 циклов разряд-заряд.
К тому времени начала развиваться вейп-культура и практика массового использования элементов 18650 для очень нагруженных сценариев.
В отличии от ноутбучных ячеек, новое поколение использовало не кобальтовую химию, а NMC — никель-марганец-кобальтовую, которая обеспечивала большие пиковые токи разряда, бОльшую удельную емкость, снижающуюся год за годом цену и в качестве расплаты — небольшое снижение числа циклов разряд-заряд по сравнению с LiCoO2 (с 1000 до 500). Было известно, что они потянут такую нагрузку.

Мне с самого начала нравился формат 18650 — стальной корпус, аварийный клапан для сброса давления, удобство пайки/сварки, возможность задать нужную форму батареи.

image

Интуиция подсказывала, что в неохлаждаемой сборке, где много ячеек греют друг друга бок о бок — предельный токосъем будет значительно меньше. Смущали только заявленные надписи в даташитах на высокотоковые 18650: «15А», «20А».

У нее есть также теплоемкость. Требовалась понятная методика для оценки возможности снимать с компактной батареи большие продолжительные токи.
Идея была проста: у батареи есть внутреннее сопротивление. Зная время — можно оценить прирост температуры в градусах всего аккумуляторного блока через тепловую энергию и теплоемкость.
После проведения ряда экспериментов с электровелосипедными аккумуляторными сборками было получено экспериментальное значение теплоемкости материала из которого сделаны Li-ion ячейки — 0. Зная снимаемый ток — можно высчитать мощность, которая теряется внутри батареи на саморазогрев. 22 Wh/kgxC)»). 25 Вт-ч/кг-градус (кстати, это почти совпало с данными на зарубежных электротранспортных порталах — «795 J/kg*K Specific Heat Capacity for Li-Ion (0.

1. Пункт 3. Порою полеты приходилось прекращать по причине физической усталости, а не исчерпания запасов топлива.
С аккумуляторами такой фокус не пройдет.
Тем не менее, хотелось получить максимальное время нахождения в воздухе от одной зарядки. Оценка времени полета.
На парамоторах с ДВС два-три часа висеть в воздухе — не предел.

Максимальный вес установки, с которой еще комфортно бегать — 30 кг.
Из 30 кг — 7 кг уходит на BLDC-мотор+винт, 1 кг провода+контроллер, 10 кг — подвесная система+металлическая рама.
Остается 12 кг веса под аккумулятор.
Были выбраны ячейки фирмы LG — HG2, как сочетающие минимальное внутреннее сопротивление и максимальную емкость для формата 18650:

image

22 кВт-ч/кг.
Суммарный запас энергии — 12 кг/(0. Плотность энергии у них около 0. 6 кВт-ч (240 ячеек).
Спойлер: 22 кВт-ч/кг) = 2.

image

6/4 = 0. Рассчитываем время горизонтального полета без учета пикового тока на взлете:
2. 65 часа или 39 минут.

2. Пункт 3. Это привело бы к росту сложности сборки и оттягиванию первых полетов на неопределенный срок;
2. Оценка нагрева батареи.
Сразу следует оговориться — в батарее изначально не предусматривалось никакое принудительное охлаждение.
1. Интуиция подсказывала, что простой кулер мало чем бы помог. В нашей команде специалистов не было человека, который бы мог грамотно рассчитать систему охлаждения. Увеличились бы габариты и вес батареи, что крайне нежелательно для ранцевой установки, у которой очень лимитированы параметры по весу. (батарея весом 12 кг сугубо на оценочном уровне потребовала бы прокачки через себя многих десятков кг воздуха — а это десятки кубических метров за считанные десятки минут);
3.

65 часа
— вес батареи — 12 кг Расчет строился исключительно на условиях, что к концу разряда батарея едва только подберется к тепловым лимитам 60 градусов, указанных производителем ячеек как предельные.
К тому же, теоретический анализ нагрева показывал, что на первых порах без принудительного охлаждения можно обойтись:
Дано:
— конфигурация сборки 15S16P
— ток нагрузки — 72А
— внутреннее сопротивление батареи по постоянному току — 24 мОм (измерялось экспериментально)
— время полета — 0.

024 Ом х 0. Тепловыделение внутри батареи: (75 А)^2 х 0. 23 Вт-ч/кг-градус = 32 градуса.
Если предположить, что электропарамотор выносится на улицу из бытового помещения с температурой 25 градусов, то после окончания полетов батарея достигнет температуры 25 + 32 = 57 градусов, что вписывается в температурные лимиты. 65 ч = 88 Вт-ч (Закон Джоуля-Ленца)
Прирост температуры: (88 Вт-ч/12 кг)/0.

Современные аккумуляторы подходят для решения задачи создания персонального летательного аппарата с длительностью полета около получаса;
2. Выводы:
1. Рост продолжительности нахождения в воздухе летательного аппарата, использующего параплан в качестве несущего крыла, в условиях ограниченного запаса энергии — должен предусматривать комплексный подход:
— использование параплана с максимальным аэродинамическим качеством;
— увеличение диаметра винта с целью поднятия его КПД;
— уменьшение взлетного веса (да, в том числе и применение диет для похудения);
— сокращение веса рамы, подвески с целью его высвобождения для дополнительных аккумуляторных ячеек;
— использование ячеек 3500 мАч, с чуть большим внутренним сопротивлением, вместо 3000 мАч с повторным тепловым расчетом. Небольшое внутреннее сопротивление высокотоковых NMC-ячеек позволяет в первом приближении обходиться без принудительных систем охлаждения;
3.

Часть 2»
habr.com/ru/post/475180 Продолжение в следующей статье: «Как взлететь на батарейках или практика эксплуатации электропарамотора SkyMax.

Теги
Показать больше

Похожие статьи

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Кнопка «Наверх»
Закрыть