الأساسيات التقنية لمحرك eVTOL

1. الخصائص التقنية لـمحرك eVTOL

In توزيع الكهرباءفي نظام الدفع، تُشغّل المحركات عدة مراوح أو دافعات على الأجنحة أو جسم الطائرة لتشكيل نظام دفع يوفر قوة الدفع للطائرة. وتؤثر كثافة طاقة المحرك بشكل مباشر على سعة حمولة الطائرة. وتُعدّ قدرة خرج الطاقة، والموثوقية، وقابلية المحرك للتكيف مع البيئة عوامل مهمة لتحديد الخصائص الديناميكية وسلامة الطائرات الكهربائية. ويختلف اختيار محركات المركبات الكهربائية والطائرات المسيّرة والطائرات الكهربائية ذات الإقلاع والهبوط العمودي (eVTOL) تبعًا لاختلاف التكاليف، وسيناريوهات التطبيق، وأسباب أخرى [1].

(مصدر الصورة: الموقع الرسمي لشركة Network/Safran)

1) المركبات الكهربائيةمغناطيس دائم أكثرالمحركات المتزامنة،تُوفر محركات المغناطيس الدائم ذات الكفاءة العالية وعزم الدوران المرتفع تجربة قيادة أفضل. كما تُساعد كثافة الطاقة العالية لهذه المحركات المركبات الكهربائية على الحصول على طاقة أكبر بنفس الحجم.

(2) الطائرات بدون طيار: شائعة الاستخدام بدون فرشمحرك تيار مستمر.يتميز محرك التيار المستمر عديم الفرش بخفة وزنه وانخفاض مستوى ضجيجه، بالإضافة إلى انخفاض تكلفة صيانته، مما يجعله مناسبًا لمتطلبات طيران الطائرات بدون طيار. ثانيًا، يتميز هذا المحرك بسرعة عالية، مما يجعله مناسبًا لاحتياجات الطيران عالي السرعة للطائرات بدون طيار. على سبيل المثال، تستخدم شركة DJI محركات عديمة الفرش.

(3) الطائرات الكهربائية ذات الإقلاع والهبوط العمودي: نظراً لمتطلبات كفاءة المحرك وكثافة عزم الدوران العالية، يُعد المحرك المتزامن ذو المغناطيس الدائم حلاً واعداً للغاية لأنظمة الدفع الكهربائي، حيث يتميز هذا النوع من المحركات باستغلال عالٍ للمساحة القطرية، فضلاً عن مزايا كثافة الطاقة وكثافة عزم الدوران في حالة صغر نسبة الطول إلى القطر. وتعتمد الطائرات الكهربائية الحالية ذات الإقلاع والهبوط العمودي، مثل Joby S4 و Archer Midnight، على المحركات المتزامنة ذات المغناطيس الدائم [1].

يوضح الشكل التالي صورة السحابة لشدة الحث المغناطيسي للدوار الثابت لمحرك التدفق المحوري أحادي الجزء الثابت وأحادي الدوار

الشكل التالي يوضح مقارنة بين معايير محركات الطائرات الكهربائية والمركبات الكهربائية

2. اتجاهات تطوير محركات الإقلاع والهبوط العمودي الكهربائية
يتمثل الاتجاه الرئيسي لتطوير أنظمة الطاقة في المركبات الكهربائية ذات الإقلاع والهبوط العمودي (eVTOL) حاليًا في تقليل وزن هيكل المحرك والوزن الإضافي لنظام التبريد، وذلك من خلال تحسين تقنيات التصميم الكهرومغناطيسي، وتقنيات الإدارة الحرارية، وتقنيات تخفيف الوزن، مع العمل باستمرار على تحسين كثافة طاقة المحرك وقدرة خرج الطاقة في ظل ظروف متغيرة واسعة النطاق. ووفقًا لتقرير "البحث والتطوير في مجال السيارات الطائرة والتقنيات الرئيسية"، فقد تمكن محرك الدفع الجوي من رفع كثافة الطاقة المقدرة لجسم المحرك إلى أكثر من 5 كيلوواط/كيلوغرام باستخدام مواد عازلة ذات حدود حرارية أعلى، ومواد مغناطيسية دائمة ذات كثافة طاقة مغناطيسية أعلى، ومواد هيكلية أخف وزنًا. ومن خلال تحسين تصميم الهيكل الكهرومغناطيسي للمحرك، مثل استخدام مصفوفة هالباخ ​​المغناطيسية، وهيكل بدون قلب حديدي، ولفائف أسلاك ليتز، وغيرها من التقنيات، فضلًا عن تحسين تصميم تبديد الحرارة، من المتوقع أن تصل كثافة الطاقة المقدرة لجسم المحرك إلى 10 كيلوواط/كيلوغرام في عام 2030، وأن تتجاوز 13 كيلوواط/كيلوغرام في عام 2035 [1].

3. مقارنة بين المسارات الكهربائية الخالصة والمسارات الهجينة
بالمقارنة بين المسار الكهربائي الخالص والمسار الهجين، ومن خلال الاختيارات الحالية من الشركات المصنعة ذات الصلة، يعتمد مشروع eVTOL المحلي بشكل أساسي على النظام الكهربائي الخالص، وهو ما يحده كثافة طاقة بطاريات الليثيوم أيون، ويُعدّ eVTOL ذو سعة الركاب المنخفضة أفضل بيئة لتطبيق تقنية الدفع الكهربائي الخالص. أما في الخارج، فقد وضعت بعض الشركات المصنعة خطة هجينة مسبقًا، وتصدرت المشهد في جولات متعددة من الاختبار والتطوير. وكما يتضح من الجدول التالي، يتميز النظام الهجين بقوة أكبر من حيث القدرة على التحمل، ويمكنه تحقيق تطبيقات أوسع في مجال النقل لمسافات متوسطة إلى طويلة وعلى ارتفاعات منخفضة في المستقبل [1].