ساختار کلی فیزیک پهپادها

ساختار کلی فیزیک پهپادها

 

هواپیماهای خدمه دار و بدون سرنشین(پهپادها) عموماً دارای اجزای فیزیکی مشابهی هستند. استثناهای اصلی در کابین خلبان و سیستم کنترل محیطی یا سیستم های پشتیبانی حیاتی و زنده در پرنده است .

برخی از پهپادها فقط محموله هایی (مانند دوربین) را حمل می کنند که وزن آنها به طور قابل توجهی کمتر از وزن یک انسان بالغ است و همین ویژگی می تواند ابعاد پهپاد را به طور قابل توجهی کوچک نماید.

در هر صورت چه پهپادهای نظامی که محموله های سنگین حمل می کنند و چه پهپادهای که مجهز به تجهیزات سبک تر هستند هر دو شبیه به هم ساخته می شوند.

پهپادهای غیرنظامی کوچک هیچ سیستم حیاتی و زنده ندارند لذا می‌توانند از مواد و شکل‌های سبک‌تر و کم حجم ساخته شوند و همچنین می‌توان بر روی این پهپادها از سیستم‌های کنترل الکترونیکی تست‌شده کمتری استفاده نمود.

برای طراحی پهپادهای کوچک، مدل کوادکوپتر(چهار ملخ)  بسیار مناسب است، هر چند این مدل برای هواپیمای با خدمه به ندرت مورد استفاده قرار می گیرد.

کوچک‌سازی بدنه پهپاد در حقیقت یعنی آنکه می‌توان از فناوری‌های پیشرانه با قدرت کمتری مانند موتورهای الکتریکی کوچک و باتری‌های ریز استفاده نمود. در حالی که  برای هواپیماهای با خدمه چنین چیزی اصلا ممکن نیست، بنابراین سیستم های کنترل پهپادها یا هواپیمای بدون سرنشین اغلب با هواپیماهای سرنشین دار متفاوت است.

برای آنکه انسان بتواند یک پهپاد را از راه دور کنترل کند نیاز به نصب حداقل یک دوربین و یک خط فعال ویدئویی بروی پهپاد به جای خلبان و کابین او است. سپس دستورات دیجیتال ارسالی از طریق رادیو؛ جایگزین کنترل‌های فیزیکی کابین خلبان خواهند شد. همچنین نرم افزار خلبان خودکار یا  اتوماتیک هم در هواپیماهای خدمه دار و هم بدون خدمه با مجموعه ویژگی های متفاوت استفاده می شود.

ساختار کلی فیزیک پهپادها

پیکربندی

پهپادها را می‌توان در ابعاد مختلف  و با پیکربندی‌های متفاوتی نسبت به هواپیمای سرنشین‌دار طراحی کرد، زیرا  در پهپاد ها نیازی به وجود کابین خلبان و پنجره‌های آن نیست در نتیجه نیازی هم به بهینه‌ سازی فضای کابین خلبان برای آسایش انسان نیست، با این وجود برخی از پهپادها از نمونه‌های هواپیمای با سرنشین و خلبان دار اقتباس شده‌ و حتی برخی از پهپادها دو گانه و اختیاری هستند یعنی آنکه هم برای حالت‌های خلبانی و هم بدون خلبان طراحی شده‌اند.

ایمنی هوایی یا امنیت پرواز نیز برای هواپیماهای بدون سرنشین کمتر مورد نیاز است و به طراح اجازه می دهد آزادی بیشتری برای آزمایش داشته باشد. در عوض، پهپادها معمولاً حول محموله‌ و تجهیزات درونی و وسایل ارتباطاتی به هنگام پرواز با زمین طراحی می‌شوند. همین عوامل و ویژگی ها منجر به تولید و تنوع زیادی در پیکربندی های بدنه و موتور پهپادها شده است.

برای یک پهپاد معمولی، بدنه با بال ترکیبی پرنده، وزن سبک آن که توام با جذابیت ظاهری و پوشیده بودن ویژگی های فنی، همان پیکربندی محبوبی است که در بسیاری از نمونه های پهپادی استفاده می شود.

اما در انواع پهپاد بزرگ‌تر و پیچیده که قادر باشد بار گوناگون و متفاوتی را حمل می‌کنند، اینان دارای بدنه متمایز به همراه دم برای پایداری، کنترل بیشتر پهپاد هستند، در این نوع پهپادها  پیکربندی بال‌ها بسیار متفاوت خواهد بود.

برای پروازهای عمودی یا ترکیبی پهپادهای کوادکوپتری(چهار ملخ) بدون دم، نیاز به یک سیستم کنترل نسبتا ساده است. اینگونه پروازها  در پهپادهای کوچک بسیار رایج است.

در طرح های مولتی روتور با 6 روتور یا بیشتر در پهپادهای بزرگتر رایج است، جایی که افزونگی در اولویت قرار دارد.

(مولتی روتورها پرکاربردترین نوع پهپادها است. در این نوع وسیله پرنده، چند موتور و ملخ به صورت عمودی نصب شده اند که با چرخش سریع، نیرو بالابرنده را جهت پرواز پهپاد تامین می کنند. در مولتی روتورها از دو موتور به بالا استفاده می شود که پر کاربردترین چینش موتورها در آنها چهار موتوره (کوادکوپتر)، شش موتوره (هگزاکوپتر) و هشت موتوره (اکتاکوپتر) است.)

ساختار کلی فیزیک پهپادها

نیروی محرکه

رکورد مسافت طی شده توسط یک پهپاد (ساخته شده از چوب بالسا و پوست مایلار) در سراسر اقیانوس اطلس شمالی متعلق به یک هواپیمای مدل بنزینی است. در سال 2003 ، یکی از ساخته های منارد هیل توانست 3028 کیلومتری اقیانوس اطلس را با کمتر از یک گالن یا کمتر از چهار لیتر سوخت پرواز کند.

در حال حاضر نیروی محرکه پهپادهایی که باید مسافت طولانی طی کنند با موتورهای احتراق داخلی و جت سنتی  تامین می گردد. اما  نیروی محرکه پهپادها در ماموریت های با مسافت کمتر یا برد کوتاه از نیروی الکتونیکی استفاده می شود.

علاوه بر موتور پیستونی سنتی، در برخی پهپادها موتور چرخشی وانکل نیز  توسط استفاده می شود. این نوع موتورها ضمن انکه قدرت خروجی بالایی دارند دارای وزن کمتر بوده و بسیار کم صدا و بدون لرزش هستند.

نیروی محرکه پهپادهای کوچک عمدتاً باتری‌های لیتیوم پلیمری (Li-Po) است، اما برخی از پهپادهای بزرگ‌تر از سلول سوختی هیدروژنی استفاده می‌کنند .

چگالی انرژی باتری های Li-Po مدرن به مراتب کمتر از بنزین یا هیدروژن است. با این وجود موتورهای الکتریکی ارزان تر، سبک تر و کم صداتر هستند.

سیستم های پیچیده چند موتوره و چند ملخی با هدف بهبود کارایی آیرودینامیکی و پیشرانه در حال توسعه هستند. برای چنین سیستم هایی با برق پیچیده، مدار حذف باتری (BEC) ممکن است برای متمرکز کردن توزیع برق و به حداقل رساندن گرمایش، تحت کنترل یک واحد میکروکنترلر (MCU) استفاده شود.

ساختار کلی فیزیک پهپادها

سیستم های کنترل کامپیوتری

امروزه قابلیت محاسبات پروازی پهپادها از پیشرفت‌های فناوری محاسباتی پیروی می کند این محاسبا  که با کنترل‌های آنالوگ شروع شد و به میکروکنترلرها، سپس سیستم روی یک تراشه (SOC) و رایانه‌های تک برد (SBC) ختم گردیده است.

سیستم سخت افزاری و مدرن؛ برای کنترل پهپاد، اغلب کنترل کننده پرواز (FC)، برد کنترلر پرواز (FCB) یا خلبان خودکار نامیده می شود.

سخت افزار کنترل سیستم های پهپاد معمولی؛ معمولاً یک ریزپردازنده اولیه، یک پردازنده ثانویه یا ایمن و حسگرهایی مانند شتاب سنج، ژیروسکوپ، مغناطیس سنج و فشارسنج را در یک ماژول ترکیب می کنند.

(فلایت کنترل پهپاد یا FC مانند مغز یک پهپاد عمل می‌کند. سیستم کنترل، یک برد مدار مجهز به حسگرهایی است که حرکات پهپاد و دستورات کاربر را تشخیص می‌دهد. FC سرعت موتورها را تنظیم می‌کند تا پهپاد در جهت دلخواه حرکت کند. همه کنترل‌کننده‌های پرواز دارای حسگرهای پایه مانند ژیروسکوپ و شتاب‌سنج هستند، در حالی که سایر کنترل‌کننده‌ها ممکن است شامل سنسورهای دیگری مانند سنسور فشار سنج و قطب‌نما باشند.)

 

 

منابع:

https://en.wikipedia.org/wiki/Unmanned_aerial_vehicle#Classification_types

https://rayanuav.ir/

https://sirang.studio/flightcontrol