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:
Параплан с мотором, парамотор, powered paraglider. Самый легкий и тихоходный представитель сверхлегкой авиации.
Это поистине потрясающая вещь! Самый настоящий персональный летательный аппарат из фильмов про будущее, который позволил осуществить мечту человечества летать как птица!
Состоит из отдельно приобретаемого мягкого крыла — параплана и силовой установки — ранца с двигателем и винтом, одеваемого на спину. Можно летать на высотах от нуля до 5000 метров со скоростями от 35 до 75 км/ч. Есть версии с колесами и вторым креслом для пассажира — паратрайки.
Взлетает все это дело с прямо с земли. Никаких «прыгать с горки» не нужно. Необходима лишь ровная укатанная полянка и в радиусе 200-300 метров чтобы не было деревьев, проводов, столбов, домов и прочего. В интернете по запросу «взлет парамотора» много видеороликов на эту тему. Да, следует строго соблюдать ограничения по погодным условиям и Воздушный Кодекс РФ — это отдельный значительный объем знаний, требуемых для изучения. Также тема для другого разговора — освоить полеты на этой штуке — как правило, это занимает около 3 месяцев с опытным инструктором.
В период с 2011 г. по 2016 г. я уже активно налетывал сотни часов и тысячи километров маршрутов на фабричной установке с двигателем внутреннего сгорания Moster-185:
Краткая информация по ней.
Двигатель двухтактный бензиновый, одноцилиндровый, объемом 185 куб.см. 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. Вес парамотора — 25 кг.
Леталось на парамоторе Moster-185 изумительно. Мощный, надежный, с земли срывал за несколько шагов при небольшом встречном ветре. 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:
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:
Теоретические расчеты, которые я делал 6 лет назад, хочется повторить снова, но уже в присутствии заинтересованных читателей.
2. Расчет потребной мощности для горизонтального полета. 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. То, как летает самолет и как летает параплан — имеет очень много общего. И самолету, и параплану — для создания подъемной силы и удержания себя в воздухе — необходимо постоянно двигаться вперед сквозь воздушную среду. А для движения сквозь среду — необходим движитель, который будет преодолевать её (этой среды) сопротивление.
Любой летательный аппарат опирающийся на крылья — имеет такой показатель как «аэродинамическое качество». Это показатель аэродинамического совершенства летательного аппарата, некий аналог его «КПД» (да простят мне суровые технари такое фривольное сравнение). Чем больше АК — тем меньший процент тяги от веса необходим для удержания аппарата в воздухе, чтобы он не терял высоты. Если двигатель выключен и тягу не дает — то летательный аппарат медленно будет снижаться — планировать. И здесь АК показывает соотношение горизонтальной и вертикальной скоростей.
Летая на бензиновом аппарате я промерил в нескольких полетах свою скорость и скорость снижения с заглушенным двигателем.
Значения были таковы: скорость 10.3 м/с (измерялась GPS’ом в штиль), скорость снижения 1.5 м/с (измерялась парапланерным вариометром Brauninger IQ One).
Экспериментально полученное АК = 6.8
Взлетный вес было нетрудно посчитать, сложив вес моего организма, крыла и установки — около 127 кг, а если строгое определение веса — то около 1250 Ньютон.
Делим вес на АК — 1250/6.8= 183 Н потребной тяги.
Теперь нам надо как-то от величины потребной тяги перейти к механической мощности на валу воздушного винта. И тут должны пойти строки формул.
Но к счастью, есть такая прекрасная, проверенная авиамоделистами (и парамотористами) программа Propeller Selector. Подставляем наши данные винта, число лопастей, воздушную скорость и вуаля:
Механическая мощность, которую надо подвести к воздушному винту составила около 3300 Вт.
Почти 4 кВт непрерывной потребляемой мощности. Давайте на минуточку остановимся и задумаемся. Что такое 4 кВт? Это довольно много!
(У любителей авиамоделизма часто ходят версии почему КПД винта с ростом оборотов падает. И как-то не удавалось услышать правильную версию. Все грешат на несовершенство геометрии винта, на завихрения, но дело в фундаментальных законах физики. При увеличении скорости лопасти по линейному закону — ее тяга растет квадратично, а потребляемая мощность для преодоления сопротивления воздуха — кубично. 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. Тут надо добавить информацию для тех, кто не летал на парамоторе — параплан летит практически с одинаковой скоростью независимо от того, работает двигатель или нет. Скорость не зависит от газа. Почему так — это тоже отдельная тема для разговора).
Программа показала нам 8.36/0.835 = 10 кВт потребляемой электрической мощности на взлете. В переводе на лошадиные силы — это около 14 л.с. Такое значение прекрасно согласуется с максимальной мощностью самых легких установок на ДВС. Меньше нельзя — не взлетишь. При напряжении 55В речь начинает идти о токосъеме с батареи более 200А.
3. Как поживают наши аккумуляторы или компактный источник энергии 10 кВт
С самого начала я не хотел связываться с литий-полимерными авиамодельными аккумуляторами. Было известно, что они потянут такую нагрузку. 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).
Мне с самого начала нравился формат 18650 — стальной корпус, аварийный клапан для сброса давления, удобство пайки/сварки, возможность задать нужную форму батареи.
Смущали только заявленные надписи в даташитах на высокотоковые 18650: «15А», «20А».
Интуиция подсказывала, что в неохлаждаемой сборке, где много ячеек греют друг друга бок о бок — предельный токосъем будет значительно меньше.
Требовалась понятная методика для оценки возможности снимать с компактной батареи большие продолжительные токи.
Идея была проста: у батареи есть внутреннее сопротивление. У нее есть также теплоемкость. Зная снимаемый ток — можно высчитать мощность, которая теряется внутри батареи на саморазогрев. 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 — 0.25 Вт-ч/кг-градус (кстати, это почти совпало с данными на зарубежных электротранспортных порталах — «795 J/kg*K Specific Heat Capacity for Li-Ion (0.22 Wh/kgxC)»).
Пункт 3.1. Оценка времени полета
На парамоторах с ДВС два-три часа висеть в воздухе — не предел. 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.
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:
Плотность энергии у них около 0.22 кВт-ч/кг. Суммарный запас энергии — 12 кг/(0.22 кВт-ч/кг) = 2.6 кВт-ч (240 ячеек). Спойлер:
Рассчитываем время горизонтального полета без учета пикового тока на взлете: 2.6/4 = 0.65 часа или 39 минут.
Пункт 3.2. Оценка нагрева батареи
Сразу следует оговориться — в батарее изначально не предусматривалось никакое принудительное охлаждение.
К тому же, теоретический анализ нагрева показывал, что на первых порах без принудительного охлаждения можно обойтись.
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.
Кроме того, парапланеризм – это возможность увидеть новые страны, места, познакомиться с новыми людьми, вырваться из плоскости серых будней и ворваться в мир новых ярких впечатлений, в мир свободного полета!
Рекорды на параплане (на 2018 год):
— Рекорд мира на открытую дальность – 564 км.
— Рекорд мира по высоте 8 157 м.
Летно-технические характеристики параплана:
— Минимальная горизонтальная скорость 20-25 км/ч
— Максимальная горизонтальная скорость
50-60 км/ч (60-70 км/ч у спортивных моделей)
— Максимальное аэродинамическое качество
7-8 (10-11 у спортивных моделей)
Теперь немного подробнее о параплане.
Чем параплан отличается от парашюта
Чем параплан отличается от дельтаплана
Когда около в 1980х годах появились и стали популярны дельтапланы, казалось, ничего более доступного придумать нельзя. Но все-таки, вес дельтаплана 25-40 кг (+ вес подвесной системы
5-10 кг), он помещается в рюкзак и готов к взлету через 5 минут после прибытия на место. Начальный курс обучения проходится за 5-7 занятий, причем ученик за это время вплотную подходит к парящим полетам. Также, во время обучения, когда ученик совершает полеты сверху вниз, ходить пешком в горку с парапланом намного легче, чем с дельтапланом. А простое управление и небольшая скорость полета делают обучение на параплане намного менее травматичным, чем обучение на дельтаплане.
Но на земле достоинства жесткой конструкции дельтаплана оборачиваются трудностями при транспортировке. Далекий полет на дельтаплане немыслим без организованного подбора на машине. К тому же на небольшую посадочную площадку, где без труда сядет параплан, не всегда приземлится дельтаплан. Это лишает дельтапланеристов возможности летать во многих местах, где летают на параплане. В России дельтапланеристы обычно летают либо около старта, имея возможность всегда вернуться обратно, либо на соревнованиях с организованным подбором.
Параплан в большой степени свободен от этих проблем. С небольшим рюкзаком легко сесть в машину, или в любой общественный транспорт, добираясь до парадрома или после маршрутного полета. Небольшая масса и габариты параплана не составит проблем при погрузке в поезд и не заставит переплачивать за огромный перегруз в самолете, как с дельтапланом.
С точки зрения безопасности явных преимуществ у дельтаплана перед парапланом нет, как и наоборот. Поэтому в России парапланеризм получил гораздо популярность, чем дельтапланеризм.
Параплан и планер
Минусы планеризма вытекают из его плюсов. Высокая взлетная и посадочная скорость требует хорошей техники пилотирования. Для посадки планеру необходим аэродром или как минимум просторная и ровная площадка, которую не везде можно найти. Так же совершенные конструкции планеров требуют дорогостоящих технологий для их производства. Цена планеров значительно превосходит цену парапланов. Требуются несопоставимые затраты на полеты, услуги буксировщика, подбор и хранение планера. Планерный спорт сильно зависит от организации полетов, планеристы привязаны к аэродромам и самолетам-буксировщикам. В настоящее время в России практически разрушена прежняя система планерных звеньев ДОСААФ, по всей стране летает считанное количество клубов. Матчасть изношена, а средств энтузиастов планеризма не хватает на обновление парка планеров.
Как летает параплан
Динамический восходящий поток («динамик») образуется только если дует ветер в склон. Склон изменяет горизонтальное направление ветра и заставляет поток воздуха идти вверх. Если вертикальная составляющая ветра в зоне динамика больше скорости снижения параплана, то пилот может парить в динамике до тех пор, пока не изменится ветер. Такой вид парения очень прост в освоении даже новичками, зона динамика легко предсказывается по форме склона, направлению и силе ветра.
При благоприятных условиях пилот может подняться в динамике на 1-2 высоты склона над вершиной.
— Простота освоения полетов в динамике
— Динамик не зависит от солнечной активности и времени года
— Пилот привязан к склону и не может далеко уйти от него, иначе неизбежно просядет
— Высота полета в динамике не может быть намного больше высоты склона. При наилучшем раскладе можно набрать 2-3 высоты склона
— Динамик зависит от направления ветра, при его перемене динамик исчезает
— Динамик не образуется при слабом ветре. Для каждого склона есть свое значение минимального ветра.
Термический восходящий поток обычно образуется в том случае, если есть солнечная активность. Солнце прогревает земную поверхность, земля из-за своей неоднородности прогревается неравномерно, какие то участки больше, какие то меньше и теплый воздух над более прогретыми участками поднимается вверх пузырями или целыми столбами теплого воздуха.
Это наиболее распространенные виды восходящих потоков, они образуются практически в каждый солнечный день. Сила восходящих потоков обычно пропорциональна солнечной активности. Наиболее сильные потоки бывают летом и поздней весной.
Однако научиться летать в термиках значительно сложнее, чем в динамике. Поскольку термик не виден и часто не привязан к рельефу местности, найти его и хорошо обработать (т.е. набрать максимальную высоту в нем) непросто, для этого необходим опыт и мастерство пилота. Кроме того, термическая активность сопровождается повышенной турбулентностью, с которой обязан справляться каждый пилот, желающий летать в термиках.
Плюсы термических восходящих потоков:
— Термики возникают практически всегда, когда греет солнце, пилот не привязан к конкретному склону или месту
— Высота полета в термиках обычно ограничивается только базой облаков (от 1000 м до 2500 м в средней полосе России летом), иногда пределом являются только физиологические возможности человека
Минусы термических восходящих потоков:
— Достаточные для парения термики в наших широтах возникают обычно в летний сезон (май-сентябрь), зимой и осенью термичка отсутствует
— Повышенная турбулентность атмосферы требует хорошей подготовки пилота, способного справляться с нештатными режимами полета параплана
В восходящих потоках проявляются достоинства параплана. Никто не имеет такой маленький радиус спирали в термическом восходящем потоке как параплан. Дельтаплан и планер не смогут вписаться в узкий восходящий поток, где без труда будет набирать высоту параплан. А небольшая скорость параплана позволит ему уверенно парить в узкой зоне динамического восходящего потока, где не «поместится» дельтаплан. Научиться обрабатывать восходящие потоки на параплане не так уж сложно. Успешно пройдя начальный курс обучения, пилот вплотную подходит к полетам в динамике, а там и до термиков недалеко. Уже в первый год занятий парапланеризмом можно научиться летать красивые маршрутные полеты на серьезные дистанции, если серьезно начать заниматься парапланеризмом.
Как научиться летать на параплане
Доступность парапланеризма имеет и свою отрицательную сторону. Кажется, что летать просто, стоит только попробовать, спросить у кого-нибудь совета, и вы полетите. В общем-то, это правда. Спрыгнуть вниз с небольшого холма в слабый ветер действительно легко. Но. Не все так просто, как кажется с первого взгляда. Воздух невидим, ваш параплан мягкий, а земля твердая. И, если вам не повезет, то в лучшем случае вы больше никогда не станете этого делать. Что же делать, если вы хотите летать? Учиться. Вот несколько способов.
2. Учиться у друга. Вам повезло, если ваш друг квалифицированный инструктор. А если нет? Достаточно ли квалифицированный пилот ваш друг? А вдруг он, научившись летать сам или у такого же друга, делает что-то неправильно, тем самым подвергая себя и вас риску? Вы сами не можете это определить, а он уверен в своей правоте. Если вы не видите другого выхода, обратите внимание на несколько важных моментов:
— Поинтересуйтесь у друга, как давно он летает и сколько у него часов налета. На первый вопрос он ответит сразу (1 год, 5 лет), а второй может его затруднить. Если он за 5 лет не налетал и десятка часов, задумайтесь. Спросите про парящие полеты. Умеет ли он летать в «динамике», как часто у него это получается относительно других. Если он вам рассказывает, что его «не держит», это плохой признак. Скорее всего, это не его «не держит», а он просто не умеет удержаться в восходящем потоке. Следовательно, и вас он этому вряд ли научит. Если ваш друг хорошо парит у склона, умеет обрабатывать термические потоки, и слетал не один маршрутный полет, может быть ему можно довериться.
— Спросите у друга о классе его параплана. Если друг летает давно и хорошо, у него, может быть аппарат класса EN C или EN D, т.е. параплан, с хорошими аэродинамическими качествами, но не стабильный, не прощающий ошибок начинающего пилота и мало пригодный для обучения.
— Даже если ваш друг опытный пилот и у него крыло подходящее для обучения, он может легкомысленно относиться к полетам. Если вы приехали на горку, и он вас запускает в полет, ничего толком не объяснив, без каски, в шортах и тапочках, не доверяйте такому свое обучение
3. Учиться в парапланерной школе или клубе. Конечно, это лучший и самый надежный способ. Всегда лучше довериться профессионалам. Прежде, чем выбрать школу, присмотритесь, поговорите с учениками, узнайте, довольны ли они. Обязательно поинтересуйтесь квалификацией инструкторов. Посмотрите, достаточно ли в школе учебных парапланов (не будете ли вы пол дня стоять в очереди). Программа обучения не должна быть меньше четырех дней.
Кто может заниматься парапланеризмом
Параплан очень демократичен и здесь. В силу своей относительной простоты управления, небольшой взлетно-посадочной скорости и хорошей устойчивости, параплан может быть доступен почти каждому человеку с умеренным здоровьем.
Когда можно летать на параплане
Страшно и опасно?
Человек разумный рожден с двумя инстинктивными видами страха: к неожиданным громким звукам и к падению с высоты. Часто при первом полете человек испытывает волнение и даже страх. Страх, если он не превращается в панику, вполне здоровое явление. Более того, полезное. Он не даст вам летать в неподходящую погоду, на опасном аппарате. Как правило, он исчезает по мере набора опыта и уверенности.
Вы должны знать, что если вы прошли курс обучения у квалифицированного инструктора, можете оценить место и погодные условия, летаете на подходящем для вашего уровня параплане и умеете отказаться от полета, когда он кажется вам небезопасным, вам мало что угрожает.
99% летных происшествий происходят по вине пилота!
Где можно летать на параплане
Полеты на лебедке
В отсутствии больших горок очень эффективно можно летать на активной лебедке. Она позволяет набрать стартовую высоту от 300 до 600 метров, откуда легко можно найти термики и часами парить под облаками. Это серьезные полеты, не сравнимые с низким динамиком. Азарт поиска термиков и поиска оптимальной тактики на маршрутном полете трудно с чем то сравнить. На нашем летном поле можно легко дотянуться до облаков и летать высоко. А масса пилотов, летающих рядом помогут найти потоки.
Самые популярные парадромы России
Парапланы бывают разными
Параплан это не просто тряпка с веревками. Внешне очень похожие, парапланы сильно отличаются друг от друга своими свойствами. Т.к. прогресс в развитии парапланеризма шел очень быстро, то парапланы 8-10 летней давности кажутся доисторическими монстрами по сравнению с современными куполами.
Сколько стоит параплан
Новый современный параплан стоит от 1200 до 4500 евро, в зависимости от фирмы изготовителя. Существует масса дешевых (и не очень дешевых) отечественных парапланов, сшитых в подвале. Их никто не тестировал и их качество очень сомнительно. Так же существует обширный рынок парапланов second hand. Их цена колеблется от 200 евро (скорее всего не летающие модели) до 1200 евро (почти новые импортные модели). Эта тема подробно рассмотрена в статье » Как выбрать параплан «.
Существует еще масса различных аксессуаров, на которые можно истратить любое количество денег, но ведь для любимого дела ничего не жалко.
Хобби или спорт
Вы не спортсмен? Вам просто нравится состояние полета? Небо дает возможность летать не только спортсменам, но и просто любителям активного отдыха, даже в большей степени. Полет для души у склона в динамике может доставить не меньшее удовольствие, чем многокилометровый маршрут.
Мотопараплан
Паратрайк
Парамотор дает восхитительное чувство свободы в полете. Пилот может летать в любом месте и на любой высоте от 0 до 5000 м. В полете на парамоторе хорошо чувствуется скорость, ведь безмоторные полеты обычно проходят на большой высоте, где скорость уже не ощущается.
Вместе с тем, у парамотора есть несколько недостатков. Полеты на парамоторе в сильную тубулентность из-за термической активности или сильного ветра некомфортен и иногда небезопасен. Поэтому летом парамотористы предпочитают летать утром и вечером, когда стихает термичка и ветер. Многие начинающие парапланеристы хотят купить мотор для того, что бы подниматься вверх и парить в термиках. Это проблематично с мотором. Чувство крыла и управляемость с мотором заметно хуже, чем на свободном параплане. Кроме того, моторные крылья имеют большую скорость снижения и небольшое качество, а сопротивление ограждения винта и сам винт ухудшают и так невысокие характеристики крыла. Поднимаясь в термиках значительно хуже свободных парапланов, пилот с парамотором будет сильно проигрывать на переходах.
