طاقة الطائرات بدون طيار التي تعمل خارج نطاق الرؤية (BVLOS): الدليل الشامل لاختيار أنظمة الدفع

تمثل العمليات خارج نطاق الرؤية البصرية (BVLOS) المرحلة التالية في مجال استخدام الطائرات بدون طيار التجارية. لكن تفعيل عمليات BVLOS لا يتطلب مجرد الحصول على موافقة الجهات التنظيمية فحسب، بل يتطلب أيضًا نظام دفع قادرًا على توفير القدرة على التحمل، والموثوقية، وسعة الحمولة وهو ما لم تكن العمليات التي تتم في نطاق الرؤية المباشرة تتطلبه أبدًا. أما بالنسبة للطائرات بدون طيار التي تعمل خارج نطاق الرؤية المباشرة (BVLOS)، فإن اختيار نظام الدفع يؤثر بشكل مباشر على مدة الطيران، وسعة الحمولة، ونطاق المهمة، وبيئة التشغيل، وموثوقية المهمة بشكل عام.

يقدم هذا الدليل إطارًا عمل لاختيار مصدر الطاقة المناسب لمهمتك التي تتم خارج نطاق الرؤية (BVLOS). ولا يتعلق الأمر بمقارنة نظرية، بل بإطار عمل عملي يهدف إلى اتخاذ القرار.

مقدمة في الطيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS): لماذا تُعد القوة هي العامل الأهم

الطيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS) يحرم الطيار من القدرة على تتبع الطائرة بصريًّا. وبمجرد أن تتجاوز الطائرة بدون طيار الأفق البصري،, نجاح المهمة أو فشلها يتوقف على موثوقية أنظمتها—ولا يوجد نظام أكثر أهمية من نظام الدفع.

في الولايات المتحدة، اقترحت إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) إطار عمل “الجزء 108” للعمليات الروتينية خارج نطاق الرؤية (BVLOS)، لكن على المشغلين التحقق من المتطلبات المطبقة على عملياتهم المحددة ومسار الحصول على الترخيص.يتطلب إطار العمل المقترح من إدارة الطيران الفيدرالية (FAA) بموجب الجزء 108 للعمليات خارج نطاق الرؤية (BVLOS) أن تستوفي الطائرات بدون طيار متطلبات سلامة تقنية محددة، بما في ذلك «إقرار الامتثال» الذي يؤكد أن الطائرة تتمتع بالقدرات اللازمة للطيران الآمن خارج نطاق الرؤية (BVLOS). وفي حين أن اللائحة تشمل أنظمة الاتصالات والملاحة وأنظمة الكشف والتفادي،, يُعد الدفع الأساس الذي ترتكز عليه جميع القدرات الأخرى.

إن الطائرة بدون طيار التي لا تستطيع إتمام مهامها المحددة — سواء بسبب نطاق طيران غير كافٍ، أو قيود في الحمولة، أو تعطل بسبب الطقس البارد — لا يمكنها تحقيق الموثوقية التشغيلية التي تتطلبها شهادة BVLOS.

السؤال ليس “ما هو أفضل مصدر للطاقة؟”، بل “ما هو مصدر الطاقة الذي يتناسب مع طبيعة مهمتك المحددة؟”

مقارنة مصادر الطاقة: الخيارات المتاحة

بطاريات الليثيوم

الأفضل لـ: المهام قصيرة المدة، والبيئات التي يمكن التنبؤ بها، ومتطلبات الحمولة المنخفضة

بالنسبة للمهام قصيرة المدة التي تتميز بظروف تشغيل يمكن التنبؤ بها، يمكن أن تظل بطاريات الليثيوم خيارًا عمليًّا وفعالاً من حيث التكلفة للدفع. ومع ذلك، مع زيادة متطلبات مدة التشغيل والحمولة، قد تصبح الكتلة الإضافية للبطارية عائقًا متزايدًا.

القيود:

• الحد الأقصى لكثافة الطاقة: تتراوح سعة خلايا الليثيوم-أيون التجارية بين 150 و250 واط/ساعة لكل كيلوغرام. وللمضاعفة مدة الطيران، يجب مضاعفة وزن البطارية — وهي حلقة مفرغة سلبية سرعان ما تصبح باهظة التكلفة
• التدهور الناتج عن الطقس البارد: عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية، قد تنخفض سعة بطاريات الليثيوم بمقدار 60% أو أكثر
• فترة توقف الخدمة لإعادة الشحن: 1–4 ساعات من الشحن مقابل 20–40 دقيقة من الطيران

محركات الاحتراق الداخلي

الأفضل لـ: المهام التي تتطلب قدرة تحمل طويلة للغاية، حيث يُعدّ مستوى الضوضاء والانبعاثات مقبولاً

توفر محركات الاحتراق الداخلي (ICE) كثافة طاقة عالية بفضل استخدام الوقود الهيدروكربوني السائل. ولا تزال هذه المحركات هي الخيار السائد للطائرات بدون طيار الضخمة جدًّا، حيث يُعتبر الوزن الإضافي للمحرك مقبولًا مقارنةً بالكتلة الإجمالية للمنصة.

القيود:

• ارتفاع مستوى الضوضاء والاهتزازات: 70–85 ديسيبل، يمكن سماعها من مسافة تزيد عن 500 متر
• بصمة حرارية عالية: يمكن الكشف عن حرارة العادم بسهولة باستخدام أجهزة استشعار الأشعة تحت الحمراء
• مستوى الصيانة: عمليات تغيير الزيت الدورية، واستبدال المرشحات، وتآكل المكونات

خلايا الوقود الهيدروجينية (PEMFC)

الأفضل لـ: مهام الطيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS) طويلة المدى، والبيئات الباردة، والمهام ذات البصمة المنخفضة

توفر خلايا وقود الهيدروجين كثافة طاقة أعلى بكثير من بطاريات الليثيوم أيون, ، مما يتيح مدة رحلات تستغرق ساعات بدلاً من دقائق. وهي يعمل بشكل شبه صامت, ، ولا تنتج أي اهتزازات تقريبًا، وتقتصر انبعاثاتها المحلية على بخار الماء.

المزايا:

• كثافة الطاقة: يمكن لأنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية أن توفر إمكانات طاقة على مستوى المهام أعلى بكثير مقارنة بأنظمة البطاريات التقليدية، عند أخذ وزن وقود الهيدروجين ووسائل تخزينه ووزن النظام بأكمله في الاعتبار مجتمعة.
• مدة التزود بالوقود: أقل من 5 دقائق مقابل 1–4 ساعات لشحن البطارية
• التشغيل على البارد: قدرة على العمل عند -40 درجة مئوية مقابل تعطل بطاريات الليثيوم عند درجات حرارة أقل من 0 درجة مئوية
• بصمة منخفضة: ضوضاء لا تتجاوز 45 ديسيبل، وإشعاع حراري يقترب من الصفر

شركة SOLIDHYDRO نظام خلايا الوقود الهيدروجينية HYDRA-G بقدرة 3.3 كيلوواط صُمم هذا النظام لدفع الطائرات بدون طيار (UAV) على متنها ولتطبيقات الطيران طويل المدى:

وزن النظام ≤7.65 كجم، القدرة المقدرة 3.3 كيلوواط

مخرج تيار مستمر 48 فولت مدمج

قدرة على الطيران لمدة 8–10 ساعات

كل ذلك أثناء التشغيل في درجات حرارة تتراوح بين -40 درجة مئوية و+40 درجة مئوية

كما يمكن أن تتجاوز هياكل الطائرات بدون طيار التي تعتمد على الهيدروجين نظام الدفع الداخلي القائم على خلايا الوقود الكهروكيميائية (PEMFC) لتشمل أنظمة الطاقة الأرضية التي تستخدم الهيدروجين الصلب لعمليات الطائرات بدون طيار, ، والتي يمكنها دعم شحن بطاريات الطائرات بدون طيار والعمليات الميدانية عن بُعد.

→ للاطلاع على مزيد من التفاصيل حول عمليات الطائرات بدون طيار طويلة الأمد، انظر قدرة الطائرات بدون طيار على التحمل باستخدام خلايا الوقود الكهربائية الغشائية (PEMFC) التي تعمل بالهيدروجين التحليل.

اختيار نظام الدفع للطائرات بدون طيار التي تعمل خارج نطاق الرؤية (BVLOS) حسب طبيعة المهمة

للاطلاع على مقارنة أكثر تفصيلاً بين التقنيات، انظر خلايا الوقود الهيدروجينية مقابل بطاريات الليثيوم في الطائرات بدون طيار التحليل.

المفاضلة بين الحمولة والقدرة على التحمل

تنطوي كل مهمة طيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS) على مفاضلة أساسية بين إلى أي مدى تطير و ما تحمله معك.

أشارت الأبحاث التي أجريت على منصات الطائرات بدون طيار الصغيرة إلى وجود حدود لكتلة الطائرة يمكن عندها أن تصبح الأنظمة الهجينة التي تعتمد على خلايا الوقود أكثر فائدة من أنظمة الدفع التي تعتمد على البطاريات وحدها. ويعتمد نقطة التحول الدقيقة هذه على تكوين الطائرة، ومدة المهمة، والحمولة، ونظام الطاقة المحدد.

مقارنة بين مصادر الطاقة: بطارية ليثيوم أيون مقابل HYDRA‑G 3kW

الـ هامش حمولة يزيد عن 17 كجم وهذا هو الفرق بين المهمة المحدودة والمهمة الكاملة. بالنسبة لفحص البنية التحتية، يعني ذلك استخدام عدد أكبر من أجهزة الاستشعار في كل رحلة جوية. أما بالنسبة للعمليات اللوجستية، فيعني ذلك نقل حمولة أكبر في كل طلعة جوية. وبالنسبة للمراقبة، يعني ذلك بقاء الطائرة في موقعها لفترة أطول.

للاطلاع على التكوينات المختلفة للطائرات بدون طيار وأنماط المهام المختلفة، يرجى الاطلاع على حلول الطاقة القائمة على خلايا الوقود للطائرات بدون طيار.

ميزة التبريد الهوائي

ليست جميع أنظمة PEMFC متماثلة من حيث ملاءمتها للدمج مع الطائرات بدون طيار. ويستخدم نظام HYDRA‑G 3kW تصميم ذو كاثود مفتوح ومبرد بالهواء—خيار هندسي متعمد للمنصات الجوية.

لماذا يُعد التبريد الهوائي أمرًا مهمًا:

• لا توجد دوائر تبريد سائلة: يمنع حدوث أعطال المضخة والتسربات والوزن الزائد
• تكامل أكثر بساطة: لا توجد مشعات أو خراطيم أو خزانات سائل التبريد لتعبئتها
• صيانة أقل: عدد أقل من المكونات المعرضة للتعطل أو التي تحتاج إلى صيانة
• إنقاص الوزن: كل غرام له أهميته في تصميم الطائرات بدون طيار

يعمل النظام تحت ضغط منخفض للهيدروجين (100–120 كيلو باسكال جرافيتي)، مما يجعله متوافق مع الأسطوانات المركبة خفيفة الوزن بدلاً من الحاجة إلى خزانات ثقيلة تبلغ ضغطها 70 ميجا باسكال. وقد صُمم هذا المزيج من التبريد الهوائي والتشغيل بالضغط المنخفض خصيصًا لسوق الطائرات بدون طيار التي تولي أهمية كبيرة للوزن.

إطار الاختيار: أداة عملية لاتخاذ القرار

إطار الاختيار: أداة عملية لاتخاذ القرار

يتطلب اختيار نظام دفع لطائرة بدون طيار تعمل خارج نطاق الرؤية (BVLOS) أكثر من مجرد مقارنة الطاقة القصوى أو سعة البطارية. تعتمد بنية الطاقة المناسبة على مدة التشغيل المطلوبة للمهمة، والحمولة، ووزن الطائرة، ونطاق التشغيل، والظروف البيئية، ومتطلبات إعادة التشغيل.

استخدم العوامل التالية لتقييم ما إذا كان نظام الدفع الذي يعتمد على البطاريات أو نظام الدفع الهجين أو نظام الدفع بخلايا الوقود الهيدروجينية مناسبًا لمهمتك التي تتم خارج نطاق الرؤية (BVLOS).

1. القدرة على التحمل المطلوبة

تعد القدرة على التحمل أحد أهم العوامل في اختيار نظام دفع الطائرات بدون طيار.

بالنسبة للمهام قصيرة المدة، يمكن أن توفر بطاريات الليثيوم حلاً بسيطًا وعمليًّا يتسم بسهولة الدمج وتعقيد نظامي منخفض نسبيًّا. ومع ذلك، كلما زادت مدة الرحلة، زادت الطاقة المطلوبة من البطارية أيضًا، مما قد يؤدي إلى زيادة كبيرة في الكتلة وتقليل الحمولة الصالحة للاستخدام المخصصة لأجهزة الاستشعار ومعدات المهمة الأخرى.

بالنسبة للمهام التي تتم خارج نطاق الرؤية (BVLOS) والتي تتطلب عدة ساعات من التشغيل المتواصل، قد يصبح الدفع بخلايا الوقود الهيدروجينية خيارًا جذابًا بشكل متزايد، لأن الهيدروجين يوفر إمكانات طاقة عالية مع توزيع كتلة يختلف عن توزيع كتلة حزمة البطاريات الكبيرة.

2. الحمولة ووزن الطائرة

تؤثر متطلبات الحمولة بشكل مباشر على اختيار نظام الدفع.

تحتاج الطائرات بدون طيار التي تعمل خارج نطاق الرؤية (BVLOS) والمزودة بكاميرات، أو أجهزة ليدار (LiDAR)، أو معدات اتصالات، أو مستشعرات متعددة الأطياف، أو أي حمولات مهمة أخرى، إلى طاقة كافية ليس فقط للبقاء في الجو، بل أيضًا للحفاظ على سعة الحمولة الفعالة طوال مدة المهمة.

قد تواجه الأنظمة التي تعتمد على البطاريات وحدها قيودًا متزايدة فيما يتعلق بالوزن مع تزايد متطلبات مدة التشغيل. ويمكن أن تساعد بنية خلايا الوقود في تقليل كمية الطاقة الكهربائية المخزنة التي يجب حملها على شكل كتلة البطارية، على الرغم من أنه لا يزال يتعين تقييم نظام الدفع بالكامل، بما في ذلك خلية الوقود، وتخزين الهيدروجين، ومكونات «توازن النظام»، وتكاملها مع الطائرة.

تعتمد نقطة الانتقال الدقيقة بين الدفع بالبطارية والدفع بخلايا الوقود على تكوين الطائرة، ومدى التحمل المطلوب، والحمولة، وخصائص المهمة، وليس على عتبة وزن واحدة موحدة للطائرة.

3. نطاق المهمة

بالنسبة للعمليات خارج نطاق الرؤية (BVLOS)، ينبغي تقييم المدى جنبًا إلى جنب مع مدة التشغيل، بدلاً من التعامل معه كمواصفة مستقلة.

تتطلب المهام الأطول مدة طاقة كافية للطيران بسرعة ثابتة، والارتفاع، والمناورة، والتعويض عن تأثير الرياح، وتشغيل الحمولة، والقدرة الاحتياطية. ومع زيادة مسافة المهمة، يمكن أن يكون لهيكل تخزين الطاقة تأثير أكبر على كتلة الطائرة والحمولة المتاحة.

بدلاً من تطبيق حد أدنى ثابت للمسافة، ينبغي لمشغلي الطائرات بدون طيار مقارنة الملامح الكاملة للمهمة، بما في ذلك:

• مدة الرحلة المطلوبة
• قوة الإبحار
• كتلة الطائرة
• كتلة الحمولة
• متطلبات الطاقة الاحتياطية
• الرياح والظروف الجوية المتوقعة
• فرص التزود بالوقود أو إعادة الشحن

يمكن أن يصبح الدفع بخلايا الوقود الهيدروجينية ذا أهمية خاصة عندما تتزامن متطلبات المدى الطويل مع متطلبات الحمولة العالية والقدرة على الاستمرار لفترات طويلة.

4. بيئة التشغيل

يمكن أن تؤثر الظروف البيئية بشكل كبير على أداء نظام الدفع وموثوقية المهمة.

تتطلب المهام التي تُنفَّذ خارج نطاق الرؤية (BVLOS) في الطقس البارد دراسة متأنية لأداء البطارية، وإدارة الحرارة، وسلوك التشغيل عند بدء التشغيل، وكفاءة النظام بشكل عام. وقد توفر أنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية مزايا في بعض التطبيقات التي تُنفَّذ في الطقس البارد، اعتمادًا على بنية خلية الوقود، وتصميم عملية بدء التشغيل، وظروف التشغيل.

تتطلب العمليات التي تتم في درجات حرارة عالية أيضًا إدارة حرارية مناسبة. ولذلك، ينبغي تقييم نظام الدفع المختار وفقًا لنطاق درجات الحرارة الفعلية لتشغيل الطائرة بدون طيار، بدلاً من الاعتماد فقط على المواصفات المختبرية أو الاسمية.

بالنسبة للبعثات التي تعمل في بيئات صعبة، ينبغي على المشغلين مراجعة ما يلي:

• أداء التشغيل البارد
• درجة حرارة التشغيل المستمر
• متطلبات إدارة الحرارة
• آثار الارتفاع
• الرطوبة وهطول الأمطار
• تخفيض قدرة النظام في الظروف القاسية

5. التوقيع واللوجستيات الخاصة بالبعثة

كما يمكن أن يؤثر اختيار نظام الدفع على البصمة التشغيلية والعمليات اللوجستية للطائرة بدون طيار التي تعمل خارج نطاق الرؤية (BVLOS).

يتميز الدفع الكهربائي عمومًا بمستوى ضوضاء منخفض مقارنة بمحركات الاحتراق. كما يمكن لأنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية أن تدعم تشغيل الطائرات بدون طيار بمستوى ضوضاء منخفض نسبيًا، على الرغم من أن الأداء الصوتي الفعلي يعتمد على بنية خلية الوقود، ونظام التبريد، والمراوح، والمروحة الدوارة، وتصميم الطائرة.

كما ينبغي أخذ الجوانب اللوجستية للبعثة في الاعتبار. فقد تتطلب أنظمة البطاريات الشحن أو استبدال البطاريات بين الرحلات الجوية، في حين أن أنظمة الهيدروجين تتيح إعادة التزود بالوقود بسرعة عند توفر إمدادات الهيدروجين والبنية التحتية المناسبة لمناولة الهيدروجين.

قاعدة عملية لاتخاذ القرار

لا توجد تقنية دفع واحدة تُعتبر الأمثل لجميع الطائرات بدون طيار التي تعمل خارج نطاق الرؤية (BVLOS).

كإرشادات هندسية عامة:

• المهام قصيرة المدة التي تتطلب حمولة متواضعة: قد توفر بطاريات الليثيوم حلاً عمليًّا وبسيطًا.
• المهام التي تستغرق عدة ساعات وتتطلب حمولة كبيرة: قد يُشكل نظام الدفع بخلايا الوقود الهيدروجينية بديلاً مفيداً عن الأنظمة التي تعتمد على البطاريات وحدها.
• المهام طويلة الأمد التي تتطلب إنجازًا سريعًا: قد توفر أنظمة خلايا الوقود الهيدروجينية مزايا لوجستية في حال توفر البنية التحتية للتزود بالوقود.
• العمليات في الطقس البارد أو في الظروف البيئية الصعبة: تقييم أداء نظام الدفع الكامل من حيث التشغيل الأولي والأداء الحراري والتشغيلي قبل اختيار بنية الطاقة.
• مهام الطيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS) ذات الحمولة العالية والقدرة على التحليق لفترات طويلة: مقارنة بين تصميمات تعتمد على البطاريات فقط وتلك التي تعتمد على خلايا الوقود على مستوى نظام الطائرة بأكمله، بدلاً من مقارنة كثافة الطاقة لمصدر الطاقة وحده.

وبالتالي، فإن المقارنة الأكثر فائدة ليست مجرد مقارنة بين البطارية والهيدروجين، بل هي مقارنة بين نظام الدفع الكامل ومتطلبات المهمة المحددة التي تُنفَّذ خارج نطاق الرؤية (BVLOS).

ما وراء ورقة المواصفات: الوثائق الخاصة بعمليات الطيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS)

إن اختيار الأجهزة المناسبة ليس سوى نصف المعادلة. تتطلب شهادة BVLOS ما يلي: وثائق تثبت موثوقية نظام الدفع.

الوثائق الأساسية التي يجب إعدادها:

1. ورقة البيانات الفنية لنظام الدفع: القدرة المقدرة، نطاق التشغيل، الحدود البيئية، وحالة الاعتماد (مثل موافقة CAERI على النوع)
2. بيانات التحقق من القدرة على التحمل: نتائج اختبارات الطيران التي تثبت أن النظام يفي بمتطلبات القدرة على التحمل المعلنة أو يتجاوزها في ظروف تمثل ظروف المهمة الفعلية
3. تقارير اختبارات التشغيل على البارد والبيئات القاسية: دليل على الأداء في ظروف درجات الحرارة القصوى
4. جدول الصيانة وبيانات الموثوقية: متوسط الوقت بين الأعطال (MTBF)، وفترات استبدال المكونات، وسجل الصيانة
5. دراسة الجدوى المتعلقة بالسلامة: تحليل سلامة أنظمة تخزين الهيدروجين وأنظمة الوقود، وكشف التسربات، وإجراءات الطوارئ

اعتمادًا على الإطار التنظيمي المعمول به، قد يحتاج المشغلون إلى وثائق فنية ووثائق تتعلق بالسلامة لدعم الحصول على ترخيص الطيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS) أو الموافقة التشغيلية.

الخلاصة: القوة المناسبة للمهمة المناسبة

يُعد اختيار نظام الدفع لطائرة بدون طيار تعمل خارج نطاق الرؤية (BVLOS) في نهاية المطاف قرارًا هندسيًّا على مستوى المهمة. فمن الضروري أخذ كل من القدرة على التحليق لفترات طويلة، والحمولة، والمدى، ووزن الطائرة، وبيئة التشغيل، والبصمة الصوتية، ومتطلبات إعادة الاستخدام في الاعتبار بشكل متكامل.

بالنسبة للمهام قصيرة المدة التي تتم خارج نطاق الرؤية المباشرة (BVLOS) في ظل ظروف تشغيل يمكن التنبؤ بها، يمكن أن تظل بطاريات الليثيوم خيارًا عمليًّا وبسيطًا. ومع تحول متطلبات المهام نحو قدرة على التحليق لعدة ساعات، وسعة حمولة أكبر، ومدى أطول، والتشغيل في الطقس البارد، أو سرعة الاستجابة، يمكن أن يصبح الدفع بخلايا وقود الهيدروجين بديلاً أكثر أهميةً مقارنةً بالتصميمات التي تعتمد على البطاريات وحدها.

بالنسبة لتطبيقات تزويد الطاقة للطائرات بدون طيار (UAV) والطيران طويل المدى، تم تصميم نظام خلايا الوقود الهيدروجينية HYDRA-G 3.3kW من شركة SOLIDHYDRO لتوفير طاقة كهربائية مستمرة مع تقليل عبء تخزين الطاقة المرتبط بحزم البطاريات الكبيرة. وينبغي تقييم استخدامه وفقًا لتكوين الطائرة، والحمولة، ومدة التحليق المطلوبة، وخصائص المهمة المحددة.

بالنسبة لمشغلي الطيران خارج نطاق الرؤية (BVLOS)، لا يتعلق الاختيار بأي تقنية هي “الأفضل”، بل يتعلق بما إذا كانت هيكل الدفع الأنسب لهذه المهمة.

تابع القراءة:

• اكتشف المواصفات الفنية لجهاز HYDRA‑G 3kW
• حلول الطاقة للطائرات بدون طيار ووسائل التنقل الصغيرة
• من 45 دقيقة إلى 8 ساعات: دليل مدة تشغيل الطائرات بدون طيار التي تعمل بخلايا الوقود PEMFC الهيدروجينية
• دليل تكنولوجيا خلايا الوقود: خلايا الوقود ذات الغشاء التبادلية (PEMFC)، وخلايا الوقود ذات الغشاء المرن (RMFC)، وخلايا الوقود ذات الحالة الصلبة القائمة على هيدريد المعادن
• عرض جميع منشورات المدونة