Von Lauren Nagel
Einleitung
Wenn es um die Leistung von Drohnen geht, besteht ein notwendiger Kompromiss zwischen zwei wichtigen Faktoren: Nutzlast und Flugzeit.
Eine gute Nutzlastkapazität ist für Lieferdrohnen, Frachtdrohnen, Such- und Rettungsdrohnen und mehr zunehmend wichtig.
Vorhersehbares Wissen darüber, wie sich die Nutzlast auf Ihre Flugzeit auswirkt, kann Ihnen helfen, realistische Ziele und Erwartungen zu setzen.
In diesem Artikel behandeln wir:
- Berechnungen zur Drohnen-Nutzlast
- Wie man die Drehzahl (RPM) von Gleichstrommotoren und damit den Schub erhöht
- Vergleich der Nutzlast von Drohnen mit einem Flugzeitrechner
- Nutzlasten bekannter Drohnen
- Bonus: Wie Sie Ihre Flugzeit und Nutzlastkapazität erhöhen
Abbildung 1: Landwirtschaftliche Drohne mit Nutzlast
1. Berechnung der Drohnen-Nutzlast
Wir können davon ausgehen, dass das Hinzufügen einer Nutzlast die Flugzeit verringert.
Die meisten Menschen gehen intuitiv davon aus, aber warum ist das so? Für diesen Artikel gehen wir davon aus, dass die Nutzlast erhöht wird, während die Komponenten der Drohne gleich bleiben. Beachten Sie, dass die Verringerung des Gewichts des Rahmens ebenfalls eine gute Option ist und den gleichen Effekt hat wie die Verringerung der Nutzlastmasse.
Letztendlich kommt es darauf an: Um ein höheres Gewicht zu überwinden, wird mehr Schub von den Propellern benötigt, was eine höhere Drehzahl erfordert, die mehr Leistung aus dem Akku zieht, wodurch die verfügbare Akkulebensdauer und Flugzeit verringert wird.
Sehen wir uns das etwas genauer an:
Wenn Sie ein UAV mit Masse beladen, erhöht sich der Schub, der benötigt wird, um es vom Boden abzuheben.
Wenn eine Drohne schwebt, befindet sie sich im Gleichgewicht, sodass der Schub dem Gewicht entspricht:
Abbildung 2: Drohne schwebt im Gleichgewicht
Bei den meisten Drohnen sollte der maximale Schub etwa doppelt so hoch sein wie der für das Schweben erforderliche, damit sie sanft abheben, steigen und fliegen können. Letztendlich gilt: größere Masse = höherer Schubbedarf.
Weiterführende Literatur: Wie viel Nutzlast eine Drohne tragen kann
Es gibt mehrere Möglichkeiten, den Schub zu berechnen, aber er hängt im Allgemeinen von mehreren Faktoren ab, darunter Propellerdurchmesser und Steigung, Luftdichte, Geschwindigkeit und Drehzahl (RPM), wie diese Gleichung für dynamischen Propellerschub zeigt:
Basierend auf dieser von Electric Aircraft Guy abgeleiteten Gleichung gibt es mehrere Möglichkeiten, den Schub zu erhöhen: Wir können die Abmessungen des Propellers ändern oder die Drehzahl erhöhen. Diese Gleichung ist recht allgemein gehalten. Für einen genaueren Schub sollten Sie Tests mit einem Schubprüfstand in Betracht ziehen.
Da wir unsere Propeller konstant halten, müssen wir daher die Drehzahl erhöhen.
2. Wie man die Drehzahl (RPM) von Gleichstrommotoren erhöht
Um die Drehzahl zu erhöhen, müssen wir mehr elektrische Leistung aus dem Akku beziehen, insbesondere mehr Spannung.
Mehr erfahren: dieses Video ansehen, um zu sehen, wie sich die Spannung auf die Motordrehzahl auswirkt.
Die Akkukapazität wird oft in Wattstunden (Wh) angegeben. Wenn Sie eine Kapazität von 70 Wh haben, können Sie 70 Watt für 1 Stunde oder 1 Watt für 70 Stunden beziehen.
Je mehr Leistung bezogen wird, desto kürzer ist die Lebensdauer des Akkus. Und hier kommen wir wieder zum Anfang.
Da wir eine höhere Spannung (und damit mehr Leistung) benötigen, um eine höhere Drehzahl zu erreichen, wird die Akkulebensdauer schneller aufgebraucht und unsere Flugzeit wird geringer.
3. Vergleich von Drohnen-Nutzlast und Flugzeit
Sehen wir uns das als Nächstes in der Praxis an. Wir haben einen Drohnen-Flugzeitrechner entwickelt, der es Ihnen ermöglicht, die Informationen Ihrer Drohne einzugeben, wie das Gewicht der Drohne und des Akkus, die Akkukapazität und die Anzahl der Propeller. Er kombiniert diese Informationen mit Antriebsdaten und schätzt Ihre Flugzeit für Sie.
Für diesen Artikel verwenden wir Daten von diesem Antriebssystem mit einem T-Motor MN4014 und einem APC 12x6e Propeller, um die Beziehung zwischen Nutzlast und Flugzeit zu demonstrieren.
Abbildung 3: Drohnen-Flugzeitrechner mit Beispielwerten
Bei einer Nutzlast von Null und einer Drohnenmasse von 1,6 kg (einschließlich Akku) erhalten wir eine Flugzeit von 39,6 Minuten.
Wenn wir die Nutzlast in Schritten von 0,2 kg erhöhen, sehen Sie, was mit der Flugzeit passiert: 
Abbildung 4: Diagramm: Drohnen-Flugzeit vs. Nutzlast
Wenn die Nutzlast schrittweise erhöht wird, verringert sich die Flugzeit.
4. Nutzlasten bekannter Drohnen
Was als „gute“ Nutzlast gilt, hängt von vielen Faktoren ab, wie z. B. Größe und Funktion der Drohne. Hier sind die Nutzlasten einiger bekannter Drohnen zum Vergleich:
- Nutzlast der DJI AGRAS T40: 50 kg (110 lbs)
- Nutzlast der DJI Inspire 2: 0,8 kg (1,8 lbs)
- Nutzlast der MQ-9A Reaper-Drohne: 1.746 kg (3.850 lbs)
- Nutzlast der Predator RQ-1-Drohne: 204 kg (450 lbs)
- Nutzlast der Lancet-3-Drohne: 3 kg (6,6 lbs)
- Nutzlast der SYPAQ-Drohne: 3 kg (6,6 lbs)
- Nutzlast des Raven RQ-11 UAV: 0,18 kg (0,4 lbs)
5. Bonus: Wie Sie die Flugzeit und Nutzlastkapazität einer Drohne erhöhen
Die untenstehende Gleichung zeigt, wie die Akkukapazität und die Leistungsaufnahme mit der Flugzeit der Drohne zusammenhängen. Je mehr Leistung Sie beziehen, desto kürzer ist die Flugzeit:
Es gibt einen einfachen Weg, wie Sie sowohl die Flugzeit als auch die Nutzlastkapazität Ihrer Drohne erhöhen können, und alles hängt von einer entscheidenden Variable ab: Effizienz. Die Erhöhung der Effizienz Ihres Antriebssystems reduziert die aus dem Akku bezogene Leistung und erhöht damit Ihre Flugzeit.
Die Verbesserung der Effizienz ist nicht Gegenstand dieses Artikels, aber wir haben einen vollständigen Leitfaden zu Wie Sie die Flugzeit und Tragfähigkeit einer Drohne erhöhen, den Sie lesen können, wenn Sie die Leistung Ihrer Drohne verbessern möchten.
Fazit
In diesem Artikel haben wir gezeigt, wie sich die Drohnen-Nutzlast auf die Flugzeit auswirkt. Die wichtigsten Variablen sind Schub, Drehzahl, elektrische Leistung und Akkukapazität.
Wenn Sie noch offene Fragen haben oder Themen, die wir behandeln sollen, hinterlassen Sie uns unten einen Kommentar.