In unserem Designzyklus 2022–2023 für den SAE Aero Design Wettbewerb beschlossen wir (University of Alberta Aero Design), aus unserer Komfortzone herauszutreten und zum allerersten Mal in der 37-jährigen Geschichte unseres Clubs an der Designaufgabe der Micro Class teilzunehmen (historisch gesehen hat unser Club ausschließlich an den Regular- oder Advanced-Klassen teilgenommen).
In der Micro Class gab es neue Herausforderungen, die ein optimiertes Antriebssystem erforderten, wie eine Leistungsgrenze von 450 W, einen 4S-LiPo-Akku, eine maximale Startstrecke von 8 ft und eine maximale Spannweite von 36 Zoll. Angesichts dieser Anforderungen wurde uns klar, dass es wichtiger denn je war, die Leistung unseres Antriebssystems detailliert zu charakterisieren, da jeder zusätzliche Schub, den wir mit unserer begrenzten Leistung erzeugen können, einen erheblichen Unterschied machen kann.
Im November 2022 half uns Tyto Robotics, unser Ziel zu erreichen, indem das Unternehmen unseren Kauf des Series 1580 Test Stand sponserte. Der Series 1580 Test Stand war robust und einfach einzurichten, sodass wir mehrere statische Tests unter verschiedenen Bedingungen mit minimalen Ausfallzeiten durchführen konnten. Der Prüfstand wurde in einem Karton mit allen für seinen Betrieb erforderlichen Komponenten geliefert, einschließlich der Hardware, der Kraftmessdosen, der Motorhalterplatte, der Kalibrierwerkzeuge und der elektrischen Komponenten.
Abbildung 1: Series 1580 Test Stand, installiert in einem Windkanal
Bevor wir den Prüfstand erhielten, wurde in MATLAB eine gründliche Analyse verschiedener Kombinationen aus Propeller, Motor, elektronischem Drehzahlregler (ESC) und Akku durchgeführt, um auf eine Reihe von Kombinationen zu schließen, die den Schub innerhalb der verfügbaren 450 W maximieren und dabei nahe am Spitzenwirkungsgrad des Motors arbeiten.
Die drei Hauptziele der Tests waren:
- Die Schubeffizienz jedes Propellers zu charakterisieren (Schub/elektrische Leistung).
- Festzustellen, wie sich die Akkuspannung, der Schub, die elektrische Leistung und die Drehzahl über 90 Sekunden veränderten, wenn 450 W entnommen wurden (ein typischer Flugversuch dauert 60 Sekunden).
- Den Wirkungsgrad des Motors bei unseren erwarteten Betriebspunkten zu messen.
Um das erste Ziel zu erreichen, wurde jeder Propeller in fünf Schritten von jeweils 500 U/min bis zu seiner maximalen Drehzahl getestet. Die maximale Drehzahl wurde durch eine elektrische Leistungsaufnahme von 450 W festgelegt. Unter Verwendung der kontinuierlichen Aufzeichnungsfunktion der vielseitigen und benutzerfreundlichen RCbenchmark-Software wurden bei jeder Testbedingung 500 Messwerte aufgezeichnet und die Durchschnittswerte berechnet.
Um das zweite Ziel zu erreichen, wurde jeder Propeller 90 Sekunden lang bei 450 W gehalten.
Für das dritte Ziel zeigten die Testdaten, dass der Motor bei allen getesteten Drehzahlen mit einem Wirkungsgrad von etwa 76–80 % arbeitete.
Nach Durchführung dieser Tests konnten wir unser ausgewähltes Antriebssystem verfeinern und validieren durch:
- Feststellung des Schubs, den jeder Propeller erzeugt, wenn er eine Leistung von 450 W oder weniger aufnimmt, und der maximalen Leistung, die jeder Propeller bei Vollgas aufnimmt.
- Feststellung, welcher Propeller bei gleicher elektrischer Leistungseinspeisung mehr Schub erzeugte.
- Quantifizierung der Abnahme der Akkuspannung, Leistung und des Schubs, die wir im Laufe der Zeit erwarten können.
- Identifizierung der Abweichung zwischen den vom Propellerhersteller angegebenen Werten und den experimentellen Ergebnissen.
Der Series 1580 Test Stand bot noch weitere nützliche Funktionen, wie die Möglichkeit, die Drehzahl des Propellers sowohl elektronisch als auch mithilfe einer optischen Drehzahlsonde zu messen.
Zusätzlich zu den oben genannten Parametern konnte der Prüfstand das Motormoment sowie Vibrationen in 3 Achsen messen, was wertvolle Erkenntnisse über die strukturellen, stabilitäts- und steuerungstechnischen Überlegungen des Fluggeräts lieferte. Aufgrund der
Schwierigkeit, diese Parameter zu messen, hätten diese Faktoren sonst möglicherweise übersehen werden können.
Aus unseren Tests konnten wir unsere Wahl des Motors, Propellers und Akkus validieren. Darüber hinaus können wir nun unsere Flugleistung genauer und zuverlässiger berechnen. Zukünftige Tests werden im Windkanal des Laboratory of Turbulent Flow durchgeführt, um den dynamischen Schub zu charakterisieren, sodass die Start- und Reiseleistung genauer modelliert werden kann.
Abbildung 2: Seitenansicht des Series 1580 im Windkanal
Aero Design möchte sich bei Tyto Robotics für das Sponsoring bedanken, da es uns ermöglichte, den Series 1580 Schubprüfstand zu kaufen, der äußerst robust, präzise und benutzerfreundlich ist. Er ist perfekt für die Durchführung von Schubtests unter verschiedenen Bedingungen geeignet, um ein Antriebssystem zu validieren und verschiedene Parameter wie Propellerschub, Propellerdrehzahl, Strom, Spannung, Motormoment und Wirkungsgrad zu messen.
Deep Rajani – VP Finanzen & Teamleiter Aerodynamik (Autor)
Daniel Kichma – Teamleiter Antriebstechnik (Autor)
Ejouan Agena – Senior-Designteammitglied
Mckenna Warawa – Designteammitglied
Michael Caulfield – Designteammitglied
SAE Aero Design Team
