In ihrem faszinierenden Forschungsbericht zur Skalierbarkeit von Antriebssystemen Edmonds, Stringer" untersuchen Kendy Edmonds und Dr. Blake Stringer von der Kent State University die Skalierbarkeit aktueller sUAS-Antriebsmethoden: Unmanned VTOL Propulsion Research – Scalability of Quadcopter Rotor-Motor Configuration Outside the sUAS Regime.
Die Vorteile der Skalierung von Quadcoptern sind offensichtlich: größere Nutzlasten, größere Reichweite, längere Schwebzeiten usw. Große Multirotor-Systeme sind jedoch teurer zu testen und zu bauen, daher ist es verlockend, zunächst kleinere Versionen zu testen.
Obwohl dies eine valide Strategie ist, müssen sich Konstrukteure der Grenzen ihrer Modelle bewusst sein.
Eines der Hauptprobleme, die im Bericht untersucht werden, ist das Einschwingverhalten von Rotor-Konfigurationen mit variabler Drehzahl: Wie wirkt sich die erhöhte Trägheit auf die Reaktionszeit größerer Systeme aus?
Die Autoren weisen auf Unterschiede in Leistung und Manövrierfähigkeit zwischen Drohnen mit variabler Drehzahl und festem Anstellwinkel und Helikoptern mit konstanter Drehzahl und variablem Anstellwinkel hin. Eine Quadcopter-Drohne benötigt beim Schweben und Manövrieren 27 % mehr Leistung als ein Helikopter mit der gleichen Tragfähigkeit (Abbildung 1).
Aus dieser Analyse ziehen sie zwei Schlussfolgerungen: „(1) Mit zunehmender Größe des Fluggeräts trägt ein größerer Rotordurchmesser dazu bei, die Leistungsanforderungen handhabbar zu halten. (2) Mit zunehmender Größe der Rotoren steigt auch der Leistungsbedarf, um die Rotoren anzutreiben und die Trägheit sowie den Profilwiderstand der Blätter zu überwinden.“
Weiterführende Literatur: So wählen Sie den richtigen Motor und Propeller für Ihre Drohne aus 
Abbildung 1: Leistungsbedarf beim Schweben im Verhältnis zu Gewicht und Scheibenbelastung in PS (links) und kW (rechts)
Um die Skalierbarkeit von Rotoren mit variabler Drehzahl weiter zu untersuchen, führten die Forscher mehrere Tests durch, um das Einschwingverhalten verschiedener Rotor-Konfigurationen mit dem RCbenchmark Series 1780 Prüfstand zu messen (Abbildung 2).
Es wurden fünf Motoren getestet: Turnigy RotoMax 150cc, KDE Direct 10218XF105 (Mega), T-Motor P80 120kv, KDE Direct 7215XF-135 (KDE) und KDE Direct 4215XF465 (Mini), sowie drei verschiedene Rotoren: ein 3-blättriger Carbonfaser-Propeller mit einem Durchmesser von 30,5” und einem Anstellwinkel von 9,7” von KDE Direct, ein 2-blättriger Carbonfaser-Propeller mit einem Durchmesser und Anstellwinkel von 27” und 8,8” von Falcon und ein 2-blättriger Carbonfaser-Propeller mit einem Durchmesser und Anstellwinkel von 15” und 5,5”, hergestellt von T-Motor.
Abbildung 2: Der Versuchsaufbau mit dem Series 1780 Prüfstand
Die Ergebnisse der Einschwingversuche sind in Abbildung 3 dargestellt.
Interessanterweise stellen die Autoren fest, dass „die Variabilität des Einschwingverhaltens jeder Rotor-Motor-Konfiguration deutlich größer ist als erwartet“, und heben damit die Bedeutung von Antriebstests bei der Systementwicklung hervor.
Aus diesen Daten ziehen sie zwei Hauptschlüsse: 1) „Der Abkühlvorgang reagiert empfindlicher auf die Größe der Rotor-Motor-Einheit als der Hochlaufvorgang“, 2) „Der Einfluss aller Eingangsfaktoren sollte weiter untersucht werden, um die primären Eingangsvariablen für das Einschwingverhalten zu bestimmen. Der Bereich der Eingangswerte sollte so weit wie möglich gefasst werden.“
Abbildung 3: Einschwingzeit aller Motoren im Verhältnis zur Drehzahländerung
Ein dritter, unerwarteter Schluss aus der Studie betrifft die Thermodynamik: 3) „Temperatur und Thermomanagement sind wichtige Aspekte bei Motoren mit variabler Drehzahl, insbesondere wenn sie größer werden und keine Kühlung außer dem Rotor-Luftstrom haben.“ Nachdem einer der Motoren im Experiment Rauch entwickelt hatte, führten die Forscher Folgetests durch und konnten den Temperaturanstieg der Motoren nach dem Stillstand des Propellers und dem Ausfall der Kühlung charakterisieren.
Dies deutet auf die Notwendigkeit einer Thermomanagement-Strategie bei Drohnen mit größeren Motoren hin, ein wichtiger Aspekt für Hersteller. Bei der Skalierung eines Motors vergrößert sich die für die Wärmeableitung verfügbare Fläche mit dem Quadrat der Größe, während die Masse des Kupfers mit der dritten Potenz der Größe zunimmt.
Diese Forschung ist eine hervorragende Grundlage für Hersteller bei der Entwicklung großer Drohnen. Weitere Details zum Testverfahren finden Sie im vollständigen Bericht.
Weiterführende Literatur: Eine Studie über Propellervereisung bei hohen Drehzahlen