Por Lauren Nagel
En 2019, el Consejo Nacional de Investigación de Canadá (NRC) publicó un informe sobre la formación de hielo en las hélices de los drones a altas RPM. Su procedimiento y sus resultados se describen en dos informes sobre la Fase 1 y la Fase 2, y hemos resumido sus principales hallazgos en este artículo.
Introducción
La formación de hielo en las hélices es un peligro bien conocido por los operadores y diseñadores de drones. Un cálculo erróneo de las condiciones meteorológicas puede provocar miles de dólares en daños y la pérdida de una aeronave valiosa.
Como muestra este informe, los cambios en el rendimiento durante las condiciones de hielo son no lineales y pueden ser engañosos, lo que podría llevar a los operadores a subestimar el peligro para su dron.
El NRC buscó ampliar este conjunto de conocimientos porque «los datos sobre la formación de hielo en estas hélices a altas velocidades de rotación (RPM) son casi inexistentes».
Sus objetivos eran realizar pruebas de hielo específicas para caracterizar la formación de hielo en las hélices de los UAS pequeños a altas RPM, evaluar el impacto del hielo en el rendimiento de las hélices de los UAS pequeños probadas y su tolerancia a la formación de hielo, y establecer una base de datos de referencia de datos sobre la formación de hielo en las hélices de los UAS pequeños a altas RPM.
Analizaron seis variables principales que afectan a la formación de hielo en las hélices durante el vuelo:
- Diámetro medio volumétrico (MVD) del tamaño de las gotas de agua, medido en μm
- Contenido de agua líquida (LWC) en el área de prueba, medido en g/m3
- Temperatura estática del aire (SAT), medida en °C
- Velocidad del rotor, medida a 8000 RPM y 9000 RPM
- Ángulo de deslizamiento lateral, medido a 0° y 30°
- Material de la pala, fibra de carbono (CF) frente a plástico reforzado con fibra de vidrio (GFR)
Lectura adicional: Por qué debería probar los motores y las hélices de su dron
Las pruebas se llevaron a cabo en el Túnel de Viento de Hielo de Altitud del NRC (figura 2). Se hizo pasar aire por la sección de prueba a 15 m/s mientras un sistema de pulverización de hielo proporcionaba gotas de agua para simular condiciones de hielo.
El rendimiento del motor se evaluó utilizando el banco de pruebas RCbenchmark Series 1580, capaz de medir 5 kgf de empuje y 1,5 N·m de par motor. Además del empuje y el par motor, el banco de pruebas proporcionó información sobre el voltaje, la corriente, las RPM, la resistencia del bobinado del motor y la eficiencia.
Se diseñó e instaló una cubierta personalizada en el banco de pruebas para proteger el equipo de los daños causados por el agua (figura 3). El equipo de prueba también incluía un motor eléctrico sin escobillas Turnigy 2834-800, un controlador de velocidad electrónico (ESC) Hobbyking de 50 A y una fuente de alimentación Lipo de 4S (14,8 V CC).
Se probaron cuatro hélices en los experimentos, con diámetros que oscilaban entre 8” y 14”. Tres de las cuatro hélices estaban hechas de fibra de carbono (CF) y la cuarta de plástico reforzado con fibra de vidrio (GFR).
Sus características se resumen en la tabla 1. Para todos los experimentos, se estableció una reducción del empuje del 50 % como límite para finalizar la prueba.
Tabla 1: Características de las hélices utilizadas experimentalmente
Parte 1: Diámetro medio volumétrico (MVD) del tamaño de las gotas de agua
La primera ronda de pruebas analizó el efecto del tamaño de las gotas de agua en la acumulación de hielo y el rendimiento de propulsión de las tres hélices de CF. El MVD de las gotas de agua se estableció en 20, 40 o 60 μm, mientras se mantuvieron constantes los demás parámetros en RPM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, SAT = -12 °C y LWC = 0,5 g/m3.
Para todas las hélices y todos los valores de MVD, la acumulación de hielo tardó unos 20 s en empezar a afectar al empuje, provocando un descenso lento y gradual de la fuerza de empuje en N.
En el caso de Prop1, la reducción del empuje experimentó brevemente una meseta para MVD = 20 μm y 40 μm antes de reanudar su descenso. Este efecto no se observó en Prop1 con MVD = 60 μm, mientras que en Prop21 y Prop3 se observaron «mesetas similares pero más cortas».
Curiosamente, Prop1 tardó aproximadamente el doble en alcanzar el 50 % del empuje (75-130 s) en comparación con Prop21 (48-64 s) y Prop3 (40-47 s) (figura 4a).
Figura 4: Aumento del empuje (a) y descenso del par motor (b) en función del tiempo a diferentes valores de MVD
La acumulación de hielo también provocó un aumento del par motor y de la potencia eléctrica del motor. Al 50 % del empuje, Prop1 había alcanzado el 150 % del par motor (figura 4b) y el 100 % de la potencia eléctrica (figura 5) en relación con el valor al comienzo del evento de formación de hielo.
Los aumentos del par motor y de la potencia eléctrica fueron más moderados en Prop21 al 100 % y al 60 %, y en Prop3 al 40 % y al 25 %.
Figura 5: Aumento de la potencia eléctrica con el tiempo de acumulación de hielo
Los investigadores atribuyen las mesetas del empuje a la caída del hielo y/o al hielo que se desplaza hacia las puntas de las palas de la hélice. La masa total de hielo y el tiempo necesarios para que cada hélice alcance el 50 % del empuje con MVD = 60 μm se muestran en la tabla 2.
El tiempo necesario disminuyó al aumentar el diámetro de la hélice.
Tabla 2: Masa de hielo y tiempo de pulverización para que las hélices alcancen el 50 % del empuje con MVD = 60 μm
Parte 2: Contenido de agua líquida (LWC)
Esta serie de pruebas tenía como objetivo investigar el efecto de variar el LWC en el área de prueba sobre la formación de hielo en las hélices y su rendimiento. El LWC se estableció en 0,2, 0,5 o 1,0 g/m3, mientras que los demás parámetros se mantuvieron constantes en RPM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, TAS = -12 °C y MVD = 20 μm.
El LWC tuvo un efecto similar pero más pronunciado en la tolerancia a la formación de hielo en comparación con el MVD. A medida que aumentaba el LWC, el tiempo necesario para alcanzar el 50 % del empuje disminuía.
Hubo diferencias significativas en el tiempo de acumulación de hielo para los tres valores de LWC: se tardó entre 20 y 50 s en alcanzar el 50 % del empuje con LWC = 0,2 g/m3, entre 45 y 130 s con 0,5 g/m3 y entre 120 y 430 s con 1,0 g/m3.
Al igual que con los resultados del MVD, el empuje se mantuvo en una meseta durante un período para los tres valores de LWC, aunque las mesetas fueron más significativas para 0,2 y 0,5 g/m3 en comparación con 1,0 g/m3. En consecuencia, no se observó caída de hielo con LWC = 1,0 g/m3, lo que explica en parte el descenso más rápido hasta el 50 % del empuje (figura 6).
Figura 6: Caída de hielo con LWC = 0,2 g/m3 (izquierda), pero no con LWC = 1,0 g/m3 (derecha)
Al igual que con los resultados del MVD, se observó un aumento del par motor y de la potencia eléctrica, que fue máximo con LWC = 0,5 g/m3. A este nivel de LWC, los aumentos del par motor y de la potencia eléctrica fueron del 130 % y del 80 % para Prop1, del 100 % y del 60 % para Prop21, y del 30 % y del 20 % para Prop3.
En general, el LWC tuvo un efecto más significativo en la tolerancia a la formación de hielo que el MVD, como demuestra el menor tiempo necesario para alcanzar el 50 % del empuje cuando el LWC = 1,0 g/m3 (tabla 3).
Tabla 3: Masa de hielo y tiempo de pulverización para que las hélices alcancen el 50 % del empuje con LWC = 1,0 g/m3
Parte 3: Temperatura estática del aire (SAT)
El tercer conjunto de pruebas analizó los efectos de la SAT en la tolerancia a la formación de hielo mediante el estudio de tres valores de SAT: -2 °C, -5 °C y -12 °C, mientras se mantenían constantes los demás parámetros en RPM = 8000, TAS = 15 m/s, AOS = 0°, MVD = 20 μm y LWC = 0,5 g/m3.
Las tres hélices experimentaron el descenso más rápido del empuje con SAT = -12 °C, seguido de SAT = -5 °C. Curiosamente, con SAT = -2 °C, Prop21 y Prop3 nunca alcanzaron el 50 % del empuje, manteniendo al menos el 80 % del empuje original durante todo el experimento.
Con SAT = -5 °C, Prop1 y Prop21 experimentaron varios ciclos de caída de hielo; Prop1 alcanzó finalmente el 50 % del empuje, pero Prop21 nunca descendió hasta ese punto. Prop1 fue la única hélice que alcanzó el 50 % del empuje con los tres valores de SAT (figura 7).
Figura 7: Aumento del empuje (a) y descenso del par motor (b) en función del tiempo a diferentes valores de SAT
La acumulación y la caída de hielo también afectaron a los niveles de vibración. El banco de pruebas midió la vibración en términos de aceleración gravitacional (g).
Se observó un aumento de la vibración al aumentar la acumulación de hielo, seguido de una menor vibración cuando el hielo se desprendía de la hélice (figura 8).
Figura 8: Vibración debida a los ciclos de caída de hielo
Parte 4: Velocidad del rotor
El siguiente conjunto de pruebas estudió la tolerancia a la formación de hielo a 9000 RPM, 1000 RPM por encima de las pruebas anteriores a 8000 RPM. En estas pruebas se variaron el LWC y la SAT, ya que estos parámetros habían tenido un mayor impacto en la tolerancia que el MVD en las pruebas anteriores.
En general, el aumento de la velocidad de rotación a 9000 RPM no fue suficiente para provocar cambios significativos en la acumulación de hielo ni en la pérdida de empuje.
Esto se demuestra en la figura 9, que compara el empuje normalizado a 8000 RPM y 9000 RPM para las condiciones de hielo más adversas de SAT = -12 °C, MVD = 20 μm y LWC = 1,0 g/m3 con Prop21.
Figura 9: Empuje normalizado en función del tiempo a 8000 RPM y 9000 RPM para Prop21
Los investigadores realizaron una inspección visual de las palas de la hélice después de las pruebas y observaron que hubo una mayor caída de hielo a 9000 RPM bajo ciertas condiciones. Sin embargo, esto no provocó diferencias significativas de rendimiento entre las dos condiciones.
Parte 5: Ángulo de deslizamiento lateral
El quinto conjunto de experimentos tenía como objetivo medir la tolerancia a la formación de hielo de un UAV en vuelo hacia adelante, simulado inclinando la hélice hasta un ángulo de deslizamiento lateral (AOS) de 30° respecto al flujo del túnel de viento.
La velocidad de rotación se estableció en 8000 RPM y el MVD en 20 μm. El LWC se varió entre 0,2, 0,5 y 1,0 g/m3, y la SAT se varió entre -2, -5 y -12 °C.
Lectura adicional: Pruebas de propulsión con un túnel de viento en la Universidad de Ottawa
Al comienzo del evento de formación de hielo, observaron un aumento del empuje dinámico, que atribuyen a la disminución de la velocidad efectiva del aire que percibe la hélice a 30°, que es de 13 m/s en lugar de 15 m/s.
Por lo demás, el ángulo de 30° no provocó una diferencia notable en la tolerancia a la formación de hielo de Prop21, que volvió a probarse en las condiciones de hielo más adversas (SAT = -12 °C, MVD = 20 μm y LWC = 1,0 g/m3) (figura 10).
Figura 10: Empuje normalizado en función del tiempo a 0° y 30° de AOS para Prop21
Parte 6: Material de la pala
La última prueba estudió la diferente tolerancia a la formación de hielo de las palas de GFR en comparación con las de CF. La hélice de GFR (Prop22) se probó en las mismas condiciones que la de CF con el mismo diámetro (Prop21), manteniendo el AOS en 0° y las RPM en 8000, mientras que el LWC se varió entre 0,2, 0,5 y 1,0 g/m3 y la SAT se varió entre -2, -5 y -12 °C.
Se observaron dos diferencias importantes en la hélice de GFR: la primera fue un descenso más rápido del empuje en comparación con Prop21 para LWC = 0,2 g/m3.
La segunda diferencia fue que Prop22 experimentó un descenso del empuje de aproximadamente el 25 % antes de la caída de hielo con SAT = 2 °C (figura 11), una condición que no afectó al empuje de Prop21.
Como resultado, hubo un aumento correspondiente del par motor y de la potencia eléctrica, que tampoco se observó en Prop21. Por lo demás, la tolerancia a la formación de hielo de la hélice de GFR fue muy similar a la de la hélice de CF en las mismas condiciones.
Figura 11: Empuje, par motor y potencia frente al tiempo de acumulación de hielo para Prop22
Conclusión
Este estudio ha caracterizado de manera excelente la tolerancia a la formación de hielo de las hélices de los UAS pequeños a altas RPM. Los resultados presentan varias conclusiones prácticas que los operadores de drones pueden aprovechar.
En primer lugar, las hélices más grandes tardaron menos en caer al 50 % del empuje a medida que el hielo se acumulaba en las palas, lo que sugiere que el diámetro de la hélice influye en la tolerancia a la formación de hielo. Además, las palas de GFR fueron menos tolerantes a la formación de hielo que las de CF, perdiendo empuje más fácilmente.
El estudio también demostró que las métricas de rendimiento pueden ser engañosas si no se comprenden bien. Durante varias de las pruebas, el descenso del empuje experimentó una meseta debido a la caída de hielo de las hélices.
Este efecto podría llevar a un operador de drones a creer que el impacto de la formación de hielo ha alcanzado su punto máximo; sin embargo, estas mesetas fueron seguidas inmediatamente por una fuerte disminución del empuje.
Estos experimentos confirmaron que la formación de hielo en las hélices generalmente empeora en lugar de mejorar sin intervención, por lo que los operadores de drones deben conocer muy bien el significado de los cambios en el rendimiento.
Los investigadores del NRC esperan realizar más experimentos con hélices más grandes para ampliar aún más esta base de conocimientos.
Lectura complementaria: Cómo medir la eficiencia de los motores sin escobillas y las hélices