Relatório de Jean Schmitt
Muitos UAVs são concebidos com sistemas de propulsão de motor duplo ou coaxial, onde dois rotores operam no mesmo eixo de rotação, mas em direções diferentes.
Existem várias variáveis a considerar ao conceber tais sistemas, como o tamanho relativo da hélice, a velocidade e a distância entre rotores. Tomar as decisões de conceção certas permite construir o UAV de maior desempenho possível - em termos de impulso, binário e eficiência.
Concluímos recentemente um estudo que comparava várias configurações de rotor coaxial e de motor duplo.
Analisámos como cada variável afetaria o desempenho, incluindo:
- Velocidade do rotor
- Distância entre rotores
- Tamanho da hélice
- Velocidade relativa do rotor
Acreditamos que estes resultados são pertinentes para todos os concebedores de aeronaves não tripuladas, pois podem fundamentar melhores conceções de veículos, resultando em maior eficiência e desempenho.
Metodologia
Este relatório resume as nossas descobertas sobre as interações físicas entre rotores durante os testes coaxiais, com foco na influência do rotor dianteiro no rotor traseiro. Quantificámos os efeitos da distância entre rotores, da velocidade de rotação e do diâmetro da hélice.
Utilizámos dois bancadas de ensaio Flight Stand 50 para os testes, que medem até 50 kgf de impulso e 30 Nm de binário, bem como RPM, tensão, corrente, potência mecânica, potência elétrica, eficiência da hélice, eficiência do motor e eficiência global do sistema de propulsão.
O software Flight Stand controla o bancada de ensaio e permite-lhe testar até 8 sistemas de propulsão simultaneamente. Também pode controlar o Flight Stand remotamente para manter uma distância segura das hélices em rotação.
Durante os testes coaxiais, dois Flight Stands foram colocados costas com costas num sistema de carris, com um motor brushless e uma hélice montados em cada uma das unidades de medição de força (FMUs) dos suportes.
As duas hélices foram configuradas para rodar em direções opostas, de modo a que os binários dos motores se compensassem e equilibrassem a estrutura. Num UAV, esta configuração coaxial ajuda a evitar a rotação do eixo vertical em voo causada pelo binário.
A hélice traseira foi invertida para garantir que o fluxo de ar gerado estivesse na mesma direção do fluxo de ar gerado pela hélice dianteira (figura 1).
Nos testes em que a distância entre rotores foi variada, a distância foi medida entre as duas FMUs.
Como a Velocidade da Hélice e a Separação dos Rotores Afetam a Geração de Impulso e Binário
Primeiramente, estudámos os efeitos da velocidade de rotação e da distância de separação dos rotores no impulso e binário produzidos pelo rotor 2 (R2) na posição traseira. Antecipámos que o desempenho de R2 seria afetado pelo rotor 1 (R1), uma vez que este se encontra diretamente no fluxo de ar gerado por R1.
Concluímos o primeiro conjunto de testes com R1 a rodar a duas velocidades diferentes: 1600 e 2200 RPM. Também repetimos os testes a quatro distâncias de separação diferentes: 10, 30, 50 e 70 mm. Os resultados estão apresentados nas figuras 2 e 3.
Figura 2: Impulso de R2 vs. velocidade a quatro separações coaxiais e duas velocidades de R1
A Figura 2 mostra a evolução do impulso de R2 em função da velocidade de R2, a várias velocidades de R1 e distâncias de separação. Como se pode ver, formam-se dois grupos de curvas, cada um representando uma velocidade diferente de R1. O impulso de R2 foi inferior em todas as distâncias de separação e velocidades de R2 quando R1 rodava à velocidade mais elevada de 2200 RPM.
Figura 3: Binário de R2 vs. velocidade a quatro separações coaxiais e duas velocidades de R1
A Figura 3 mostra a evolução do binário de R2 em função da velocidade de R2, às mesmas velocidades de R1 e distâncias de separação do teste anterior. Novamente, formam-se dois grupos de curvas, definidos pela velocidade de R1. Tal como no impulso, o binário de R2 foi inferior quando R1 rodava a 2200 RPM.
Tanto para o impulso como para o binário, não parece que a distância entre rotores tenha um efeito significativo no impulso gerado por R2. Em geral, podemos concluir que um aumento da velocidade de rotação do rotor dianteiro (R1) reduz a quantidade de impulso e binário gerados pelo rotor traseiro (R2).
Leitura adicional: Análise de Potência e Eficiência de Motor Brushless
Impacto do Tamanho da Hélice Traseira na Geração de Impulso e Binário
Nesta secção, investigamos como a geração de impulso e binário de R2 é afetada pela alteração do tamanho (diâmetro) da sua hélice. Foram utilizados dois tamanhos de hélice traseira: 40” (correspondente ao tamanho da hélice dianteira) e 47”.
No mundo real, os UAVs utilizam uma variedade de motores e configurações de hélices. Os fabricantes escolhem frequentemente uma conceção coaxial porque esta proporciona uma elevada densidade de impulso, o que permite a uma aeronave transportar cargas mais pesadas mantendo-se compacta.
Embora esta conceção seja mais eficaz para aeronaves menores, é menos comum em aeronaves VTOL ou eVTOL maiores devido à sua menor eficiência. Mais à frente no relatório, a eficiência de R2 será explorada quando R1 for colocado e rodar a diferentes velocidades e localizações. Para aeronaves maiores que precisam de voar longas distâncias, esta perda de eficiência é uma desvantagem importante. É por isso que a conceção coaxial é reservada principalmente para drones menores, onde o tamanho compacto e o impulso máximo são uma prioridade.
A velocidade de rotação foi variada enquanto a distância de separação entre as FMUs foi mantida constante em 20 mm.
Figura 4: Impulso de R2 vs. velocidade com hélice traseira de 40” (topo) e 47" (fundo)
A Figura 4 mostra o impulso gerado por R2 em função da velocidade de R2, a quatro velocidades diferentes de R1. O gráfico superior mostra os resultados para uma hélice traseira de 40" e o gráfico inferior para uma hélice traseira de 47". Como antecipado, a hélice de 47” gerou mais impulso do que a hélice de 40” em todas as velocidades de R1 e R2.
Observou-se uma diminuição no impulso de R2 com ambos os tamanhos de hélice à medida que a velocidade de R1 aumentava de 1600 para 2200 RPM. Observámos um declínio semelhante no binário (dados não apresentados). O declínio no impulso pareceu ser maior para a hélice traseira de 47”, demonstrado pela maior dispersão entre os pontos de dados de impulso a 1600 RPM e 2200 RPM.
Temos duas hipóteses para o porquê de isto estar a acontecer.
Hipótese 1: o fluxo de ar gerado pela hélice dianteira aplica uma força na hélice traseira. Esta carga resistiva, que está orientada no sentido oposto à força gerada pelo impulso de R1 (figura 5), é medida pela FMU. Como consequência, a carga resistiva é subtraída do valor bruto de impulso que é registado.
Figura 5: O impulso e as forças resistivas sentidas por R1 e R2
Hipótese 2: R1 gera turbulência, e o arrasto induzido contraria o impulso e o binário gerados por R2. Sabemos que este arrasto existe devido ao efeito de moinho de vento observado quando o acelerador é aplicado a R1, mas não a R2. Quanto mais rápido R1 rodar, mais arrasto será gerado e uma perda de impulso mais significativa será observada.
Quando o acelerador é aplicado ao rotor dianteiro, fazendo-o rodar, a hélice traseira irá girar sem qualquer acelerador. O binário é negativo porque o que é medido é o binário resistivo no motor, que visa travar a rotação da hélice. É induzido pelo arrasto gerado pelo fluxo de ar de R1.
Tal reação pode ser vista quando não há entrada de potência elétrica: R2 autoroda e torna-se uma espécie de turbina eólica (figura 6).
Figura 6: Forças aerodinâmicas que causam o efeito de moinho de vento numa pá de rotor (fonte)
O gráfico 3D na figura 7 mostra como o binário de R2 evolui à medida que as velocidades de R1 e R2 são variadas. As folhas azul e amarela foram interpoladas a partir dos pontos de dados apresentados.
O gráfico azul mostra a evolução do binário a uma distância de separação de 10 mm entre rotores, enquanto o gráfico amarelo mostra o binário a uma distância de 25 mm. Este gráfico demonstra a presença de binário negativo quando pouco ou nenhum acelerador é aplicado a R2.
Figura 7: Evolução do binário de R2 dependendo da velocidade dos rotores - separação de 10 mm (azul) e 25 mm (amarelo)
Eficiência da hélice
A eficiência da hélice é um dos principais indicadores do desempenho do rotor, pois mede a quantidade de impulso gerado em relação à potência de entrada.
A eficiência da hélice é calculada como o impulso gerado dividido pela potência mecânica da hélice (velocidade de rotação da hélice multiplicada pelo binário).
Estudámos como a eficiência da hélice evoluiu em relação à velocidade de rotação e à distância de separação entre rotores. Na figura 8, a eficiência da hélice de R2 é plotada contra a velocidade de R2. Cada curva representa uma combinação diferente da velocidade de R1 (1600 vs. 2200 RPM) e da distância de separação (10, 30, 50 ou 70 mm).
As medições foram tiradas nas velocidades de R2 1200, 1400, 1600, 1800, 2000 e 2200 RPM, e as curvas foram interpoladas com base nestes pontos.
Figura 8: Eficiência da hélice de R2 em função da velocidade e da distância de separação
Como podemos ver, formam-se dois grupos de curvas, separados pela velocidade de rotação de R1. Em todas as velocidades de R2 e distâncias de separação, R2 tem uma eficiência de hélice mais elevada para a velocidade mais elevada de R1 de 2200 RPM.
Para as curvas em que R1 roda a 2200 RPM, há um declínio consistente na eficiência da hélice de R2 ao longo de toda a gama de velocidades de R2. Quando R1 está a 1600 RPM, há um aumento e pico na eficiência de R2 quando a velocidade de R2 atinge ~1450 RPM, seguido de um declínio gradual paralelo ao outro conjunto de curvas para a velocidade mais elevada de R1.
A altas velocidades, a distância entre rotores tem um efeito negligenciável na eficiência da hélice de R2. A velocidades mais baixas para ambos R1 e R2, a menor distância de separação está associada a uma maior eficiência dentro do grupo.
Esta diferença é mais proeminente a baixas velocidades de R1 e R2 em comparação com quando a velocidade de R1 é elevada e a velocidade de R2 é baixa. O efeito torna-se visível quando R2 roda a e abaixo de ~1750 RPM.
Conclusão
Em conclusão, este estudo permitiu-nos observar os efeitos de várias variáveis no desempenho dos sistemas de rotor coaxial. Aprendemos que o rotor dianteiro tem um impacto considerável no rotor traseiro.
O nosso estudo forneceu várias conclusões importantes:
- Aumentar a velocidade da hélice dianteira pode causar uma menor geração de impulso e binário na hélice traseira.
- Aumentar o tamanho da hélice traseira (diâmetro) pode exacerbar a diminuição relativa na geração de impulso da hélice traseira à medida que a velocidade da hélice dianteira é aumentada.
- Numa configuração coaxial, uma maior sobreposição entre as áreas do disco da hélice (%) pode levar a uma maior perda de impulso na hélice traseira.
- Um impulso e binário negativos, bem como um efeito de autorrotação, podem ser observados na hélice traseira sob a influência da hélice dianteira.
- A eficiência da hélice traseira pode ser mais elevada a distâncias de separação menores a velocidades baixas (<1750 RPM).
- A velocidades mais elevadas (>1750 RPM), a distância de separação entre hélices tem pouco ou nenhum impacto observável na eficiência da hélice traseira.
- A eficiência da hélice traseira pode ser mais elevada quando a hélice dianteira está a rodar a velocidades mais elevadas.
Leitura adicional: Como Testar Motores Brushless
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