Por Lauren Nagel
Introdução
Quando se trata do desempenho dos drones, existe um compromisso necessário entre dois fatores importantes: carga útil e tempo de voo.
Ter uma boa capacidade de carga útil é cada vez mais importante para drones de entrega, drones de carga, drones de busca e salvamento e muito mais.
Ser capaz de prever como a carga útil afetará o seu tempo de voo pode ajudá-lo a definir objetivos e expectativas realistas.
Neste artigo, abordaremos:
- Cálculos de carga útil de drones
- Como aumentar as RPM do motor DC (e o impulso)
- Comparação de carga útil de drones com calculadora de tempo de voo
- Cargas úteis de drones conhecidos
- Bónus: Como aumentar o seu tempo de voo e a sua capacidade de carga útil
Figura 1: Drone agrícola transportando uma carga útil
1. Cálculo da carga útil do drone
Podemos começar com a premissa de que adicionar carga útil diminui o tempo de voo.
A maioria das pessoas assume isto intuitivamente, mas por que é que é verdade? Para os efeitos deste artigo, estamos a assumir que a carga útil é aumentada enquanto os componentes do drone permanecem os mesmos. Note que diminuir o peso da estrutura também é uma boa opção e tem o mesmo efeito que reduzir a massa da carga útil.
No fundo, resume-se a isto: para superar um peso maior, é necessário mais impulso das hélices, o que requer RPMs mais elevadas, que consomem mais energia da bateria, diminuindo assim a autonomia da bateria e o tempo de voo.
Vamos analisar isto com um pouco mais de detalhe:
Quando adiciona massa a um UAV, aumenta a quantidade de impulso necessária para o levantar do solo.
Quando um drone está a pairar, está em equilíbrio, pelo que o impulso é igual ao peso:
Figura 2: Drone a pairar em equilíbrio
Para a maioria dos drones, pretende-se que o seu impulso máximo seja cerca de duas vezes superior ao necessário para pairar, o que permite descolar, subir e operar suavemente. No fundo, maior massa = maiores requisitos de impulso.
Leitura adicional: Quanta carga útil um drone pode transportar
Existem algumas formas de calcular o impulso, mas este depende geralmente de vários fatores, incluindo o diâmetro e o passo da hélice, a densidade do ar, a velocidade e a velocidade de rotação (RPM), como demonstrado por esta equação para o impulso dinâmico da hélice:
Com base nesta equação, derivada por Electric Aircraft Guy, existem algumas formas de aumentar o impulso: podemos alterar as dimensões da hélice ou aumentar as RPM. Esta equação é bastante genérica. Para um impulso mais preciso, considere testar com um banco de ensaio de impulso.
Como vamos manter as nossas hélices constantes, teremos, portanto, de aumentar as RPM.
2. Como aumentar as RPM do motor DC
Para aumentar as RPM, temos de consumir mais energia elétrica da bateria, especificamente mais tensão.
Saiba mais: assista a este vídeo para ver como a tensão afeta a velocidade do motor.
A capacidade da bateria é frequentemente expressa em vata-hora (Wh). Se tiver uma capacidade de 70 Wh, pode consumir 70 watts de energia durante 1 hora ou 1 watt de energia durante 70 horas.
Quanto mais energia for consumida, menor será a vida útil da bateria. E é aqui que voltamos ao ponto de partida.
Como vamos consumir uma tensão mais elevada (e, portanto, mais energia) para atingir RPMs mais elevadas, a vida útil da bateria esgotar-se-á mais rapidamente e o nosso tempo de voo será menor.
3. Comparação de carga útil e tempo de voo do drone
A seguir, vamos analisar isto na prática. Desenvolvemos uma calculadora de tempo de voo de drones que permite introduzir as informações do seu drone, tais como o peso do drone e da bateria, a capacidade da bateria e o número de hélices. Esta combina estas informações com dados de propulsão e estima o seu tempo de voo.
Para este artigo, vamos utilizar dados deste sistema de propulsão com um motor T-Motor MN4014 e uma hélice APC 12x6e, de forma a demonstrar a relação entre a carga útil e o tempo de voo.
Figura 3: Calculadora de Tempo de Voo do drone com dados de exemplo
Com carga útil zero e a massa do drone em 1,6 kg (incluindo a bateria), obtemos um tempo de voo de 39,6 minutos.
À medida que aumentamos a carga útil em incrementos de 0,2 kg, veja o que acontece ao tempo de voo: 
Figura 4: Gráfico de Tempo de Voo do Drone vs. Carga Útil
À medida que a carga útil é gradualmente aumentada, o tempo de voo diminui.
4. Cargas úteis de drones conhecidos
O que é considerado uma carga útil “boa” depende de muitos fatores, como o tamanho e a função do drone. Aqui estão as cargas úteis de alguns drones conhecidos para referência:
- Carga útil do DJI AGRAS T40: 50 kg (110 lbs)
- Carga útil do DJI Inspire 2: 0,8 kg (1,8 lbs)
- Carga útil do drone MQ-9A Reaper: 1.746 kg (3.850 lbs)
- Carga útil do drone Predator RQ-1: 204 kg (450 lbs)
- Carga útil do drone Lancet-3: 3 kg (6,6 lbs)
- Carga útil do drone SYPAQ: 3 kg (6,6 lbs)
- Carga útil do UAV Raven RQ-11: 0,18 kg (0,4 lbs)
5. Bónus: Como aumentar o tempo de voo e a capacidade de carga útil do drone
A equação abaixo mostra como a capacidade da bateria e o consumo de energia se relacionam com o tempo de voo do drone. Quanto mais energia consumir, menor será o tempo de voo:
Existe uma forma simples de aumentar tanto o tempo de voo como a capacidade de carga útil do seu drone, e tudo se resume a uma variável fundamental: a eficiência. Aumentar a eficiência do seu sistema de propulsão reduz a energia consumida da bateria, aumentando assim o seu tempo de voo.
Melhorar a eficiência não é o tema deste artigo, mas temos um guia completo sobre Como aumentar o tempo de voo e a capacidade de carga do drone, que pode ler se procura melhorar o desempenho do seu drone.
Conclusão
Neste artigo, demonstramos como a carga útil do drone afeta o tempo de voo. As variáveis principais são o impulso, as RPM, a energia elétrica e a capacidade da bateria.
Se tiver alguma dúvida pendente ou algum tema que gostaria que abordássemos, deixe-nos um comentário abaixo.