Testes de Gelo em Hélices num Túnel de Vento Climático

Introdução

Este artigo resume a investigação realizada na Instalação de Testes Climáticos de Grande Dimensão Sirris (Antuérpia, Bélgica), que analisou o desempenho de drones em condições de formação de gelo.

A equipa de investigação incluiu Guillaume Catry, Nicolas Bosson, Luca J. Bardazzi e Sergio Márquez, da Windshape (Suíça), Özlem Ceyhan e Daniele Brandolisio, do OWI-Lab (Bélgica), e Flavio Noca, da HES-SO University of Applied Sciences and Arts Western Switzerland (Suíça).

Figura 1: Instalação de Testes Climáticos de Grande Dimensão Sirris

Configuração do teste

A configuração do teste foi concebida para caracterizar o desempenho do sistema de propulsão do drone, bem como a acumulação de gelo. Incluiu o seguinte:

1. A Instalação de Testes Climáticos de Grande Dimensão Sirris (Antuérpia, Bélgica) foi utilizada para criar as condições de temperatura e humidade necessárias para a formação de gelo. A configuração de teste para formação de gelo é de construção recente, com 25 bicos de água fixados a um guindaste pórtico que cobrem uma área de 6 m x 4 m. Os bicos podem atingir uma gama de tamanhos de gotículas ao alterar a taxa de fluxo de água, permitindo assim a formação tanto de gelo vítreo como de gelo de nevoeiro.
2. Um túnel de vento Windshaper foi utilizado para gerar o vento aparente na hélice. O sistema é composto por 162 pares de unidades de ventoinhas contra-rotativas de 110 W cada, distribuídas uniformemente por uma superfície vertical e plana de 1,5 m x 0,75 m. O sistema é capaz de gerar velocidades de vento entre 1 m/s e 16 m/s.
3. Um banco de teste de impulso Series 1585 da Tyto Robotics foi utilizado para medir o desempenho do sistema de propulsão, incluindo impulso até 50 N, binário até 2,0 Nm, RPM, potência e eficiência. A célula de carga está montada num braço robusto, cujo ângulo pode ser ajustado para variar o ângulo de passo da hélice. A plataforma de software do banco gera o sinal PWM para controlar o motor. Os autores conceberam um script de controlo PID no software para permitir testes a uma velocidade constante do motor, mesmo quando o gelo se acumula na hélice.
4. O motor de corrente contínua sem escovas, um Taft Hobby 3553 1550kv, de 10 polos, foi alimentado por uma fonte de alimentação de laboratório de 12 V, através de um ESC SimonK Turnigy de 60 A. A hélice era uma HQProp MacroQuad de 3 pás, de 9 polegadas, com um passo de 5 polegadas.
5. Um sistema de captura de imagem foi concebido para visualizar a formação de gelo na hélice. Este incluía dois flashes de curta duração que geram disparos tão curtos como 1 μs. O flash era acionado pelo controlador do banco de teste com base na posição angular do motor (sensor de RPM), de modo que a mesma pá estivesse na mesma posição em cada fotografia.
6. A captação de imagem é realizada com uma Canon 5D Mk2, uma câmara DSLR digital full frame, configurada para ISO 6400 e equipada com uma lente de 80 mm f/1,8 configurada na abertura máxima. Durante os experimentos, é tirada uma fotografia a cada 2 s.

 Foram concluídos um total de 21 testes utilizando variações destes parâmetros:

1. Velocidade da hélice: 3 500 RPM e 5 000 RPM
2. Velocidade do vento: 3,2 m/s, 6 m/s e 9 m/s
3. Pressão da pulverização de água: 2 bar e 8 bar

Cada teste foi realizado uma vez com uma hélice padrão e uma segunda vez com uma hélice semelhante revestida com um revestimento anti-gelo. A temperatura foi mantida a -10 °C em todos os testes.

Resultados

A acumulação de gelo na hélice seguiu um padrão semelhante durante todos os testes: a formação de gelo começa após alguns segundos de pulverização, há uma acumulação significativa de gelo aos 20 segundos, ocorre a perda total do impulso da hélice por volta dos 60 segundos e a queda do gelo acumulado por volta dos 80 segundos.

Figura 3: Acumulação de gelo na hélice

Os resultados de desempenho registados no banco de teste (com a hélice revestida) revelaram várias descobertas interessantes:

1. A perda de impulso é observada quase imediatamente após a ocorrência de condições de formação de gelo.
2. Demorou pouco mais de 1 minuto para o impulso diminuir de 1,6 N para 0 N.
3. Quando o gelo cai da hélice por volta dos 75 segundos, há um aumento rápido do impulso à medida que as RPM aumentam antes que o PID consiga estabilizá-lo.
4. A massa do gelo acumulado imediatamente antes da queda foi de 17 g.
5. A eficiência da hélice diminui gradualmente à medida que o gelo se acumula, chegando a 0% imediatamente antes da queda.
6. A hélice com o revestimento anti-gelo manteve o impulso >0 N cerca de 4 vezes mais tempo do que a hélice sem o revestimento anti-gelo (48 segundos em comparação com 12 segundos).

Figura 4: Evolução do impulso, binário do motor, peso do gelo, eficiência da hélice e velocidade do motor durante um teste a 3500 RPM com a velocidade do vento configurada para 3,2 m/s. A linha tracejada representa o controlo sem formação de gelo. A linha contínua representa uma situação de formação de gelo com a pressão da pulverização de água configurada para 8 bar.

Figura 5: Comparação de desempenho entre uma hélice sem revestimento e uma hélice com revestimento anti-gelo.

Conclusão

Em conclusão, os autores do estudo desenvolveram uma configuração de teste realista que fornece um meio para estudar o desempenho de drones em condições de formação de gelo.

O artigo completo pode ser descarregado aqui.