Por Lauren Nagel
Kendy Edmonds e o Dr. Blake Stringer, da Universidade Estadual de Kent, exploram a escalabilidade dos métodos de propulsão atuais de sUAS no seu fascinante artigo de investigação: Unmanned VTOL Propulsion Research – Scalability of Quadcopter Rotor-Motor Configuration Outside the sUAS Regime.
As vantagens de aumentar a escala dos quadricópteros são óbvias: maior capacidade de carga útil, maior alcance, maior tempo de voo pairado, etc. No entanto, os multirotores grandes são mais caros de testar e construir, pelo que é tentador testar primeiro versões em pequena escala.
Embora esta seja uma estratégia válida, os concebedores têm de estar cientes das limitações dos seus modelos.
Um dos principais problemas explorados no artigo é a resposta transitória das configurações de rotor de velocidade variável: como é que o aumento da inércia afeta o tempo de resposta de sistemas maiores?
Eles apontam para diferenças de potência e manobrabilidade entre drones de velocidade variável e passo fixo e helicópteros de velocidade constante e passo variável. Um drone quadricóptero requer 27% mais potência durante o voo pairado e as manobras do que um helicóptero com a mesma capacidade de carga útil (figura 1).
A partir desta análise, eles tiram duas conclusões: “(1) À medida que o tamanho da aeronave aumenta, o aumento do diâmetro do rotor ajuda a manter requisitos de potência controláveis. (2) À medida que o tamanho dos rotores aumenta, também aumentam os requisitos de potência para fazer girar os rotores e superar a inércia e o arrasto de perfil das pás.”
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Figura 1: Requisitos de potência para voo pairado versus peso e carga de disco em hp (esquerda) e kW (direita)
Para investigar mais a fundo a escalabilidade dos rotores de velocidade variável, os investigadores realizaram vários testes para medir a resposta transitória de diferentes configurações de rotor utilizando o banco de ensaios RCbenchmark Series 1780 (figura 2).
Foram testados cinco motores: Turnigy RotoMax 150cc, KDE Direct 10218XF105 (Mega), T-Motor P80 120kv, KDE Direct 7215XF-135 (KDE) e KDE Direct 4215XF465 (Mini), bem como três rotores diferentes: uma hélice de fibra de carbono de 3 pás com um diâmetro de 30,5” e um passo de 9,7” da KDE Direct, uma hélice de fibra de carbono de 2 pás com um diâmetro e passo de 27” e 8,8” da Falcon, e uma hélice de fibra de carbono de 2 pás com um diâmetro e passo de 15” e 5,5”, respetivamente, fabricada pela T-Motor.
Figura 2: A configuração experimental com o banco de ensaios Series 1780
Os resultados dos experimentos de resposta transitória são mostrados na figura 3.
Curiosamente, eles observam que, “Há significativamente mais variabilidade na resposta de cada configuração de rotor-motor do que o esperado”, destacando a importância dos testes de propulsão no projeto do sistema.
A partir destes dados, eles tiram duas principais conclusões: 1) “O processo de desaceleração é mais sensível ao tamanho do rotor-motor do que o processo de aceleração”, 2) “A influência de todos os fatores de entrada deve ser estudada mais a fundo para determinar as principais variáveis de entrada da resposta transitória. A gama de valores de entrada deve ser o mais ampla possível.”
Figura 3: Tempo de estabilização de todos os motores plotado contra a mudança de RPM
Uma terceira conclusão inesperada tirada do estudo relaciona-se com a termodinâmica, 3) “A temperatura e a gestão térmica são considerações importantes para motores de velocidade variável, especialmente se estiverem a crescer e não tiverem qualquer arrefecimento além do fluxo de ar do rotor.” Depois de um motor no experimento começar a deitar fumo, eles realizaram testes de acompanhamento e foram capazes de caracterizar o pico de temperatura dos motores depois de a hélice parar e cessar o arrefecimento.
Isto aponta para a necessidade de uma estratégia de gestão térmica em drones que transportam motores maiores, uma consideração de projeto importante para os fabricantes. Ao aumentar a escala de um motor, a área disponível para a dissipação térmica aumenta com o quadrado do tamanho, enquanto a massa de cobre aumenta com o cubo do tamanho.
Esta investigação é um excelente recurso para os fabricantes considerarem ao projetar drones grandes. Leia o artigo completo para mais detalhes sobre o processo de teste deles.
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