Авторка — Лорен Нейґел
Вступ
Характеристики дрона передбачають неминучий компроміс між двома важливими чинниками: корисним навантаженням і тривалістю польоту.
Достатня вантажопідйомність стає дедалі важливішою для дронів доставки, вантажних і пошуково-рятувальних дронів та інших апаратів.
Можливість передбачити вплив корисного навантаження на тривалість польоту допомагає встановити реалістичні цілі й очікування.
У цій статті розглянемо:
- Розрахунок корисного навантаження дрона
- Як збільшити оберти двигуна постійного струму та тягу
- Порівняння корисного навантаження за допомогою калькулятора тривалості польоту
- Корисне навантаження відомих дронів
- Додатково: як збільшити тривалість польоту та вантажопідйомність
Рисунок 1. Сільськогосподарський дрон із корисним навантаженням
1. Розрахунок корисного навантаження дрона
Почнімо з припущення, що додавання корисного навантаження скорочує тривалість польоту.
Більшість людей інтуїтивно це розуміють, але чому так відбувається? У цій статті припускаємо, що навантаження збільшується, а компоненти дрона залишаються незмінними. Зауважте: зменшення маси планера — також хороший варіант, який має такий самий ефект, як зменшення маси вантажу.
Зрештою все зводиться до такого: для подолання більшої ваги потрібна більша тяга пропелерів, для неї — вищі оберти, а це потребує більшої потужності від акумулятора й скорочує час його роботи та тривалість польоту.
Розгляньмо це докладніше:
Додаючи масу до БПЛА, ви збільшуєте тягу, необхідну для відриву від землі.
Під час зависання дрон перебуває в рівновазі, тому тяга дорівнює вазі:
Рисунок 2. Дрон у рівновазі під час зависання
Для більшості дронів максимальна тяга має приблизно вдвічі перевищувати тягу, необхідну для зависання. Це дає змогу злітати, набирати висоту й плавно керувати апаратом. Отже, більша маса означає більшу потребу в тязі.
Читайте також: Яку вагу може підняти дрон
Тягу можна розрахувати кількома способами. Загалом вона залежить від низки чинників, зокрема діаметра й кроку пропелера, густини повітря, швидкості потоку та частоти обертання, як показано в цьому рівнянні динамічної тяги пропелера:
На основі цього рівняння, виведеного Electric Aircraft Guy, тягу можна збільшити кількома способами: змінити розміри пропелера або підвищити оберти. Це досить узагальнене рівняння. Для точнішого визначення тяги проведіть випробування на стенді.
Оскільки пропелери залишаються незмінними, нам доведеться збільшити оберти.
2. Як збільшити оберти двигуна постійного струму
Щоб збільшити оберти, потрібно отримати більше електричної потужності від акумулятора, зокрема за рахунок вищої напруги.
Дізнайтеся більше: перегляньте відео , щоб побачити, як напруга впливає на частоту обертання двигуна.
Енергоємність акумулятора часто виражають у ват-годинах (Вт·год). Якщо вона становить 70 Вт·год, можна споживати потужність 70 Вт протягом 1 години або 1 Вт протягом 70 годин.
Що більша споживана потужність, то коротший час роботи акумулятора. Так ми повертаємося до початку.
Оскільки для вищих обертів потрібна вища напруга, а отже й більша потужність, акумулятор розряджатиметься швидше, а тривалість польоту зменшиться.
3. Порівняння корисного навантаження та тривалості польоту
Тепер розгляньмо це на практиці. Ми розробили калькулятор тривалості польоту дрона , у який можна ввести дані апарата: масу дрона й акумулятора, енергоємність акумулятора та кількість пропелерів. Калькулятор поєднує їх із даними рушійної системи й оцінює тривалість польоту.
Для цієї статті використаємо дані цієї рушійної системи з двигуном T-Motor MN4014 і пропелером APC 12x6e, щоб показати зв’язок між корисним навантаженням і тривалістю польоту.
Рисунок 3. Калькулятор тривалості польоту дрона з прикладом даних
За нульового корисного навантаження й маси дрона 1,6 кг разом з акумулятором отримуємо тривалість польоту 39,6 хвилини.
Подивіться, як змінюється тривалість польоту, коли збільшуємо корисне навантаження з кроком 0,2 кг: 
Рисунок 4. Графік залежності тривалості польоту від корисного навантаження
З поступовим збільшенням корисного навантаження тривалість польоту зменшується.
4. Корисне навантаження відомих дронів
Те, яке корисне навантаження вважати достатнім, залежить від багатьох чинників, зокрема розміру й призначення дрона. Для порівняння наведемо характеристики кількох відомих моделей:
- DJI AGRAS T40: корисне навантаження 50 кг (110 фунтів)
- DJI Inspire 2: корисне навантаження 0,8 кг (1,8 фунта)
- MQ-9A Reaper: корисне навантаження 1 746 кг (3 850 фунтів)
- Predator RQ-1: корисне навантаження 204 кг (450 фунтів)
- Lancet-3: корисне навантаження 3 кг (6,6 фунта)
- SYPAQ: корисне навантаження 3 кг (6,6 фунта)
- Raven RQ-11: корисне навантаження 0,18 кг (0,4 фунта)
5. Додатково: як збільшити тривалість польоту та вантажопідйомність дрона
Наведене нижче рівняння показує зв’язок енергоємності акумулятора та споживаної потужності з тривалістю польоту. Що більша споживана потужність, то коротший політ:
Є простий спосіб збільшити і тривалість польоту, і вантажопідйомність дрона. Усе залежить від одного ключового показника — ефективності. Підвищення ефективності рушійної системи зменшує споживання потужності від акумулятора, подовжуючи політ.
Поліпшення ефективності виходить за межі цієї статті, але ми маємо докладний посібник «Як збільшити тривалість польоту та вантажопідйомність дрона», який допоможе покращити характеристики вашого апарата.
Висновок
У цій статті ми показали, як корисне навантаження впливає на тривалість польоту. Ключові змінні — тяга, оберти, електрична потужність та енергоємність акумулятора.
Якщо у вас залишилися запитання або є теми, які варто розглянути, напишіть у коментарях.