Авторка — Лорен Нейґел
Точна оцінка витрати палива — ключ до готовності й успіху завдання. Вона показує, чи зможе дрон із ДВЗ доставити посилку, дістатися далекої ділянки поля або пункту призначення.
Рисунок 1. БПЛА з ДВЗ у польоті
Коли маршрут на межі можливостей, кілька заходів допоможуть зменшити витрату, збільшити дальність і впевненість у виконанні.
Оптимізація починається з розрахунку або вимірювання витрати. На складніших БПЛА вбудовані витратоміри дають ці дані безпосередньо. Для простіших апаратів можна використати підходи пілотованої авіації.
Розглянемо оцінювання потреби в паливі, вимірювання фактичної витрати та способи підвищення економічності.
Зміст
Оцінювання потреби БПЛА в паливі
Профіль завдання й таблиці характеристик
Приклад розрахунку
Руління, перевірка двигуна й зліт
Набір висоти
Крейсерський політ
Зниження й посадка
Загальна потреба
Резерв і час BINGO
Висота й вітер
Вимірювання витрати
Датчик витрати палива
Відтворення польоту
Типові проблеми вимірювання
Правильний напрямок потоку
Повітряні бульбашки
Співвідношення палива й оливи
Зменшення витрати
Оберти й потужність
Карбюратор
Паливна суміш
Крок пропелера
Висота й вітер
Маршрут
Узгодження двигуна й пропелера
Оцінювання потреби БПЛА в паливі
Максимальна тривалість у даташитах зазвичай передбачає ідеальні умови. Зустрічний вітер, вологість і маневри поступово скорочують її.
Після пояснення чинників покажемо, як за довідковими таблицями оцінити БПЛА, навіть якщо власних детальних графіків немає.
Профіль завдання й таблиці характеристик
Пілотовані літаки мають дані витрати за різних умов. Нижче приклад Cessna 172M Skyhawk.
Рисунок 2. Таблиця крейсерських характеристик POH Cessna 172M Skyhawk 1976 року
Барометрична висота, температура й оберти впливають на витрату.
За 10 000 футів, стандартної температури й 2 400 об/хв літак споживає приблизно 6,4 галона/год.
За тієї самої висоти й обертів у день на 20 °C холодніший за стандартний — у прикладі −5 °C — витрата становить 6,6 галона/год. Різниця невелика, але може бути важливою.
Тепер набір висоти:
Рисунок 3. Таблиця набору висоти Cessna 172M
Підйом із рівня моря до 10 000 футів за стандартної температури на землі займе 25 хвилин і 4,5 галона, тобто 10,8 галона/год — на 69% більше, ніж у крейсерському польоті.
Приклад розрахунку
Припустімо, БПЛА літакового типу масою 2 300 фунтів за даташитом споживає 5 галонів/год на 10 000 футів над рівнем моря й 2 400 об/хв. Інших таблиць немає.
Рисунок 4. MQ-1 Predator із максимальною злітною масою 2 250 фунтів
Потрібно набрати 12 000 футів, летіти 30 хвилин у крейсерському режимі й одразу знизитися для посадки. Температура 35 °C, старт на рівні моря.
Скільки палива потрібно?
Для наближеної оцінки використаємо наведені таблиці або знайдемо аналогічні для схожого апарата.
Тут використаємо рисунки 2 і 3.
Для простоти приймемо відсутність зустрічного й попутного вітру; його вплив розглянемо далі.
Наш дрон споживає 5 галонів/год там, де Cessna — 6,4. Це близько 78% витрати літака, принаймні в крейсерському режимі. Для простоти поширимо співвідношення на всі фази.
Розрахуємо чотири фази:
Руління, перевірка двигуна й зліт
Набір висоти
Крейсерський політ
Зниження й посадка
Потім додамо загальну потребу, резерв і час BINGO.
Руління, перевірка двигуна й зліт
Для Cessna 172M масою 2 300 фунтів оцінка становить 1,1 галона. Множимо на 0,78 та округлюємо вгору до 1 галона.
У цьому прикладі округлюємо вгору для запасу.
Набір висоти
За рисунком 3 підйом до 12 000 футів потребує 6,1 галона. Множимо на 0,78 й отримуємо приблизно 4,8 галона.
Але температура 35 °C також впливає на набір. POH Cessna вказує збільшення часу, витрати й дистанції приблизно на 10% на кожні 10 °C понад стандартну через нижчу швидкопідйомність.
Ми на 20 °C вище стандартної, тому збільшуємо оцінку на 20%.
4,8 × 1,2 = 5,76; округлюємо до 6 галонів.
Крейсерський політ
За 2 400 об/хв, 12 000 футів і температури на 20 °C вище стандартної Cessna споживає 6 галонів/год. За 30 хвилин це 3 галони. 3 × 0,78 = 2,34; округлюємо до 2,5.
Зниження й посадка
Окремого розділу зниження немає, але можна використати найменшу потужність крейсерської таблиці — 2 200 об/хв.
Витрата змінюється від 5,3 галона/год на 12 000 футів до 6,1 на 2 000. Для розрахунку оберемо консервативне середнє 5,8.
За зниження 500 футів/хв шлях до рівня моря займе 24 хвилини. (24/60) × 5,8 = 2,32; × 0,78 = 1,8 галона. Округлюємо до 2.
Припускаємо посадку з прямої, витрата якої вже включена.
Загальна потреба
Складаємо оцінки:
Руління, перевірка й зліт: 1 галон
Набір: 6 галонів
Крейсерський політ: 2,5 галона
Зниження й посадка: 2 галони
Разом: 11,5 галона.
Резерв і час BINGO
Потрібно врахувати ще два чинники.
Перший — залишок під час посадки. У пілотованій загальній авіації як орієнтир наводять 30 хвилин для денного VFR і 45 для нічного.
Для цього безпілотного прикладу автор обирає резерв 15 хвилин: 6,4 × (15/60) × 0,78 = 1,25 галона, округлено до 1,5.
Отже, перед стартом потрібно щонайменше 13 галонів: 11,5 + 1,5.
Час BINGO визначає найпізніший момент повернення на базу зі встановленим резервом. У цьому прикладі негайне повернення має залишити щонайменше 15 хвилин палива.
Визначимо відстань від бази або заправки до найдальшої точки — нехай 10 миль. За приблизно 100 вузлів, або 115 миль/год, це трохи більше 5 хвилин і близько 0,5 галона.
Додаємо 5 хвилин повернення до 15 резерву: повертатися потрібно за залишку 20 хвилин. 13 галонів за середньої витрати 5 галонів/год дають 2,6 години, тобто 2 год 36 хв. Віднімаємо 20 хв і отримуємо 2 год 16 хв до повернення.
Відлік починається із запуску двигуна. За старту о 10:00 BINGO — 12:16, не пізніше цього часу слід повертатися.
Висота й вітер
Вітер особливо важливий для маршрутних завдань. Зустрічний уповільнює рух відносно землі й збільшує витрату на милю, попутний діє навпаки.
Прогноз на потрібній висоті доступний у Windy або місцевих авіаметеослужбах NAV CANADA, AWC тощо.
Рисунок 5. Windy зі швидкістю вітру на вибраній висоті
Приріст витрати визначають через додатковий час маршруту, розрізняючи повітряну й шляхову швидкості.
Повітряна швидкість — відносно повітря, шляхова — відносно землі. За сталого газу зустрічний чи попутний вітер змінює шляхову, а не повітряну швидкість.
50 миль за 115 миль/год без вітру — близько 26 хвилин. Зустрічний вітер 15 миль/год знижує шляхову до 100, і маршрут триває 30 хвилин.
За 10 000 футів і 5 галонів/год різниця приблизно 0,3 галона: 2,2 проти 2,5.
У критичних завданнях такі відмінності впливають на навантаження, дальність і безпечне повернення.
Вимірювання витрати палива БПЛА
Попередні параметри дають оцінку, але моделювання має межі, особливо без даних конкретного дрона.
У роботі Hyokawa та співавторів, наприклад, фактичні 0,05 г/с потрапили в прогноз 0,04–0,1 г/с. Метод визнано придатним, але верхня межа на 150% вища за нижню, тому точність обмежена.
Для точнішої оцінки рекомендуємо стенд випробування двигунів БПЛАз витратоміром і відтворенням польоту для вимірювань у подібних умовах.
Встановіть двигун і пропелер на комплектну пластину та під’єднайте паливний бак до витратоміра.
Рисунок 6. Стенд Flight Stand 60
Датчик витрати палива
Датчик Flight Stand 60 вимірює 20–800 мл/хв із роздільністю 1 мл/хв.
Паливо обертає внутрішню турбінку; частота обертання пропорційна витраті.
Відтворення польоту
Програма Flight Stand безкоштовно входить до комплекту Flight Stand 60.
Flight Replay завантажує дані газу попереднього польоту й повторює профіль на стенді. У відео показано цю функцію.
Рисунок 7. Інтерфейс відтворення польоту
Це дає надійну оцінку витрати конкретного польоту. Динамічний потік можна додати за допомогою вітрової стіни для ще реалістичніших умов.
Типові проблеми вимірювання
Напрямок потоку
Перевірте правильний напрямок підключення витратоміра. Стрілки показують шлях між баком, датчиком і двигуном.
Повітряні бульбашки
Герметизуйте трубки, штуцери й з’єднання та перевіряйте відсутність тріщин: навіть малі витоки підсмоктують повітря. Регулярно міняйте старі трубки, перевіряйте занурення забірника й відводьте лінії від гарячих деталей для зменшення випаровування.
Співвідношення палива й оливи
Для двотактного двигуна потрібне правильне співвідношення. Воно може відрізнятися під час обкатування й звичайної роботи — перевірте посібник. Це запобігає недостатньому змащуванню й нагару та забезпечує безперервні випробування.
Як зменшити витрату
Тепер розглянемо оптимізацію після оцінювання й вимірювання.
Нижче сім способів.
1. Оберти й потужність
Простий спосіб — працювати на найефективніших обертах, а не максимальній потужності.
У дослідженні 2025 року Озтюрк та Онджювипробували двотактний двигун із різними пропелерами на 3 000–5 000 об/хв. Оптимум — близько 4 000. У типовому чотиригодинному завданні витрата знизилася з 2,51 до 1,86 л, а загальні характеристики поліпшилися на 47%.
Подальше збільшення обертів давало менший приріст тяги, але значно підвищувало витрату й температуру. Для тривалого польоту обирайте найменшу потужність, яка забезпечує потрібні швидкість і навантаження.
2. Карбюратор
Правильне налаштування суттєво впливає на витрату, особливо двотактних двигунів.
Надто багата суміш марнує паливо й утворює нагар, надто бідна загрожує перегрівом, детонацією й пошкодженням. Зміни голок на ⅛–¼ оберту можуть поліпшити плавність, реакцію газу й економічність.
Коригуйте поступово, стежачи за температурою, обертами й витратою. Стенд із витратоміром дає кількісну оцінку замість суб’єктивної.
3. Оптимізація суміші
Узгодження палива й повітря також зменшує витрату.
Mahadevappa та співавтори досліджували автоматизоване керування двигуном БПЛА літакового типу. Поєднання регулювання суміші й змінного кроку дало збільшення тривалості до 12 годин у відповідних платформах.
Складніші системи автоматизують процес. Wang та співавтори розробили замкнене регулювання повітряно-паливного співвідношення AFR нечітким ПІД-контролером. Порівняно з розімкненим калібруванням ефективність зросла на 9–33%, а тривалість приблизно на 30 хвилин. Також поліпшилася стабільність і зменшилася перехідна витрата.
Для електронного упорскування контроль AFR та автоматична суміш можуть підвищити економічність зі сталою роботою.
4. Крок пропелера
Пропелер визначає ефективність перетворення потужності на тягу.
Фіксований крок оптимальний у вузькому діапазоні. Змінний дає змогу регулювати кут протягом польоту для кращої аеродинамічної ефективності набору, крейсерського режиму й зниження.
Stevenson та співавтори у семи польотних тестах того самого планера за подібних умов виявили нижче споживання системи змінного кроку: нормована енергія зменшилася приблизно на 12–23%. Коригування кроку за обертами й швидкістю наближало установку до оптимуму.
Змінний крок додає складності, маси й вартості, але може суттєво подовжити далекі польоти.
5. Висота й вітер
Умови середовища суттєво впливають на витрату.
Зустрічний вітер подовжує маршрут і збільшує витрату навіть за сталого газу. Попутний може значно збільшити дальність.
На висоті нижча густина зменшує опір і може поліпшити крейсерську ефективність, але також знижує потужність двигуна й тягу. Оптимум залежить від двигуна, планера та профілю.
Перевіряйте прогноз вітру на робочій висоті: сприятливіший шар може подовжити політ.
Перевірити характеристики за різного вітру в приміщенні допоможе вітрова стіна WindShaper .
Рисунок 8. Випробування вітрових характеристик БПЛА з WindShaper
6. Оптимізація маршруту
Найкоротший маршрут не завжди найекономніший.
Різкі повороти, часті зміни висоти й агресивні маневри підвищують витрату. Плавні траєкторії зменшують опір і перевантаження та зберігають ефективний режим.
Roberge та співавтори застосували оптимізацію рою частинок PSO до потужності на маршрутах спостереження. Поєднання тривимірного згладжування й оптимального живлення з урахуванням обмежень знизило витрату до 25% порівняно зі звичайним плануванням.
Для автономних БПЛА програмна оптимізація може подовжити політ без зміни обладнання.
7. Узгодження двигуна й пропелера
Навіть ефективний двигун марнує паливо з невідповідним пропелером.
Двигун, пропелер і планер — єдина система. Замалий пропелер змушує працювати на зайвих обертах, завеликий перевантажує двигун.
Озтюрк та Онджю показали, що вибір пропелера пояснював приблизно 86% спостережуваної зміни температури. Оптимізовані конфігурації також знизили витрату приблизно на 7%.
Оцінюйте разом витрату, тягу й температуру. Невеликі зміни діаметра або кроку часто дають вимірюване подовження польоту без модифікації двигуна.
Висновок
Найбільший ефект зазвичай дає поєднання точних вимірювань із налаштуванням двигуна, вибором пропелера, плануванням і процедурами. Розуміння витрати й фізична перевірка підвищують тривалість, дальність і надійність та дають більше користі від кожного літра.