Балансування пропелерів для підвищення ефективності БПЛА — технічний звіт

Авторка — Lauren Nagel

Короткий виклад

Безпілотні літальні апарати (БПЛА) залежать від добре збалансованих гвинтів для досягнення оптимальної продуктивності, ефективності та довговічності. Однак навіть незначний дисбаланс гвинтів може викликати позитивний зворотний зв'язок щодо механічного напруження, що призводить до збільшення вібрації, зниження ефективності тяги, підвищення енергоспоживання та прискореного зносу критично важливих компонентів. З часом ці ефекти погіршують силову установку БПЛА, підшипники, продуктивність контролера польоту та структурну цілісність, що зрештою скорочує його середнє напрацювання до відмови (MTTF) та збільшує експлуатаційні витрати.

У цьому документі досліджуються причини, наслідки та рішення проблеми дисбалансу гвинтів БПЛА. У ньому розглядаються галузеві стандарти, такі як ISO 21940-11:2016, які містять рекомендації щодо допустимого залишкового дисбалансу.

Щоб зменшити ризики, пов'язані з незбалансованими гвинтами, у цьому технічному звіті оцінюються методи статичного та динамічного балансування. Хоча статичне балансування пропонує простий та недорогий метод корекції розподілу маси, йому бракує точності, необхідної для професійного застосування БПЛА. Натомість, динамічне балансування забезпечує корекції на основі показників, отриманих під час обертання гвинта, забезпечуючи вищий рівень точності, відповідність галузевим стандартам та подовжений термін служби компонентів. Впровадження рішень динамічного балансування дозволяє виробникам та операторам БПЛА зменшити знос, покращити ефективність польоту та підвищити загальну надійність БПЛА.

Усуваючи проблему дисбалансу пропелерів на ранньому етапі, фахівці з БПЛА можуть скоротити час простою, знизити витрати на технічне обслуговування та забезпечити стабільні та ефективні польоти в різних експлуатаційних умовах.

Частина 1: Передумови

Добре збалансовані гвинти є вирішальним компонентом високопродуктивних БПЛА. Так само, як збалансовані гвинти є ключем до успіху, незбалансовані гвинти можуть призвести до збоїв у вигляді погіршення продуктивності, навантаження на компоненти та зниження конкурентоспроможності на ринку.

У невеликих БПЛА гвинти часто дешеві та їх легко замінити. Витрати починають накопичуватися, коли відмова гвинта призводить до пошкодження БПЛА в цілому, або коли відмова трапляється у більших дронах із значними гвинтами, заміна яких є дорожчою.

У цьому документі заглиблюються в тонкощі балансування пропелера, підкреслюючи його важливість для підтримки функціональності, надійності та довговічності БПЛА.

1.1 Що таке балансування гвинта?

У широкому сенсі, балансування гвинта описує акт досягнення балансу між лопатями та осями гвинта, з акцентом на розмір, масу та генеровану силу.

Пропелери зазвичай балансують одним із трьох способів: статично, динамічно або аеродинамічно. Статичне й динамічне балансування передбачає додавання вантажів до пропелера для рівномірного розподілу маси у стані спокою (статичне балансування) або за робочої частоти обертання RPM (динамічне балансування). Таке балансування усуває зміщення між центром мас і центром обертання.

На відміну від цього, аеродинамічне балансування зосереджене на досягненні рівної тяги шляхом регулювання фізичних властивостей лопатей, таких як форма лопатей та кут тангажу. Його часто називають стеженням. Аеродинамічне балансування можна виявити, вимірюючи крутний момент тангажу та кута крену на двигуні або відстежуючи кожну лопатку під час обертання, щоб переконатися, що вони обидві рухаються по одній траєкторії. 

У цій статті буде розглянуто статичне та динамічне балансування, яке слід виконати перед аеродинамічним балансуванням.

У стандарті ISO 21940-11:2016 балансування гвинта визначається як «процедура, за допомогою якої перевіряється розподіл маси ротора та, за необхідності, коригується, щоб забезпечити, щоб залишковий дисбаланс або вібрація під час експлуатації знаходилися в заданих межах» (ISO, 2016). Більш наочне визначення балансування гвинта описувало б його як додавання або видалення ваги з гвинта для досягнення майже рівномірного розподілу маси навколо центру.

Рисунок 1: Додавання вантажів до лопатей гвинта для досягнення рівномірного розподілу маси

1.2 Стандарти балансування гвинтів

Наразі найбільш цитованим стандартом для балансування гвинтів є ISO 21940-11:2016 «Процедури та допуски для роторів з жорсткою поведінкою».

Він замінює попередній стандарт ISO 1940-1:2003 з оновленими визначеннями та ширшим застосуванням.

Новий стандарт, встановлений у 2016 році, дотримується простої передумови: рівень дисбалансу (U) у роторі вважається прийнятним, коли залишковий дисбаланс, U_рез, менше або дорівнює заздалегідь визначеному допустимому залишковому дисбалансу, U_за.

U_за визначається як загальний допуск у площині центра мас і пропорційний масі ротора:

U_за ∝ m

Вимірюється в кг·м (кілограм-метрах), г·мм (грам-міліметрах), кг·мм (кілограм-міліметрах) або мг·мм (міліграм-міліметрах).

Співвідношення U_за до маси ротора називається e_за, що визначається як допустимий залишковий питомий дисбаланс:

e_за = U_за m

Вимірюється в кг·м/кг (кілограм-метри на кілограм), м (метри), г·мм/кг (грам-міліметри на кілограм) або мкм (мікрометри), що часто є кращою одиницею вимірювання, оскільки багато e_за значення коливаються в межах від 0,1 мкм до 10 мкм.

Для ротора лише з результуючим дисбалансом (і незначним дисбалансом моменту), e_за – відстань між центром мас ротора та віссю вала.

Було помічено, що е_за зазвичай змінюється обернено пропорційно робочій швидкості ротора n:

e_за ∝ 1 n

Для балансування ротора БПЛА можна поміняти місцями «робочу швидкість» на «крейсерську швидкість обертання» або RPM, на якій працює гвинт під час крейсерського польоту.

Цей зв'язок також можна виразити як:

e_за = c Ω

де

Ω = кутова швидкість крейсерської швидкості, у рад/с

c є константою

Інакше кажучи,

Ω = 2πn 60

де n = крейсерська швидкість обертання в обертах/хвилину.

У ISO 21940-11:2016 визначено п'ять методів, які можна використовувати для визначення величини допустимого залишкового дисбалансу: 

1. Класи якості балансування, отримані на основі багаторічного практичного досвіду роботи з великою кількістю різних роторів
2. Експериментальна оцінка допустимих залишкових дисбалансів
3. Обмежені сили підшипника через дисбаланс
4. Обмежені вібрації через дисбаланс
5. Накопичений досвід роботи з допусками дисбалансу

Для методів 3 та 4 метою є, відповідно, обмеження сил на підшипник та вібрації. Допуски якості балансування встановлюються відповідними граничними значеннями сили на підшипник та вібрації.

Методи 2 та 5 найчастіше використовуються організаціями, які накопичили значну кількість даних балансування для своїх конкретних роторів, достатню для внутрішнього встановлення допусків якості балансування.

Метод 1 використовує глобальний стандарт, заснований на «світовому досвіді та міркуваннях щодо подібності», для встановлення збалансованих вимог до якості для типових типів машин.

Одиницею вимірювання якості балансу згідно з методом 1 є «G», що еквівалентно величині e_заΩ виражається в мм/с (міліметрів на секунду). тобто якщо e_заΩ = 6,3 мм/с, тоді клас якості балансування = G 6,3, який найчастіше використовується для балансування ротора БПЛА.

Нижче наведено зведену таблицю класів якості балансування для поширених типів машин:

1.3 Причини дисбалансу гвинта

Існує багато змінних, які можуть призвести до дисбалансу в гвинті. 

Кумулятивне напруження є поширеною причиною дисбалансу гвинта під час звичайної експлуатації. Незначні дефекти під час виробництва можуть з часом посилюватися, особливо після багатьох годин роботи за високих навантажень RPM. Незбалансований гвинт призводить до посилення вібрації, що може призвести до розхитування компонентів, перекосів, тріщин та інших шкідливих наслідків, працюючи в циклі позитивного зворотного зв'язку, що ще більше погіршує балансування гвинта.

Пошкодження гвинтів під час ударів або зіткнень з рельєфом також може призвести до втрати матеріалу, що призводить до його незбалансованості. Для менших БПЛА з недорогими гвинтами часто економічніше просто замінити гвинт. Для більших БПЛА з дорожчими гвинтами може бути доцільніше повторно збалансувати гвинт, а не замінювати його. Проте, для літальних апаратів будь-якого розміру необхідно також враховувати ширший вплив пошкодження на систему, оскільки двигун або інші компоненти також могли бути пошкоджені.

Температурні навантаження також можуть спричинити деформацію певних видів гвинтів, таких як нейлонові та інші пластикові гвинти.

Рисунок 2: Пошкоджена лопать гвинта БПЛА (Bayne, 2022)

Частина 2: Наслідки незбалансованих гвинтів

2.0 Передумови

Незбалансовані гвинти створюють ефект брижів, який впливає на багато систем БПЛА. Незалежно від причини дисбалансу, високошвидкісне обертання призводить до асиметрії, яка використовується знову і знову, тисячі разів на хвилину. Тому невеликий дисбаланс швидко впливає на ширшу систему руху, датчики та стійкість літака.

Нижче наведено короткий огляд деяких найважливіших наслідків незбалансованих гвинтів у БПЛА.

2.1 Вібрація

Вібрація, що виникає внаслідок обертання незбалансованого гвинта на високій швидкості, є першопричиною багатьох проблем, обговорюваних у цьому розділі. Кілька попередніх досліджень продемонстрували, як дисбаланс гвинта може спричиняти дестабілізуючі коливання в різних типах літаків (Best, 1945; Loeffler, 1987; Fu, 2018). Ця вібрація призводить до погіршення продуктивності всіх систем, що спричиняє втрату тяги, збільшення шуму, прискорену деградацію та зниження ефективності польоту.

У світі мультироторів кілька досліджень підтвердили, що причинно-наслідковий зв'язок між дисбалансом гвинта та вібрацією поширюється на безпілотні літальні апарати, використовуючи такі методи, як бортові акселерометри (Ghalamchi, 2018) та датчики на роторі (Lin, 2023). Інші дослідження мали на меті визначити вібрацію та дисбаланс за допомогою безконтактних методів, таких як аналіз профілю шуму (Rangel-Magdaleno, 2018) та лазерна віброметрія (Kuantama, 2019).

Такі дослідження допомогли нам краще зрозуміти зв'язок між дисбалансом гвинта та вібрацією, зокрема, коли це стає причиною для занепокоєння.

У Куантамі (2019) для вимірювання вібрації у збалансованих та незбалансованих гвинтах БПЛА було використано лазерний доплерівський віброметр. У дослідженні лазерний промінь був сфокусований на трьох областях гвинта: кінчику, центрі лопаті та маточині, де він контролював динамічний рух гвинта для визначення швидкості вібрації. Перед експериментами автори використовували статичну систему балансування для балансування гвинта у двох областях: центрі лопатей та маточині. Потім гвинт був встановлений на роторі та обертався зі швидкістю обертання до 7000 RPM.

Рисунок 3: Випробувальна установка лазерного віброметра Куантами (2019)

Цікаво, що на вищих обертах RPM 14-дюймовий гвинт продемонстрував набагато ширший розрив швидкості вібрації між збалансованими та незбалансованими моделями порівняно з 13-дюймовим гвинтом. На 5000 обертів RPM незбалансований 13-дюймовий гвинт продемонстрував на 12% або 0,4 м/с вищу швидкість вібрації порівняно зі збалансованим гвинтом. Для порівняння, цей розрив досяг 33% або збільшення швидкості вібрації на 2,3 м/с між 14-дюймовими незбалансованими та збалансованими гвинтами. Автори зазначили, що «різке збільшення швидкості вібрації сталося протягом 4000 обертів RPM». 

Рисунок 4: Швидкість коливань 13-дюймового (ліворуч) та 14-дюймового (праворуч) гвинта (Куантама, 2019)

Ці результати підтверджують попередні висновки про те, що вібрації від дисбалансу пропелера мають більший вплив при вищих RPM і можуть бути більш серйозними для БПЛА з більшими пропелерами.

Пізніше дослідження Салема та ін. (2025) мало на меті вирішення проблем, пов'язаних з виявленням дисбалансу ротора в динамічних середовищах, таких як турбулентність вітру та шум навколишнього середовища.

Дисбаланс у системі було внесено шляхом послаблення одного з гвинтів лопаті на пропелері. Вібраційні картини були записані за допомогою датчика мікроелектромеханічної системи (MEMS), встановленого на корпусі БПЛА, а записані дані були використані для навчання їхньої багатошарової перцептронної моделі нейронної мережі MLP, яка пізніше була застосована до тестового набору даних.

У своїх результатах вони зазначили, що профіль вібрації незбалансованого ротора демонстрував значно більшу вібрацію по всіх трьох осях (X, Y, Z) порівняно зі збалансованим ротором. Відхилення було найбільш вираженим по осі X, з піками, що перевищували 2 g, але нерегулярні вібрації, що спостерігалися по осях Y та Z, свідчать про те, що дисбаланс викликав вторинні вібрації по всій системі. 

Автор зазначає, що «ці коливання можуть не лише поставити під загрозу стабільність БПЛА, але й збільшити ризик механічної поломки, якщо їх не врахувати».

Рисунок 5: Віброприскорення для a) збалансованих та b) незбалансованих гвинтів (Салем, 2025)

Їхня нейронна мережа змогла досягти коефіцієнта кореляції 0,9224 на тестових наборах даних, що свідчить про те, що модель може бути використана для виявлення специфічних дисбалансів в інших рушійних системах з подібними даними.

Важливо точно характеризувати вібрацію в системах БПЛА, оскільки вона впливає на фактори, обговорені в наступних розділах.

2.2 Втрата тяги

Математично можна зробити висновок та експериментально продемонструвати, що на створення тяги гвинта негативно впливають незбалансовані лопаті.

Математично кажучи, однією з ключових змінних, що впливають на тягу під час зависання (T), є коефіцієнт тяги (C_T), для яких геометрія лопаті є ключовим фактором (Rangel-Magdaleno, 2018):

T = C_T ρ A_r r² n²

C_T = T ρ n² D⁴

Де С_T – коефіцієнт тяги, ρ – густина повітря, A_r – площа диска ротора, r – радіус гвинта, n – кутова швидкість, а D – діаметр гвинта.

Дослідження, проведені Седеком (2018) та Мізуї (2012), підтвердили це явище експериментально.

У Седеку (2018) показано, що дисбаланс, що становить 5% від загальної маси гвинта, може призвести до зниження тяги до 50%. Дуже малоймовірно, що новий комерційний гвинт матиме такий високий рівень дефектів, але цілком можливо, що пошкоджений гвинт може зазнати матеріальних втрат, що призведе до такого дисбалансу.

Рисунок 6: Тяга проти RPM для збалансованих та незбалансованих гвинтів (Sedek, 2018)

Більш реалістичний сценарій описано в роботі Мізуї (2012), де дисбаланс гвинта становить трохи більше 1% від загальної маси гвинта. Цей дисбаланс призвів до зниження тяги в діапазоні від 2 до 8% на робочих швидкостях від 2800 до 5600 RPM.

Рисунок 7: Тяга проти RPM для збалансованих та незбалансованих гвинтів (Mizui, 2012)

Таким чином, оператор відчуває зниження тяги або збільшення споживання енергії, як показано у роботі Rangel-Magdaleno et al. (2018), де було продемонстровано, що споживання енергії збільшується з дисбалансом у тестовому гвинті. Команда використовувала звукові сигнали, щоб продемонструвати, що частоти, пов'язані з дисбалансом, відповідають RPM, де споживання енергії було найвищим.

Рисунок 8: Медіана, середнє значення та стандартне відхилення споживання потужності збалансованими та незбалансованими гвинтами (Рангель-Магдалено)

2.3 Шум

Інтуїтивно можна припустити, що незбалансовані гвинти створюють більший шум, ніж збалансовані. Однак, для невеликих дисбалансів, які не суттєво перешкоджають польоту БПЛА, результати неоднозначні.

Наприклад, у роботі Печана (2015) автори спостерігали протилежний ефект. Пропелери з різними недосконалостями, такими як виступи, зазубрені лопаті та дисбаланс маси, були випробувані на шум та оберталися на різних обертах RPM від 3000 до 5500 RPM.

У більшості їхніх експериментів гвинти з виступами або виїмками демонстрували в середньому рівний або вищий рівень шуму (LZmax) порівняно з неушкодженим гвинтом.

Рисунок 9: Найвищий виявлений рівень шуму (LZmax) пошкоджених (B1 - B5), незбалансованих (B6) та гладких гвинтів

У випадку з незбалансованим гвинтом, у якого матеріал був видалений з однієї лопаті шляхом шліфування, результати показали, що збалансований гвинт насправді видавав більше шуму на вищих частотах при 5000 RPM. 

Рисунок 10: Спектри шуму гладких та незбалансованих гвинтів на швидкості 3000 (ліворуч) та 5000 RPM (праворуч)

Автори не уточнюють, скільки матеріалу було видалено з лопаті, а також не вказують, чи було проведено оцінку балансування гвинта перед випробуванням, тому важко вирішити, як інтерпретувати ці результати. Гвинти, пошкоджені додаванням або видаленням матеріалу, також не були детально охарактеризовані та, ймовірно, самі по собі являють собою стан дисбалансу.

Автори обговорюють різницю між тональним та широкосмуговим шумом, який вони розрізняють наступним чином: «Тональний шум пов'язаний з аеродинамікою та кінематикою лопаті в рівномірному потоці, [...] товщиною, навантаженням та квадрупольним шумом. Широкосмуговий шум є більш складним і генерується взаємодією між потоком та різними компонентами лопаті». Рівні тонального шуму становлять більшу частину внеску в загальний шум, тоді як широкосмуговий шум становить лише невелику частину. Вони зазначають, що основним фактором, що вносить вклад у тональний шум, є шум товщини, який визначається товщиною лопаті гвинта.

Можна висунути гіпотезу, що зменшення товщини лопаті незбалансованого гвинта шляхом шліфування, можливо, сприяло зменшенню шуму товщини та нижчому утворенню тонального шуму.

В іншому дослідженні Іаннаса (2019) вимірювання шуму пропелера проводилися в безлунній камері за допомогою квадрокоптера БПЛА з чотирма 2-лопатевими пропелерами. Шум порівнювали за трьох умов: 1) немодифіковані пропелери, 2) паперова стрічка, додана до однієї лопаті одного з пропелерів, 3) паперова стрічка, додана до обох лопатей одного з пропелерів. Маса БПЛА, пропелерів та паперової стрічки не вказувалася.

Чотири мікрофони були розміщені в різних положеннях навколо дрона, а лінійний рівень звукового тиску вимірювався в дБ. Цікаво, що не було виявлено суттєвих відмінностей у виміряному звуці в трьох різних умовах. Середній рівень звуку БПЛА з чотирма збалансованими пропелерами був насправді трохи вищим (1,4 дБ Lin), ніж у двох незбалансованих умовах.

Рисунок 11: Рівень звукового тиску в дБ Lin для кожної з трьох умов

Незважаючи на дуже схожі загальні рівні шуму, кожна з умов мала унікальну шумову сигнатуру, яку нейронна мережа автора змогла розрізнити з показником успішності понад 97%.

Третє дослідження, проведене Семке (2020), мало на меті охарактеризувати, як пошкодження впливають на прискорення, рівні акустики та льотні характеристики БПЛА. Тестування проводилося з використанням DJI Phantom 4 Pro з чотирма унікальними комплектами пропелерів, два з яких мали низькошумну конструкцію, а два інші комплекти мали стандартну конструкцію. У кожному комплекті з кінчика одного з пропелерів було видалено сантиметр матеріалу для створення дисбалансу, тоді як інший залишився незмінним.

Результати показали, що для двох стандартних лопатей незбалансовані гвинти показали збільшення рівня шуму на 4 дБ порівняно з немодифікованими гвинтами, 78 дБ проти 74 дБ, або збільшення на 5%. Натомість, малошумні гвинти показали незначну різницю або взагалі не показали жодної різниці між пошкодженими та неушкодженими станами.

Рисунок 12: Рівень звукового тиску в дБ для БПЛА з неушкодженими та пошкодженими пропелерами

Вони аналогічним чином порівняли вібрацію літака за допомогою бортового акселерометра. Результати збігаються з акустичними вимірюваннями. Усі літаки демонстрували підвищену вібрацію, але це збільшення було менш вираженим у БПЛА з малошумними пропелерами.

Рисунок 13: Збільшення прискорення між БПЛА з неушкодженими та пошкодженими пропелерами

У кожному з цих досліджень вважалося, що пропелери та двигуни БПЛА були добре збалансовані до початку експериментів. Було б цікаво побачити подальші дослідження цих ефектів з такими доповненнями: 1) відома маса пропелера, 2) відома маса або величина дисбалансу, 3) вимірювання балансу пропелера відносно встановленого стандарту до початку експерименту. 

Також було б цікаво провести ці дослідження на більших БПЛА. Хоча Печан (2015) випробував 22-дюймовий гвинт Xoar, у двох інших дослідженнях використовувалися невеликі квадрокоптери.

Висновок з цих досліджень полягає в тому, що невеликий дисбаланс у гвинтах БПЛА навряд чи суттєво збільшить виробництво шуму, хоча великий дисбаланс може призвести до збільшення шуму, особливо зі збільшенням розміру гвинта та RPM.

2.4 Погіршення роботи контролера польоту

Одним із наслідків незбалансованих гвинтів є зниження стійкості польоту, що вимагає коригувальних дій від бортового контролера польоту. Це може мати форму компенсаційних крутних моментів для протидії збуренням (Pose, 2024) або постійних швидких коригувань для підтримки стійкості (Vertiq, n.d.). Ці корекції збільшують вимоги до потужності контролера польоту і, таким чином, зменшують ефективність і час польоту БПЛА.

Ключовим прикладом є вплив дисбалансу на інерційний вимірювальний блок (IMU), який відповідає за вимірювання ключових параметрів, таких як положення, прискорення та кутова швидкість. IMU дуже чутливі до вібрацій, а надмірні вібраційні навантаження можуть призвести до втоми та руйнування, що призводить до поломок мікробалок та металевих виводів у мікроелектромеханічних системах (MEMS) (Xu, 2024). Було виявлено, що це може бути спричинено синхронізацією частоти зовнішнього прискорення з власною частотою проводки, що призводить до резонансу та концентрації напружень (He, 2019). Інше дослідження показало, що такі тріщини в мікробалках можуть погіршити продуктивність гіроскопа і, отже, показання датчика MEMS (Larkin, 2020).

Погіршення показників бортових датчиків часто передує катастрофічному виходу з ладу БПЛА. У випадку з Pose (2024) вібрація через дисбаланс гвинта призвела до надмірного шуму в інерційних вимірюваннях, що спричинило неточні оцінки положення, що зрештою призвело до кількох аварій.

2.5 Прискорений знос підшипників

Зв'язок між дисбалансом гвинта та вібрацією добре визначений, як і зв'язок між вібрацією та деградацією підшипників, особливо у старіших галузях промисловості, таких як промислове виробництво. У роботі Li (2023) було розроблено випробувальний стенд для вивчення поведінки роликових підшипників під впливом вібраційного збудження. Дослідження показало, що це збудження може значно збільшити прискорення та траєкторію осі підшипника, а також зменшити жорсткість підшипника, тим самим прискорюючи деградацію.

Більшість робіт, присвячених взаємозв'язку між вібрацією та терміном служби підшипників у БПЛА, зосереджені на тому, як деградація підшипників призводить до збільшення вібрації.

У роботі Банерджі (2023) дослідники з Дослідницького центру NASA в Ленглі використовували БПЛА DJI S1000 для експериментального виявлення вібраційних аномалій у літаку з пошкодженими підшипниками. Вони розробили нормалізовану функцію діагностики стану під назвою «Індикатор вібраційних аномалій (VAI)» для виявлення вібраційних сигнатур, унікальних для польотів з несправними підшипниками. Індикатор використовував співвідношення унікальних вібраційних подій до неунікальних подій для оцінки кожної системи.

Діагностика дозволила їм розрізнити неушкоджені та пошкоджені системи, що показало значення VAI 0,04 (a) та 0,08 (b) для неушкоджених систем, та 0,65 (c) та 0,84 (d) для пошкоджених систем.

Рисунок 14: Спектральна щільність потужності (PSD) як індикатор вібрації в системах з неушкодженими (a, b) та пошкодженими (c, d) підшипниками

Підсумок

Незбалансований гвинт запускає позитивний зворотний зв'язок, що призводить до погіршення продуктивності, скорочуючи середній час до відмови (MTTF) БПЛА. Висока швидкість обертання незбалансованого гвинта створює надмірну вібрацію, яка знижує ефективність тяги, збільшує шум і збільшує споживання енергії. Ці вібрації поширюються по корпусу літака, що призводить до прискореного зносу підшипників, структурної втоми та неточностей датчиків, що може призвести до зниження стійкості польоту.

Якщо не враховувати цей цикл самопідсилення, він може призвести до передчасного виходу з ладу критично важливих компонентів БПЛА.

Частина 3: Методи балансування гвинтів

3.0 Передумови

Щоб зменшити погіршення продуктивності, описане в попередньому розділі, необхідно усунути першопричину: незбалансовані гвинти.

Багато стандартних БПЛА оснащені попередньо збалансованими роторами, які відповідають стандартам ISO. Менші версії цих дронів відносно недорогі у придбанні, а запасні частини досить дешеві. Якщо справа доходить до дисбалансу в цих моделях, оператор, ймовірно, просто замінить пропелери.

Існує три основні сценарії, коли доцільно балансувати гвинти:
Пропелери великі та дорогі в заміні.
БПЛА побудовано власними силами.
Пропелер поєднаний з новою моделлю двигуна.

Перший сценарій досить зрозумілий: якщо заміна пропелерів БПЛА коштує сотні або тисячі доларів, варто спробувати їх збалансувати та відремонтувати.

У другому сценарії виробники БПЛА не покладаються на балансування постачальників і повинні проводити внутрішнє балансування як частину процесу виробництва або забезпечення якості.

Третій сценарій відображає той факт, що двигуни та гвинти в ідеалі повинні бути збалансовані разом, оскільки ідеально збалансований гвинт на незбалансованому двигуні все одно призведе до більшої вібрації та погіршення роботи двигуна нижче за течією.

У цьому офіційному документі ми розглядаємо два способи балансування пропелера БПЛА – статичний та динамічний. Статичне балансування виконується на нерухомому пропелері, тоді як динамічне балансування стосується обертового пропелера. Кожен метод має свої переваги та обмеження, які обговорюються нижче.

3.1 Статичне балансування

Статичне балансування зазвичай полягає у встановленні гвинта на нерухомій підставці та регулюванні лопатей або маточини гвинта, доки вони не будуть візуально збалансовані. Магнітні балансувальники є популярним варіантом серед статичних балансувальників, використовуючи протилежні магніти для створення точки повороту з низьким тертям, навколо якої може обертатися гвинт.

Після встановлення гвинта користувач може маніпулювати ним, щоб виявити дисбаланс як у лопатях, так і в маточині, а також додавати або видаляти матеріал, щоб мінімізувати дисбаланс. 

Звичайні методи зменшення маси пропелера включають шліфування, обрізання або свердління невеликих отворів. Для збільшення маси використовуються такі поширені матеріали, як прозора фарба, клей, лак для нігтів, клейка стрічка або невеликі гвинти.

Рисунок 15: Магнітний статичний балансир гвинта

3.1.1 Переваги

Статичне балансування має кілька переваг, і воно може бути кращим у ситуаціях, коли БПЛА не використовується комерційно.

Наприклад, обладнання для статичного балансування, як правило, дешевше, ніж обладнання для динамічного балансування, що має економічну перевагу. Його також дуже легко освоїти, воно практично не вимагає технічних знань, і його можна виконати досить швидко після налаштування.

3.1.2 Обмеження

Для розробників та операторів комерційних БПЛА обмеження статичного балансування є значними.

По-перше, робота виконується вручну, тому вимірювання набагато менш точні, ніж за допомогою цифрової системи. Також немає можливості порівняти балансування зі стандартом, таким як ISO 21940-11:2016, оскільки значення G не генерується. Крім того, деякі типи гвинтів, такі як складні гвинти або гвинти з >2 лопатями, складніше балансувати за допомогою статичного балансира.

3.2 Динамічне балансування

Системи динамічного балансування потребують щонайменше: 1) датчика для вимірювання швидкості обертання гвинта та 2) акселерометра для вимірювання вібрації. Деякі системи використовують високочастотне вимірювання положення замість прискорення.

На ринку пілотованої авіації доступно кілька комерційних рішень для динамічного балансування, але жодне з них не розроблене спеціально для характеристики БПЛА.

Бачачи цю потребу, Tyto Robotics розробив систему динамічного балансування гвинта, яка включає апаратне забезпечення для кріплення гвинта, датчики для запису вимірювань та програмне забезпечення для керування трансмісією та обробки даних для отримання необхідних коригувань.

Ось ілюстрований приклад процесу балансування:

Крок 1: Встановіть гвинт на опорний стенд та підключіть датчик RPM до блоку вимірювання сили.

Рисунок 16: Flight Stand Випробувальний стенд динамічного балансування з пропелером та датчиком RPM

Крок 2: Введіть властивості ротора в програмне забезпечення. Це включає робочий (крейсерський) RPM, корекційну відстань, на яку буде додано корекційну вагу, та бажаний рівень якості балансування.

Рисунок 17: Екран введення параметрів програмного забезпечення динамічного балансувальника

Крок 3: Виконайте початковий пробний обертання, збільшуючи дросельну заслінку, доки гвинт не досягне зазначеного робочого значення RPM. Зафіксуйте показники та дайте гвинту зупинитися.

Крок 4: Додайте калібрувальну вагу у вигляді стрічки, прозорого лаку для нігтів тощо, як зазначено програмним забезпеченням. Програмне забезпечення надасть необхідну масу та номер лопаті, куди слід додати вагу на коригувальній відстані.

Рисунок 18: Інструкції програмного забезпечення для додавання ваги до гвинта для калібрувального прогону

Крок 5: Виконайте калібрувальне обертання, збільште дросельну заслінку, щоб досягти робочого RPM.

Рисунок 19: Система керування дросельною заслінкою гвинта в програмному забезпеченні динамічного балансування

Крок 6: Додайте остаточний коригувальний вантаж до гвинта, як зазначено програмним забезпеченням. Коригувального вантажу, доданого на цьому кроці, ймовірно, буде достатньо для досягнення цільового рівня балансування.

Рисунок 20: Фінальний екран, який показує, що кінцевий клас якості відповідає допуску встановленого стандарту

Крок 7: Якщо гвинт не досяг цільового ступеня балансування, додайте додатковий коригувальний вантаж, рекомендований програмним забезпеченням, і знову проверніть гвинт, щоб перевірити баланс.

3.2.1 Переваги

Для професійного використання БПЛА динамічне балансування майже завжди є кращим методом з кількох причин.

По-перше, це дуже точний показник. Коли наслідки незбалансованих гвинтів настільки серйозні, наявність точних даних про балансування є абсолютно необхідною. Динамічні системи також забезпечують значення G та відповідають опублікованим стандартам, що може бути вирішальним для розробників БПЛА, які бажають продемонструвати відповідність вимогам клієнтам або зацікавленим сторонам.

Крім того, за допомогою автоматизованих систем балансування динамічне балансування легко виконувати та завершується відносно швидко, лише за 5 хвилин або менше на один гвинт.

Зрештою, системи динамічного балансування не обмежені кількістю лопатей або типом гвинта та можуть балансувати гвинти з будь-якою кількістю лопатей, включаючи одну лопать або диск, такий як двигун.

3.2.2 Обмеження

Для динамічного балансування гвинта потрібні певні технічні знання. Наприклад, більшість програм для динамічного балансування вимагають від користувача введення таких змінних, як крейсерська швидкість обертання та цільовий кут балансування G. Найважливішою частиною знань є те, як безпечно монтувати та модифікувати гвинт, забезпечуючи безпеку під час роботи з живими енергосистемами та обертовими гвинтами.

Крім того, обладнання, яке використовується для динамічного балансування, як правило, дорожче, ніж статичне, тому потрібні більші інвестиції.

Висновок

Наслідки дисбалансу гвинтів у БПЛА мають далекосяжні наслідки та впливають на стабільність польоту, ефективність, точність датчиків та довговічність компонентів. Надмірна вібрація, що виникає навіть внаслідок незначного дисбалансу, може призвести до втрати тяги, збільшення споживання енергії, прискореного зносу підшипників, структурної втоми та погіршення роботи контролера польоту. Якщо ці проблеми не вирішувати, вони сприяють скороченню середнього часу до відмови (MTTF), зниженню надійності та збільшенню експлуатаційних витрат.

Динамічне балансування пропелера пропонує практичне та високоефективне рішення для зменшення цих ризиків. На відміну від статичного балансування, яке пропонує лише базову корекцію маси, динамічне балансування точно виявляє та коригує дисбаланс під час обертання пропелера, забезпечуючи високий ступінь точності та відповідність галузевим стандартам, таким як ISO 21940-11:2016. Цей процес зменшує вібрації в джерелі, що призводить до плавніших польотів, підвищення ефективності та збільшення терміну служби компонентів.

Для виробників та операторів БПЛА, які прагнуть оптимальної продуктивності, зниження витрат на обслуговування та підвищення безпеки, впровадження динамічного балансування як стандартної практики є вирішальним кроком уперед. Завдяки цьому підходу системи БПЛА можуть працювати з максимальною ефективністю, забезпечуючи більшу надійність, нижчий рівень шуму та триваліший термін служби.

Джерела

• Abdullah Salem BTS, Abdullah MN, Mustapha F, Kanirai NSA, Mustapha M. Vibration Analysis Using Multi-Layer Perceptron Neural Networks for Rotor Imbalance Detection in Quadrotor UAV. Drones. 2025; 9(2):102. https://doi.org/10.3390/drones9020102
• Banerjee, P., Okolo, W. A., & Moore, A. J. (2020). In-flight detection of vibration anomalies in unmanned aerial vehicles. Journal of Nondestructive Evaluation, Diagnostics and Prognostics of Engineering Systems, 3(4), 041105. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/20205001055/downloads/JNDE_PB_WO_AM_VibrationAnomaly.pdf
• Bayne, D. (2022, May 28). When to change drone props? [https://www.droneblog.com/when-to-change-drone-props/].
• Best, S. G. (1945). Propeller Balancing Problems. SAE Transactions, 53, 648–659. http://www.jstor.org/stable/44467824
• Capriglione D, Carratù M, Catelani M, et al. Experimental analysis of IMU under vibration. In: Proceedings of the 16th IMEKO TC10 Conference: Testing, Diagnostics & Inspection as a Comprehensive Value Chain for Quality & Safety; September 3-4, 2019; Berlin, Germany. https://www.imeko.org/publications/tc10-2019/IMEKO-TC10-2019-002.pdf
• Fu P, Qiu B, Ding C, Shi B, Zhang Y. Experimental Study of Unbalanced Multiple Propeller Shaft. SAE Technical Paper 2018-01-1398. 2018. https://doi:10.4271/2018-01-1398
• Ghalamchi, B., & Mueller, M. (2018). Vibration-based propeller fault diagnosis for multicopters. 2018 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2369–2374. https://doi.org/10.1109/ICRA.2018.8460660
• Iannace, G., Ciaburro, G., & Trematerra, A. (2019). Fault diagnosis for UAV blades using artificial neural network. Robotics, 8(3), 59. https://doi.org/10.3390/robotics8030059
• International Organization for Standardization. (2016). Mechanical vibration — Rotor balancing — Part 11: Procedures and tolerances for rotors with rigid behaviour (ISO 21940-11:2016). ISO. https://www.iso.org/standard/64908.html
• Kuantama, E., Moldovan, O. G., Ţarcă, I., Vesselényi, T., & Ţarcă, R. (2019). Analysis of quadcopter propeller vibration based on laser vibrometer. Journal of Low Frequency Noise Vibration and Active Control, 40(1), 239-251. https://doi.org/10.1177/1461348419866292
• Larkin K, Ghommem M, Hunter A, Abdelkefi A. Nonlinear modeling and performance analysis of cracked beam microgyroscopes. Int J Mech Sci. 2020;188:105965. https://doi:10.1016/j.ijmecsci.2020.105965
• Li, N., Zhang, J., & Wang, Y. (2023). Dynamic response and failure analysis of bearing under the impact of vibration excitation. Engineering Failure Analysis, 154, 107640. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1350630723005940
• Lin, Y., Li, C., Huang, S., Shi, D., Deng, R., Feng, G., & Gu, F. (2023). Experimental investigation on the propeller imbalance detection via on-rotor sensing vibration for industrial drone. In Proceedings of TEPEN 2022 (pp. 1079–1087). Springer Nature Switzerland. https://doi.org/10.1007/978-3-031-26193-0_94
• Loeffler, I. J. (1987). Structureborne noise control in advanced turboprop aircraft (NASA Technical Memorandum 88947). National Aeronautics and Space Administration. https://ntrs.nasa.gov/api/citations/19870007154/downloads/19870007154.pdf
• Mizui, M., Yamamoto, I., & Ohsawa, R. (2012). Effects of propeller-balance on sensors in small–scale unmanned aerial vehicle. IOSR Journal of Engineering, 2(8), 23–27. https://iosrjen.org/Papers/vol2_issue8%20%28part-6%29/E0282327.pdf
• Pechan, T., & Sescu, A. (2015). Experimental study of noise emitted by propeller's surface imperfections. Applied Acoustics, 92, 12–18. https://doi.org/10.1016/j.apacoust.2014.12.011
• Pose, C., Giribet, J., & Torre, G. (2024). Propeller damage detection, classification and estimation in multirotor vehicles. arXiv. https://doi.org/10.48550/arXiv.2410.05447
• Rangel-Magdaleno, J. J., Ureña-Ureña, J., Hernández, A., & Pérez-Rubio, C. (2018). Detection of unbalanced blade on UAV by means of audio signal. In 2018 IEEE International Autumn Meeting on Power, Electronics and Computing (ROPEC) (pp. 1–6). IEEE. https://doi.org/10.1109/ROPEC.2018.8661459
• Sedek, Z. B. (2018). Measurement of dynamic thrust produced by imbalance propeller (Bachelor's project report). School of Mechanical Engineering, Universiti Teknologi Malaysia. https://people.utm.my/mnazri/wp-content/uploads/sites/932/2020/02/Draft-report-zunur-1.pdf
• Semke, W. H., Zahui, D.-K., & Schwalb, J. (2021). The vibration and acoustic effects of prop design and unbalance on small unmanned aircraft. In Sensors and Instrumentation, Aircraft/Aerospace, Energy Harvesting & Dynamic Environments Testing, Volume 7 (pp. 9–16). Springer International Publishing. https://doi.org/10.1007/978-3-030-47713-4_2
• Vertiq. (n.d.). Understanding and addressing flight controller and motor vibrations. In Vertiq API and Usage 0.12.0 documentation. Retrieved from https://iqmotion.readthedocs.io/en/latest/tutorials/vibration_and_jittering.html
• Xu Y, Liu S, He C, et al. Reliability of MEMS inertial devices in mechanical and thermal environments: A review. Heliyon. 2024;10(5):e27481. https://doi:10.1016/j.heliyon.2024.e27481