Як стенд тяги допомагає поліпшити характеристики дрона

Автор: Lauren Nagel

Для дронів, БПЛА та eVTOL оптимізована комбінація двигуна й пропелера забезпечує не лише політ, а й найкращі характеристики.

Дані виробників допомагають попередньо обрати компоненти, але випробування не стандартизовані, тому порівнювати різних виробників складно. 

Ось як стенд тяги допомагає поліпшити характеристики дрона:

Важлива причина випробування двигунів і пропелерів — збільшення часу польоту. Це дає змогу довше знімати відео, збирати більше даних, утримувати візуальний контакт із ціллю та літати далі на одному заряді. Прості випробування й зміни можуть додати цінні хвилини та конкурентну перевагу. Наприклад, двоє магістрантів машинобудування Університету Оттави більш ніж удвічі збільшили час польоту розвідувального дрона-гелікоптера, випробовуючи різні комбінації двигунів і пропелерів.

Випробування показали, що легші електричні компоненти працюють не гірше, а інший двигун ефективніший. Час польоту збільшився з 3 до 7 хвилин без погіршення шуму чи вантажопідйомності. Також виникла ідея створити авіакосмічну компанію. Цей приклад показує, що базові зміни конструкції для підвищення ефективності можуть суттєво подовжити політ.

Читайте також: Як збільшити час польоту дрона

Нові застосування дронів потребують перевезення різних вантажів довше й далі. Для досягнення потрібної вантажопідйомності часто доводиться випробовувати кілька двигунів і пропелерів, але витрати окупаються кращою роботою БПЛА. Це важливо для eVTOL, доставки, відеозйомки, вантажних і пасажирських перевезень.

Аматорські дрони часто несуть до 2 кг, а вантажні — сотні кілограмів. Випробування різних конфігурацій допомагають найкраще використати бюджет. Токійська SkyDrive оптимізує так геометрію, розміри й компоненти дронів. Її CargoDrone здатний літати 15 хвилин із вантажем 30 кг та має чотири співвісні пари — загалом вісім двигунів і пропелерів.

Удосконалені антени й підсилювачі дальності розширили можливості польотів. Обмеженням часто є вже не зв’язок, а час у повітрі на одному заряді. Випробування силової установки підвищують ефективність і дальність, особливо над водою та важкодоступною місцевістю.

Якщо енергії не вистачить на повернення, дрон можна втратити. Для складної відеозйомки й розвідки важлива впевненість у збереженні апарата та матеріалів. Це уможливлює такі вражаючі кадри, як ця подорож навколо Маттергорна у Швейцарських Альпах. Оптимізація силової установки допомагає виконувати такі польоти та точно знати можливості БПЛА.

Одна з головних суспільних проблем розвитку дронів і eVTOL — шум та його вплив на довкілля. Доставка, огляд будівель і пасажирські перевезення можуть збільшити шум над містами. Для багатьох застосувань, особливо спостереження та розвідки, тиша критично важлива. Випробування силової установки дають змогу оцінити шум і усунути проблеми до першого польоту, створивши ефективніше й конкурентніше рішення.

Приклад — програма Ocean Alliance «SnotBot», яка використовує модифіковані споживчі дрони для збирання органічних зразків китів і дослідження здоров’я популяції. Апарати мають бути надзвичайно тихими, щоб не турбувати тварин. Основний шум БПЛА створюють двигуни та пропелери, тому їх порівняльні випробування допомагають створити найтихішу конструкцію.

Усі силові установки вібрують, але надмірні коливання можуть пошкодити компоненти та свідчити про неефективність. Випробування допомагають збалансувати пропелер, виявити втрати й поліпшити конструкцію. Компоненти можуть служити довше, а одного заряду вистачатиме на більший обсяг роботи.

Для відеозйомки з дрона це особливо важливо: вібрація спричиняє тремтіння та розмиття кадрів — прояви ефекту желе. Стабілізатори й обробка допомагають, але зменшення вібрації від самого початку заощаджує час і кошти. Невеликі випробування можуть забезпечити плавніший політ і відео.

У галузі дронів є вагомі стимули підвищувати надійність, адже частота відмов приблизно на два порядки вища, ніж у комерційній авіації. Щоб БПЛА виконували функції пілотованої авіації, потрібно збільшити середній час між відмовами (MTBF). Випробування силової установки допомагають прогнозувати й запобігати відмовам, надаючи дані про стан компонентів.

Оцінювання надійності, готовності, ремонтопридатності та безпеки (RAMS) — визнаний галуззю спосіб підтвердження надійності дрона. Після оптимізації дані випробувань можна використовувати як довідковий матеріал або опублікувати в межах маркетингової стратегії.

Випробування двигунів і пропелерів показують вплив довкілля, зокрема ризики атмосферного обмерзання. Лід змінює аеродинаміку, збільшує масу й опір і знижує підйомну силу. Дослідження NRC в аеродинамічній трубі також показали вплив температури й типу пропелера на наростання льоду та лінійне зростання крутного моменту з часом обмерзання. Стійкість до холоду важлива для холодного клімату, великих висот і складної погоди.

Знання поведінки дрона на холоді допомагає визначити конструкцію та потребу в протиобліднювальному захисті. UBIQ Aerospace досліджує накопичення льоду й аеродинаміку пропелерів в аеродинамічній трубі та вдосконалює свою технологію D•ICEдля БПЛА з нерухомим крилом. Випробування пропелерів дають цінні дані для прогнозування роботи в холодну погоду.

Читайте також: Які умови спричиняють обмерзання дрона

Один із найкращих способів заощадити на обслуговуванні — усувати зношення до виникнення проблем. Заміна окремих деталей краща за втрату всього дрона через критичну відмову.

Випробування двигунів і пропелерів важливі, оскільки пошкодження не завжди помітні. Вода чи сміття можуть спричинити ерозію й знизити ККД двигуна. Пропелери з часом розбалансовуються, збільшуючи вібрацію та зношення системи. Регулярні випробування виявляють ці втрати й заощаджують час і кошти.

Дані двигунів і пропелерів корисні протягом усього строку служби. Регулярна діагностика, наприклад кожні 50 годин польоту, допомагає відстежувати характеристики, зношення та втрату ефективності.

Діагностика також пояснює погіршення роботи й попереджає про приховані пошкодження. Вологість, висока температура, пил і сміття можуть прискорити зношення, скоротити час польоту або знизити максимальні характеристики. Випробування виявляють слабкі місця до відмови й запобігають небезпечним ситуаціям.

Безпека — одна з головних вимог інвесторів і регуляторів у галузі дронів та електротранспорту. Випробування компонентів, особливо двигунів і пропелерів із тисячами обертів за хвилину, допомагають створити безпечнішу конструкцію.

Краще розуміння компонентів запобігає перегріванню, відмовам і втраті потужності, а отже — аваріям і травмам. Зі збільшенням кількості апаратів у небі потрібна довіра до їхньої роботи. Випробування підвищують довіру інвесторів, держави та суспільства до апаратів і галузі загалом.

Для багатьох операцій із дронами потрібні спеціальні дозволи або винятки регулятора. Наприклад, у США дозвіл потрібен для операцій, не охоплених Part 107 правил FAA для малих БПЛА. До переліку операцій зі спеціальним дозволом належать нічні польоти, польоти поза прямою видимістю (BVLOS), над людьми, вище 400 футів над землею (AGL) або швидше 100 миль/год. Цей перелік охоплює багато аматорських і комерційних застосувань.

Отримання дозволу значною мірою залежить від доведення безпеки операції. Ретельні й відтворювані випробування силової установки підтримують заявку та надають розробнику цінні дані. Вимоги різняться у світі, але такі дані часто корисні або обов’язкові для сертифікації. 

Підвищення ефективності — циклічний процес із початковими припущеннями про загальну масу, компоненти та призначення. Випробування показують, чи забезпечить конструкція потрібну швидкість гоночного дрона або мінімальний час польоту кур’єрського.

Якщо початковий варіант не відповідає вимогам, можна змінювати двигуни й пропелери. Після вибору силової установки — випробувати інші акумулятори або раму. Початкові припущення спрямовують оптимізацію, а результати першого циклу обґрунтовують наступні зміни.

Читайте також: Розрахунки та припущення для проєктування дрона

Випробування підкріплюють гарантії якості для інвесторів і клієнтів. Об’єктивні характеристики підвищують довіру до продукту та допомагають продажам. Дані також потрібні для даташитів і підтвердження заявленої роботи.

Випробування стандартизують продукцію та забезпечують однакову роботу кожного екземпляра. Менше дефектних виробів означає менше звернень до підтримки. Для будь-якого масштабу виробництва це спосіб підтвердити якість і сталість характеристик.

Важливо знати швидкість реакції силової установки на зміну керування, зокрема для протидії поривам вітру. Один метод — синусоїдальний керувальний сигнал зі змінною частотою, що проходить потрібний діапазон. За даними визначають швидкодію системи.

Інший метод — ступінчаста зміна газу з високошвидкісним записом даних. Час до стабілізації нових обертів називають часом усталення. ПІД-випробування підтримує задану тягу й оцінює сталість роботи в часі. Такі тести виконують динамометром із достатніми можливостями скриптів.

Випробування спрощують відтворення польотів для сільського господарства, знімання місцевості та досліджень. Розробники можуть зберігати маршрут і пізніше відтворювати команди газу, оптимізуючи політ у лабораторії за даними двигуна й пропелера. Автономні агродрони зменшують витрати праці й ресурсів та захищають здоров’я людей.

Airboard Agro — сільськогосподарський дрон , який обприскує рослини за запрограмованими маршрутами на складному рельєфі, виконуючи важку повторювану роботу. Для повної користі дрон потрібно оптимізувати під завдання з урахуванням швидкості, тяги й стабільності. Випробування допомагають досягти максимальної ефективності автономних місій.

Одна з поширених причин відмов дронів — перегрівання двигуна. Хоча виробник часто вказує максимальну температуру й напругу, наближення до меж не завжди очевидне. Номінальні струми також не стандартизовані. Температурні датчики дають змогу перевірити двигун у різних швидкісних режимах і запобігти відмовам.

У Kent State University, Огайо, лабораторія доктора Blake Stringer проводить такі теплові випробування електродвигунів, досліджуючи теплові властивості й керування двигунами малих eVTOL за високої потужності. Це відео показує наслідки теплового розгону: перегрівання та руйнування двигуна. Такі дослідження важливі для тривалих польотів у суворому й жаркому кліматі. Ранні випробування допомагають уникнути перегрівання та витрат на заміну.

Читайте також: Як автоматизувати випробування силової установки дрона

Висновок

Сподіваємося, стаття показала переваги випробувань силової установки. Наше обладнання допоможе виконати ці завдання та вдосконалити конструкцію:

• Series 1585 — вимірює тягу до 5 кгс і крутний момент до 2 Н·м
• Flight Stand 15 — вимірює тягу до 15 кгс і крутний момент до 8 Н·м
• Flight Stand 50 — вимірює тягу до 50 кгс і крутний момент до 30 Н·м
• Flight Stand 150 — вимірює тягу до 150 кгс і крутний момент до 150 Н·м
• Flight Stand 500 — вимірює тягу до 500 кгс і крутний момент до 1500 Н·м
• Windshapers — відкриті аеродинамічні труби для випробувань у вільному польоті

Наші стенди вимірюють тягу, крутний момент, оберти, струм, напругу, механічну й електричну потужність, ККД двигуна, ефективність пропелера та всієї системи. Відвідайте наш інтернет-магазин для придбання або зверніться до відділу продажів щоб запросити ціну на більші установки.