Випробування обмерзання пропелерів у кліматичній аеродинамічній трубі

Вступ

У статті узагальнено дослідження характеристик дронів в умовах обмерзання, проведене у великому кліматичному випробувальному комплексі Sirris в Антверпені, Бельгія.

До дослідницької команди входили Гійом Катрі, Ніколя Боссон, Лука Дж. Бардацці та Серхіо Маркес із Windshape (Швейцарія), Озлем Джейхан і Даніеле Брандолізіо з OWI-Lab (Бельгія), а також Флавіо Нока з Університету прикладних наук і мистецтв Західної Швейцарії HES-SO.

Рисунок 1. Великий кліматичний випробувальний комплекс Sirris

Випробувальна установка

Установку спроєктували для визначення характеристик рушійної системи дрона та наростання льоду. Вона містила такі елементи:

1. Комплекс Sirris в Антверпені створював температуру й вологість, необхідні для обмерзання. Нова установка містить 25 водяних форсунок на мостовому крані, які охоплюють площу 6 × 4 м. Змінюючи витрату води, можна отримувати різні розміри крапель і створювати як прозорий лід, так і паморозь.
2. Для створення потоку використовували аеродинамічну трубу WindShaper . Система складається зі 162 пар вентиляторів протилежного обертання потужністю 110 Вт кожен, рівномірно розподілених на плоскій вертикальній поверхні 1,5 × 0,75 м. Вона створює швидкість вітру від 1 до 16 м/с.
3. Обладнання Tyto Robotics — стенд тяги Series 1585 — вимірювало характеристики рушійної системи: тягу до 50 Н, крутний момент до 2,0 Н·м, оберти, потужність та ефективність. Тензодатчик встановлено на міцному кронштейні з регульованим кутом для зміни кута нахилу пропелера. Програма стенда генерує сигнал ШІМ для керування двигуном. Автори створили в ній сценарій ПІД-регулювання, який підтримував сталі оберти навіть під час наростання льоду.
4. Безщітковий двигун постійного струму Taft Hobby 3553 1550kv із 10 полюсами живився від лабораторного джерела 12 В через ESC Turnigy 60A SimonK. Використано трилопатевий пропелер HQProp MacroQuad діаметром 9 дюймів із кроком 5 дюймів.
5. Для спостереження за утворенням льоду розробили систему знімання з двома стробоскопами, що створювали спалахи тривалістю від 1 мкс. Контролер стенда запускав спалах за кутовим положенням двигуна, визначеним датчиком обертів, тож та сама лопать була в однаковому положенні на кожному знімку.
6. Знімання виконували повнокадровою дзеркальною камерою Canon 5D Mk2 з ISO 6400 та об’єктивом 80 мм f/1,8 із максимально відкритою діафрагмою. Під час дослідів знімок робили кожні 2 с.

 Загалом виконано 21 випробування зі зміною таких параметрів:

1. Частота обертання пропелера: 3 500 і 5 000 об/хв
2. Швидкість вітру: 3,2, 6 і 9 м/с
3. Тиск води для розпилення: 2 і 8 бар

Кожне випробування проводили зі звичайним пропелером, а потім із подібним пропелером із протиобліднювальним покриттям. У всіх випробуваннях температуру підтримували на рівні −10 °C.

Результати

Наростання льоду відбувалося за подібною схемою: утворення починалося за кілька секунд після початку розпилення, за 20 с накопичувалася значна кількість льоду, приблизно за 60 с тяга повністю зникала, а близько 80 с накопичений лід відривався.

Рисунок 3. Наростання льоду на пропелері

Записані на стенді результати для пропелера з покриттям виявили кілька цікавих закономірностей:

1. Втрата тяги спостерігається майже одразу після виникнення умов обмерзання.
2. Для зменшення тяги з 1,6 до 0 Н знадобилося трохи більше хвилини.
3. Після відриву льоду приблизно на 75-й секунді тяга різко зростала, оскільки оберти збільшувалися раніше, ніж ПІД-регулятор устигав їх стабілізувати.
4. Безпосередньо перед відривом маса льоду становила 17 г.
5. Ефективність пропелера поступово зменшувалася з накопиченням льоду аж до нуля перед його відривом.
6. Пропелер із протиобліднювальним покриттям зберігав тягу понад 0 Н приблизно вчетверо довше, ніж без покриття: 48 с проти 12 с.

Рисунок 4. Зміна тяги, крутного моменту двигуна, маси льоду, ефективності пропелера й обертів під час випробування на 3 500 об/хв за вітру 3,2 м/с. Пунктирна лінія — контроль без обмерзання, суцільна — обмерзання за тиску води 8 бар.

Рисунок 5. Порівняння характеристик пропелера без покриття та з протиобліднювальним покриттям.

Висновок

Автори створили реалістичну установку для дослідження характеристик дронів в умовах обмерзання.

Повну статтю можна завантажити тут.