У циклі розроблення 2022–2023 років для змагання SAE Aero Design ми (University of Alberta Aero Design) вирішили вийти за межі звичного й уперше за 37-річну історію клубу взяти участь у класі Micro. Раніше наш клуб виступав виключно в класах Regular або Advanced.
Клас Micro поставив нові завдання, що вимагали оптимізованої рушійної системи: обмеження потужності 450 Вт, акумулятор LiPo 4S, максимальна дистанція зльоту 8 футів і розмах крила до 36 дюймів. За таких вимог детальне визначення характеристик рушійної системи стало важливішим, ніж будь-коли: кожне збільшення тяги за обмеженої потужності може суттєво вплинути на результат.
У листопаді 2022 року Tyto Robotics допомогла нам досягти мети, підтримавши придбання випробувального стенда Series 1580. Стенд Series 1580 виявився міцним і простим у налаштуванні, завдяки чому ми провели багато статичних випробувань у різних умовах із мінімальними простоями. У коробці були всі необхідні для роботи компоненти: механічні деталі, тензодатчики, монтажна пластина двигуна, інструменти для калібрування та електричні компоненти.
Рисунок 1. Випробувальний стенд Series 1580 в аеродинамічній трубі
До отримання стенда ми ретельно проаналізували в MATLAB різні комбінації пропелерів, двигунів, електронних регуляторів швидкості (ESC) та акумуляторів. Це дало змогу обрати поєднання, які забезпечують максимальну тягу в межах доступних 450 Вт і працюють поблизу максимального ККД двигуна.
Три головні цілі випробувань:
- Визначити тягову ефективність кожного пропелера — відношення тяги до електричної потужності.
- Визначити, як протягом 90 секунд змінюються напруга акумулятора, тяга, електрична потужність та оберти за споживання 450 Вт. Типова спроба польоту триває 60 секунд.
- Виміряти ККД двигуна в очікуваних робочих точках.
Для першої цілі кожен пропелер випробували в п’яти режимах із кроком 500 об/хв до максимальної частоти обертання. Максимальні оберти визначалися споживаною електричною потужністю 450 Вт. За допомогою функції безперервного записування в універсальному й зручному програмному забезпеченні RCbenchmark записали по 500 відліків для кожного режиму та обчислили середні значення.
Для другої цілі кожен пропелер утримували на потужності 450 Вт протягом 90 секунд.
Щодо третьої цілі, дані показали, що в усіх випробуваних режимах ККД двигуна становив приблизно 76–80%.
Після цих випробувань ми змогли уточнити й перевірити вибрану рушійну систему, а саме:
- Визначити тягу кожного пропелера за споживання 450 Вт або менше та максимальну потужність, яку він споживає за повного газу.
- Визначити, який пропелер створює більшу тягу за однакової підведеної електричної потужності.
- Кількісно оцінити очікуване з часом зниження напруги акумулятора, потужності й тяги.
- Виявити розбіжності між даними виробника пропелера та експериментальними результатами.
Стенд Series 1580 має й інші корисні функції, зокрема вимірювання частоти обертання пропелера електричним способом або за допомогою оптичного датчика.
Окрім зазначених параметрів, стенд вимірював крутний момент двигуна та вібрацію за трьома осями. Це дало цінну інформацію для оцінювання конструкції, стійкості й керованості літака. Через
складність вимірювання цих параметрів без стенда вони могли б залишитися поза увагою.
Випробування підтвердили правильність вибору двигуна, пропелера та акумулятора. Крім того, тепер ми можемо точніше й надійніше розраховувати льотні характеристики. Подальші випробування відбудуться в аеродинамічній трубі Лабораторії турбулентних течій , щоб визначити динамічну тягу та точніше моделювати зліт і крейсерський політ.
Рисунок 2. Series 1580 в аеродинамічній трубі: вигляд збоку
Команда Aero Design дякує Tyto Robotics за спонсорську підтримку, завдяки якій ми придбали стенд тяги Series 1580 — міцний, точний і зручний у використанні. Він чудово підходить для випробувань тяги в різних умовах, перевірки рушійної системи та вимірювання тяги й обертів пропелера, струму, напруги, крутного моменту двигуна та ефективності.
Діп Раджані — віцепрезидент із фінансів і керівник групи аеродинаміки (автор)
Деніел Кічма — керівник групи рушійних систем (автор)
Еджуан Агена — старший учасник конструкторської групи
Маккенна Варава — учасниця конструкторської групи
Майкл Колфілд — учасник конструкторської групи
Команда SAE Aero Design
