Авторка: Лорен Нагель
Кенді Едмондс і доктор Блейк Стрінгер із Кентського державного університету досліджують масштабованість сучасних силових установок малих безпілотних авіаційних систем (sUAS) у своїй цікавій науковій статті «Unmanned VTOL Propulsion Research — Scalability of Quadcopter Rotor-Motor Configuration Outside the sUAS Regime» («Дослідження силових установок безпілотних апаратів вертикального зльоту й посадки: масштабованість конфігурації ротор–двигун квадрокоптера за межами класу малих БПЛА»).
Переваги збільшення розмірів квадрокоптерів очевидні: більша вантажопідйомність, більша дальність польоту, довший час зависання тощо. Однак великі багатороторні апарати дорожче виготовляти й випробовувати, тому спочатку хочеться випробувати їхні зменшені моделі.
Хоча такий підхід обґрунтований, розробники мають усвідомлювати обмеження своїх моделей.
Одне з основних питань, розглянутих у статті, — перехідні характеристики конфігурацій із регульованою частотою обертання роторів: як збільшення моменту інерції впливає на час відгуку більших систем?
Автори вказують на відмінності в потужності та маневреності між дронами з регульованою частотою обертання й фіксованим кроком пропелерів та гелікоптерами зі сталою частотою обертання й регульованим кроком. Під час зависання та маневрування квадрокоптеру потрібно на 27% більше потужності, ніж гелікоптеру з такою самою вантажопідйомністю (рисунок 1).
На основі цього аналізу вони роблять два висновки: «(1) Зі збільшенням розмірів літального апарата збільшення діаметра ротора допомагає утримувати потребу в потужності на прийнятному рівні. (2) Зі збільшенням розмірів роторів зростає й потужність, необхідна для їх розкручування та подолання інерції й профільного опору лопатей».
Читайте також: Як вибрати правильний двигун і пропелер для вашого дрона
Рисунок 1: Потужність, необхідна для зависання, залежно від ваги й навантаження на ометену площу ротора: у к. с. (ліворуч) і кВт (праворуч)
Щоб докладніше дослідити масштабованість роторів із регульованою частотою обертання, дослідники виконали кілька випробувань для вимірювання перехідних характеристик різних конфігурацій роторів за допомогою випробувального стенда RCbenchmark Series 1780 (рисунок 2).
Було випробувано п’ять двигунів: Turnigy RotoMax 150cc, KDE Direct 10218XF105 (Mega), T-Motor P80 120kv, KDE Direct 7215XF-135 (KDE) і KDE Direct 4215XF465 (Mini), а також три різні ротори: трилопатевий пропелер із вуглепластику діаметром 30,5 дюйма та кроком 9,7 дюйма від KDE Direct; дволопатевий пропелер із вуглепластику діаметром 27 дюймів і кроком 8,8 дюйма від Falcon; дволопатевий пропелер із вуглепластику діаметром 15 дюймів і кроком 5,5 дюйма від T-Motor.
Рисунок 2: Експериментальна установка з випробувальним стендом Series 1780
Результати експериментів із визначення перехідних характеристик наведено на рисунку 3.
Цікаво, що автори зазначають: «Відгук кожної конфігурації ротор–двигун має значно більшу мінливість, ніж очікувалося». Це підкреслює важливість випробувань силової установки під час проєктування системи.
Із цих даних вони роблять два основні висновки: 1) «Процес вибігу більш чутливий до розмірів ротора й двигуна, ніж процес розгону». 2) «Необхідно додатково вивчити вплив усіх вхідних чинників, щоб визначити основні вхідні змінні, які впливають на перехідні характеристики. Діапазон вхідних значень має бути якомога ширшим».
Рисунок 3: Час усталення всіх двигунів залежно від зміни частоти обертання (об/хв)
Третій, неочікуваний висновок дослідження стосується термодинаміки: 3) «Температура й керування тепловим режимом є важливими чинниками для двигунів із регульованою частотою обертання, особливо коли їхні розміри збільшуються, а єдиним джерелом охолодження є повітряний потік від ротора». Після того як один із двигунів під час експерименту почав диміти, дослідники провели додаткові випробування та змогли визначити характер різкого підвищення температури двигунів після зупинки пропелера й припинення охолодження.
Це вказує на потребу в стратегії керування тепловим режимом дронів із більшими двигунами — важливому аспекті проєктування для виробників. Зі збільшенням лінійних розмірів двигуна площа, доступна для розсіювання тепла, зростає пропорційно квадрату розміру, тоді як маса міді — пропорційно його кубу.
Це дослідження — чудове джерело інформації для виробників, які проєктують великі дрони. Докладніше про процес випробувань читайте в повній статті.
Читайте також: Дослідження обмерзання пропелерів за високої частоти обертання