Δοκιμές υπερταχέων drones FPV σε αεροσήραγγα

Τα τριακόσια με τετρακόσια χιλιόμετρα την ώρα ακούγονται ως ένα εύρος ταχυτήτων με μεγάλο περιθώριο πριν αρχίσει κάτι αεροδυναμικά ενδιαφέρον — αισθητά κάτω από την ταχύτητα του ήχου, σταθερά εντός της περιοχής που κάθε εγχειρίδιο ονομάζει «ασυμπίεστη ροή χαμηλής ταχύτητας». Για την άτρακτο συνολικά, αυτό ισχύει σε γενικές γραμμές. Για τον έλικα που περιστρέφεται μπροστά της, όμως, όχι.

Οι δοκιμές υπερταχέων FPV υπάρχουν επειδή το ταχύτερα αναπτυσσόμενο τμήμα των μικρών περιστροφικών UAV —τα αγωνιστικά drones και, όλο και περισσότερο, τα drones αναχαίτισης που κατασκευάζονται για να προφταίνουν άλλα αεροσκάφη— έχει ξεπεράσει αθόρυβα τα όρια των παραδοχών πάνω στις οποίες βασίζεται μέχρι σήμερα η υπόλοιπη ανάπτυξη μικρών drones.

1. Το άκρο του πτερυγίου — εκεί όπου το «υποηχητικό» παύει να είναι απλό

Η ταχύτητα πρόωσης του drone και η ταχύτητα στο άκρο του πτερυγίου του έλικα είναι δύο διαφορετικοί αριθμοί, και ο δεύτερος είναι πάντα μεγαλύτερος, συχνά με μεγάλη διαφορά. Οι αγωνιστικοί έλικες FPV συνήθως περιστρέφονται στις 25.000–50.000+ rpm , ενώ οι ταχύτερες συνθέσεις ξεπερνούν τις 60.000 rpm σε πλήρη ισχύ.

Ας κάνουμε έναν υπολογισμό με έναν τυπικό αγωνιστικό έλικα 5 ιντσών (διάμετρος 127 mm, ακτίνα πτερυγίου 63,5 mm) στις 50.000 rpm: η ταχύτητα στο άκρο του πτερυγίου μόνο από την περιστροφή φτάνει περίπου τα 330 m/s — σε απόσταση λίγων ποσοστιαίων μονάδων από την ταχύτητα του ήχου στο επίπεδο της θάλασσας. Προσθέστε την ταχύτητα του ίδιου του αεροσκάφους των 300–400 km/h (83–111 m/s), η οποία προστίθεται απευθείας στην προπορευόμενη πλευρά του δίσκου, όπως σε κάθε ρότορα σε οριζόντια πτήση, και η τοπική ροή που πραγματικά «βλέπει» το προπορευόμενο άκρο του πτερυγίου μπορεί, στη χειρότερη περίπτωση, να ξεπεράσει τον αριθμό Mach 1, ενώ στην καλύτερη περίπτωση βρίσκεται βαθιά μέσα στη διηχητική περιοχή.

Αυτό είναι σημαντικό, επειδή η απόδοση του έλικα δεν υποβαθμίζεται ομαλά καθώς αυξάνεται ο τοπικός αριθμός Mach μέσα από το διηχητικό εύρος — καταρρέει, σε ένα πολύ γνωστό αεροδυναμικό φαινόμενο, γνώριμο από κάθε σχεδιασμό έλικα ή ρότορα: σχηματισμός κρουστικών κυμάτων στο πτερύγιο, απότομη αύξηση της οπισθέλκουσας και αλματώδης αύξηση του θορύβου, όλα συγκεντρωμένα στα τελευταία εκατοστά του πτερυγίου, τα οποία έχουν σχεδιαστεί για ένα πολύ πιο ήπιο καθεστώς ροής.

2. Η οπισθέλκουσα δεν κλιμακώνεται πλέον όπως στις ταχύτητες χόμπι

Η ισχύς για την υπερνίκηση της αεροδυναμικής οπισθέλκουσας αυξάνεται με τον κύβο της ταχύτητας. Η μετάβαση από τα ήρεμα 100 km/h στα 400 km/h αποτελεί αύξηση της ταχύτητας κατά 4 φορές, και η αύξηση της απαιτούμενης ισχύος μόνο για την υπερνίκηση της οπισθέλκουσας, πριν καν συνυπολογιστούν τα υπόλοιπα που κάνει το σύστημα πρόωσης, είναι 64 φορές μεγαλύτερη. Όλες οι σχεδιαστικές παραδοχές που λειτουργούσαν στις ταχύτητες των drones κινηματογράφησης ή παράδοσης —το μέγεθος του κινητήρα, ο δείκτης C της μπαταρίας, το θερμικό περιθώριο, τα δομικά φορτία που υπολογίζονται για «κανονική» ταχύτητα πτήσης— κατασκευάστηκαν για ένα εντελώς διαφορετικό σημείο σε αυτή την καμπύλη.

Οι πλατφόρμες κινηματογράφησης και μεταφοράς φορτίων, στις οποίες εξακολουθεί να στοχεύει το μεγαλύτερο μέρος της ανάπτυξης FPV, πετούν με 0–100 km/h. Σε αυτό το άκρο της καμπύλης, η αεροδυναμική οπισθέλκουσα είναι δευτερεύον μέλημα πίσω από τη μάζα και την απόδοση αιώρησης. Στα 300–400 km/h, γίνεται το κύριο μέλημα.

3. Τα φορτία αυξάνονται με το τετράγωνο της ταχύτητας, σε κατασκευές που δεν έχουν σχεδιαστεί για αυτό

Η δυναμική πίεση —το μέγεθος που καθορίζει τα αεροδυναμικά φορτία στο πλαίσιο, τους βραχίονες και το αεροδυναμικό κάλυμμα— αυξάνεται με το τετράγωνο της ταχύτητας. Μια αγωνιστική άτρακτος, κατασκευασμένη από 3D εκτυπωμένο πλαστικό και ανθρακονήματα για ελάχιστο βάρος και όχι για περιθώριο αντοχής, δέχεται στα 400 km/h περίπου 16 φορές μεγαλύτερο αεροδυναμικό φορτίο από ό,τι στα 100 km/h. Αυτό το φορτίο ασκείται στους βραχίονες, τις βάσεις των κινητήρων και το αεροδυναμικό κάλυμμα, τα οποία έχουν βελτιστοποιηθεί ώστε να είναι όσο το δυνατόν πιο ελαφριά επιτρέπει το πλαίσιο, και όχι για να αντέχουν μια περίπτωση φόρτισης τέσσερις φορές μεγαλύτερη από την ταχύτητα για την οποία δοκιμάστηκε αρχικά η πλατφόρμα κατά τον σχεδιασμό.

Όσοι ήδη κατακτούν αυτό το εύρος, ανταποκρίνονται αντιμετωπίζοντας ολόκληρη την άτρακτο ως ένα αεροδυναμικό πρόβλημα, και όχι μόνο το σύστημα πρόωσης. Το τρέχον Παγκόσμιο Ρεκόρ Γκίνες για την ταχύτητα τετρακόπτερου —657,59 km/h, που σημειώθηκε με ένα ειδικά κατασκευασμένο μηχάνημα με έλικες 6 ιντσών, ενισχυμένους κινητήρες στα 900 kV και σώμα εκτυπωμένο σε 3D εκτυπωτή ως ένα ενιαίο κομμάτι— αναπτύχθηκε με εξωτερικό σχήμα βελτιστοποιημένο μέσω αεροδυναμικής προσομοίωσης ακριβώς για τη μείωση της οπισθέλκουσας, και όχι απλώς για να φαίνεται γρήγορο.

4. Γιατί αυτή η κατηγορία υπάρχει εμπορικά, και όχι μόνο για την κατάρριψη ρεκόρ

Ο πιο προφανής πραγματικός κινητήριος μοχλός είναι ο αμυντικός: τα ουκρανικά drones αναχαίτισης FPV, που κατασκευάστηκαν για να προφταίνουν και να καταστρέφουν αναγνωριστικά drones, έχουν αναφέρει δημόσια ταχύτητες περίπου 325 km/h. Η λογική είναι άμεση: μια τυπική πλατφόρμα αναγνώρισης, που ταξιδεύει με περίπου 110 km/h και έχει μέγιστη ταχύτητα περίπου 150 km/h, πρέπει να αναχαιτιστεί πριν εξαντληθεί η μπαταρία του αναχαιτιστικού, και κάθε επιπλέον km/h ταχύτητας του αναχαιτιστικού μειώνει άμεσα τη διάρκεια αυτής της καταδίωξης. Δεν πρόκειται για μια εξειδικευμένη ενασχόληση χόμπι — είναι μια ενεργή, ταχέως αναπτυσσόμενη κατηγορία με αυστηρές απαιτήσεις επιδόσεων στο παρασκήνιο.

5. Γιατί μια συστοιχία ανεμιστήρων δεν μπορεί φυσικά να δοκιμάσει αυτή την κατηγορία

Το εμπορικό όριο μιας συστοιχίας ανεμιστήρων είναι περίπου 58 m/s, δηλαδή περίπου 209 km/h , ακόμη και με εγκατεστημένο τμήμα σύγκλισης που συμπυκνώνει τη ροή. Αυτό είναι λίγο περισσότερο από το μισό αυτού που χρειάζεται ένα αναχαιτιστικό στα 300–400 km/h. Το ζήτημα δεν είναι ότι η συστοιχία είναι φθηνότερη ή λιγότερο ικανή· πάνω από τα 200 km/h περίπου, απλώς δεν αποτελεί επιλογή. Μια αεροσήραγγα κλειστού κυκλώματος, σχεδιασμένη να αντέχει υψηλή δυναμική πίεση σε ένα μικρό, καλά ρυθμισμένο τμήμα δοκιμών, είναι η μόνη κατηγορία εγκαταστάσεων δοκιμών που επιτυγχάνει αυτό το εύρος ταχυτήτων με ποιότητα ροής επαρκή για αξιοποιήσιμα δεδομένα.

6. Τι πραγματικά χρειάζεται μια εκστρατεία δοκιμών σε αυτή την ταχύτητα

Ζυγός σχεδιασμένος για φορτία, όχι μόνο για βάρος. Η αγωνιστική άτρακτος είναι ελαφριά, αλλά τα αεροδυναμικά φορτία πάνω της στα 400 km/h δεν είναι· ο ζυγός και η βάση στήριξης χρειάζονται περιθώριο για τη δυναμική πίεση, και όχι μόνο για το στατικό βάρος.
Χαρτογράφηση επιδόσεων του έλικα σε πραγματική ταχύτητα πτήσης, όχι με προεκβολή από πάγκο δοκιμών. Οι επιδράσεις του λόγου προχώρησης και της συμπιεστότητας στα άκρα των πτερυγίων εμφανίζονται μόνο όταν ο έλικας βρίσκεται πραγματικά σε ροή 300–400 km/h, κάτι που ένας επιτραπέζιος πάγκος μέτρησης ώσης δεν μπορεί να αναπαραγάγει.
Παρακολούθηση δομής και δονήσεων παράλληλα με τα δεδομένα δυνάμεων. Με τέτοια δυναμική πίεση, ο πτερυγισμός (flutter) του βραχίονα και του αεροδυναμικού καλύμματος είναι μια πραγματική, και όχι θεωρητική, αστοχία, και πρέπει να ενσωματώνεται στο σχέδιο δοκιμών με κατάλληλα όργανα, αντί να διαπιστώνεται εκ των υστέρων από τη θραύση του εξαρτήματος.
Παρακολούθηση θερμοκρασίας και ρεύματος σε παρατεταμένη υψηλή ισχύ. Η ποινή της 64πλάσιας ισχύος κατά τη μετάβαση από τα 100 στα 400 km/h πρέπει κάπου να διοχετευτεί, και τα θερμικά όρια του κινητήρα και του ελεγκτή (ESC) γίνονται συχνά η πρακτική οροφή για τη διατηρήσιμη ταχύτητα, και όχι μόνο η αεροδυναμική από μόνη της.
Αρκετά μικρό βήμα ταχύτητας για τον εντοπισμό του «γόνατου» συμπιεστότητας , και όχι αραιά σημεία, ανάμεσα στα οποία μπορεί να χαθεί ακριβώς η ταχύτητα όπου η απόδοση του έλικα αρχίζει να πέφτει κατακόρυφα.

7. Τι σημαίνει αυτό για το πρόγραμμά σας

Πείτε μας την ταχύτητα-στόχο και την κατηγορία του έλικα — εμείς θα σχεδιάσουμε το τμήμα δοκιμών και το πακέτο οργάνων για αυτό το εύρος ταχυτήτων, και όχι μια προσαρμογή από μια εγκατάσταση σχεδιασμένη για πιο αργές πλατφόρμες. Σχετικά υλικά:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

και

стенды тяги винтомоторной группы

Πηγές και σημειώσεις

Εύρη στροφών αγωνιστικών ελίκων FPV (25.000–50.000 rpm σε κανονική λειτουργία, 35.000–60.000+ rpm σε μέγιστη ισχύ για αγωνιστικούς έλικες 5 ιντσών): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
Ταχύτητα άκρου πτερυγίου στις 50.000 rpm για έλικα 5 ιντσών (127 mm), υπολογισμένη ως ακτίνα × γωνιακή ταχύτητα έναντι της ταχύτητας του ήχου στο επίπεδο της θάλασσας (~340 m/s), — ενδεικτικός υπολογισμός της TunnelTech με βάση τα παραπάνω νούμερα στροφών, όχι παράθεση από δημοσίευση.
Παραδοχές αεροδυναμικής προσομοίωσης (ώση και ροπή αντίστασης ανάλογες του τετραγώνου των στροφών), που παύουν να ισχύουν σε αγωνιστικές ταχύτητες, και μη συνυπολογισμένα φαινόμενα (γραμμική οπισθέλκουσα ρότορα, δυναμική άντωση, αλληλεπίδραση ρότορα-ρότορα και ρότορα-ατράκτου, αεροδυναμική οπισθέλκουσα ατράκτου): Hanover, D., Loquercio, A., Bauersfeld, L., Romero, A., Penicka, R., Song, Y., Cioffi, G., Kaufmann, E., Scaramuzza, D., «Autonomous Drone Racing: A Survey», IEEE Transactions on Robotics, τόμος 40, 2024 (arXiv:2301.01755), όπου αναφέρεται ότι οι αγωνιστικές ταχύτητες και επιταχύνσεις «ξεπερνούν τα 80 km/h και τα 4g».
Τρέχον Παγκόσμιο Ρεκόρ Γκίνες για ταχύτητα τετρακόπτερου (657,59 km/h, Peregreen V4, Luke και Mike Bell), τεχνικές λεπτομέρειες (έλικες 6 ιντσών, κινητήρες στα 900 kV, σώμα πλήρως εκτυπωμένο σε 3D εκτυπωτή, βελτιστοποίηση αεροδυναμικού σχήματος σε προσομοίωση): «Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record», New Atlas.
Ρεκόρ ταχύτητας ουκρανικού drone αναχαίτισης FPV (περίπου 325 km/h, Wild Hornets, ανακοινώθηκε τον Σεπτέμβριο του 2024) και επιχειρησιακή αιτιολόγηση έναντι αναγνωριστικών drones, που ταξιδεύουν με περίπου 110 km/h και έχουν μέγιστη ταχύτητα περίπου 150 km/h: Defence Express, «325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...».
Το εμπορικό όριο ταχύτητας μιας συστοιχίας ανεμιστήρων (~58 m/s / ~209 km/h με τμήμα σύγκλισης) συμφωνεί με το δημοσιευμένο άρθρο μας, το οποίο συγκρίνει τις συστοιχίες ανεμιστήρων με τις αεροσήραγγες κλειστού κυκλώματος.
Οι συστάσεις για τη μεθοδολογία δοκιμών (ζυγός για φορτία, παρακολούθηση δομής και δονήσεων, όργανα θερμοκρασίας, ανάλυση βήματος ταχύτητας) αποτελούν μηχανική πρακτική της TunnelTech.

Δοκιμές υπερταχέων drones FPV: Τι αλλάζει στα 300–400 km/h