Ülikiirete FPV-droonide katsetamine tuuletunnelis

Kolmsada kuni nelisada kilomeetrit tunnis kõlab nagu kiirusvahemik, kus on veel palju varu, enne kui hakkab toimuma midagi aerodünaamiliselt huvitavat – see on tunduvalt alla helikiiruse ja asub kindlalt alas, mida iga õpik nimetab "madalakiiruseliseks kokkusurumatuks vooluks". Lennukere puhul on see üldiselt tõsi. Kuid selle ees pöörleva propelleri puhul mitte.

Ülikiirete FPV-droonide katsetamine on vajalik seetõttu, et väikeste rootoriga mehitamata õhusõidukite kõige kiiremini kasvav segment – võidusõidudroonid ja üha enam ka püüdur-droonid, mis on ehitatud teistele lennumasinatele järele jõudmiseks – on vaikselt ületanud need eeldused, millele tugineb siiani ülejäänud väikeste droonide arendus.

1. Laba ots – koht, kus "alahelikiirus" lakkab olemast lihtne

Drooni edasiliikumise kiirus ja propelleri laba otsa kiirus on kaks erinevat näitajat ning viimane on alati suurem, sageli suure varuga. FPV võidusõidupropellerid pöörlevad tavaliselt kiirusel 25 000 – 50 000+ p/min , kusjuures kiireimad seadistused ületavad täisgaasil 60 000 p/min.

Arvutame tüüpilise 5-tollise võidusõidupropelleri (läbimõõt 127 mm, laba raadius 63,5 mm) põhjal kiirusel 50 000 p/min: ainuüksi pöörlemisest tulenev laba otsa kiirus on ligikaudu 330 m/s – see on vaid mõne protsendi kaugusel helikiirusest merepinnal. Lisage sellele drooni enda liikumiskiirus 300–400 km/h (83–111 m/s), mis liitub otse ketta pealetungiva poolega, nagu iga rootori puhul horisontaallennul – ja lokaalne õhuvool, mida pealetungiv laba ots tegelikult kogeb, võib halvimal juhul ületada Machi arvu 1 ning parimal juhul asub see ikkagi sügaval transhelikiiruse alas.

See on oluline, sest propelleri kasutegur ei lange lokaalse Machi arvu kasvamisel läbi transhelikiiruse vahemiku sujuvalt – see kukub kokku. Tegemist on hästi tuntud aerodünaamilise efektiga, mis on tuttav igast propelleri või rootori konstruktsioonist: lööklainete teke labal, õhutakistuse järsk kasv ja hüppeline mürataseme tõus. Kõik see on koondunud laba viimastele sentimeetritele, mis on algselt projekteeritud palju leebema voolurežiimi jaoks.

2. Õhutakistus ei skaleeru enam nii nagu hobikiirustel

Aerodünaamilise takistuse ületamiseks vajalik võimsus kasvab kiiruse kuubiga . Üleminek rahulikult 100 km/h kiiruselt 400 km/h kiirusele tähendab kiiruse 4-kordset kasvu, kuid ainuüksi õhutakistuse ületamiseks vajaliku võimsuse kasv – veel enne kõike muud, mida jõuseade teeb – on 64-kordne . Kõik konstruktsioonieeldused, mis töötasid kaamera- või kullerdroonide kiirustel – mootori suurus, aku C-reiting, soojusvaru, konstruktsiooni koormused, mis on arvutatud "tavalise" lennukiiruse jaoks – loodi selle kõvera täiesti teise punkti jaoks.

Kaamera- ja kaubaplatvormid, millele on endiselt suunatud suurem osa FPV-arendusest, lendavad kiirusel 0–100 km/h. Sellel kõvera osal on aerodünaamiline takistus teisejärguline mure massi ja hõljumise kasuteguri järel. Kiirusel 300–400 km/h muutub see aga peamiseks.

3. Koormused kasvavad kiiruse ruuduga konstruktsioonil, mis pole selleks ette nähtud

Dünaamiline rõhk – suurus, mis määrab aerodünaamilised koormused raamile, harudele ja voolundile – kasvab kiiruse ruuduga. Võidusõidu lennukere, mis on ehitatud 3D-prinditud plastikust ja süsinikkiust minimaalse kaalu, mitte koormusvaru nimel, kogeb 400 km/h juures ligikaudu 16 korda suuremat aerodünaamilist koormust kui 100 km/h juures. See koormus langeb harudele, mootorikinnitustele ja voolundile, mis on optimeeritud olema nii kerged, kui raam võimaldab, mitte taluma koormusjuhtumit, mis on neli korda suurem kiirusest, mille jaoks platvormi projekteerimisel üldse katsetati.

Need, kes seda vahemikku juba omandavad, reageerivad sellele, suhtudes kogu lennukeresse kui aerodünaamilisse ülesandesse, mitte ainult jõuseadmesse. Kehtiv Guinnessi maailmarekord nelikkopteri kiiruses – 657,59 km/h, mis püstitati spetsiaalselt ehitatud masinaga, millel on 6-tollised propellerid, 900 kV forsseeritud mootorid ja ühes tükis 3D-prinditud korpus – töötati välja väliskujuga, mis optimeeriti aerodünaamilises modelleerimises just õhutakistuse vähendamiseks, mitte ainult kiire väljanägemise pärast.

4. Miks see segment eksisteerib äriliselt, mitte ainult rekordisõiduna

Kõige ilmsem reaalne tõukejõud on kaitsevaldkond: Ukraina FPV-püüdur-droonid, mis on ehitatud luuredroonidele järele jõudmiseks ja nende hävitamiseks, on avalikult teatanud kiirustest umbes 325 km/h. Loogika on otsene: tüüpiline luureplatvorm, mis lendab ristluskiirusel umbes 110 km/h ja mille maksimaalne kiirus on umbes 150 km/h, tuleb kätte saada enne, kui püüduril aku tühjaks saab, ning iga lisanduv km/h püüduri kiiruses lühendab seda tagaajamist otseselt. See ei ole nišihobi – see on aktiivne, kiiresti arenev kategooria, mille taga on ranged nõuded jõudlusele.

5. Miks ventilaatorite massiiv ei suuda füüsiliselt seda segmenti katsetada

Ventilaatorite massiivi kaubanduslik lagi on umbes 58 m/s, ligikaudu 209 km/h – isegi paigaldatud kokkutõmbeosaga, mis voolu kontsentreerib. See on veidi üle poole sellest, mida vajab püüdur kiirusel 300–400 km/h. Asi pole selles, et massiiv oleks odavam või vähem võimekas; üle umbes 200 km/h pole see lihtsalt enam variant. Suletud ringlusega tuuletunnel, mis on projekteeritud taluma kõrget dünaamilist rõhku väikeses, hästi konditsioneeritud katseosas, on ainus katsestendide klass, mis saavutab selle kiirusvahemiku piisava voolukvaliteediga, et saada kasutuskõlblikke andmeid.

6. Mida on tegelikult vaja katsekampaaniaks sellel kiirusel

Kaalud, mis on arvestatud koormuse, mitte ainult kaalu jaoks. Võidusõidu lennukere on kerge, kuid aerodünaamilised koormused sellele 400 km/h juures seda ei ole; kaalud ja kinnitused vajavad varu dünaamilise rõhu, mitte ainult staatilise kaalu suhtes.
Propelleri karakteristikute kaart reaalsel lennukiirusel, mitte stendilt ekstrapoleeritud. Ettenihkesuhte ja kokkusurutavuse efektid labade otstes ilmnevad alles siis, kui propeller asub reaalselt 300–400 km/h voolus, mida laual olev tõmbejõu stend ei suuda taasesitada.
Konstruktsiooni ja vibratsiooni monitooring paralleelselt jõuandmetega. Sellise dünaamilise rõhu juures on harude ja voolundi laperdus reaalne, mitte teoreetiline tõrge, ning see tuleb katseplaani seadmetega sisse kirjutada, mitte avastada alles detaili purunemisel.
Temperatuuri ja voolu monitooring pikaajalisel suurel võimsusel. 64-kordne võimsuse trahv üleminekul 100-lt 400 km/h-le peab kuhugi minema ning mootori ja regulaatori soojuslikud piirid saavad sageli püsiva kiiruse praktiliseks laeks, mitte ainult aerodünaamika iseenesest.
Piisavalt väike kiiruse samm, et tabada kokkusurutavuse "põlve" , mitte harvad punktid, mille vahelt võib läbi libiseda just see kiirus, kus propelleri kasutegur hakkab järsult langema.

7. Mida see tähendab teie programmi jaoks

Nimetage meile sihtkiirus ja propelleri klass – me projekteerime katseosa ja seadmepaketi just selle kiirusvahemiku jaoks, mitte ei kohanda aeglasemate platvormide jaoks mõeldud stendi. Seotud materjalid:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

стенды тяги винтомоторной группы

Allikad ja märkused

FPV võidusõidupropellerite pöörete vahemikud (25 000 – 50 000 p/min tavarežiimis, 35 000 – 60 000+ p/min maksimaalsel gaasil 5-tolliste võidusõidupropellerite puhul): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
Laba otsa kiirus 50 000 p/min juures 5-tollise (127 mm) propelleri puhul, arvutatud kui raadius × nurkkiirus võrreldes helikiirusega merepinnal (~340 m/s), on TunnelTech'i enda illustratiivne arvutus ülaltoodud pöörete arvude põhjal, mitte tsitaat väljaandest.
Aerodünaamilise modelleerimise eeldused (tõmbejõud ja takistusmoment on võrdelised pöörete ruuduga), mis lakkavad töötamast võidusõidukiirustel, ning arvestamata efektid (rootori lineaarne takistus, dünaamiline tõstejõud, rootor-rootor ja rootor-korpus vastastikmõju, korpuse aerodünaamiline takistus): 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, kd 40, 2024 (arXiv:2301.01755), kus on märgitud, et võidusõidukiirused ja kiirendused "ületavad 80 km/h ja 4g".
Kehtiv Guinnessi maailmarekord nelikkopteri kiiruses (657,59 km/h, Peregreen V4, Luke ja Mike Bell), tehnilised detailid (6-tollised propellerid, 900 kV mootorid, ühes tükis 3D-prinditud korpus, aerodünaamilise kuju optimeerimine modelleerimises): "Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record", New Atlas.
Ukraina FPV-püüdur-drooni kiirusrekord (umbes 325 km/h, Wild Hornets, välja kuulutatud septembris 2024) ja operatiivne põhjendus luuredroonide vastu, mis lendavad ristluskiirusel umbes 110 km/h ja mille maksimaalne kiirus on umbes 150 km/h: Defence Express, "325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...".
Ventilaatorite massiivi kaubanduslik kiiruslagi (~58 m/s / ~209 km/h koos kokkutõmbeosaga) on kooskõlas meie avaldatud artikliga, mis võrdleb ventilaatorite massiive ja suletud ringlusega tuuletunneleid.
Soovitused katsemetoodika osas (koormusele vastavad kaalud, konstruktsiooni ja vibratsiooni monitooring, temperatuuriseadmed, kiiruse sammu eraldusvõime) – TunnelTech'i inseneripraktika.

Ülikiirete FPV-droonide katsetamine: mis muutub kiirusel 300–400 km/h