პროპელერის წევის სატესტო სტენდები და წინსვლის კოეფიციენტი

თითქმის ყველა უპილოტო საფრენი აპარატის (UAV) პროგრამა ძრავის ტესტირებას ერთნაირად იწყებს: ძრავა და პროპელერი დამაგრებულია სატესტო სტენდზე, გამოიყენება ძალის მზომი (load cell), ტაქომეტრი და წევის დამოკიდებულების ცხრილი დროსელთან.

ეს სასარგებლო ცხრილია. თუმცა, ეს არის ფრენის იმ ერთი პირობის ცხრილი, რომელშიც აპარატი თითქმის არ ატარებს დროს — და სწორედ აქედან გამძლეობის, ფრენის მანძილის ან ასვლის შესახებ დასკვნების გამოტანის გამო ბევრი პროგრამა თვეებს კარგავს.

1. სტატიკური წევა მრუდზე მხოლოდ ერთი წერტილია

უძრავ ჰაერში პროპელერი მუშაობს ნულოვანი წინსვლის კოეფიციენტით (zero advance ratio) . წინსვლის კოეფიციენტი, რომელიც ჩვეულებრივ აღინიშნება როგორც J, აკავშირებს აპარატის წინსვლის სიჩქარეს პროპელერის ბრუნვის სიჩქარესა და დიამეტრთან. ჰოვერინგი (ადგილზე ფრენა) შეესაბამება J = 0-ს. აფრენა და სიმაღლის აღება ხდება დაბალ J-ზე. კრუიზული ფრენა კი მრუდის გაცილებით მაღალ ნაწილშია.

J-ის ცვლილებასთან ერთად, პროპელერის წევის კოეფიციენტი, სიმძლავრის კოეფიციენტი და ეფექტურობა იცვლება — და თანაც საკმაოდ მკვეთრად. ძრავის სისტემები სტატიკურ ტესტებში ხშირად სრულიად განსხვავებულად იქცევიან, ვიდრე ფრენისას, სწორედ ამიტომ ნაკადში ტესტირება განიხილება როგორც აუცილებელი ნაბიჯი სერიოზული დრონის შექმნისას და არა როგორც არასავალდებულო დახვეწა. ქარის გვირაბში (wind tunnel) ჩატარებული გამოქვეყნებული კვლევები აჩვენებს ეფექტურობის დაახლოებით 10%-მდე სხვაობას ტესტირებულ ყველაზე დაბალ და ყველაზე მაღალ ბრუნთა რიცხვს (RPM) შორის, როდესაც წინსვლის კოეფიციენტი ნულზე მეტია.

პრაქტიკული შედეგი: პროპელერმა, რომელიც საუკეთესოა სტენდზე, შეიძლება წააგოს კრუიზულ რეჟიმში, და ის წყვილი, რომელსაც საბოლოოდ უშვებთ წარმოებაში, ხშირად არ არის ის, რომელმაც საუკეთესო სტატიკური მაჩვენებელი აჩვენა.

2. რას ზომავს ძრავის სათანადო ტესტირება

ქარის გვირაბში დამონტაჟებული სატესტო სტენდი გაძლევთ სრულ სურათს ერთი წერტილის ნაცვლად. ჩვეულებრივ, ტარდება ორი ტიპის კამპანია:

სტატიკური წარმადობა — წევა და მბრუნავი მომენტი იზომება RPM-ის მთელ დიაპაზონში ჰაერის ნულოვანი სიჩქარის (airspeed) პირობებში. ეს არის საცნობარო და ჰოვერინგის შემთხვევა.

წინსვლითი ნაკადის წარმადობა — RPM ყენდება ფიქსირებულ მნიშვნელობაზე, გვირაბის სიჩქარე იზრდება ეტაპობრივად, წევა და მბრუნავი მომენტი ფიქსირდება თითოეულ წერტილში. ეს მეორდება RPM-ის რამდენიმე პარამეტრისთვის. ამის საფუძველზე იგება წევის კოეფიციენტის, სიმძლავრის კოეფიციენტისა და ეფექტურობის დამოკიდებულება წინსვლის კოეფიციენტთან — მრუდები, რომლებიც ნებისმიერი რეალური წარმადობის გამოთვლას სჭირდება.

ერთდროულად იზომება: წევა, მბრუნავი მომენტი, ბრუნვის სიჩქარე, შემავალი ელექტროენერგია (ძაბვა და დენი) და გვირაბის საცნობარო სიჩქარე. ეფექტურობა ელექტრული შემავალი სიმძლავრის გაზომვის გარეშე გაწვდით ინფორმაციას პროპელერის შესახებ; მასთან ერთად კი იგებთ მთლიანი ამძრავი ჯაჭვის შესახებ, რაც რეალურად განსაზღვრავს გამძლეობას.

3. კორექტირებები, რომლებსაც მონაცემთა ფურცელში არავინ ახსენებს

გვირაბში პროპელერის მონაცემებს ორი ეფექტი ამახინჯებს და ორივესთვის არსებობს დადგენილი გამოსავალი:

ბლოკირება (Blockage). პროპელერი არ არის მცირე ობიექტი სატესტო მონაკვეთთან (test section) მიმართებაში და ის აჩქარებს ნაკადს თავის თავში. პროპელერის ბლოკირების კლასიკური კორექტირებები ჯერ კიდევ გლაუერტიდან (1926) იღებს სათავეს და დღემდე რუტინულად გამოიყენება.

ლოკალური სიჩქარე დისკზე. რადგან პროპელერი, როგორც წესი, იტესტება სამაგრზე ფერინგის წინ, სიჩქარე, რომელსაც რეალურად აღიქვამენ ფრთები, უფრო დაბალია, ვიდრე სატესტო მონაკვეთის შესასვლელში გაზომილი სიჩქარე, ამიტომ აუცილებელია სიჩქარის კორექტირების ფაქტორის გამოყენება.

გამოტოვეთ რომელიმე მათგანი და თქვენი ეფექტურობის მრუდი ზედმეტად ოპტიმისტური იქნება, რაც მხოლოდ ფრენის ტესტირებისას გამოჩნდება, როდესაც აპარატი ვერ მიაღწევს გამძლეობის დასახულ მაჩვენებელს.

4. სატესტო სტენდი თუ ქარის გვირაბი?

კითხვა	სატესტო სტენდი	სტენდი ქარის გვირაბში
ჰოვერინგის წევა და RPM-ის სრული დიაპაზონი	დიახ	დიახ
ძრავისა და ESC-ის თერმული ლიმიტები	დიახ	დიახ
ეფექტურობა კრუიზულ რეჟიმში	არა	დიახ
ხელმისაწვდომი წევა სიმაღლის აღების სიჩქარეზე	არა	დიახ
პროპელერების შედარება რეალური მისიისთვის	შეცდომაში შემყვანი	დიახ
როტორ-როტორისა და როტორ-კორპუსის ურთიერთქმედება	არა	დიახ , აპარატის დამონტაჟებისას
ხმაურისა და წევის ბალანსი	არა	დიახ , აკუსტიკურად დამუშავებულ მონაკვეთში

სატესტო სტენდი უსარგებლო არ ხდება — ის რჩება სწორ ინსტრუმენტად გამძლეობის ტესტებისთვის, თერმული დატვირთვისა და კომპონენტების შესამოწმებლად. მას უბრალოდ არ შეუძლია უპასუხოს კითხვებს, რომლებიც განსაზღვრავს ფრენის მანძილს.

5. რას მოითხოვს ეს ინფრასტრუქტურისგან

თუ ძრავის ტესტირება ძირითადი გამოყენების შემთხვევაა, გვირაბის სპეციფიკაცია კონკრეტული გზებით იცვლება:

დაბალი სიჩქარის ხარისხი და სტაბილურობა. წინსვლის კოეფიციენტის მრუდის საინტერესო ნაწილი ნულთან ახლოს იწყება, სადაც ერთგვაროვანი დაბალსიჩქარიანი ნაკადის შექმნა ყველაზე რთულია.
მონაკვეთის ზომა დისკის დიამეტრის წინააღმდეგ. ბლოკირების ლიმიტები ადგენს ყველაზე დიდი პროპელერის ზომას, რომლის სანდოდ ტესტირებაც შეგიძლიათ; ეს არის მაჩვენებელი, რომელიც ყველაზე ხშირად იწვევს სატესტო მონაკვეთის ზომის შეცვლის აუცილებლობას პროექტის გვიან ეტაპზე.
მყარი, კარგად გასწორებული სამაგრი. წევისა და მბრუნავი მომენტის გაზომვის სიზუსტე პირდაპირ დამოკიდებულია ძრავის დამჭერ სტრუქტურაზე, ხოლო სამაგრში არსებული რეზონანსი თქვენს მონაცემებში ხმაურის სახით გამოჩნდება.
ელექტრული ინფრასტრუქტურა მოდელთან. მაღალი დენის მიწოდება, ბატარეის უსაფრთხო მართვა და გაზომვითი აპარატურა (ინსტრუმენტაცია), რომელიც ამას გაუძლებს.
სინქრონიზებული მონაცემთა შეგროვება. მექანიკური, ელექტრული და ნაკადის მონაცემები ერთ დროით ბაზაზე — წინააღმდეგ შემთხვევაში, ეფექტურობა მხოლოდ ვარაუდია და არა გაზომვა.
არასავალდებულო აკუსტიკური შესაძლებლობა. წევა-ვატზე და ხმაური-წევაზე არის ის ორი მრუდი, რომელიც წყვეტს, ექვემდებარება თუ არა დიზაინი სერტიფიცირებას, ამიტომ სასწორთან ერთად მიკროფონების მასივის წინასწარ გათვალისწინება ნამდვილად ღირს, ვიდრე მისი მოგვიანებით დამატება (რეტროფიტი).

6. ხუთი შეცდომა

პროპელერების შედარება სტატიკური წევით. რეიტინგი იცვლება წინსვლის კოეფიციენტის მიხედვით.
ბლოკირებისა და სიჩქარის კორექტირებების იგნორირება. ორივე ხელოვნურად ზრდის წარმადობის მაჩვენებლებს.
წევის გაზომვა ელექტრული სიმძლავრის გარეშე. ამ შემთხვევაში გამძლეობის პროგნოზები მხოლოდ ვარაუდია.
მხოლოდ ერთი RPM-ის ტესტირება. ეფექტურობის რუკებს რამდენიმე სჭირდება.
მხოლოდ პროპელერის ტესტირება და მოლოდინი, რომ აპარატიც იგივე შედეგს აჩვენებს. ურთიერთქმედების ეფექტები რეალურია და შეიძლება დიდი იყოს.

7. შესაძლებლობების შექმნა

ძრავის გაზომვა მოკრძალებული ზომის გვირაბის ერთ-ერთი ყველაზე მაღალღირებული გამოყენებაა: მონაკვეთი შეიძლება იყოს მცირე, სიჩქარეები დაბალი, ხოლო უკუგება აპარატის წარმადობაში — მყისიერი. ეს ასევე არის ბუნებრივი პირველი შესაძლებლობა UAV მწარმოებლისთვის, რომელიც აშენებს შიდა სატესტო ინფრასტრუქტურას.

ჩვენ ვქმნით ქარის გვირაბებსა და სატესტო მონაკვეთებს ზუსტად ამგვარი პროგრამებისთვის, სადაც სამაგრები, გაზომვითი აპარატურა და ელექტრული უზრუნველყოფა დაგეგმილია აეროდინამიკური კონცეფციიდანვე. დაკავშირებული საკითხავი:

ვენტილატორების მასივის ქარის გენერატორები დახურული კონტურის ქარის გვირაბების წინააღმდეგ

და

ქარის გვირაბის ტესტირება ურბანული საჰაერო მობილობისთვის

გაგვაგებინეთ თქვენი პროპელერის ზომები და სიჩქარის დიაპაზონი და ჩვენ შემოგთავაზებთ სატესტო მონაკვეთისა და ინსტრუმენტაციის კომპლექტს.

წყაროები და შენიშვნები

სატესტო სტენდები ქარის გვირაბებში, რომლებიც ზომავენ წევას, მბრუნავ მომენტსა და ბრუნვის სიჩქარეს; სტატიკური კამპანიები RPM-ის დიაპაზონში და წინსვლითი ნაკადის კამპანიები ფიქსირებულ RPM-ზე გვირაბის ეტაპობრივი სიჩქარით; კოეფიციენტები და ეფექტურობა ასახული წინსვლის კოეფიციენტის მიმართ; ეფექტურობის სხვაობა დაახლოებით 10%-მდე ტესტირებულ ყველაზე დაბალ და მაღალ RPM-ს შორის არანულოვანი წინსვლის კოეფიციენტისას; გლაუერტის (1926) ბლოკირების კორექტირებები და სიჩქარის კორექტირება პროპელერისთვის, რომელიც იტესტება სამაგრზე ფერინგის წინ: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
პროპელერის წარმადობის მონაცემთა მეთოდოლოგია რეინოლდსის დაბალ რიცხვებზე: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
წევისა და წარმადობის კოეფიციენტების განმარტებები: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
ინფრასტრუქტურის სახელმძღვანელო მითითებები (მონაკვეთის ზომა დისკის დიამეტრთან მიმართებაში, სამაგრის სიმყარე, სინქრონიზებული მონაცემთა შეგროვება) წარმოადგენს TunnelTech-ის საინჟინრო პრაქტიკას.