Itin greitų FPV dronų bandymai aerodinaminiame tunelyje

Trys–keturi šimtai kilometrų per valandą skamba kaip greičių diapazonas, turintis didelę atsargą iki tol, kol prasidės kažkas aerodinamiškai įdomaus – gerokai žemiau garso greičio, užtikrintai toje teritorijoje, kurią bet koks vadovėlis vadina „mažo greičio nespūdžiuoju srautu“. Pačiam orlaivio korpusui tai iš esmės tiesa. Tačiau priešais jį besisukančiam sraigtui – ne.

Itin greitų FPV dronų bandymai egzistuoja todėl, kad greičiausiai augantis mažų rotorinių bepiločių orlaivių segmentas – lenktyniniai dronai ir, vis dažniau, dronai-gaudytuvai, sukurti pasivyti kitus aparatus, – tyliai peržengė prielaidų, kuriomis iki šiol remiasi likusi mažų dronų kūrimo pramonė, ribas.

1. Mentės galas – ten, kur „ikigarsinis“ nustoja būti paprastas

Drono judėjimo pirmyn greitis ir sraigto mentės galo greitis yra du skirtingi skaičiai, ir antrasis visada didesnis, dažnai su didele atsarga. Lenktyniniai FPV sraigtai paprastai sukasi 25 000–50 000+ aps./min. greičiu, o greičiausių modelių sūkiai viršija 60 000 aps./min. esant pilnam akceleratoriui.

Paskaičiuokime su tipiniu 5 colių lenktyniniu sraigtu (skersmuo 127 mm, mentės spindulys 63,5 mm) esant 50 000 aps./min.: vien dėl sukimosi mentės galo greitis siekia maždaug 330 m/s – tai vos kelių procentų skirtumas nuo garso greičio jūros lygyje. Pridėkite paties aparato greitį 300–400 km/h (83–111 m/s), kuris tiesiogiai sumuojasi su atakuojančiąja disko puse, kaip ir bet kurio rotoriaus horizontalaus skrydžio metu, – ir vietinis srautas, kurį realiai patiria atakuojantis mentės galas, blogiausiu atveju gali viršyti 1 Macho skaičių, o geriausiu atveju vis tiek atsiduria giliai transgarsinėje srityje.

Tai svarbu, nes sraigto naudingumo koeficientas nemažėja tolygiai, kai vietinis Macho skaičius auga per transgarsinį diapazoną – jis staiga krenta dėl gerai žinomo aerodinaminio efekto, pažįstamo iš bet kokios sraigto ar rotoriaus konstrukcijos: smūginių bangų susidarymas ant mentės, staigus pasipriešinimo padidėjimas ir šuoliškas triukšmo lygio augimas, ir visa tai susikoncentruoja paskutiniuose mentės centimetruose, kurie buvo suprojektuoti kur kas švelnesniam srauto režimui.

2. Pasipriešinimas nebeproporcingas taip, kaip mėgėjiškuose greičiuose

Galia, reikalinga aerodinaminiam pasipriešinimui įveikti, auga proporcingai greičio kubui . Perėjimas nuo ramių 100 km/h prie 400 km/h reiškia greičio padidėjimą 4 kartus, o reikiamos galios padidėjimą vien pasipriešinimui įveikti, dar prieš visa kita, ką atlieka jėgainė, – net 64 kartus . Visos konstrukcinės prielaidos, kurios veikė filmavimo ar pristatymo dronų greičiuose – variklio dydis, baterijos C reitingas, šiluminė atsarga, konstrukcinės apkrovos, apskaičiuotos „normaliam“ skrydžio greičiui, – buvo sukurtos visiškai kitam šios kreivės taškui.

Filmavimo ir krovininės platformos, į kurias vis dar orientuota didžioji dalis FPV kūrimo, skraido 0–100 km/h greičiu. Šiame kreivės krašte aerodinaminis pasipriešinimas yra antraeilis rūpestis po masės ir kybojimo naudingumo koeficiento. Prie 300–400 km/h jis tampa pagrindiniu.

3. Apkrovos auga proporcingai greičio kvadratui, o konstrukcija tam nepritaikyta

Dinaminis slėgis – dydis, lemiantis aerodinamines apkrovas rėmui, svirtims ir gaubtui, – auga proporcingai greičio kvadratui. Lenktyninis korpusas, pagamintas iš 3D spausdinto plastiko ir anglies pluošto siekiant minimalaus svorio, o ne apkrovos atsargos, prie 400 km/h patiria maždaug 16 kartų didesnę aerodinaminę apkrovą nei prie 100 km/h. Ši apkrova tenka svirtims, variklių tvirtinimams ir gaubtui, kurie optimizuoti būti kuo lengvesni, kiek tik leidžia rėmas, o ne atlaikyti apkrovos atvejį, keturis kartus viršijantį greitį, kuriam platforma apskritai buvo išbandyta projektavimo metu.

Tie, kurie jau įsisavina šį diapazoną, į tai reaguoja vertindami visą orlaivio korpusą kaip aerodinaminį uždavinį, o ne tik jėgainę. Galiojantis Gineso pasaulio rekordas kvadrokopterio greičio kategorijoje – 657,59 km/h, pasiektas specialiai sukonstruotu aparatu su 6 colių sraigtais, forsuotais 900 kV varikliais ir korpusu, atspausdintu 3D spausdintuvu kaip viena vientisa detalė, – buvo kuriamas su išorine forma, optimizuota aerodinaminiame modeliavime būtent siekiant sumažinti pasipriešinimą, o ne tik dėl greitos išvaizdos.

4. Kodėl šis segmentas egzistuoja komerciškai, o ne tik kaip rekordinis važiavimas

Akivaizdžiausias realus variklis – gynybinis: Ukrainos FPV dronai-gaudytuvai, sukurti pasivyti ir sunaikinti žvalgybinius dronus, viešai fiksavo apie 325 km/h greičius. Logika paprasta: tipinė žvalgybinė platforma, skrendanti kreiseriniu maždaug 110 km/h greičiu ir turinti maksimalų apie 150 km/h greitį, turi būti pasivyta anksčiau, nei išsikraus gaudytuvo baterija, ir kiekvienas papildomas gaudytuvo greičio km/h tiesiogiai sutrumpina šias gaudynes. Tai nėra nišinis mėgėjiškas pomėgis – tai aktyvi, greitai besivystanti kategorija, turinti griežtus reikalavimus charakteristikoms.

5. Kodėl ventiliatorių matrica fiziškai negali išbandyti šio segmento

Komercinė ventiliatorių matricos riba – apie 58 m/s, maždaug 209 km/h , – net ir sumontavus susiaurėjimo sekciją, koncentruojančią srautą. Tai tik šiek tiek daugiau nei pusė to, ko reikia gaudytuvui prie 300–400 km/h. Esmė ne ta, kad matrica yra pigesnė ar mažiau pajėgi; viršijus maždaug 200 km/h, tai apskritai nebėra išeitis. Uždaro kontūro aerodinaminis tunelis, pritaikytas atlaikyti aukštą dinaminį slėgį nedidelėje, gerai kondicionuojamoje bandymo sekcijoje, – vienintelė stendų klasė, pasiekianti šį greičių diapazoną su srauto kokybe, pakankama tinkamiems duomenims gauti.

6. Ko realiai reikia bandymų kampanijai tokiu greičiu

Svarstyklės, pritaikytos apkrovai, o ne tik svoriui. Lenktyninis korpusas yra lengvas, tačiau aerodinaminės apkrovos jam prie 400 km/h – ne; svarstyklėms ir tvirtinimui reikia dinaminio slėgio atsargos, o ne tik statinio svorio.
Sraigto charakteristikų žemėlapis realiame skrydžio greityje, o ne ekstrapoliuotas iš stendo. Žingsnio koeficiento ir spūdumo efektai menčių galuose pasireiškia tik tada, kai sraigtas realiai yra 300–400 km/h sraute, ko traukos stendas ant stalo atkurti negali.
Konstrukcijos ir vibracijų stebėsena lygiagrečiai su jėgos duomenimis. Esant tokiam dinaminiam slėgiui, svirties ir gaubto plazdėjimas yra realus, o ne teorinis gedimas, ir jį reikia įtraukti į bandymų planą naudojant prietaisus, o ne aptikti po to, kai detalė sulūžta.
Temperatūros ir srovės stebėsena esant ilgalaikei didelei galiai. 64 kartų galios bauda pereinant nuo 100 prie 400 km/h turi kažkur dingti, ir variklio bei valdiklio šiluminės ribos dažnai tampa praktine tvaraus greičio riba, o ne tik pati aerodinamika.
Pakankamai smulkus greičio žingsnis, kad būtų galima pagauti spūdumo „lūžį“ , o ne reti taškai, tarp kurių gali praslysti būtent tas greitis, ties kuriuo sraigto naudingumo koeficientas pradeda staigiai kristi.

7. Ką tai reiškia jūsų programai

Nurodykite mums tikslinį greitį ir sraigto klasę – mes suprojektuosime sekciją ir prietaisų paketą šiam greičių diapazonui, o ne adaptuotą iš stendo, skirto lėtesnėms platformoms. Susijusi medžiaga:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

стенды тяги винтомоторной группы

Šaltiniai ir pastabos

Lenktyninių FPV sraigtų sūkių diapazonai (25 000–50 000 aps./min. normaliu režimu, 35 000–60 000+ aps./min. esant maksimaliam akceleratoriui 5 colių lenktyniniams sraigtams): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
Mentės galo greitis esant 50 000 aps./min. 5 colių (127 mm) sraigtui, apskaičiuotas kaip spindulys × kampinis greitis lyginant su garso greičiu jūros lygyje (~340 m/s), – paties TunnelTech iliustracinis skaičiavimas pagal aukščiau pateiktus sūkių skaičius, o ne citata iš publikacijos.
Aerodinaminio modeliavimo prielaidos (trauka ir pasipriešinimo momentas proporcingi sūkių kvadratui), kurios nustoja veikti lenktynių greičiuose, ir neįvertinti efektai (linijinis rotoriaus pasipriešinimas, dinaminė keliamoji galia, rotoriaus-rotoriaus ir rotoriaus-korpuso sąveika, aerodinaminis korpuso pasipriešinimas): 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, 40 tomas, 2024 (arXiv:2301.01755), kur nurodyta, kad lenktynių greičiai ir pagreičiai „viršija 80 km/h ir 4g“.
Galiojantis Gineso pasaulio rekordas kvadrokopterio greičio kategorijoje (657,59 km/h, Peregreen V4, Luke ir Mike Bell), techninės detalės (6 colių sraigtai, 900 kV varikliais, vientisai 3D spausdintuvu atspausdintas korpusas, aerodinaminės formos optimizavimas modeliuojant): „Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record“, New Atlas.
Ukrainos FPV drono-gaudytuvo greičio rekordas (apie 325 km/h, Wild Hornets, paskelbtas 2024 m. rugsėjį) ir eksploatacinis pagrindimas prieš žvalgybinius dronus, skrendančius kreiseriniu maždaug 110 km/h greičiu ir turinčius maksimalų apie 150 km/h greitį: Defence Express, „325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...“.
Komercinė ventiliatorių matricos greičio riba (~58 m/s / ~209 km/h su susiaurėjimo sekcija) suderinta su mūsų publikuotu straipsniu, lyginančiu ventiliatorių matricas ir uždaro kontūro aerodinaminius tunelius.
Rekomendacijos bandymų metodikai (svarstyklės apkrovai, konstrukcijos ir vibracijų stebėsena, temperatūros prietaisai, greičio žingsnio skiriamoji geba) – TunnelTech inžinerinė praktika.

Itin greitų FPV dronų bandymai: kas keičiasi pasiekus 300–400 km/h