Īpaši ātro FPV dronu testēšana vēja tunelī

Trīssimt līdz četrsimt kilometru stundā izklausās pēc ātruma diapazona ar lielu rezervi, pirms sākas kaut kas aerodinamiski interesants — ievērojami zem skaņas ātruma, stabili tajā teritorijā, ko jebkura mācību grāmata sauc par «zema ātruma nesaspiežamu plūsmu». Planierim kopumā tas lielākoties ir patiesi. Taču propellerim, kas griežas tam priekšā, — nē.

Īpaši ātro FPV testēšana pastāv tāpēc, ka visstraujāk augošais mazo rotoru bezpilota lidaparātu segments — sacīkšu droni un arvien biežāk arī droni-pārtvērēji, kas radīti, lai panāktu citus lidaparātus, — ir klusām pārkāpis tos pieņēmumus, uz kuriem joprojām balstās pārējo mazo dronu izstrāde.

1. Lāpstiņas gals — vieta, kur «zemskaņas» vairs nav vienkāršs jēdziens

Drona kustības ātrums uz priekšu un propellera lāpstiņas gala ātrums ir divi dažādi lielumi, un otrais vienmēr ir lielāks, bieži vien ar ievērojamu rezervi. Sacīkšu FPV propelleri parasti griežas ar 25 000–50 000+ apgr./min , bet ātrākās komplektācijas pie pilnas jaudas pārsniedz 60 000 apgr./min.

Aprēķināsim to tipiskam 5 collu sacīkšu propellerim (diametrs 127 mm, lāpstiņas rādiuss 63,5 mm) pie 50 000 apgr./min: lāpstiņas gala ātrums tikai no rotācijas vien sasniedz aptuveni 330 m/s — dažu procentu robežās no skaņas ātruma jūras līmenī. Pieskaitiet paša lidaparāta ātrumu 300–400 km/h (83–111 m/s), kas tieši summējas ar diska uzbrūkošo pusi, kā jebkuram rotoram horizontālā lidojumā, — un lokālā plūsma, ar ko reāli saskaras uzbrūkošais lāpstiņas gals, sliktākajā gadījumā var pārsniegt 1. Maha skaitli, bet labākajā gadījumā tik un tā atrodas dziļi transskaņas zonā.

Tas ir svarīgi, jo propellera lietderības koeficients nesamazinās pakāpeniski, lokālajam Maha skaitlim pieaugot cauri transskaņas diapazonam — tas strauji krītas labi zināmā aerodinamiskā efekta dēļ, kas pazīstams jebkurā propellera vai rotora konstrukcijā: triecienviļņu veidošanās uz lāpstiņas, straujš pretestības pieaugums un lēcienveidīgs trokšņa pieaugums, kas viss koncentrējas lāpstiņas pēdējos centimetros, kuri projektēti daudz saudzīgākam plūsmas režīmam.

2. Pretestība vairs nemērogojas tā, kā hobija ātrumos

Jauda, kas nepieciešama aerodinamiskās pretestības pārvarēšanai, pieaug proporcionāli ātruma kubam . Pāreja no mierīgiem 100 km/h uz 400 km/h nozīmē ātruma pieaugumu 4 reizes, bet nepieciešamās jaudas pieaugums tikai pretestības pārvarēšanai, vēl pirms visa pārējā, ko dara spēka iekārta, palielinās 64 reizes . Visi konstrukcijas pieņēmumi, kas darbojās operatoru vai piegādes dronu ātrumos — motora izmērs, akumulatora C-reitings, termiskā rezerve, konstrukcijas slodzes, kas aprēķinātas «normālam» lidojuma ātrumam, — tika veidoti pilnīgi citam punktam uz šīs līknes.

Operatoru un kravas platformas, uz kurām joprojām ir vērsta lielākā daļa FPV izstrādes, lido ar ātrumu 0–100 km/h. Šajā līknes galā aerodinamiskā pretestība ir otršķirīga problēma aiz masas un karāšanās lietderības koeficienta. Pie 300–400 km/h tā kļūst par galveno.

3. Slodzes pieaug proporcionāli ātruma kvadrātam konstrukcijās, kas tam nav paredzētas

Dinamiskais spiediens — lielums, kas nosaka aerodinamiskās slodzes uz rāmi, stariem un aptecētāju, — pieaug proporcionāli ātruma kvadrātam. Sacīkšu planieris, kas izgatavots no 3D drukātas plastmasas un karbona minimāla svara, nevis slodzes rezerves dēļ, pie 400 km/h saskaras ar aptuveni 16 reizes lielāku aerodinamisko slodzi nekā pie 100 km/h. Šī slodze iedarbojas uz stariem, motoru stiprinājumiem un aptecētāju, kas optimizēti, lai būtu tik viegli, cik vien rāmis atļauj, nevis lai izturētu slodzes gadījumu, kas ir četras reizes lielāks par ātrumu, kuram platforma vispār tika testēta projektēšanas laikā.

Tie, kas jau apgūst šo diapazonu, reaģē uz to, uztverot visu planieri kā aerodinamisku uzdevumu, nevis tikai spēka iekārtu. Pašreizējais Ginesa pasaules rekords kvadrokoptera ātrumā — 657,59 km/h, kas uzstādīts ar īpaši būvētu aparātu ar 6 collu propelleriem, forsētiem 900 kV motoriem un korpusu, kas izdrukāts 3D printerī kā viena vesela detaļa, — tika izstrādāts ar ārējo formu, kas optimizēta aerodinamiskajā modelēšanā tieši pretestības samazināšanai, nevis tikai ātra izskata dēļ.

4. Kāpēc šis segments pastāv komerciāli, nevis tikai kā rekordu brauciens

Visredzamākais reālais dzinējspēks ir aizsardzības nozare: Ukrainas FPV droni-pārtvērēji, kas radīti, lai panāktu un iznīcinātu izlūkošanas dronus, publiski ziņojuši par ātrumiem ap 325 km/h. Loģika ir tieša: tipiska izlūkošanas platforma, kas lido ar aptuveni 110 km/h un kuras maksimālais ātrums ir ap 150 km/h, ir jāpanāk, pirms pārtvērējam izlādējas akumulators, un katrs papildu km/h pārtvērēja ātrumā tieši saīsina šo pakaļdzīšanos. Tā nav nišas hobija aizraušanās — tā ir aktīva, strauji augoša kategorija ar stingrām prasībām attiecībā uz veiktspēju.

5. Kāpēc ventilatoru matrica fiziski nevar testēt šo segmentu

Komerciālie ventilatoru matricas griesti ir aptuveni 58 m/s, jeb aptuveni 209 km/h , — pat ar uzstādītu kontrakcijas sekciju, kas koncentrē plūsmu. Tas ir nedaudz vairāk par pusi no tā, kas nepieciešams pārtvērējam pie 300–400 km/h. Lieta nav tajā, ka matrica ir lētāka vai mazāk spējīga; virs aptuveni 200 km/h tas vispār nav variants. Slēgtas cirkulācijas vēja tunelis, kas paredzēts augsta dinamiskā spiediena izturēšanai nelielā, labi kondicionētā testa sekcijā, ir vienīgā stendu klase, kas sasniedz šo ātruma diapazonu ar plūsmas kvalitāti, kas ir pietiekama derīgu datu iegūšanai.

6. Kas reāli nepieciešams testēšanas kampaņai šādā ātrumā

Svari, kas paredzēti slodzei, nevis tikai svaram. Sacīkšu planieris ir viegls, bet aerodinamiskās slodzes uz to pie 400 km/h tādas nav; svariem un stiprinājumam nepieciešama rezerve dinamiskajam spiedienam, nevis tikai statiskajam svaram.
Propellera raksturlīkņu karte reālā lidojuma ātrumā, nevis ekstrapolēta no stenda. Kustības koeficienta un saspiežamības efekti lāpstiņu galos izpaužas tikai tad, kad propelleris reāli atrodas 300–400 km/h plūsmā, ko vilkmes stends uz galda nevar reproducēt.
Konstrukcijas un vibrāciju monitorings paralēli spēka datiem. Pie šāda dinamiskā spiediena stara un aptecētāja flaters ir reāla, nevis teorētiska kļūme, un tas ir jāiekļauj testēšanas plānā ar mērinstrumentiem, nevis jāatklāj pēc detaļas salūšanas fakta.
Temperatūras un strāvas monitorings pie ilgstošas lielas jaudas. 64-kārtīgajam jaudas sodam, pārejot no 100 uz 400 km/h, ir kaut kur jāpaliek, un motora un regulatora termiskās robežas bieži kļūst par praktiskajiem griestiem stabilam ātrumam, nevis tikai aerodinamika pati par sevi.
Pietiekami smalks ātruma solis, lai noķertu saspiežamības «lūzuma punktu» , nevis reti punkti, starp kuriem var izslīdēt tieši tas ātrums, kur propellera lietderības koeficients sāk strauji kristies.

7. Ko tas nozīmē jūsu programmai

Nosauciet mums mērķa ātrumu un propellera klasi — mēs izstrādāsim testa sekciju un mērinstrumentu paketi šim ātruma diapazonam, nevis pielāgosim to no stenda, kas paredzēts lēnākām platformām. Saistītie materiāli:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

стенды тяги винтомоторной группы

Avoti un piezīmes

Sacīkšu FPV propelleru apgriezienu diapazoni (25 000–50 000 apgr./min normālā režīmā, 35 000–60 000+ apgr./min pie maksimālās jaudas 5 collu sacīkšu propelleriem): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
Lāpstiņas gala ātrums pie 50 000 apgr./min 5 collu (127 mm) propellerim, kas aprēķināts kā rādiuss × leņķiskais ātrums pret skaņas ātrumu jūras līmenī (~340 m/s), — TunnelTech pašu ilustratīvs aprēķins, pamatojoties uz iepriekš minētajiem apgriezienu skaitļiem, nevis citāts no publikācijas.
Aerodinamiskās modelēšanas pieņēmumi (vilkme un pretestības moments ir proporcionāli apgriezienu kvadrātam), kas pārstāj darboties sacīkšu ātrumos, un neņemtie vērā efekti (rotora lineārā pretestība, dinamiskais cēlējspēks, rotora-rotora un rotora-korpusa mijiedarbība, korpusa aerodinamiskā pretestība): 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. sējums, 2024 (arXiv:2301.01755), kur norādīts, ka sacīkšu ātrumi un paātrinājumi «pārsniedz 80 km/h un 4g».
Pašreizējais Ginesa pasaules rekords kvadrokoptera ātrumā (657,59 km/h, Peregreen V4, Luke un Mike Bell), tehniskās detaļas (6 collu propelleri, 900 kV motori, 3D printerī vienā gabalā drukāts korpuss, aerodinamiskās formas optimizācija modelēšanā): «Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record», New Atlas.
Ukrainas FPV drona-pārtvērēja ātruma rekords (ap 325 km/h, Wild Hornets, paziņots 2024. gada septembrī) un ekspluatācijas pamatojums pret izlūkošanas droniem, kas lido ar aptuveni 110 km/h un kuru maksimālais ātrums ir ap 150 km/h: Defence Express, «325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...».
Komerciālie ventilatoru matricas ātruma griesti (~58 m/s / ~209 km/h ar kontrakcijas sekciju) ir saskaņoti ar mūsu publicēto rakstu, kurā salīdzinātas ventilatoru matricas un slēgtas cirkulācijas vēja tuneļi.
Ieteikumi testēšanas metodikai (svari slodzei, konstrukcijas un vibrāciju monitorings, temperatūras mērinstrumenti, ātruma soļa izšķirtspēja) — TunnelTech inženierijas prakse.

Īpaši ātro FPV dronu testēšana: kas mainās pie 300–400 km/h