Dirian Ujian Tujahan Bebaling dan Nisbah Kemaraan

Hampir setiap program UAV memulakan ujian pendorongan dengan cara yang sama: motor dan bebaling diikat pada dirian bangku, sel beban, takometer, dan jadual tujahan berbanding pendikit.

Ia adalah jadual yang berguna. Ia juga merupakan jadual bagi satu keadaan penerbangan yang hampir tidak pernah dilalui oleh pesawat — dan membuat kesimpulan tentang ketahanan, jarak atau pendakian daripadanya adalah punca banyak program kerugian masa berbulan-bulan.

1. Tujahan statik hanyalah satu titik pada keluk

Bebaling dalam udara pegun beroperasi pada nisbah kemaraan sifar . Nisbah kemaraan, biasanya ditulis sebagai J, mengaitkan kelajuan ke hadapan pesawat dengan kelajuan putaran dan diameter bebaling. Apungan berada pada J = 0. Berlepas dan pendakian berada pada J yang rendah. Luncuran berada jauh di atas keluk.

Apabila J berubah, pekali tujahan, pekali kuasa dan kecekapan bebaling semuanya berubah — dan perubahannya agak drastik. Sistem pendorongan sering bertindak sangat berbeza dalam ujian statik berbanding dalam penerbangan, dan inilah sebabnya ujian dalam aliran (in-flow) dianggap sebagai langkah penting dalam pembangunan dron yang serius dan bukannya penambahbaikan pilihan. Kerja terbitan terowong angin melaporkan perbezaan kecekapan sehingga kira-kira 10% antara RPM terendah dan tertinggi yang diuji sebaik sahaja nisbah kemaraan bukan sifar.

Akibat praktikalnya: bebaling yang cemerlang di atas bangku ujian boleh gagal semasa luncuran, dan pasangan yang akhirnya anda hantar selalunya bukanlah pasangan yang menghasilkan angka statik terbaik.

2. Apa yang diukur oleh ujian pendorongan yang betul

Dirian ujian yang dipasang di dalam terowong angin memberikan anda peta penuh dan bukannya satu titik tunggal. Dua jenis kempen biasanya dijalankan:

Prestasi statik — tujahan dan tork diukur merentasi julat RPM pada kelajuan udara sifar. Ini adalah rujukan dan kes apungan.

Prestasi aliran mara — RPM ditetapkan pada nilai tetap, kelajuan terowong ditingkatkan secara berperingkat, tujahan dan tork direkodkan pada setiap titik. Ulangi untuk beberapa tetapan RPM. Daripada ini anda membina pekali tujahan, pekali kuasa dan kecekapan berbanding nisbah kemaraan — keluk yang diperlukan oleh sebarang pengiraan prestasi sebenar.

Diukur secara serentak: tujahan, tork, kelajuan putaran, kuasa elektrik masuk (voltan dan arus), dan kelajuan rujukan terowong. Kecekapan tanpa ukuran input elektrik memberitahu anda tentang bebaling; dengannya, anda mempelajari tentang keseluruhan rantaian pendorongan, yang sebenarnya menentukan ketahanan.

3. Pembetulan yang tidak disebut oleh sesiapa dalam lembaran data

Dua kesan mencemarkan data bebaling dalam terowong, dan kedua-duanya mempunyai rawatan yang telah ditetapkan:

Sekatan. Bebaling bukanlah objek kecil berbanding dengan seksyen ujian, dan ia memecutkan aliran melaluinya. Pembetulan klasik untuk sekatan bebaling bermula sejak Glauert (1926) dan kekal dalam penggunaan rutin.

Kelajuan tempatan pada cakera. Oleh kerana bebaling biasanya diuji pada sengat di hadapan reraut, kelajuan yang sebenarnya dialami oleh bilah adalah lebih rendah daripada kelajuan yang diukur pada pintu masuk seksyen ujian, jadi faktor pembetulan kelajuan perlu digunakan.

Abaikan mana-mana satu dan keluk kecekapan anda akan menjadi terlalu optimistik dengan cara yang hanya akan kelihatan dalam ujian penerbangan, apabila pesawat gagal mencapai angka ketahanannya.

4. Dirian bangku atau terowong angin?

Soalan	Dirian bangku	Dirian dalam terowong angin
Tujahan apungan dan sapuan RPM	Ya	Ya
Had terma motor dan ESC	Ya	Ya
Kecekapan semasa luncuran	Tidak	Ya
Tujahan tersedia pada kelajuan pendakian	Tidak	Ya
Perbandingan bebaling untuk misi sebenar	Mengelirukan	Ya
Interaksi rotor–rotor dan rotor–kerangka pesawat	Tidak	Ya , dengan kenderaan dipasang
Pertukaran hingar berbanding tujahan	Tidak	Ya , dalam seksyen yang dirawat

Dirian bangku tidak menjadi tidak berguna — ia kekal sebagai alat yang tepat untuk larian ketahanan, rendaman terma, dan saringan komponen. Ia cuma tidak dapat menjawab soalan-soalan yang menentukan jarak penerbangan.

5. Apa yang dituntut daripada sesebuah fasiliti

Jika ujian pendorongan adalah kes penggunaan teras, spesifikasi terowong berubah dalam cara yang khusus:

Kualiti dan kestabilan kelajuan rendah. Bahagian menarik pada keluk nisbah kemaraan bermula berhampiran sifar, di mana aliran kelajuan rendah yang seragam paling sukar untuk dihasilkan.
Saiz seksyen berbanding diameter cakera. Had sekatan menetapkan bebaling terbesar yang boleh anda uji dengan berwibawa; ini adalah angka yang paling kerap memaksa saiz semula seksyen pada peringkat akhir projek.
Lekapan yang tegar dan sejajar dengan baik. Pengukuran tujahan dan tork hanya sebaik struktur yang memegang motor, dan resonans dalam sengat akan muncul sebagai hingar dalam data anda.
Infrastruktur elektrik pada model. Bekalan arus tinggi, pengendalian bateri yang selamat, dan instrumentasi yang mampu bertahan dengannya.
Pemerolehan disegerakkan. Data mekanikal, elektrik dan aliran pada satu asas masa — jika tidak, kecekapan hanyalah satu anggaran, bukan ukuran.
Keupayaan akustik pilihan. Tujahan-per-watt dan hingar-per-tujahan adalah dua keluk yang menentukan sama ada reka bentuk boleh disahkan, jadi tatasusunan mikrofon di samping pengimbang bernilai untuk ditetapkan dari awal dan bukannya dipasang kemudian (retrofit).

6. Lima kesilapan

Membandingkan bebaling melalui tujahan statik. Kedudukan berubah dengan nisbah kemaraan.
Mengabaikan pembetulan sekatan dan kelajuan. Kedua-duanya melambungkan prestasi.
Mengukur tujahan tanpa kuasa elektrik. Maka ramalan ketahanan hanyalah tekaan.
Menguji RPM tunggal. Peta kecekapan memerlukan beberapa RPM.
Menguji bebaling sahaja dan mengharapkan kenderaan sepadan dengannya. Kesan interaksi adalah nyata dan boleh menjadi besar.

7. Membina keupayaan

Pengukuran pendorongan adalah salah satu penggunaan bernilai paling tinggi bagi terowong bersaiz sederhana: seksyen ujian boleh menjadi kecil, kelajuan rendah, dan pulangannya serta-merta dalam prestasi pesawat. Ia juga merupakan keupayaan pertama yang semula jadi bagi pengeluar UAV yang membina infrastruktur ujian dalaman.

Kami mereka bentuk terowong angin dan seksyen ujian khusus untuk program sebegini, dengan lekapan, instrumentasi dan peruntukan elektrik dirancang dari konsep aerodinamik. Bacaan berkaitan:

Penjana Angin Susunan Kipas vs Terowong Angin Litar Tertutup

dan

Ujian Terowong Angin untuk Mobiliti Udara Bandar

Beritahu kami saiz bebaling dan julat kelajuan anda dan kami akan mencadangkan seksyen ujian dan set instrumentasi.

Sumber dan nota

Dirian ujian di dalam terowong angin yang mengukur tujahan, tork dan kelajuan putaran; kempen statik merentasi RPM dan kempen aliran mara pada RPM tetap dengan kelajuan terowong berperingkat; pekali dan kecekapan diplot berbanding nisbah kemaraan; perbezaan kecekapan sehingga kira-kira 10% antara RPM terendah dan tertinggi yang diuji pada nisbah kemaraan bukan sifar; pembetulan sekatan Glauert (1926) dan pembetulan kelajuan untuk bebaling yang diuji pada sengat di hadapan reraut: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
Metodologi data prestasi bebaling pada nombor Reynolds rendah: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
Definisi pekali tujahan dan prestasi: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
Panduan fasiliti (saiz seksyen berbanding diameter cakera, ketegaran lekapan, pemerolehan disegerakkan) adalah amalan kejuruteraan TunnelTech.

Dirian Ujian Tujahan Bebaling: Mengapa Angka Statik Mengelirukan dan Perkara Sebenar yang Perlu Diukur