Testes de drones FPV ultrarrápidos num túnel de vento

Trezentos a quatrocentos quilómetros por hora parece ser uma gama de velocidades com uma ampla margem antes que algo aerodinamicamente interessante comece a ocorrer — significativamente abaixo da velocidade do som, firmemente dentro do território que qualquer manual classifica como «escoamento incompressível de baixa velocidade». Para a estrutura do drone em geral, isso é essencialmente verdade. Mas para a hélice a girar na sua frente, não.

Os testes de FPV ultrarrápidos existem porque o segmento de UAVs a rotor de pequeno porte que mais cresce — drones de corrida e, cada vez mais, drones intercetores construídos para alcançar outras aeronaves — ultrapassou silenciosamente os pressupostos nos quais o restante desenvolvimento de pequenos drones ainda se baseia.

1. A ponta da pá — onde o «subsónico» deixa de ser simples

A velocidade de avanço do drone e a velocidade da ponta da pá da hélice são dois números diferentes, e o segundo é sempre maior, frequentemente com uma grande margem. As hélices de FPV de corrida giram normalmente a 25.000–50.000+ rpm , e as montagens mais rápidas ultrapassam as 60.000 rpm na aceleração máxima.

Consideremos uma hélice de corrida típica de 5 polegadas (diâmetro de 127 mm, raio da pá de 63,5 mm) a 50.000 rpm: a velocidade da ponta da pá resultante apenas da rotação atinge cerca de 330 m/s — a poucos pontos percentuais da velocidade do som ao nível do mar. Adicione a velocidade de avanço da própria aeronave de 300–400 km/h (83–111 m/s), que se soma diretamente ao lado de avanço do disco, como em qualquer rotor em voo horizontal — e o escoamento local que a ponta da pá em avanço realmente enfrenta pode, no pior dos cenários, exceder o número de Mach 1, e no melhor dos casos, encontra-se profundamente na região transónica.

Isto é importante porque a eficiência da hélice não se degrada suavemente à medida que o número de Mach local aumenta através da gama transónica — ela colapsa, num efeito aerodinâmico bem conhecido e familiar em qualquer conceção de hélice ou rotor: a formação de ondas de choque na pá, um aumento acentuado do arrasto e um aumento súbito do ruído, tudo concentrado nos últimos centímetros da pá, que foram projetados para um regime de escoamento muito mais suave.

2. O arrasto já não escala como nas velocidades de hobby

A potência necessária para superar o arrasto aerodinâmico cresce com o cubo da velocidade. A transição de tranquilos 100 km/h para 400 km/h representa um aumento de velocidade de 4 vezes, e o aumento da potência exigida apenas para superar o arrasto, antes mesmo de considerar o resto do trabalho do sistema de propulsão, é de 64 vezes . Todos os pressupostos de conceção que funcionavam nas velocidades de drones de filmagem ou de entrega — tamanho do motor, taxa de descarga (C-rating) da bateria, margem térmica, cargas estruturais calculadas para uma velocidade de voo «normal» — foram estabelecidos para um ponto completamente diferente nesta curva.

As plataformas de filmagem e de carga, para as quais a maior parte do desenvolvimento de FPV ainda está direcionada, voam a 0–100 km/h. Nesta extremidade da curva, o arrasto aerodinâmico é uma preocupação secundária, atrás do peso e da eficiência em voo estacionário. A 300–400 km/h, torna-se a principal preocupação.

3. As cargas crescem com o quadrado da velocidade, numa estrutura não projetada para tal

A pressão dinâmica — a grandeza que determina as cargas aerodinâmicas na estrutura, nos braços e na carenagem — cresce com o quadrado da velocidade. Uma estrutura de corrida, construída em plástico impresso em 3D e fibra de carbono em prol do peso mínimo e não da margem de carga, enfrenta a 400 km/h uma carga aerodinâmica cerca de 16 vezes maior do que a 100 km/h. Esta carga incide sobre os braços, os suportes dos motores e a carenagem, que foram otimizados para serem o mais leves que a estrutura permitir, e não para suportar um caso de carga quatro vezes superior à velocidade para a qual a plataforma foi testada durante a sua conceção.

Aqueles que já estão a explorar esta gama de velocidades respondem a isto tratando toda a estrutura como um problema aerodinâmico, e não apenas o sistema de propulsão. O atual recorde mundial do Guinness para a velocidade de um quadricóptero — 657,59 km/h, estabelecido numa máquina construída especificamente para o efeito, com hélices de 6 polegadas, motores otimizados de 900 kV e um corpo impresso em 3D numa única peça — foi desenvolvido com uma forma externa otimizada em simulação aerodinâmica precisamente para reduzir o arrasto, e não apenas para ter um aspeto rápido.

4. Por que razão este segmento existe comercialmente, e não apenas para bater recordes

O principal impulsionador real é o setor da defesa: os drones intercetores FPV ucranianos, construídos para alcançar e destruir drones de reconhecimento, relataram publicamente velocidades de cerca de 325 km/h. A lógica é direta: uma plataforma de reconhecimento típica, a voar em velocidade de cruzeiro a cerca de 110 km/h com uma velocidade máxima de cerca de 150 km/h, deve ser alcançada antes que a bateria do intercetor se esgote, e cada km/h extra na velocidade do intercetor encurta diretamente essa perseguição. Este não é um nicho de hobby — é uma categoria ativa e em rápido desenvolvimento, apoiada por requisitos de desempenho rigorosos.

5. Por que razão uma matriz de ventiladores é fisicamente incapaz de testar este segmento

O limite comercial de uma matriz de ventiladores é de cerca de 58 m/s, aproximadamente 209 km/h , mesmo com uma seção de contração instalada para concentrar o escoamento. Isto é pouco mais de metade do que um intercetor necessita a 300–400 km/h. A questão não é que a matriz seja mais barata ou menos capaz; acima de cerca de 200 km/h, simplesmente não é uma opção. Um túnel de vento de circuito fechado, projetado para suportar uma elevada pressão dinâmica numa seção de testes pequena e bem condicionada, é a única classe de instalações de ensaio capaz de atingir esta gama de velocidades com uma qualidade de escoamento suficiente para obter dados utilizáveis.

6. O que uma campanha de testes realmente necessita a esta velocidade

Uma balança dimensionada para a carga, e não apenas para o peso. A estrutura de corrida é leve, mas as cargas aerodinâmicas sobre ela a 400 km/h não o são; a balança e a fixação necessitam de uma margem para a pressão dinâmica, e não apenas para o peso estático.
Um mapa de desempenho da hélice à velocidade real de voo, e não extrapolado de uma bancada. Os efeitos do coeficiente de avanço e da compressibilidade nas pontas das pás apenas se manifestam quando a hélice está efetivamente num escoamento de 300–400 km/h, algo que uma bancada de tração de mesa não consegue reproduzir.
Monitorização estrutural e de vibrações em paralelo com os dados de força. Com esta pressão dinâmica, o flutter dos braços e da carenagem é uma falha real, e não teórica, e deve ser incluído no plano de testes com instrumentação adequada, em vez de ser descoberto após a quebra da peça.
Monitorização da temperatura e da corrente durante períodos prolongados de alta potência. A penalização de 64 vezes na potência ao passar de 100 para 400 km/h tem de ir para algum lado, e os limites térmicos do motor e do controlador (ESC) tornam-se frequentemente o teto prático para a velocidade sustentada, e não apenas a aerodinâmica por si só.
Um incremento de velocidade suficientemente pequeno para captar o «joelho» da compressibilidade , em vez de pontos esparsos entre os quais pode escapar exatamente a velocidade onde a eficiência da hélice começa a cair drasticamente.

7. O que isto significa para o seu programa

Indique-nos a velocidade alvo e a classe da hélice — nós projetaremos a seção de testes e o pacote de instrumentação para essa gama de velocidades, em vez de adaptar uma bancada projetada para plataformas mais lentas. Materiais relacionados:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

стенды тяги винтомоторной группы

Fontes e notas

Gamas de rotação de hélices de FPV de corrida (25.000–50.000 rpm em regime normal, 35.000–60.000+ rpm na aceleração máxima para hélices de corrida de 5 polegadas): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
A velocidade da ponta da pá a 50.000 rpm para uma hélice de 5 polegadas (127 mm), calculada como raio × velocidade angular em relação à velocidade do som ao nível do mar (~340 m/s), é um cálculo ilustrativo próprio da TunnelTech com base nos valores de rotação acima referidos, e não uma citação de uma publicação.
Pressupostos de modelação aerodinâmica (tração e momento de arrasto proporcionais ao quadrado das rotações) que deixam de funcionar a velocidades de corrida, e efeitos não contabilizados (arrasto linear do rotor, sustentação dinâmica, interação rotor-rotor e rotor-corpo, arrasto aerodinâmico do corpo): 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, volume 40, 2024 (arXiv:2301.01755), onde é indicado que as velocidades e acelerações de corrida «excedem os 80 km/h e 4g».
O atual recorde mundial do Guinness para a velocidade de um quadricóptero (657,59 km/h, Peregreen V4, Luke e Mike Bell), detalhes técnicos (hélices de 6 polegadas, motores de 900 kV, corpo impresso em 3D numa única peça, otimização da forma aerodinâmica em simulação): «Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record», New Atlas.
Recorde de velocidade do drone intercetor FPV ucraniano (cerca de 325 km/h, Wild Hornets, anunciado em setembro de 2024) e a justificação operacional contra drones de reconhecimento que voam em velocidade de cruzeiro a cerca de 110 km/h com uma velocidade máxima de cerca de 150 km/h: Defence Express, «325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...».
O limite comercial de velocidade de uma matriz de ventiladores (~58 m/s / ~209 km/h com seção de contração) está em conformidade com o nosso artigo publicado que compara matrizes de ventiladores e túneis de vento de circuito fechado.
As recomendações sobre a metodologia de testes (balança para a carga, monitorização estrutural e de vibrações, instrumentação de temperatura, resolução do incremento de velocidade) representam a prática de engenharia da TunnelTech.

Testes de drones FPV ultrarrápidos: o que muda a 300–400 km/h