Испитивање супербрзих FPV дронова у аеродинамичком тунелу

Триста до четиристотине километара на час звучи као опсег брзина са великом резервом пре него што почне нешто аеродинамички занимљиво — знатно испод брзине звука, сигурно унутар територије коју сваки уџбеник назива „нискобрзинским нестишљивим струјањем“. За летелицу у целини, ово је углавном тачно. За пропелер који се окреће испред ње — није.

Испитивања супербрзих FPV дронова постоје зато што је најбрже растући сегмент малих роторских беспилотних летелица — тркачки дронови и, све чешће, дронови-пресретачи конструисани да сустижу друге летелице — тихо превазишао оквире претпоставки на којима се до сада заснивао остатак развоја малих дронова.

1. Врх лопатице — ту „подзвучно“ престаје да буде једноставно

Брзина кретања дрона унапред и брзина врха лопатице пропелера су два различита броја, при чему је други увек већи, често са великом разликом. Тркачки FPV пропелери се обично окрећу на 25.000–50.000+ o/min , док најбрже конфигурације премашују 60.000 o/min при пуном гасу.

Узмимо за пример типичан тркачки пропелер од 5 инча (пречник 127 mm, полупречник лопатице 63,5 mm) при 50.000 o/min: брзина врха лопатице само од ротације износи приближно 330 m/s — што је унутар неколико процената од брзине звука на нивоу мора. Додајте томе сопствену брзину летелице од 300–400 km/h (83–111 m/s), која се директно сабира са наступајућом страном диска, као код сваког ротора у хоризонталном лету — и локално струјање које наступајући врх лопатице стварно види, у најгорем случају може премашити Махов број 1, а у најбољем се и даље налази дубоко у транссоничној области.

Ово је важно јер степен корисног дејства пропелера не опада постепено са порастом локалног Маховог броја кроз транссонични опсег — он се нагло урушава, услед добро познатог аеродинамичког ефекта присутног код сваке конструкције пропелера или ротора: формирање ударних таласа на лопатици, нагли пораст отпора и скоковит раст буке, све концентрисано на последњим центиметрима лопатице, који су пројектовани за знатно блажи режим струјања.

2. Отпор се више не скалира као при хоби брзинама

Снага потребна за савладавање аеродинамичког отпора расте са кубом брзине. Прелазак са мирних 100 km/h на 400 km/h представља повећање брзине од 4 пута, док потребна снага само за савладавање отпора, пре свега осталог што погонски систем ради, расте 64 пута . Све конструктивне претпоставке које су функционисале при брзинама дронова за снимање или доставу — величина мотора, C-рејтинг батерије, термичка резерва, конструктивна оптерећења прорачуната за „нормалну“ брзину лета — биле су засноване на потпуно другој тачки на овој кривој.

Платформе за снимање и транспорт терета, на које је и даље усмерен већи део развоја FPV-а, лете при брзинама од 0–100 km/h. На овом крају криве, аеродинамички отпор је секундарна брига у поређењу са масом и ефикасношћу лебдења. На 300–400 km/h, он постаје главни фактор.

3. Оптерећења расту са квадратом брзине, на конструкцији која за то није пројектована

Динамички притисак — величина која одређује аеродинамичка оптерећења на рам, кракове и оплату — расте са квадратом брзине. Тркачка летелица, израђена од 3D штампане пластике и карбона ради минималне тежине, а не због резерве носивости, при 400 km/h трпи приближно 16 пута веће аеродинамичко оптерећење него при 100 km/h. Ово оптерећење делује на кракове, носаче мотора и оплату, који су оптимизовани да буду што лакши колико рам дозвољава, а не да издрже случај оптерећења при брзини четири пута већој од оне за коју је платформа уопште тестирана током пројектовања.

Они који већ освајају овај опсег одговарају на то тако што целу летелицу третирају као аеродинамички изазов, а не само њен погонски систем. Актуелни Гинисов светски рекорд у брзини квадрокоптера — 657,59 km/h, постављен на наменски конструисаној машини са пропелерима од 6 инча, појачаним моторима од 900 kV и кућиштем одштампаним на 3D штампачу из једног дела — развијан је са спољашњим обликом оптимизованим кроз аеродинамичке симулације управо ради смањења отпора, а не само због брзог изгледа.

4. Зашто овај сегмент постоји комерцијално, а не само као обарање рекорда

Најочигледнији реални покретач је одбрамбени сектор: украјински FPV дронови-пресретачи, конструисани да сустижу и уништавају извиђачке дронове, јавно су бележили брзине од око 325 km/h. Логика је директна: типична извиђачка платформа, која крстари при брзини од око 110 km/h са максималном брзином од око 150 km/h, мора бити сустигнута пре него што се батерија пресретача испразни, а сваки додатни km/h брзине пресретача директно скраћује ту потеру. Ово није нишни хоби — ово је активна категорија која се брзо развија и иза себе има строге захтеве у погледу перформанси.

5. Зашто матрица вентилатора физички не може да тестира овај сегмент

Комерцијални плафон матрице вентилатора је око 58 m/s, приближно 209 km/h , чак и са уграђеним конфузором који концентрише струјање. То је тек нешто више од половине онога што је потребно пресретачу на 300–400 km/h. Није ствар у томе да је матрица јефтинија или мање способна; изнад приближно 200 km/h она уопште није опција. Аеродинамички тунел затвореног кола, пројектован да издржи висок динамички притисак у малој, добро кондиционираној мерној секцији, једина је класа испитних постројења која достиже овај опсег брзина са квалитетом струјања довољним за употребљиве податке.

6. Шта је заиста потребно кампањи испитивања при овој брзини

Вага пројектована за оптерећење, а не само за тежину. Тркачка летелица је лака, али аеродинамичка оптерећења на њу при 400 km/h нису; ваги и систему за монтажу потребна је резерва за динамички притисак, а не само за статичку тежину.
Мапа карактеристика пропелера при реалној брзини лета, а не екстраполирана са стола. Ефекти коефицијента напредовања и стишљивости на врховима лопатица долазе до изражаја тек када се пропелер заиста налази у струјању од 300–400 km/h, што стони испитни сто за потисак не може да репродукује.
Надзор стања конструкције и вибрација паралелно са подацима о силама. При оваквом динамичком притиску, флатер крака и оплате представља реалан, а не теоретски отказ, и мора се уврстити у план испитивања помоћу инструментације, а не откривати тек након лома дела.
Надзор температуре и струје при дуготрајној високој снази. Пенал од 64 пута веће снаге при преласку са 100 на 400 km/h мора негде да се манифестује, па термичка ограничења мотора и регулатора често постају практични плафон за одрживу брзину, а не само сама аеродинамика.
Довољно мали корак по брзини да би се ухватило „колено“ стишљивости , а не ретке тачке између којих може промаћи управо она брзина при којој степен корисног дејства пропелера почиње нагло да опада.

7. Шта ово значи за ваш програм

Наведите нам циљну брзину и класу пропелера — ми ћемо пројектовати мерну секцију и пакет инструментације за тај опсег брзина, а не адаптирати решење са постројења пројектованог за спорије платформе. Повезани материјали:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

стенды тяги винтомоторной группы

Извори и напомене

Опсези броја обртаја тркачких FPV пропелера (25.000–50.000 o/min у нормалном режиму, 35.000–60.000+ o/min при максималном гасу за тркачке пропелере од 5 инча): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
Брзина врха лопатице при 50.000 o/min за пропелер од 5 инча (127 mm), израчуната као полупречник × угаона брзина у односу на брзину звука на нивоу мора (~340 m/s) — сопствени илустративни прорачун компаније TunnelTech на основу горенаведених података о броју обртаја, а не цитат из публикације.
Претпоставке аеродинамичког моделирања (потисак и момент отпора су пропорционални квадрату броја обртаја), које престају да важе при тркачким брзинама, и неузети у обзир ефекти (линеарни отпор ротора, динамичка узгонска сила, интеракција ротор-ротор и ротор-кућиште, аеродинамички отпор кућишта): 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, том 40, 2024 (arXiv:2301.01755), где је наведено да тркачке брзине и убрзања „премашују 80 km/h и 4g“.
Актуелни Гинисов светски рекорд у брзини квадрокоптера (657,59 km/h, Peregreen V4, Luke и Mike Bell), технички детаљи (пропелери од 6 инча, мотори од 900 kV, кућиште одштампано на 3D штампачу из једног дела, оптимизација аеродинамичког облика у симулацијама): „Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record“, New Atlas.
Рекорд брзине украјинског FPV дрона-пресретача (око 325 km/h, Wild Hornets, објављен у септембру 2024) и експлоатационо оправдање против извиђачких дронова који крстаре при приближно 110 km/h са максималном брзином од око 150 km/h: Defence Express, „325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...“.
Комерцијални плафон брзине матрице вентилатора (~58 m/s / ~209 km/h са конфузором) усаглашен је са нашим објављеним чланком који упоређује матрице вентилатора и аеродинамичке тунеле затвореног кола.
Препоруке за методику испитивања (вага за оптерећење, надзор стања конструкције и вибрација, температурни инструменти, резолуција корака по брзини) — инжењерска пракса компаније TunnelTech.

Испитивање супербрзих FPV дронова: шта се мења на 300–400 km/h