การทดสอบโดรน FPV ความเร็วสูงพิเศษในอุโมงค์ลม

ความเร็วสามถึงสี่ร้อยกิโลเมตรต่อชั่วโมงอาจฟังดูเหมือนเป็นช่วงความเร็วที่ยังมีระยะห่างอีกมากก่อนที่จะเกิดปรากฏการณ์ทางอากาศพลศาสตร์ที่น่าสนใจ เนื่องจากยังต่ำกว่าความเร็วเสียงอย่างเห็นได้ชัด และอยู่ในขอบเขตที่ตำราเรียนทุกเล่มเรียกว่า "การไหลแบบไม่สามารถบีบอัดได้ที่ความเร็วต่ำ" (low-speed incompressible flow) สำหรับโครงสร้างอากาศยานโดยรวมแล้ว สิ่งนี้ถือว่าเป็นความจริง แต่สำหรับใบพัดที่หมุนอยู่ด้านหน้านั้นไม่ใช่เลย

การทดสอบโดรน FPV ความเร็วสูงพิเศษ มีความจำเป็นเนื่องจากกลุ่มอากาศยานไร้คนขับ (UAV) แบบปีกหมุนขนาดเล็กที่เติบโตเร็วที่สุด ซึ่งก็คือโดรนแข่ง (racing drones) และโดรนสกัดกั้น (interceptor drones) ที่สร้างขึ้นเพื่อไล่ตามอากาศยานลำอื่น ได้ก้าวข้ามขีดจำกัดของสมมติฐานเดิมๆ ที่ใช้ในการพัฒนาโดรนขนาดเล็กทั่วไปอย่างเงียบๆ

1. ปลายใบพัด — จุดที่คำว่า "ต่ำกว่าความเร็วเสียง" ไม่ใช่เรื่องง่ายอีกต่อไป

ความเร็วในการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าของโดรนและความเร็วที่ปลายใบพัดเป็นตัวเลขสองค่าที่แตกต่างกัน โดยค่าหลังจะสูงกว่าเสมอและมักจะสูงกว่ามาก ใบพัดของโดรน FPV สำหรับแข่งขันมักจะหมุนที่ความเร็ว 25,000–50,000+ RPM และรุ่นที่เร็วที่สุดอาจทำความเร็วได้เกิน 60,000 RPM เมื่อเร่งเครื่องเต็มที่

ลองพิจารณาใบพัดโดรนแข่งขนาด 5 นิ้วทั่วไป (เส้นผ่านศูนย์กลาง 127 mm, รัศมีใบพัด 63.5 mm) ที่ความเร็ว 50,000 RPM: ความเร็วที่ปลายใบพัดซึ่งเกิดจากการหมุนเพียงอย่างเดียวจะอยู่ที่ประมาณ 330 m/s ซึ่งเข้าใกล้ความเร็วเสียงที่ระดับน้ำทะเลโดยมีส่วนต่างเพียงไม่กี่เปอร์เซ็นต์ เมื่อรวมกับความเร็วของตัวโดรนที่ 300–400 km/h (83–111 m/s) ซึ่งจะบวกเพิ่มโดยตรงกับด้านที่ใบพัดหมุนต้านลม (advancing side) เช่นเดียวกับโรเตอร์ทั่วไปในการบินระดับ — กระแสลมเฉพาะที่ (local flow) ที่ปลายใบพัดด้านที่หมุนต้านลมต้องเผชิญ ในกรณีที่แย่ที่สุดอาจมีค่าเกินมัค 1 (Mach 1) และในกรณีที่ดีที่สุดก็ยังคงอยู่ในช่วงความเร็วทรานส์โซนิก (transonic) อย่างหลีกเลี่ยงไม่ได้

สิ่งนี้มีความสำคัญเนื่องจากประสิทธิภาพของใบพัดไม่ได้ลดลงอย่างค่อยเป็นค่อยไปเมื่อเลขมัคเฉพาะที่เพิ่มขึ้นผ่านช่วงทรานส์โซนิก แต่จะลดลงอย่างฮวบฮาบ ซึ่งเป็นปรากฏการณ์ทางอากาศพลศาสตร์ที่รู้จักกันดีในการออกแบบใบพัดหรือโรเตอร์ นั่นคือ การเกิดคลื่นกระแทก (shock waves) บนใบพัด แรงต้านอากาศที่เพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว และระดับเสียงที่พุ่งสูงขึ้นอย่างฉับพลัน โดยทั้งหมดนี้จะกระจุกตัวอยู่ที่บริเวณไม่กี่เซนติเมตรสุดท้ายของปลายใบพัด ซึ่งเดิมทีถูกออกแบบมาสำหรับสภาวะการไหลที่นุ่มนวลกว่ามาก

2. แรงต้านอากาศไม่ได้เพิ่มขึ้นตามสัดส่วนเหมือนในความเร็วระดับงานอดิเรกอีกต่อไป

กำลังที่ต้องใช้ในการเอาชนะแรงต้านอากาศจะเพิ่มขึ้นตามกำลังสาม ของความเร็ว การเปลี่ยนจากความเร็วปกติที่ 100 km/h ไปเป็น 400 km/h คือการเพิ่มความเร็วขึ้น 4 เท่า และกำลังที่ต้องการเพื่อเอาชนะแรงต้านเพียงอย่างเดียว (ยังไม่รวมภาระอื่นๆ ของระบบขับเคลื่อน) จะเพิ่มขึ้นถึง 64 เท่า สมมติฐานการออกแบบทั้งหมดที่เคยใช้ได้ผลกับความเร็วของโดรนถ่ายภาพหรือโดรนส่งของ — ไม่ว่าจะเป็นขนาดมอเตอร์, ค่า C-rating ของแบตเตอรี่, ขีดจำกัดทางความร้อน, และภาระโครงสร้างที่คำนวณสำหรับความเร็วการบิน "ปกติ" — ล้วนถูกสร้างขึ้นสำหรับจุดที่แตกต่างกันอย่างสิ้นเชิงบนเส้นโค้งนี้

แพลตฟอร์มโดรนถ่ายภาพและโดรนขนส่ง ซึ่งยังคงเป็นเป้าหมายหลักของการพัฒนา FPV ส่วนใหญ่ มักจะบินอยู่ที่ความเร็ว 0–100 km/h ในช่วงความเร็วนี้ แรงต้านอากาศถือเป็นข้อกังวลรองจากเรื่องน้ำหนักและประสิทธิภาพในการบินลอยตัว (hovering) แต่ที่ความเร็ว 300–400 km/h แรงต้านอากาศจะกลายเป็นปัจจัยสำคัญอันดับแรก

3. ภาระโครงสร้างเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของความเร็ว บนโครงสร้างที่ไม่ได้ออกแบบมาเพื่อรองรับ

ความดันพลวัต (Dynamic pressure) — ซึ่งเป็นตัวกำหนดภาระทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำต่อเฟรม แขนโดรน และแฟริ่ง (fairing) — จะเพิ่มขึ้นตามกำลังสองของความเร็ว โครงสร้างโดรนแข่งที่สร้างจากพลาสติกพิมพ์ 3 มิติและคาร์บอนไฟเบอร์เพื่อลดน้ำหนักให้เหลือน้อยที่สุด แทนที่จะเผื่อความแข็งแรงไว้ จะต้องเผชิญกับภาระทางอากาศพลศาสตร์ที่สูงขึ้นประมาณ 16 เท่า ที่ความเร็ว 400 km/h เมื่อเทียบกับที่ความเร็ว 100 km/h ภาระนี้จะตกอยู่กับแขนโดรน ฐานยึดมอเตอร์ และแฟริ่ง ซึ่งถูกปรับแต่งให้มีน้ำหนักเบาที่สุดเท่าที่เฟรมจะอำนวย ไม่ใช่เพื่อทนต่อสภาวะภาระที่สูงกว่าความเร็วที่แพลตฟอร์มถูกทดสอบในขั้นตอนการออกแบบถึงสี่เท่า

ผู้ที่กำลังบุกเบิกช่วงความเร็วนี้ตอบสนองต่อปัญหาดังกล่าวโดยมองว่าโครงสร้างอากาศยานทั้งหมดเป็นโจทย์ทางอากาศพลศาสตร์ ไม่ใช่แค่เรื่องของระบบขับเคลื่อนเพียงอย่างเดียว สถิติโลกกินเนสส์ปัจจุบันสำหรับความเร็วของควอดคอปเตอร์อยู่ที่ 657.59 km/h ซึ่งทำได้โดยเครื่องที่สร้างขึ้นเป็นพิเศษพร้อมใบพัดขนาด 6 นิ้ว มอเตอร์ 900 kV ที่ปรับแต่งมาเฉพาะ และตัวถังที่พิมพ์ 3 มิติเป็นชิ้นเดียว — ได้รับการออกแบบโดยมีรูปทรงภายนอกที่ปรับแต่งผ่านการจำลองทางอากาศพลศาสตร์เพื่อลดแรงต้านอากาศโดยเฉพาะ ไม่ใช่แค่เพื่อให้ดูโฉบเฉี่ยวเท่านั้น

4. ทำไมกลุ่มตลาดนี้จึงมีอยู่ในเชิงพาณิชย์ ไม่ใช่แค่เพื่อการทำลายสถิติ

ปัจจัยขับเคลื่อนที่ชัดเจนที่สุดในโลกความเป็นจริงคือด้านการป้องกันประเทศ: โดรนสกัดกั้น FPV ของยูเครนที่สร้างขึ้นเพื่อไล่ตามและทำลายโดรนสอดแนม มีรายงานเปิดเผยว่าสามารถทำความเร็วได้ประมาณ 325 km/h ตรรกะนั้นตรงไปตรงมา: แพลตฟอร์มสอดแนมทั่วไปที่บินลาดตระเวนด้วยความเร็วประมาณ 110 km/h และมีความเร็วสูงสุดประมาณ 150 km/h จะต้องถูกไล่ตามให้ทันก่อนที่แบตเตอรี่ของโดรนสกัดกั้นจะหมด และความเร็วทุกๆ km/h ที่เพิ่มขึ้นของโดรนสกัดกั้นจะช่วยลดระยะเวลาในการไล่ล่าลงโดยตรง นี่ไม่ใช่งานอดิเรกเฉพาะกลุ่ม แต่เป็นหมวดหมู่ที่กำลังพัฒนาอย่างรวดเร็วและมีความต้องการด้านประสิทธิภาพที่เข้มงวดอยู่เบื้องหลัง

5. ทำไมแผงพัดลม (Fan Array) จึงไม่สามารถใช้ทดสอบในกลุ่มนี้ได้ในทางกายภาพ

ขีดจำกัดเชิงพาณิชย์ของแผงพัดลม (Fan Array) อยู่ที่ประมาณ 58 m/s หรือประมาณ 209 km/h — แม้จะมีการติดตั้งส่วนหดตัว (contraction section) เพื่อรวมกระแสลมแล้วก็ตาม ซึ่งนี่เป็นเพียงความเร็วที่มากกว่าครึ่งหนึ่งของสิ่งที่โดรนสกัดกั้นต้องการที่ 300–400 km/h เพียงเล็กน้อย ปัญหาไม่ได้อยู่ที่ว่าแผงพัดลมมีราคาถูกกว่าหรือมีประสิทธิภาพน้อยกว่า แต่ที่ความเร็วสูงกว่า 200 km/h มันไม่สามารถใช้งานได้เลย อุโมงค์ลมแบบวงจรปิด (closed-circuit wind tunnel) ที่ออกแบบมาเพื่อรองรับความดันพลวัตสูงในส่วนทดสอบ (test section) ขนาดเล็กที่มีการปรับสภาพกระแสลมอย่างดี เป็นเพียงแท่นทดสอบประเภทเดียวที่สามารถเข้าถึงช่วงความเร็วนี้ได้ พร้อมกับคุณภาพของกระแสลมที่เพียงพอสำหรับการเก็บข้อมูลที่นำไปใช้ได้จริง

6. สิ่งที่จำเป็นจริงๆ สำหรับแคมเปญการทดสอบที่ความเร็วระดับนี้

เครื่องชั่งที่ออกแบบมาเพื่อรองรับภาระทางอากาศพลศาสตร์ ไม่ใช่แค่น้ำหนัก โครงสร้างโดรนแข่งอาจมีน้ำหนักเบา แต่ภาระทางอากาศพลศาสตร์ที่กระทำต่อตัวโดรนที่ความเร็ว 400 km/h นั้นไม่เบาเลย เครื่องชั่งและจุดยึดจำเป็นต้องมีส่วนเผื่อความปลอดภัยสำหรับความดันพลวัต ไม่ใช่แค่สำหรับน้ำหนักสถิตเท่านั้น
แผนผังประสิทธิภาพของใบพัดที่ความเร็วการบินจริง ไม่ใช่การประมาณค่าจากแท่นทดสอบ ผลกระทบของอัตราส่วนความก้าวหน้า (advance ratio) และความสามารถในการบีบอัดที่ปลายใบพัดจะปรากฏให้เห็นก็ต่อเมื่อใบพัดอยู่ในกระแสลม 300–400 km/h จริงๆ ซึ่งแท่นทดสอบแรงขับบนโต๊ะไม่สามารถจำลองสภาวะนี้ได้
การเฝ้าระวังสภาพโครงสร้างและการสั่นสะเทือนควบคู่ไปกับข้อมูลแรงขับ ด้วยความดันพลวัตระดับนี้ อาการกระพือ (flutter) ของแขนโดรนและแฟริ่งคือความล้มเหลวที่เกิดขึ้นจริง ไม่ใช่แค่ในทางทฤษฎี และจำเป็นต้องรวมอยู่ในการวางแผนทดสอบด้วยเครื่องมือวัด ไม่ใช่มาพบหลังจากที่ชิ้นส่วนพังไปแล้ว
การเฝ้าระวังอุณหภูมิและกระแสไฟฟ้าเมื่อใช้กำลังสูงอย่างต่อเนื่อง ภาระกำลังที่เพิ่มขึ้นถึง 64 เท่าเมื่อเปลี่ยนจาก 100 เป็น 400 km/h จะต้องถูกถ่ายเทไปที่ใดที่หนึ่ง และขีดจำกัดทางความร้อนของมอเตอร์และตัวควบคุมความเร็ว (ESC) มักจะกลายเป็นเพดานจำกัดในทางปฏิบัติสำหรับความเร็วที่ยั่งยืน ไม่ใช่แค่เรื่องของอากาศพลศาสตร์เพียงอย่างเดียว
การปรับเพิ่มความเร็วทีละน้อยอย่างละเอียดเพียงพอเพื่อจับ "จุดหักเห" ของความสามารถในการบีบอัด แทนที่จะใช้จุดทดสอบที่ห่างกันเกินไป ซึ่งอาจทำให้พลาดจุดความเร็วที่ประสิทธิภาพของใบพัดเริ่มลดลงอย่างรวดเร็ว

7. สิ่งนี้มีความหมายอย่างไรต่อโปรแกรมของคุณ

เพียงบอกความเร็วเป้าหมายและคลาสของใบพัดให้เราทราบ — เราจะออกแบบส่วนทดสอบ (test section) และชุดเครื่องมือวัดสำหรับช่วงความเร็วนั้นโดยเฉพาะ ไม่ใช่การดัดแปลงจากแท่นทดสอบที่ออกแบบมาสำหรับแพลตฟอร์มที่ช้ากว่า ข้อมูลที่เกี่ยวข้อง:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

และ

стенды тяги винтомоторной группы

แหล่งที่มาและหมายเหตุ

ช่วงความเร็วรอบของใบพัดโดรน FPV สำหรับแข่งขัน (25,000–50,000 RPM ในโหมดปกติ, 35,000–60,000+ RPM เมื่อเร่งเครื่องเต็มที่สำหรับใบพัดโดรนแข่งขนาด 5 นิ้ว): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
ความเร็วที่ปลายใบพัดที่ 50,000 RPM สำหรับใบพัดขนาด 5 นิ้ว (127 mm) คำนวณจาก รัศมี × ความเร็วเชิงมุม เทียบกับความเร็วเสียงที่ระดับน้ำทะเล (~340 m/s) — เป็นการคำนวณเชิงสาธิตโดย TunnelTech จากตัวเลขความเร็วรอบข้างต้น ไม่ใช่การอ้างอิงจากสิ่งพิมพ์
สมมติฐานการสร้างแบบจำลองทางอากาศพลศาสตร์ (แรงขับและโมเมนต์แรงต้านแปรผันตามกำลังสองของความเร็วรอบ) ซึ่งไม่สามารถใช้ได้ที่ความเร็วระดับแข่งขัน และผลกระทบที่ไม่ได้นำมาพิจารณา (แรงต้านเชิงเส้นของโรเตอร์, แรงยกพลวัต, ปฏิกิริยาระหว่างโรเตอร์กับโรเตอร์ และโรเตอร์กับตัวถัง, แรงต้านอากาศของตัวถัง): 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, เล่มที่ 40, 2024 (arXiv:2301.01755) ซึ่งระบุว่าความเร็วและความเร่งในการแข่งขัน "เกิน 80 km/h และ 4g"
สถิติโลกกินเนสส์ปัจจุบันสำหรับความเร็วของควอดคอปเตอร์ (657.59 km/h, Peregreen V4, Luke และ Mike Bell), รายละเอียดทางเทคนิค (ใบพัดขนาด 6 นิ้ว, มอเตอร์ 900 kV, ตัวถังพิมพ์ 3 มิติชิ้นเดียว, การปรับแต่งรูปทรงทางอากาศพลศาสตร์ในแบบจำลอง): «Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record», New Atlas.
สถิติความเร็วของโดรนสกัดกั้น FPV ของยูเครน (ประมาณ 325 km/h, Wild Hornets, ประกาศเมื่อเดือนกันยายน 2024) และเหตุผลในการปฏิบัติการเพื่อต่อต้านโดรนสอดแนมที่บินลาดตระเวนด้วยความเร็วประมาณ 110 km/h และมีความเร็วสูงสุดประมาณ 150 km/h: Defence Express, «325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...».
ขีดจำกัดความเร็วเชิงพาณิชย์ของแผงพัดลม (~58 m/s / ~209 km/h พร้อมส่วนหดตัว) สอดคล้องกับบทความที่ตีพิมพ์ของเราซึ่งเปรียบเทียบแผงพัดลมกับอุโมงค์ลมแบบวงจรปิด
คำแนะนำเกี่ยวกับวิธีการทดสอบ (เครื่องชั่งที่รองรับภาระ, การเฝ้าระวังสภาพโครงสร้างและการสั่นสะเทือน, เครื่องมือวัดอุณหภูมิ, ความละเอียดในการปรับเพิ่มความเร็ว) — เป็นแนวทางปฏิบัติทางวิศวกรรมของ TunnelTech

การทดสอบโดรน FPV ความเร็วสูงพิเศษ: สิ่งที่เปลี่ยนแปลงที่ความเร็ว 300–400 km/h