แท่นทดสอบแรงขับใบพัดและอัตราส่วนความก้าวหน้า

โครงการ UAV เกือบทุกโครงการเริ่มต้นการทดสอบระบบขับเคลื่อนด้วยวิธีเดียวกัน: มอเตอร์ไฟฟ้าและใบพัดถูกยึดเข้ากับแท่นทดสอบ, โหลดเซลล์, เครื่องวัดความเร็วรอบ, และตารางแสดงแรงขับเทียบกับคันเร่ง

มันเป็นตารางที่มีประโยชน์ แต่มันก็เป็นตารางของสภาวะการบินเพียงสภาวะเดียวที่อากาศยานแทบไม่ได้ใช้เวลาอยู่กับมันเลย — และการสรุปผลเกี่ยวกับระยะเวลาการบิน ระยะทางบิน หรือการไต่ระดับจากตารางนี้ คือจุดที่หลายโครงการต้องสูญเสียเวลาไปหลายเดือน

1. แรงขับสถิตเป็นเพียงจุดหนึ่งบนเส้นโค้ง

ใบพัดในอากาศนิ่งทำงานที่ อัตราส่วนความก้าวหน้าเป็นศูนย์ (zero advance ratio) อัตราส่วนความก้าวหน้า ซึ่งมักเขียนแทนด้วย J เป็นความสัมพันธ์ระหว่างความเร็วเดินหน้าของอากาศยานกับความเร็วรอบและเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัด การบินลอยตัว (Hover) จะอยู่ที่ J = 0 การบินขึ้นและการไต่ระดับจะอยู่ที่ค่า J ต่ำ ส่วนการบินเดินทาง (Cruise) จะอยู่ในจุดที่สูงขึ้นไปบนเส้นโค้ง

เมื่อค่า J เปลี่ยนแปลง สัมประสิทธิ์แรงขับ สัมประสิทธิ์กำลัง และประสิทธิภาพของใบพัดล้วนเปลี่ยนแปลงไป — และไม่ใช่การเปลี่ยนแปลงเพียงเล็กน้อย ระบบขับเคลื่อนมักมีพฤติกรรมในการทดสอบแบบสถิตแตกต่างจากการบินจริงอย่างมาก ซึ่งนี่คือเหตุผลที่การทดสอบในกระแสลม (in-flow testing) ถือเป็นขั้นตอนที่จำเป็นในการพัฒนาโดรนอย่างจริงจัง ไม่ใช่แค่ทางเลือกเสริมเพื่อการปรับแต่ง รายงานผลการทดสอบในอุโมงค์ลมที่ได้รับการตีพิมพ์ระบุว่า มีความแตกต่างของประสิทธิภาพสูงถึงประมาณ 10% ระหว่าง RPM ต่ำสุดและสูงสุดที่ทดสอบ เมื่ออัตราส่วนความก้าวหน้าไม่เป็นศูนย์

ผลลัพธ์ในทางปฏิบัติคือ: ใบพัดที่ให้ผลลัพธ์ดีที่สุดบนแท่นทดสอบอาจให้ผลลัพธ์แย่ในการบินเดินทาง และคู่ใบพัดที่คุณเลือกใช้ในท้ายที่สุดมักไม่ใช่คู่ที่ให้ค่าสถิตดีที่สุด

2. สิ่งที่การทดสอบระบบขับเคลื่อนที่เหมาะสมควรวัด

แท่นทดสอบที่ติดตั้งภายในอุโมงค์ลมจะให้ข้อมูลที่ครบถ้วนแทนที่จะเป็นเพียงจุดเดียว โดยปกติแล้วจะมีการทดสอบสองรูปแบบ:

สมรรถนะเชิงสถิต (Static performance) — การวัดแรงขับและแรงบิดตลอดย่าน RPM ที่ความเร็วลมเป็นศูนย์ นี่คือค่าอ้างอิงและกรณีของการบินลอยตัว

สมรรถนะในกระแสลมเคลื่อนที่ (Advancing flow performance) — ตั้งค่า RPM ไว้ที่ค่าคงที่ เพิ่มความเร็วอุโมงค์ลมเป็นขั้นๆ บันทึกแรงขับและแรงบิดในแต่ละจุด ทำซ้ำสำหรับการตั้งค่า RPM หลายๆ ค่า จากข้อมูลนี้ คุณจะสามารถสร้างกราฟสัมประสิทธิ์แรงขับ สัมประสิทธิ์กำลัง และประสิทธิภาพเทียบกับอัตราส่วนความก้าวหน้า — ซึ่งเป็นเส้นโค้งที่จำเป็นสำหรับการคำนวณสมรรถนะที่แท้จริง

สิ่งที่วัดพร้อมกันคือ: แรงขับ แรงบิด ความเร็วรอบ กำลังไฟฟ้าขาเข้า (แรงดันและกระแสไฟฟ้า) และความเร็วอ้างอิงของอุโมงค์ลม การวัดประสิทธิภาพโดยไม่วัดกำลังไฟฟ้าขาเข้าจะบอกคุณเกี่ยวกับใบพัดเท่านั้น แต่ถ้ามีการวัดด้วย คุณจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับระบบขับเคลื่อนทั้งระบบ ซึ่งเป็นตัวกำหนดระยะเวลาการบินที่แท้จริง

3. ค่าปรับแก้ที่ไม่มีใครกล่าวถึงในเอกสารข้อมูล (Datasheet)

มีผลกระทบสองประการที่ทำให้ข้อมูลใบพัดในอุโมงค์ลมคลาดเคลื่อน และทั้งสองประการมีวิธีการจัดการที่เป็นที่ยอมรับ:

การกีดขวางการไหล (Blockage) ใบพัดไม่ใช่วัตถุขนาดเล็กเมื่อเทียบกับส่วนทดสอบ และมันจะเร่งการไหลของอากาศผ่านตัวมันเอง วิธีการปรับแก้แบบดั้งเดิมสำหรับการกีดขวางของใบพัดนั้นมีมาตั้งแต่สมัย Glauert (1926) และยังคงถูกใช้งานเป็นประจำจนถึงปัจจุบัน

ความเร็วเฉพาะที่บริเวณจานใบพัด (Local velocity at the disc) เนื่องจากโดยทั่วไปแล้วใบพัดจะถูกทดสอบบนแกนยึด (sting) ที่อยู่ด้านหน้าแฟริ่ง (fairing) ความเร็วที่ใบพัดได้รับจริงจึงต่ำกว่าความเร็วที่วัดได้บริเวณทางเข้าของส่วนทดสอบ ดังนั้นจึงต้องมีการใช้แฟกเตอร์ปรับแก้ความเร็ว

หากข้ามขั้นตอนใดขั้นตอนหนึ่งไป กราฟประสิทธิภาพของคุณจะดูดีเกินจริง ซึ่งจะแสดงให้เห็นก็ต่อเมื่อทำการทดสอบการบินจริง เมื่ออากาศยานไม่สามารถทำระยะเวลาการบินได้ตามตัวเลขที่คาดไว้

4. แท่นทดสอบบนโต๊ะ หรือ อุโมงค์ลม?

คำถาม	แท่นทดสอบบนโต๊ะ	แท่นทดสอบในอุโมงค์ลม
แรงขับขณะลอยตัวและการกวาดค่า RPM	ใช่	ใช่
ขีดจำกัดทางความร้อนของมอเตอร์และ ESC	ใช่	ใช่
ประสิทธิภาพขณะบินเดินทาง	ไม่	ใช่
แรงขับที่มีให้ที่ความเร็วไต่ระดับ	ไม่	ใช่
การเปรียบเทียบใบพัดสำหรับภารกิจจริง	ทำให้เข้าใจผิด	ใช่
ปฏิกิริยาระหว่างโรเตอร์กับโรเตอร์ และโรเตอร์กับโครงสร้าง	ไม่	ใช่ , เมื่อติดตั้งตัวอากาศยาน
การแลกเปลี่ยนระหว่างระดับเสียงกับแรงขับ	ไม่	ใช่ , ในส่วนทดสอบที่ได้รับการปรับปรุงอะคูสติก

แท่นทดสอบบนโต๊ะไม่ได้ไร้ประโยชน์ — มันยังคงเป็นเครื่องมือที่เหมาะสมสำหรับการทดสอบความทนทาน การแช่ความร้อน (thermal soak) และการคัดกรองส่วนประกอบ เพียงแต่มันไม่สามารถตอบคำถามที่เป็นตัวกำหนดระยะทางบินได้

5. สิ่งที่ต้องการจากศูนย์ทดสอบ

หากการทดสอบระบบขับเคลื่อนเป็นกรณีการใช้งานหลัก ข้อกำหนดของอุโมงค์ลมจะเปลี่ยนแปลงไปในลักษณะเฉพาะดังนี้:

คุณภาพและความเสถียรที่ความเร็วต่ำ ส่วนที่น่าสนใจของกราฟอัตราส่วนความก้าวหน้าเริ่มต้นใกล้ศูนย์ ซึ่งเป็นจุดที่การสร้างกระแสลมความเร็วต่ำที่สม่ำเสมอทำได้ยากที่สุด
ขนาดของส่วนทดสอบเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางจานใบพัด ขีดจำกัดการกีดขวางการไหลจะเป็นตัวกำหนดขนาดใบพัดที่ใหญ่ที่สุดที่คุณสามารถทดสอบได้อย่างน่าเชื่อถือ นี่คือตัวเลขที่มักจะบังคับให้ต้องปรับขนาดส่วนทดสอบใหม่ในช่วงท้ายของโครงการ
แท่นยึดที่แข็งแรงและจัดศูนย์ได้ดี การวัดแรงขับและแรงบิดจะดีได้เท่ากับโครงสร้างที่ยึดมอเตอร์ไฟฟ้าไว้เท่านั้น และการสั่นพ้อง (resonance) ในแกนยึดจะปรากฏเป็นสัญญาณรบกวนในข้อมูลของคุณ
โครงสร้างพื้นฐานทางไฟฟ้าที่ตัวแบบ การจ่ายกระแสไฟฟ้าสูง การจัดการแบตเตอรี่อย่างปลอดภัย และเครื่องมือวัดที่สามารถทนทานต่อสภาวะดังกล่าวได้
การเก็บข้อมูลแบบซิงโครไนซ์ ข้อมูลทางกล ไฟฟ้า และการไหลของอากาศบนฐานเวลาเดียวกัน — มิฉะนั้นประสิทธิภาพจะเป็นเพียงการประมาณการ ไม่ใช่การวัดจริง
ความสามารถด้านอะคูสติก (ตัวเลือกเสริม) แรงขับต่อวัตต์และระดับเสียงต่อแรงขับเป็นสองกราฟที่ตัดสินว่าการออกแบบนั้นสามารถผ่านการรับรองได้หรือไม่ ดังนั้นการระบุให้มีชุดไมโครโฟนควบคู่ไปกับเครื่องชั่งตั้งแต่แรกจึงคุ้มค่ากว่าการดัดแปลงติดตั้งเพิ่ม (retrofit) ในภายหลัง

6. ข้อผิดพลาด 5 ประการ

การเปรียบเทียบใบพัดด้วยแรงขับสถิต อันดับจะเปลี่ยนไปตามอัตราส่วนความก้าวหน้า
การละเลยการปรับแก้การกีดขวางการไหลและความเร็ว ทั้งสองอย่างนี้ทำให้สมรรถนะดูสูงเกินจริง
การวัดแรงขับโดยไม่วัดกำลังไฟฟ้า การคาดการณ์ระยะเวลาการบินก็จะเป็นเพียงการเดา
การทดสอบที่ RPM เดียว แผนผังประสิทธิภาพต้องการการทดสอบหลายค่า
การทดสอบเฉพาะใบพัดและคาดหวังว่าตัวอากาศยานจะให้ผลลัพธ์ตรงกัน ผลกระทบจากปฏิกิริยาระหว่างกันนั้นมีอยู่จริงและอาจมีขนาดใหญ่

7. การสร้างขีดความสามารถ

การวัดระบบขับเคลื่อนเป็นหนึ่งในการใช้งานที่มีมูลค่าสูงสุดสำหรับอุโมงค์ลมขนาดพอเหมาะ: ส่วนทดสอบสามารถมีขนาดเล็ก ความเร็วต่ำ และให้ผลตอบแทนทันทีในแง่ของสมรรถนะอากาศยาน นอกจากนี้ยังเป็นขีดความสามารถแรกที่เป็นธรรมชาติสำหรับผู้ผลิต UAV ที่กำลังสร้างโครงสร้างพื้นฐานการทดสอบภายในองค์กร

เราออกแบบอุโมงค์ลมและส่วนทดสอบเพื่อรองรับโปรแกรมประเภทนี้โดยเฉพาะ โดยมีการวางแผนเรื่องแท่นยึด เครื่องมือวัด และการจัดเตรียมระบบไฟฟ้าตั้งแต่ขั้นตอนแนวคิดทางอากาศพลศาสตร์ บทความที่เกี่ยวข้อง:

เครื่องกำเนิดลมแบบอาเรย์พัดลมเทียบกับอุโมงค์ลมแบบวงจรปิด

และ

การทดสอบในอุโมงค์ลมสำหรับการสัญจรทางอากาศในเขตเมือง

แจ้งขนาดใบพัดและช่วงความเร็วของคุณให้เราทราบ แล้วเราจะนำเสนอส่วนทดสอบและชุดเครื่องมือวัดที่เหมาะสม

แหล่งที่มาและหมายเหตุ

แท่นทดสอบภายในอุโมงค์ลมที่วัดแรงขับ แรงบิด และความเร็วรอบ; การทดสอบแบบสถิตตลอดย่าน RPM และการทดสอบในกระแสลมเคลื่อนที่ที่ RPM คงที่โดยเพิ่มความเร็วอุโมงค์ลมเป็นขั้นๆ; การพล็อตกราฟสัมประสิทธิ์และประสิทธิภาพเทียบกับอัตราส่วนความก้าวหน้า; ความแตกต่างของประสิทธิภาพสูงถึงประมาณ 10% ระหว่าง RPM ต่ำสุดและสูงสุดที่ทดสอบเมื่ออัตราส่วนความก้าวหน้าไม่เป็นศูนย์; การปรับแก้การกีดขวางการไหลของ Glauert (1926) และการปรับแก้ความเร็วสำหรับใบพัดที่ทดสอบบนแกนยึดด้านหน้าแฟริ่ง: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
ระเบียบวิธีข้อมูลสมรรถนะใบพัดที่ค่า Reynolds number ต่ำ: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; APC propeller test series, AIAA 2022-4020.
คำจำกัดความของสัมประสิทธิ์แรงขับและสมรรถนะ: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
คำแนะนำสำหรับศูนย์ทดสอบ (การกำหนดขนาดส่วนทดสอบเทียบกับเส้นผ่านศูนย์กลางจานใบพัด, ความแข็งแรงของแท่นยึด, การเก็บข้อมูลแบบซิงโครไนซ์) เป็นแนวทางปฏิบัติด้านวิศวกรรมของ TunnelTech

แท่นทดสอบแรงขับใบพัด: เหตุใดค่าสถิตจึงทำให้เข้าใจผิด และสิ่งที่ควรวัดแทนคืออะไร