Thử nghiệm drone FPV siêu tốc trong hầm gió

Ba trăm đến bốn trăm km/h nghe có vẻ là một dải tốc độ có biên độ an toàn lớn trước khi xảy ra bất kỳ hiện tượng khí động học thú vị nào — thấp hơn đáng kể so với tốc độ âm thanh, nằm gọn trong vùng mà bất kỳ cuốn sách giáo khoa nào cũng gọi là "dòng chảy không nén được ở tốc độ thấp". Đối với toàn bộ khung máy bay, điều này nhìn chung là đúng. Nhưng đối với cánh quạt quay phía trước nó thì không.

Thử nghiệm drone FPV siêu tốc tồn tại bởi vì phân khúc phát triển nhanh nhất của UAV cánh quạt nhỏ — drone đua và ngày càng phổ biến là drone đánh chặn, được chế tạo để đuổi kịp các thiết bị khác — đã âm thầm vượt ra ngoài những giả định vốn vẫn đang làm nền tảng cho việc phát triển các drone nhỏ khác.

1. Đầu cánh quạt — nơi "cận âm" không còn đơn giản

Tốc độ tiến về phía trước của drone và tốc độ đầu cánh quạt là hai con số khác nhau, và con số thứ hai luôn lớn hơn, thường là lớn hơn rất nhiều. Cánh quạt drone FPV đua thường quay ở mức 25.000–50.000+ vòng/phút , và những cấu hình nhanh nhất vượt quá 60.000 vòng/phút ở mức ga tối đa.

Thử tính toán với một cánh quạt đua 5 inch điển hình (đường kính 127 mm, bán kính cánh 63,5 mm) ở tốc độ 50.000 vòng/phút: tốc độ đầu cánh quạt chỉ từ chuyển động quay đã đạt xấp xỉ 330 m/s — chỉ chênh lệch vài phần trăm so với tốc độ âm thanh ở mực nước biển. Cộng thêm tốc độ bay của chính thiết bị là 300–400 km/h (83–111 m/s), được cộng trực tiếp vào phía cánh tiến của đĩa quay, giống như bất kỳ rôto nào trong bay ngang — và dòng chảy cục bộ mà đầu cánh tiến thực sự gặp phải, trong trường hợp xấu nhất có thể vượt quá số Mach 1, và trong trường hợp tốt nhất vẫn nằm sâu trong vùng tốc độ cận âm cao (transonic).

Điều này rất quan trọng, bởi vì hiệu suất của cánh quạt không suy giảm từ từ khi số Mach cục bộ tăng qua dải tốc độ transonic — nó sụt giảm đột ngột, trong một hiệu ứng khí động học nổi tiếng quen thuộc với bất kỳ thiết kế cánh quạt hay rôto nào: sự hình thành sóng xung kích trên cánh quạt, lực cản tăng vọt và mức ồn (dB(A)) tăng đột biến, tất cả tập trung ở vài centimet cuối của cánh quạt, vốn được thiết kế cho chế độ dòng chảy êm dịu hơn nhiều.

2. Lực cản không còn tăng theo tỷ lệ như ở tốc độ bay giải trí

Công suất tiêu thụ để vượt qua lực cản khí động học tăng theo lập phương của tốc độ. Việc chuyển từ mức 100 km/h êm ái lên 400 km/h là sự gia tăng tốc độ gấp 4 lần, và sự gia tăng công suất yêu cầu chỉ để vượt qua lực cản, ngay cả trước khi tính đến các hoạt động khác của hệ thống động lực, là gấp 64 lần . Mọi giả định thiết kế từng hiệu quả ở tốc độ của drone quay phim hoặc giao hàng — kích thước động cơ, chỉ số dòng xả (C-rating) của pin, biên độ nhiệt, tải trọng kết cấu được tính toán cho tốc độ bay "bình thường" — đều được xây dựng cho một điểm hoàn toàn khác trên đường cong này.

Các nền tảng quay phim và chở hàng, vốn vẫn là mục tiêu của phần lớn hoạt động phát triển FPV, bay ở tốc độ 0–100 km/h. Ở rìa này của đường cong, lực cản khí động học chỉ là mối quan tâm thứ yếu sau khối lượng và hiệu suất bay lơ lửng. Nhưng ở 300–400 km/h, nó trở thành yếu tố chính.

3. Tải trọng tăng theo bình phương tốc độ, trên một kết cấu không được thiết kế cho điều đó

Áp suất động — đại lượng quyết định tải trọng khí động học lên khung, tay arm và vỏ ốp — tăng theo bình phương tốc độ. Một khung drone đua, được chế tạo từ nhựa in 3D và carbon vì mục đích giảm thiểu trọng lượng thay vì dự trữ tải trọng, sẽ phải chịu tải trọng khí động học lớn hơn khoảng 16 lần ở tốc độ 400 km/h so với ở 100 km/h. Tải trọng này tác động lên các tay arm, ngàm gắn động cơ và vỏ ốp, vốn được tối ưu hóa để nhẹ nhất có thể trong giới hạn của khung, chứ không phải để chịu đựng trường hợp tải trọng cao gấp bốn lần tốc độ mà nền tảng này được thử nghiệm khi thiết kế.

Những người đang chinh phục dải tốc độ này phản ứng lại bằng cách coi toàn bộ khung máy bay là một bài toán khí động học, chứ không chỉ riêng hệ thống động lực. Kỷ lục Guinness thế giới hiện tại về tốc độ của quadcopter là 657,59 km/h, được thiết lập trên một cỗ máy chế tạo đặc biệt với cánh quạt 6 inch, động cơ tăng cường 900 kV và thân máy in 3D nguyên khối — được phát triển với hình dáng bên ngoài tối ưu hóa trong mô phỏng khí động học chính xác là để giảm lực cản, chứ không chỉ để trông có vẻ nhanh.

4. Tại sao phân khúc này tồn tại về mặt thương mại, chứ không chỉ là những chuyến bay lập kỷ lục

Động lực thực tế rõ ràng nhất là quốc phòng: các drone FPV đánh chặn của Ukraine, được chế tạo để đuổi theo và tiêu diệt drone trinh sát, đã được báo cáo công khai đạt tốc độ khoảng 325 km/h. Logic rất trực tiếp: một nền tảng trinh sát điển hình, bay hành trình ở khoảng 110 km/h với tốc độ tối đa khoảng 150 km/h, phải bị đuổi kịp trước khi drone đánh chặn cạn pin, và mỗi km/h tốc độ tăng thêm của drone đánh chặn sẽ trực tiếp rút ngắn cuộc truy đuổi này. Đây không phải là một sở thích ngách — đây là một danh mục đang phát triển nhanh chóng, năng động với yêu cầu khắt khe về hiệu suất ở phía sau.

5. Tại sao ma trận quạt không thể thử nghiệm phân khúc này về mặt vật lý

Giới hạn thương mại của ma trận quạt là khoảng 58 m/s, xấp xỉ 209 km/h , — ngay cả khi được lắp đặt đoạn thu hẹp để tập trung dòng chảy. Con số này chỉ nhỉnh hơn một nửa so với những gì một drone đánh chặn cần ở 300–400 km/h. Vấn đề không phải là ma trận quạt rẻ hơn hay kém khả năng hơn; mà là trên mức khoảng 200 km/h, nó hoàn toàn không phải là một lựa chọn. Hầm gió mạch kín, được thiết kế để chịu áp suất động cao trong một đoạn thử nghiệm nhỏ, được điều hòa tốt, là loại bệ thử duy nhất đạt được dải tốc độ này với chất lượng dòng chảy đủ tốt để cung cấp dữ liệu khả dụng.

6. Một chiến dịch thử nghiệm ở tốc độ này thực sự cần những gì

Hệ thống cân đo được thiết kế cho tải trọng khí động học, chứ không chỉ trọng lượng tĩnh. Khung drone đua tuy nhẹ, nhưng tải trọng khí động học tác dụng lên nó ở 400 km/h thì không; hệ thống cân và ngàm gắn cần có biên độ dự trữ cho áp suất động, chứ không chỉ cho trọng lượng tĩnh.
Bản đồ đặc tính cánh quạt ở tốc độ bay thực tế, chứ không phải ngoại suy từ bệ thử. Các hiệu ứng của hệ số tiến và tính nén được ở đầu cánh quạt chỉ xuất hiện khi cánh quạt thực sự nằm trong dòng chảy 300–400 km/h, điều mà bệ thử lực đẩy trên bàn không thể tái tạo được.
Giám sát tình trạng kết cấu và rung động song song với dữ liệu lực. Ở mức áp suất động như vậy, hiện tượng flutter của tay arm và vỏ ốp là một hỏng hóc thực tế, chứ không phải lý thuyết, và nó cần được đưa vào kế hoạch thử nghiệm bằng các thiết bị đo lường, chứ không phải phát hiện sau khi chi tiết đã gãy.
Giám sát nhiệt độ và dòng điện khi hoạt động ở công suất cao trong thời gian dài. Mức phạt công suất gấp 64 lần khi chuyển từ 100 lên 400 km/h phải tiêu tán đi đâu đó, và giới hạn nhiệt của động cơ cùng bộ điều tốc thường trở thành trần thực tế cho tốc độ duy trì, chứ không chỉ riêng yếu tố khí động học.
Bước tăng tốc độ đủ nhỏ để bắt được "điểm gãy" của tính nén được , thay vì các điểm thưa thớt mà ở giữa chúng có thể bỏ lọt chính xác mức tốc độ nơi hiệu suất cánh quạt bắt đầu sụt giảm mạnh.

7. Điều này có ý nghĩa gì đối với chương trình của bạn

Hãy cho chúng tôi biết tốc độ mục tiêu và phân khúc cánh quạt của bạn — chúng tôi sẽ thiết kế đoạn thử nghiệm và gói thiết bị đo lường cho dải tốc độ này, chứ không phải điều chỉnh từ một bệ thử được thiết kế cho các nền tảng chậm hơn. Tài liệu liên quan:

вентиляторная матрица против замкнутой трубы

và

стенды тяги винтомоторной группы

Nguồn và chú thích

Dải tốc độ quay của cánh quạt drone FPV đua (25.000–50.000 vòng/phút ở chế độ bình thường, 35.000–60.000+ vòng/phút ở mức ga tối đa cho cánh quạt đua 5 inch): How Fast Do Drone Propellers Spin? RPM Ranges Explained, DroneNestle.
Tốc độ đầu cánh quạt ở 50.000 vòng/phút cho cánh quạt 5 inch (127 mm), được tính bằng bán kính × tốc độ góc so với tốc độ âm thanh ở mực nước biển (~340 m/s), — là tính toán minh họa nội bộ của TunnelTech dựa trên các số liệu vòng tua ở trên, không phải trích dẫn từ ấn phẩm.
Các giả định mô phỏng khí động học (lực đẩy và mô-men cản tỷ lệ thuận với bình phương tốc độ quay), không còn hiệu quả ở tốc độ đua, và các hiệu ứng chưa được tính đến (lực cản tuyến tính của rôto, lực nâng động lực học, tương tác rôto-rôto và rôto-thân máy, lực cản khí động học của thân máy): 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, tập 40, 2024 (arXiv:2301.01755), trong đó chỉ ra rằng tốc độ và gia tốc đua "vượt quá 80 km/h và 4g".
Kỷ lục Guinness thế giới hiện tại về tốc độ của quadcopter (657,59 km/h, Peregreen V4, Luke và Mike Bell), chi tiết kỹ thuật (cánh quạt 6 inch, động cơ 900 kV, thân máy in 3D nguyên khối, tối ưu hóa hình dáng khí động học trong mô phỏng): «Watch: World's fastest drone hits 408 mph to reclaim speed record», New Atlas.
Kỷ lục tốc độ của drone FPV đánh chặn Ukraine (khoảng 325 km/h, Wild Hornets, công bố vào tháng 9 năm 2024) và cơ sở vận hành chống lại drone trinh sát bay hành trình ở khoảng 110 km/h với tốc độ tối đa khoảng 150 km/h: Defence Express, «325 km/h: While Ukraine Breaks New Speed Record For Armed FPV Drone...».
Giới hạn tốc độ thương mại của ma trận quạt (~58 m/s / ~209 km/h với đoạn thu hẹp) phù hợp với bài báo đã xuất bản của chúng tôi so sánh ma trận quạt và hầm gió mạch kín.
Các khuyến nghị về phương pháp thử nghiệm (hệ thống cân chịu tải, giám sát tình trạng kết cấu và rung động, thiết bị đo nhiệt độ, độ phân giải bước tốc độ) — thực tiễn kỹ thuật của TunnelTech.

Thử nghiệm drone FPV siêu tốc: Điều gì thay đổi ở tốc độ 300–400 km/h