В статье объясняются основные термины и понятия, связанные с пропеллерами для квадрокоптеров. Рассматриваются такие параметры как шаг, форма винтов, количество лопастей, вес, жесткость и их влияние на тягу, эффективность и производительность. Даются рекомендации по выбору оптимальных воздушных винтов для различных целей.
Содержание:
- Размеры пропеллеров
- Влияние диаметра и шага лопастей
- Площадь поверхности
- Число лопастей
- Направление вращения
- Как прочесть спецификацию
- Правила выбора пропеллеров для гоночного квадрокоптера
- Тяга и скорость
Размеры пропеллеров для квадрокоптеров
Все пропеллеры для гоночных дронов отличаются друг от друга по размеру и шагу. Под этими параметрами понимают следующее:
- Размер пропеллера — это диаметр диска в дюймах, который образуется при вращении лопастей.
- Шаг лопастей определяется как полное поступательное перемещение винта за один оборот на 360°, которое происходит в идеальных условиях. Иными словами, это расстояние, на которое может «ввинтиться» пропеллер в воздух за цикл вращения, если ему ничего не мешает.
Чем крупнее воздушный винт за счёт увеличения диаметра или шага, либо обоих этих параметров, тем больше энергии требуется для его вращения.
Значение шага и диаметра лопастей
Пропеллер создаёт тягу за счёт вращения лопастей и движения воздуха. Чем быстрее движутся его лопасти, тем больший объем воздуха они могут переместить за единицу времени, и, следовательно, тем сильнее тяга, которую генерирует воздушный винт. Как пример, ни один квадрокоптер не может летать в открытом космосе, потому что там нет воздуха и его тяги.
Если увеличить диаметр пропеллера или шаг лопастей, тяга возрастёт, что приведёт к высокому потреблению тока. Дело в том, что становится больше площадь поверхности, сопротивление и объем перемещаемого лопастями воздуха. Для вращения требуется больше энергии, при условии, что частота оборотов постоянна. Иными словами, диаметр пропеллера или увеличение шага всегда дают прирост скорости, но требуют дополнительной энергии аккумуляторов.
При прочих равных условиях, воздушные винты меньшего диаметра или шага могут вращаться быстрее, потому что не нужно столько мощности и ниже потребление энергии двигателем. Такие квадрокоптеры более устойчивы и лучше отвечают на команды с пульта управления. Быстрое изменение числа оборотов при меньшей инерции способствует повышению стабильности полёта.
Пропеллеры с большим шагом перемещают больше воздуха, что создаёт повышенную турбулентность и вызывает сильное сопротивление лопастям. Реакция на команды замедляется и может потеряться так называемая мгновенная чувствительность. Такие пропеллеры называют тяжелыми — они создают большую тягу и обеспечивают рост максимальной скорости при увеличении тока.
Площадь и форма – пропеллеры «Бычий нос»
Чем больше площадь поверхности лопастей, тем больше воздуха может переместить пропеллер и создать больше тяги. Обратной стороной этого преимущества является высокая потребляемая мощность, приводящая к снижению энергоэффективности.
Форма пропеллера играет очень важную роль в производительности, поскольку с ней связана площадь поверхности. Наиболее заметна разница, вызванная различием кончиков лопастей: заострённых, в форме бычьего носа — Bullnose, и с гибридным вариантом Bullnose — HBN.
Лопасти типа HBN имеют большую площадь поверхности, чем с обычные заострённые. Создавая чуть меньшую тягу, эта форма лопастей является самой эффективной, с точки зрения энергопотребления. Остальные два типа пропеллеров дают значительно больше мощности, но только за счёт увеличения силы тока.
Форма лопастей также влияет на взаимодействие пропеллера с воздушным потоком при вращении. Обычно винты с заостренными или скруглёнными краями работают более эффективно, чем с тупыми или квадратными концами лопастей. Для более точной оценки можно попробовать немного поэкспериментировать и выбрать для себя наиболее подходящий вариант.
Хорошая новость заключается в том, что совершенно не обязательно приобретать пропеллеры всех трёх типов. Несложную модификацию можно провести самостоятельно, при помощи острых ножниц. Например, подрезав кончики у модели 6045, получить из неё самый настоящий винт 5045BN. Если делать это аккуратно, то балансировка пропеллера практически не нарушится.
Число лопастей
Трехлопастные пропеллеры для мини квадрокоптеров не менее популярны, чем обычные двухлопастные. Они одинаково успешно применяются как в гоночных моделях, так и предназначенных для фристайла. Некоторые предпочитают именно тройные лопасти, потому что они способны захватывать больше воздуха. Добавление лопастей увеличивает общею площадь поверхности пропеллера. Он создает большую тягу, но ценой этому является повышенное потребление энергии.
Но существуют пропеллеры с ещё большим числом лопастей — четыре и даже шесть. Считается, что 4-лопастные воздушные винты идеально подходят для полётов в закрытых помещениях и отлично работают в поворотах, повышая манёвренность. Увеличенная площадь поверхности делает их менее эффективными и быстро приводит к снижению максимальных оборотов двигателя.
Еще более странными являются пропеллеры с шестью лопастями. Скорее всего, их делают просто ради шутки, потому что они совсем не эффективны. Для того чтобы их раскрутить до нужных оборотов, при имеющихся в настоящее время моделях моторов, требуется слишком много ампер.
Общее правило, применимое в большинстве случаев: чем больше лопастей, тем ниже эффективность воздушного винта.
Два направления вращения
На каждом квадрокоптере есть два типа двигателей: моторы CW, вращающиеся по часовой стрелке и CCW — против часовой. Это сделано для того, чтобы компенсировать рысканье, вызванное силой инерции. Естественно, что для различных моторов необходимы пропеллеры, которые отличаются направлением вращения. Они также бывают CCW и CW.
Приобретая воздушные винты для гоночного дрона, убедитесь, что они парные или сразу возьмите лопасти CW и CCW, если они продаются отдельно. Надо заметить, что покупка пропеллеров обоих направлениий вращения по отдельности тоже является вполне оправданной. Дело в том, что вероятность поломок лопастей CW или CCW различна и может зависеть от многих факторов. Например, на это может влиять форма гоночной трассы, преимущественное направление полёта на тренировках или даже то, левша или правша конкретный пилот.
Как читать спецификацию
Существует два формата спецификации пропеллеров для квадрокоптеров, которые используют производители: L x P x B или LLPP x B. Несмотря на различный вид, они имеют совершено одинаковый смысл. Параметр L всегда обозначает длину или диаметр пропеллера, P — шаг, а B — количество лопастей.
Например, воздушные винты 6 × 4.5, также известные как 6045, имеют диаметр 6 дюймов и шаг лопастей 4.5. Другим примером может служить популярный вариант 5 x 4 x 3, иногда обозначаемый 5040 × 3. Как следует из спецификации, это трехлопастной пропеллер диаметром 5 дюймов и шагом 4. Суффиксы BN и HBN соответствуют форме винтов «Бычий нос» и гибридный «Бычий нос».
Иногда можно увидеть дополнительные R или C после указания размера, например, 5 x 3R. Здесь буква R означает обратное вращение пропеллера. Такой винт может быть установлен только на двигателе, вал которого крутится по часовой стрелке. Буква C указывает на противоположное направление и такой вариант следует использовать с моторами, вращающимися против часовой стрелки.
Правила выбора пропеллеров
Для того чтобы подобрать оптимальный вариант пропеллеров для гоночного квадрокоптера, нужно учитывать множество различных факторов. Часть из них имеет первостепенное значение и важна для начинающих, а некоторые интересны только профессиональным гонщикам, стремящимся получить высокий результат любой ценой. Ниже приведены основные соображения.
1. Материал
Пропеллеры гоночных квадрокоптеров могут быть сделаны из различных материалов: пластмассового композита, углеродного волокна, дерева или капрона. Каждый тип имеет свои уникальные свойства. Например, углепластиковые и деревянные лопасти очень прочные, ценятся за плавность работы и довольно дороги. Капроновые пропеллеры, наоборот, имеют более низкую стоимость и проще в изготовлении, но обладают высокой эластичностью и отлично подходят для частых тренировок.
Как показывает практика, большинство пилотов старается использовать пропеллеры из так называемого стойкого пластика. Эти лопасти живут намного дольше и могут сэкономить кучу денег в долгосрочной перспективе. Особенность в том, что они обычно не ломаются при аварии, а просто немного деформируются. К сожалению, это не всегда заметно по внешнему виду. Небольшой изгиб лопастей может вызвать вибрацию квадрокоптера, которая мешает работе полётного контроллера и приводит к перегреву двигателя. Используя недорогие пропеллеры из пластмассы, нужно очень внимательно следить за их состоянием.
Не используйте пропеллеры, на которых после аварии появились белые линии или заметны трещинки.
После того как винт был погнут, он может иметь внутренние дефекты, а белые линии в местах деформации указывают на необходимость замены. В противном случае, существует очень большой риск неожиданной поломки пропеллера прямо в полете и новой аварии.
2. Вес пропеллеров
Обычно более лёгкие винты лучше подходят для гоночных квадрокоптеров, чем тяжёлые, потому что они имеют меньший момент инерции. Частота оборотов меняется быстрее и дрон, теоретически, становится более отзывчивым в полете. Лёгкие пропеллеры более универсальны и лучше работают в комплекте с широким диапазоном двигателей, потому что для вращения им нужен меньший крутящий момент.
Большое значение имеет правильное распределение веса по длине лопастей, которое влияет на момент инерции. Чем ближе к ступице двигателя расположен центр масс пропеллера, тем лучше. Но следует помнить, что при этом концы лопастей будут тоньше и их легче сломать. А чем дальше центр масс пропеллера от вала, тем медленнее он будет набирать обороты.
Любой вращающийся воздушный винт имеет свойства гироскопа и стремится сохранить своё положение в пространстве. Чем тяжелее его лопасти, тем менее манёвренным будет квадрокоптер и больше энергии потребуется для управления.
3. Эластичные лопасти
В продаже можно встретить пропеллеры с малой жёсткостью. Они сделаны из недорого капрона, прекрасно выглядят и отлично переносят аварии, но очень имеют плохие лётные качества. Например, очень популярный у новичков Gemfan 5030 настолько мягок, что буквально выгибается в форме конуса, когда двигатель набирает максимальные обороты. Помимо того, что аппарат теряет тягу и падает стабильность полёта, этот пропеллер создаёт громкий и очень неприятный шум на высокой частоте.
Жёсткость очень важна для хорошего пропеллера. Она зависит от типа материала, его количества и всей технологии изготовления. Жёсткие лопасти, как правило, стоят немного дороже эластичных, больше подвержены поломкам при авариях, но имеют лучшие характеристики.
Общие рекомендации по выбору
Выбор конкретных пропеллеров полностью зависит от размера беспилотника и установленных на нём двигателей. Для гоночных моделей обычно используют лопасти 4, 5 и 6 дюймов в сочетании с различными значениями KV моторов. В упрощённом виде это выглядит так:
- Рама 150–180 мм, двигатели 2700KV и более — пропеллеры 4”.
- Рама 210 мм с 2300KV-2700KV моторами — 5” пропеллеры.
- Рама 250 мм, моторы 1900KV-2300KV — 6 дюймов.
На оптимальный шаг воздушного винта, форму и количества лопастей очень сильно влияет вид полётов, для которых предназначен конкретный беспилотник. Не существует единых стандартов и владельцы обычно пробуют собственные варианты и экспериментируют, чтобы получить хороший результат.
Независимо от конкретных предпочтений, необходимо убедиться в том, что размер ступицы пропеллера (отверстия в центре) соответствует диаметру вала двигателя. Большинство 4, 5 и 6-дюймовых лопастей рассчитаны на стандартные 5-миллиметровые валы, но лучше проверять это при покупке.
Соотношение тяги и скорости
Планируя использовать какой-либо тип пропеллеров с определёнными двигателями, важно иметь данные испытаний моторов. Это позволяет понять, какие именно сочетания лучше всего работают вместе. Один и тот же воздушный винт может вести себя по-иному на двух различных двигателях из-за их конструкции, крутящего момента, мощности или других особенностей.
Стендовые испытания выполняются в статической среде — в закрытом помещении без ветра, где двигатель закреплён неподвижно и не испытывает внешних воздействий. Поэтому они не показывают истинной производительности для выбранного сочетания мотора и пропеллера, которые будут наблюдаться в реальности, когда квадрокоптер движется в динамическом воздушном потоке.
Одним из наиболее заметных различий между статическим стендовым испытанием и настоящим полётом является тяга двигателя. Как правило, она бывает на 5–10% меньше в обычных условиях, чем на стенде. Ещё больше это относится к субъективной оценке согласованности двигателя и пропеллера, которая не поддаётся количественному измерению, а определяется по ощущениям пилота.
Другое соображение при выборе заключается в том, как частота оборотов пропеллера влияет на итоговую максимальную скорость квадрокоптера. Здесь важно помнить, что скоростные характеристики аппарата с мощными воздушными винтами, создающими огромную тягу на низких оборотах, могут оказаться намного хуже, чем у дрона с лёгкими лопастями, дающими меньше тяги, но работающими на высоких оборотах.
Существует формула, позволяющая рассчитать теоретическую скорость летательного аппарата:
- Скорость = число оборотов в минуту * шаг пропеллера * 60.
Такой результат может быть получен при идеальных условиях и вытекает из физических принципов, на которых основана работа воздушных винтов. На самом деле квадрокоптер летает намного медленнее. Это связано с сопротивлением воздуха, потерями мощности на ПИД-регуляторе и другими причинами. Истинная скорость обычно не превышает 50% расчётного значения, но формула отлично показывает зависимость от выбранных параметров.
Важность практических экспериментов
Экспериментировать с выбором можно до тех пор, пока тестируемые сочетания лопастей и двигателей удовлетворяют требованиям по потреблению тока. На практике имеет смысл попробовать столько различных пропеллеров, сколько позволяют ваше терпение и финансы. Это обязательно нужно делать, чтобы найти именно тот вариант, который подходит именно вам. Дополнительный плюс экспериментального подхода в том, что все эти полётные испытания, как и любые частые тренировки, очень быстро повышают уровень мастерства пилота.