Основные принципы и методы расчета.
В сети интернет методу расчета винтомоторной группы придается сакральное значение.
Мы постараемся показать, что это не сложный процесс. В любом случае, при выборе агрегатов следует использовать коллективный опыт, который можно отыскать на профильных форумах — есть целые списки идеально подобранных моторов и пропеллеров, расчитанных под разные задачи. Будь то ВМГ для долголёта, для съемочного дрона с минимальной вибрацией, для гоночного дрона, для бомбардировщика и тд.
ВМГ — винтомоторная группа — это группа состоящая из воздушного винта и двигателя, обеспечивающая определённую подъемную силу, которая необходима для полёта мультироторного летательного аппарата.
Расчет ВМГ начинается с выбора двигателя. В тех.карте двигателя сразу будут указаны рекомендуемые пропеллеры. Эта информация полезна при работе с программой «Ecalc»
При выборе двигателя, нужно определится с полетным весом вашего квадрокоптера, а также тягой, необходимой ему для отрыва от земли.
Необходимую тягу можно прикинуть по следующей формуле:
Необходимая тяга = Полная масса конструкции* 2
Тяговооруженность — это коэффициент, выражающий отношения силы тяги к полной массе летательного аппарата.
При весе снаряженного квадрокоптера 2 кг и тяге 4 кг тяговооруженность составит 2 единицы — это нормальный показатель.
Но если вес летательного аппарата снизить до 1.5 кг, то тяговооруженность составит уже 2.6, что сделает полет более устойчивым, маневренным и комфортным.
На мультикоптерах принято держать тяговооруженность между 2.5 — 3.
Чтобы летать быстро, у гоночных коптеров соотношение тяги к весу будет значительно больше. Нет ничего необычного в том, что у кого-то миникоптер имеет это соотношение 10:1 или даже 13:1. В общем и целом, для акробатики рекомендуется иметь соотношение как минимум 5 к 1.
Тяговооруженность =1 — это когда дрон не сможет взлетать или набирать высоту, но сможет только удерживаться на месте в безветренном помещении.
Чтоб выбрать двигатель и винт для своего первого мультикоптера существует несколько способов:
1. Использовать Калькулятор для мультикоптеров (eCalc).
Это отличный, качественный инструмент, но Вы должны уметь ориентироваться в моделях двигателей и их производителях.Пример работы с ним будет показан в конце лекции.
Здесь можно не искать двигатель по наименованию и производителю, а вводить технические параметры.
2. Самостоятельный расчет по тех.карте двигателя.При таком способе шаг и размер пропеллеров подбирается эмпирически.
3. Взять пример с уже готового мультикоптера.
Надо найти в продаже готовый аппарат, совпадающий с Вашим по массе, и посмотреть в спецификации тип двигателей и пропеллеров и заказать идентичные.
Рассмотрим работу с калькулятором для расчета мультикоптеров.
Важно сразу понять, какой снаряженный вес будет в итоге у аппарата и вести расчеты, отталкиваясь от него. Важен такой момент, что этот калькулятор не знает, возможно ли физически установить пропеллеры расчетного размера на вашу раму и можно ли их вообще ставить на заданные двигатели.
1. Поэтому первым делом определяемся с рамой, узнаем её вес, максимальный размер пропеллеров, которые возможно установить.
2. Подбирая моторы, сразу смотрим на сайте производителя таблицы характеристик с рекомендуемыми пропеллерами. Да, она большая и запутанная, но вдумчивый осмотр позволит выделить важные параметры.возвращайтесь к таблице по мере прочтения текста ниже.
Характеристики моторов SunnySky v3508 kv580
Параметр KV говорит об оптимальных для данного мотора оборотах висения летательного аппарата.
То есть, имея оптимальные обороты висения и вес аппарата, нам придется под них подбирать пропеллеры с нужными параметрами, чтобы добиться оптимальных показателей.
В таблице видно, что для данных моторов производителем рекомендуются 3 вида пропеллеров: 1238, 1447 и 1555.
Во втором столбце видим, что везде значение напряжения стоит 14.8 вольт. То есть данные моторы используются только с 4S батареями.
Для одних и тех же моторов в таблице могут даваться показания для разного вольтажа, и нужно быть очень внимательным, ведь моторы, которые работают и с 11.1 вольтовыми 3S батареями и с 14.8 вольтовыми 4S батареями, допускают разные размеры пропеллеров, так как мотору может просто не хватить мощности раскручивать тяжелые для него пропеллеры, и есть вероятность перевернуть коптер вверх ногами прямо в полёте.
Вот видео-пример, что бывает, когда пропеллеры установлены не рекомендованные и не проверенные в Екалк.
На видео с 17й секунды видно, что при снижении, либо порыве ветра аппарат начинает амплитудно раскачиваться. Закончилось это тем, что коптер перевернулся в воздухе и приземлился вверх ногами на асфальт.
Во-первых, моторы перегреваются и могут вообще перегореть в полёте, во-вторых, у них банально не хватает силы резко раскручивать нужные пропеллеры для стабилизации положения коптера, в итоге аппарат себя раскачивает все сильнее и сильнее.
Вот пример первой конфигурации в программе Ecalk:
Синим помечены параметры, которые мы меняли в таблице с параметров по умолчанию после загрузки страницы.
Зеленым – наиболее важные строки, на которые стоит обращать особое внимание при расчетах.
Как видно, газ висения подобран практически идеально.
Если газ висения будет более 60%, значит аппарат перегружен, нужно пробовать пропеллеры с большим шагом, либо большего размера (если это позволяет рама и характеристики двигателей).
Для примера посчитали эту же конфигурацию, если установить пропеллеры 1447.
Видно, что совсем незначительное увеличение времени полёта ощутимо сказалось на нагрузке аккумулятора, которая возросла с 11 до 15С и нагрузке на мотор.
В максимальном режиме даже выводится предупреждение о превышении допустимой нагрузки.Но при этом полезная нагрузка возросла почти вдвое, а газ висения снизился до 34%, то есть образовался небольшой избыток тяги.
Такая конфигурация подходит для тяжелого навесного оборудования. Но тогда время полёта ощутимо сократится, ведь возрастет вес.
А вот пример, если на такой-же конфигурации использовать батарею большой ёмкости – 16000 mah.
Её вес 1 кг (10С). Но и пропеллеры в расчетах уже ставим не 1255, а 1355, так как возрастет вес аппарата.
Расчетное время полёта в полном снаряжении уже составляет порядка 22 минут, а время висения подбирается к 30 минутам.
На самом деле эти расчеты дают лишь приблизительное время полёта. В теории, в самой первой конфигурации расчетное время полёта 11 минут, а на практике оно составляет 16. А время висения 19 минут до звукового сигнала о достижении на одной из ячеек аккумулятора напряжения в 3,4 вольта под нагрузкой.
Обратите внимание, нагрузка на аккумулятор составляет всего 6.76С.
То есть, чем больше емкость аккумулятора, тем меньше нужно обращать внимание на эту цифру если эта цифра будет не в пределах 30-40, так как данный параметр скажется лишь на весе аккумулятора.
Если расчетная нагрузка имеет запас почти в полтора раза, а пиковая нагрузка на аккумулятор и так обычно превышает почти вдвое заявленный параметр долгосрочной нагрузки (10-20С) (30-45С), нет смысла покупать более дорогой и тяжелый аккумулятор.
Если же нужно собрать настоящий грузоподъемный «долголёт», то тут нужны низко-оборотистые мощные двигатели. Для примера возьмем SunnySky kv380 и 6S батарея.
Рассмотрим вариант расчета ВМГ самостоятельно, без калькулятора.
В сети интернет есть полезная методичка, помогающая понять принцип самостоятельного расчета ВМГ.
Осматривать данную методичку следует от верхнего левого угла.
1. Итак, для начала требуется понять примерную снаряженную массу квадрокоптера — взлетную массу. Пусть будет 2000 грамм вместе с батареей.
2. Под этот вес требуется выбрать мотор, который бы мог на уровне тяги в 50% оторваться от земли.Если посмотреть на тех.карту мотора в методичке, то мы увидим, что 4 мотора при тяге в 50% имеют подъемную силу в 612 грамм на каждый мотор, которых у нас 4 шт. Следовательно мы имеем 2448 грамм подъемной силы.
Соответственно, при тяге в 70%, мы имеем 4000 грамм, что уже равно тяговооруженности в две еденицы.
Это хороший показатель. Значит мотор выбран правильно.
3. Подбираем аккумуляторную батарею.
Для подбора батареи нам надо посмотреть в тех.карте мотора его энергопотребление на тяге в 100%.
В данном случае это 47,77 Ампер х 4 мотора = 191,1 Ампер.
На картинке показана батарея с ёмкостью в 3 Ампера в час и токоотдачей 45С, Это значит, что батарея сможет отдавать ток в 135А(3А*45) продолжительное время и без вреда для неё. Также она сможет отдавать в два раза больше(270А) но в течении нескольких, не более 10 секунд. В нашем случае необходимо подобрать батарею с большим С-рейтингом, если мы хотим использовать данную комплектацию.
Для вычисления времени полёта возьмём среднее значение газа в течении всего полёта 80%. Тогда потребление составит 120А (30А*4) и время полёта будет 3А/120А*60мин = 1,5 минуты.
При более реальной тяге в 70% время работы моторов составит 2 минуты.
Таким образом на примере данных расчетов мы выяснили, что нам нужно либо увеличить емкость и токоотдачу батареи или уменьшать вес коптера с целью уменьшения потребления энергии моторов. Для того чтобы ускорить процесс расчета лучше воспользоваться сервисом eCalc.
Значит, надо будет искать другие моторы, или другую батарею, и т.д.
Вот в таком подборе и заключается первичное проектирование коптера. Моторы, пропеллеры и батарея взаимосвязаны друг с другом. Если изменить что-то одно, оно повлияет на остальное. Меняется вес, меняется потребляемый ток, меняется время полёта и т.д.