Пропеллеры нужны для того, чтобы создать подъемную силу с помощью двигателя, они непосредственно влияют на то, как себя будет вести квадрокоптер в воздухе.
При выборе пропеллеров, нужно учитывать 4 основных момента:
- Размер;
- Шаг;
- Конфигурация пропеллеров
- Материал (долговечность).
— Размер. Диаметр окружности, описываемой лопастями;
—
Большой пропеллер будет проталкивать собой больше воздуха и будет тратить много энергии для вращения. Он будет затягивать изменение скорости вращения двигателей, потому что большой и тяжелый. Преимущество больших пропеллеров заключается в хорошей тяге благодаря большой площади лопастей, он будет лучше держать дрон в воздухе.
Пропеллеры малого размера быстрее реагируют на изменение скорости вращения двигателей. Они проталкивают через себя меньше воздуха, соответственно тратят меньше энергии при изменении скорости вращения.
Небольшие пропеллеры ставят на гоночные квадрокоптеры, чтобы очень быстро менять скорость вращения двигателей, совершать быстрые падения, которые не получатся на больших пропеллерах из-за планирования и для быстрого изменения направления полета.
Пропеллеры должны соответствовать двигателям, потому что, если мы поставим 3-дюймовые пропеллеры на двигатель, который рассчитан на 5 дюймовые пропеллеры, то это приведет к чрезвычайно высоким оборотам и большому потреблению энергии из-за маленькой нагрузки от пропеллеров, при этом тяга будет небольшая.Это не только неэффективно, но и очень быстро выведет двигатель из строя (попутно прихватив с собой и регуляторы оборотов), так как он не рассчитан работать на таких оборотах.
Шаг Шаг — это угол наклона каждой лопасти пропеллера.
Данный параметр прописывается производителем в дюймах и рассчитывается, как расстояние, которое может пройти винт за один оборот. Чем больше угол атаки (шаг) лопасти, тем больше это расстояние;
Соотношение диаметра и шага винта должно быть сбалансированным. Меньший шаг винтов приведет к созданию большего крутящего момента и снижению потребляемой двигателями мощности. Если вы планируете использовать ваш квадрокоптер для аэробатики, вам просто необходимы пропеллеры с большим крутящим моментом. Они обеспечат большую скорость и меньшую нагрузку на источник энергии. Кроме того, пропеллеры с меньшим шагом увеличивают стабильность полета.
Пропеллер с большим шагом перемещает больший объем воздуха, что может вызвать турбулентность и привести к вибрации из-за ударов воздушных потоков от пропеллеров по лучам. Если это происходит, просто выберите несущие винты с меньшим шагом.
—
Пропеллер с большим шагом будет медленно реагировать на газ, потреблять больше энергии и будет максимально эффективным на больших оборотах.
Для сравнения представьте пятую скорость в автомобиле, здесь тоже самое — тронуться на 5 передаче вы не сможете, а вот развить еще большею скорость уже будучи на ней — да.
Высокий шаг применяется в пропеллерах для съемочных квадрокоптеров.
Низкий шаг обеспечивает большой крутящий момент на малых оборотах, но у него небольшая тяга и максимальная конечная скорость. В автомобиле это первая и вторая передачи. Двигатель с таким пропеллером будет быстро реагировать на изменение уровня газа, дрон будет очень отзывчивым.
Низкий шаг применяется в пропеллерах для гоночных дронов (мини и микро).
Идеальными пропеллерами для гоночных мини квадрокоптеров считаются пропеллеры с шагом от 4 до 4,5 дюймов, они сочетают в себе хорошую чувствительность, крутящий момент, максимальную скорость и тягу.
Угол атаки. Угол наклона лопасти относительно горизонтальной плоскости;
Если конец лопасти будет иметь тот же угол атаки, что начало лопасти, то винт будет загребать воздух неравномерно, расбалансируя работу всей ВМГ и создавая вибрации.
Тяга лопастей.
Подъёмная сила, которая создаётся винтом.
Масса воздуха, пройдя ометаемую площадь, получает ускорение, под действием силы, создаваемой винтом.На основании третьего закона механики с такой же по величине, но противоположно направленной силой воздух действует на несущий винт.
Конфигурация пропеллеров
Стандартные пропеллеры, используемые в квадрокоптерах бывают:
2-лопастные;
3-лопастные;
4-лопастные;
5-лопастные.
2-лопастной пропеллер
3-лопастной пропеллер
4-лопастной пропеллер
5-лопастной пропеллер
Увеличение числа лопастей компенсирует размер пропеллера, особенно в микросборках (Tiny Whoop, тинивупы), ведь если на маленький дрон на раме 100 мм поставить 2-лопастные пропеллеры, он вряд ли будет адекватно летать и это приведет к большим оборотам двигателей и их перегреву.Поэтому в микросборках всегда 4-лопастные пропеллеры.
4-лопастной микродрон
А на дронах чуть больше — уже 3-лопастные.
Из-за сложной физики и аэродинамики увеличение количества лопастей не так эффективно, как увеличение размера. Винт с удвоенным количеством лопастей не будет работать так же хорошо, как винт с удвоенным размером, но он обеспечивает большую тягу за счет большей мощности.
Увеличение количества лопастей приведет к увеличению тяги и сцепления в воздухе за счет отзывчивости и увеличения потребляемой энергии.
Меньшее количество лопастей предпочтительнее, если требуется более быстрый отклик двигателя, а тяга не так важна.
3-лопастные тинивупы
Серьезные гонщики с современными сверхлегкими гоночными рамами довольно часто используют 2-лопастные пропеллеры, потому что рама настолько легкая, что требуемая тяга намного меньше, и, следовательно, может быть реализован более быстрый отклик легких и менее «тянущих» пропеллеров.
Гоночный квадрокоптер с 4-х дюймовыми винтами
Кстати, многолопастные винты лучше работают в турбулентном потоке от ветра в приземном слое по причине меньшей паразитной пульсации давления при проходе лопастями секторов ометания в косом потоке и пересечении луча! Как результат — меньше трясёт весь аппарат.
Виды лопастей:
— Normal (N) – имеют заострённые на концах лезвия. Это уменьшает тягу, но и снижает расход энергии аккумулятора;
— Bullnose (BN) – бычий нос (закруглённые). В сравнении с предыдущим видом имеют большую площадь, а значит и тягу . Дополнительный вес на кончиках лопастей увеличивает крутящий момент и улучшает чувствительность летательного аппарата по оси рысканья. Из недостатков сильно повышают расход энергии аккумулятора;
— Hybrid Bullnose (HBN) – промежуточный вариант. Данные пропеллеры имеют, как и преимущества, так и недостатки предыдущих двух вариантов.
Рисунок 127 — Виды лопастей
Направление вращения
Для электродвигателей есть два направления вращения.
Несущие винты рассчитаны на вращение по часовой стрелке (CW), либо против часовой стрелки (CCW).
Других обозначений для лопастей не существует.
Направления нужно или чередовать, так как каждый пропеллер создаёт реакционную силу, которая образуется при вращении несущего винта и заставляет корпус вертолёта вращаться в противоположном направлении, или размещать соосно на одном луче, тогда реакционная сила одного компенсирует оную, у второго.
Соостное (коаксиальное) расположение моторов
Рисунок 128 — Направление вращения пропеллеров и их расположение на мультикоптере
Материал
Материал(ы), используемые для изготовления несущих винтов (пропеллеров), могут оказывать умеренное влияние на лётные характеристики, но безопасность должна быть главным приоритетом, особенно, если вы новичок и не опытны.
— Пластмасса (ABS/Нейлон, поликарбонат и т.д.) —Наиболее популярны пластиковые пропеллеры. Они отличаются пластичностью, низкой ценой, широким ассортиментом и высокой степенью доступности. С одной стороны, гибкость лопастей повышает их устойчивость к повреждениям, с другой – вызывает проблемы с балансировкой. Как правило в случае краша, по крайней мере, один пропеллер оказывается сломанным, и пока вы осваиваете дрон и учитесь летать, у вас всегда будет много сломанных пропов.
— Углеродное волокно. Пропеллер изготовленный из углеродного волокна сложнее сломать или согнуть, и, следовательно, при краше, он нанесёт больший ущерб всему, с чем соприкоснётся. Одновременно с этим, карбоновые винты, как правило, хорошо сделаны, более жёсткие (обеспечивают минимальные потери в эффективности), редко требуют балансировки и имеют более лёгкий вес по сравнению с любыми другими материалами исполнения. Такие винты рекомендуется рассматривать только после того, как уровень пилотирования пользователя станет комфортным. К недостаткам материала можно отнести высокую стоимость.
— Композит. Внутри пластик, снаружи покрытие из углеродного волокна. Дешевизна пластика, жёсткость и износостойкость соотносима с карбоновыми пропеллерами. Обладает не высокой ценой.
— Фиброармированный полимер (углеродное волокно, нейлон усиленный карбоном и т.д.) — является «передовой» технологией во многих отношениях. Детали из углеродного волокна всё ещё не очень просты в изготовлении, и поэтому вы платите за них больше, чем за обычный пластиковый винт с аналогичными параметрами.
Рисунок 129 — Материалы для пропеллеров
Выбор материала пропеллеров зависит и от времени года.
Пластмассы для пропеллеров термопластичны, то есть, их жесткость и пластичность зависит от температуры.
Если вы летаете зимой, то лучше ставить пропеллеры из АБС-пластика, так как поликарбонат на холоде дубеет и становится хрупким.
Если вы летаете в жару, то лучше использовать пропеллеры армированные стекловолокном для хорошей жесткости, так как АБС и поликарбонат будут становиться мягкими под действием жары от солнца и дрон потеряет тягу.
Как отличить пластиковый поликарбонатный пропеллер от АБС-пластика?
Первый относительно прозрачный, второй — совсем нет.
Маркировка
Есть два типа обозначений: LLPP x B или L x P x B.
1. LLPP x B, где
— L- длинна (из двух цифр)
— P- шаг
— B- количество лопастей (для двух лопастей может не указываться)
Например, 5045 × 3 – длинна 5,0 дюймов (запятая убирается), шаг 4,5 дюйма (запятая убирается), 3 лопасти.
2. L x P x B
Например, 5 × 45 х 3 – длинна 5 дюймов, шаг 4.5 дюйма, 3 лопасти.
Обозначение направления вращения и профиля лопасти
Иногда в конце присутствует буква R или C. Она определяет направление вращения пропеллера:
— R – по часовой стрелке;
— C – против часовой стрелки.
Также в конце может присутствовать обозначение профиля лопасти:
— N – нормальная (заострённая);
— BN – закруглённая;
— HBN – промежуточная.
Схема установки пропеллеров
Прежде, чем устанавливать пропеллеры на квадрокоптер, вам нужно узнать, в правильную ли сторону будут крутиться моторы.
Большинство квадрокоптеров летает на классической конфигурации, где передние пропеллеры крутятся в сторону камеры.
Классическая схема кручения пропеллеров
В России всё чаще используется реверсивная схема — это когда передние пропеллеры вращаются наружу.Такая конфигурация защищает камеру от дорожной пыли во время взлета и посадки коптера.
Балансировка
Неудовлетворительная балансировка имеет место быть у большинства недорогих пропеллеров.
Чтобы в этом убедиться, достаточно вставить в центральное посадочное отверстие винта карандаш (как правило при дисбалансе одна сторона будет тяжелее другой). В связи с чем настоятельно рекомендуется проводить балансировку своих пропов, перед тем как устанавливать их на моторы. Несбалансированный пропеллер будет вызывать избыточные вибрации, которые в свою очередь отрицательно влияют на работу полётного контролера (проявляется в некорректном поведении дрона в полёте), не говоря уже об увеличении шумности, повышенном износе элементов силовой установки и ухудшении качества съёмки подвешенной камеры.
Балансировочный стенд
Пропеллер может быть уравновешен разными способами, но если вы строите беспилотник с нуля, то в арсенале инструментов обязательно должен быть недорогой балансир пропеллеров, позволяющий легко и просто определять дисбаланс веса в винте.
Для выравнивания веса, вы можете либо отшлифовать наиболее тяжёлую часть пропа (равномерно шлифуется центральная часть лопасти, и не в коем случае не отрезайте часть пропеллера), также можно балансировать путём наклеивания отрезка скотча (тонкий) на более лёгкую лопасть (добавляете отрезки равномерно до тех пор пока не будет достигнут баланс).
Обратите внимание, что чем дальше от центра вы делаете балансировочную модернизацию (шлифование или добавление ленты) пропеллера, тем больше будет эффект, основанный на принципе крутящего момента.