RCTESTFLIGHT собрал 41-дюймовый квадрокоптер с переменным шагом лопастей и обошёл прямой привод по КПД

Инженер и автор YouTube-канала RCTESTFLIGHT Дэниел Райли завершил проект по созданию крупноформатного квадрокоптера с переменным шагом лопастей, ремённым редуктором и моторами с фиксированными оборотами. Итог — 41-дюймовый дрон, который в тестах на эффективность показывает 18,1 грамма тяги на ватт в режиме зависания и до 33 граммов на ватт на стенде. Это выше, чем у нескольких прямоприводных моторов известных производителей при сопоставимом уровне тяги.

Основная идея Райли — решить проблему эффективности роторов в мультикоптерах, связанную с нагрузкой на диск ротора. Маленькие пропеллеры в FPV имеют высокую нагрузку на площадь диска, что снижает КПД. В то же время крупные, медленно вращающиеся лопасти более эффективны, но традиционные квадрокоптеры не могут стабилизироваться из-за высокой инерции больших пропеллеров, требующей быстрой смены оборотов моторов. Райли обошёл это, полностью отделив стабилизацию от изменения оборотов: все четыре мотора вращаются с постоянной скоростью, а управление тягой и наклоном достигается изменением угла атаки лопастей.

В конструкции использован мотор 5010 360KV с ремённым редуктором, который приводит в движение вал с пропеллером. Райли экспериментировал с разными передаточными числами, выбрав оптимальным вариант с 165-зубчатым ведомым шкивом. Лопасти длиной 41 дюйм напечатаны на 3D-принтере из PETG в двух частях, скреплённых карбоновыми трубками. Управление шагом лопастей реализовано через полый вал с толкателем, который соединён с сервоприводами.

На стенде дрон развивает до 2,5 кг тяги при чуть менее 500 оборотах в минуту. Максимальная эффективность достигается при 350 граммах тяги — 33 грамма на ватт, что превосходит прямоприводные пропеллеры на том же моторе, включая данные T-Motor с 30-дюймовым пропом. Несмотря на аэродинамические потери из-за шероховатой поверхности PETG и механические потери в ремённом приводе, система с редуктором показывает лучшие результаты.

В полёте квадрокоптер заметно тише обычных дронов — отсутствует характерный писк PWM-моторов, слышны только шум лопастей и работа сервоприводов. При зависании потребление энергии на 5–10 ватт ниже, чем у сравнимого по тяге квадрокоптера с 18-дюймовыми пропеллерами, при этом вес последнего на 700 грамм меньше. По тяге на ватт это даёт 18,1 г/Вт против 11,8 г/Вт у классического варианта — прирост эффективности примерно в полтора раза. Однако Райли отмечает, что сравнение не идеально из-за разницы в весе и нагрузке.

Главной проблемой остаются вибрации. Балансировка 41-дюймовых 3D-печатных лопастей вручную не устраняет колебания полностью. Райли нашёл минимально стабильные обороты, при которых дрон может взлетать и стабилизироваться, но выше которых резонанс становится неконтролируемым. В одном из тестов с отрицательным шагом лопастей дрон смог плавно снижаться с работающими моторами, имитируя авторотацию, хотя для полноценного авторотационного спуска моторы должны свободно вращаться.

Проект Райли выделяется тщательностью измерений и открытостью данных — он публикует калибровки, сравнения и документирует аварии. Это редкий случай, когда самодельный, 3D-печатный и ремённый привод с переменным шагом реально превосходит коммерческие прямоприводные моторы по эффективности.

В целом, опыт RCTESTFLIGHT показывает, что переменный шаг и редуктор — не просто теоретические идеи, а рабочие инженерные решения, способные улучшить эффективность больших мультикоптеров, пусть и с некоторыми техническими сложностями, такими как вибрации и механическая сложность.

Источник: Dronexl.com