Drony na míru

Vývoj UAV 11 min čtení

Tah motoru dronu: jak spočítat, co uzvedne

Statický tah z katalogu není tah v letu. Poměr tahu k hmotnosti, jak číst datasheet motoru a co ta čísla v provozu reálně snižuje.

Miroslav Jaroš · odborná kontrola: ITHOPE

Jeden motor s vrtulí upnutý na dílenském zkušebním stavu, vedle laboratorní zdroj a měřicí modul s kabely.

tah se nevybírá „od oka podle hmotnosti”. Nejdřív se sečte celková vzletová hmotnost v letovém stavu — včetně payloadu, držáků, kabeláže a spojovacího materiálu. Pak se rozhodne, jaký poměr tahu k hmotnosti má stroj mít, tedy kolik rezervy nad visením zbývá na manévr, vítr a chybu. Teprve pak se hledá kombinace motor–vrtule–napětí, jejíž statický tah ten požadavek splní se zásobou. Čísla v tabulkách výrobců jsou ale hodnoty ze zkušebního stavu, ne z letu, a v provozu se z nich část ztratí. Poslední slovo proto nemá katalog ani kalkulačka, ale měření té konkrétní sestavy.

Statický tah: co to je a co to není

Když u motoru najdete údaj „max. thrust”, jde skoro vždy o statický tah: sílu, kterou motor s konkrétní vrtulí vyvine na pevném stavu, kde se nic nepohybuje dopředu a vrtule si nasává vzduch sama. Je to dobře opakovatelná veličina — a zároveň dost zvláštní pracovní bod.

Aerodynamicky je statický režim pro vrtuli spíš okrajová situace. Server MH AeroTools, který se profilům a vrtulím věnuje dlouhodobě, to shrnuje bez obalu: vrtule navržená pro let se ve statických podmínkách nechová dobře, proud vzduchu je silně zdeformovaný a dosažený tah bývá jen kolem poloviny ideálního teoretického předpokladu nebo méně. Tentýž zdroj dodává, že změřit statický tah je snadné, ale spočítat ho dopředu je „velmi komplikované a jen s nižší mírou jistoty” než výpočet v okolí návrhového bodu. (Obecná aerodynamika vrtulí, ne měření našeho stroje.)

Z toho plynou dva závěry. Zaprvé: statický tah je srovnávací číslo — umožní porovnat dvě kombinace a odhadnout, jestli má sestava šanci vzlétnout. Zadruhé: není to výkonový slib pro let. Jakmile se stroj rozjede dopředu, mění se úhel mezi rovinou vrtule a nabíhajícím proudem a aerodynamika rotoru se změní — tomu se věnuje třeba práce z Flying Machine Areny na ETH Zürich o tahu a odporu vrtule v dopředném letu.

Právě proto tenhle článek nepřináší žádný „náš vzoreček”, do kterého se dosadí hmotnost a vypadne motor. Popisuje princip a to, čeho si při čtení čísel všímat. Návrh pohonu konkrétního stroje děláme na poptávku, na konkrétních datech a s měřením.

Poměr tahu a hmotnosti: proč se nestaví na hranu

Ve visení platí jednoduchá podmínka: součet tahu všech vrtulí se rovná tíze stroje. Nic víc. Všechno ostatní — stoupání, náklon, dorovnání po poryvu, návrat s vybitou baterií, reakce na chybu pilota — se platí z rozdílu mezi tím, co pohon umí, a tím, co je potřeba na pouhé udržení ve vzduchu. Tomu rozdílu se říká rezerva a vyjadřuje se jako poměr maximálního tahu k celkové vzletové hmotnosti.

Aritmetika je průhledná. Poměr 2 : 1 znamená, že stroj visí zhruba v polovině dostupného tahu a druhá polovina zbývá na všechno ostatní; poměr 1,3 : 1 znamená, že vis spotřebuje většinu rozsahu a na manévr zbývá málo. Běžné konstrukční příručky a on-line kalkulačky uvádějí kolem 2 : 1 jako spodní mez pro klidný, snímkovací let a vyšší hodnoty pro dynamické létání. Berte to jako orientaci, jak se o problému uvažuje — ne jako pravidlo, které bychom bez znalosti sestavy aplikovali na váš stroj.

Rezerva není luxus, ale bezpečnostní veličina, a ukusuje se z ní z několika stran najednou:

  • Řízení náklonu funguje přidáním a ubráním. Aby se multikoptéra naklonila, musí jedné dvojici motorů přidat. Když stroj visí vysoko v rozsahu, není kam přidávat — autorita řízení dojde dřív, než by kdo čekal.
  • Charakteristika není lineární. Proud roste s otáčkami rychleji než tah, takže každý další newton v horní části rozsahu stojí víc než ve spodní. Provoz „na doraz” je proto i energeticky nejdražší varianta.
  • Nesymetrie payloadu ukusuje rezervu trvale. Když je hmota rozložená nesouměrně, regulátor to vyrovná tím, že části motorů natrvalo přidá — a přetížená strana pak narazí na strop první. Podrobně je to v článku o tom, co přidaná kamera udělá s těžištěm a hmotností.

Proto se v seriózním návrhu nemíří na „právě tak akorát”. Míří se na rezervu, která zbude i po tom, co se sečtou všechny ztráty popsané níž.

Jak číst tabulku výrobce

Solidní výrobce motorů nepublikuje jedno číslo, ale celý měřicí protokol. Příkladem je stránka motoru T-MOTOR MN5212, kde tabulka obsahuje sloupce Voltage (V), Prop, Throttle, Current (A), Power (W), Thrust (G), RPM, Efficiency (G/W), Torque (N·m) a Operating Temperature (℃). U teploty je navíc uvedená podmínka měření: jde o povrchovou teplotu motoru při 100 % plynu po deseti minutách chodu. (Zdroj: produktová stránka výrobce, odkaz níže. Je to tabulka výrobce, ne let — hodnoty platí pro jeho zkušební stav a jeho podmínky, ne pro váš stroj.)

Právě ta struktura je návod, jak se má tabulka číst:

  1. Řádek platí jako celek. Tah patří ke konkrétní kombinaci napětí, vrtule a plynu. Vytrhnout z něj samotné číslo a přenést ho na jinou vrtuli nebo jiný počet článků nemá smysl.
  2. Maximum není provozní bod. Nejvyšší řádek je hraniční stav, ne režim, ve kterém má stroj létat.
  3. Účinnost (g/W) je zajímavější číslo než tah. Rozhoduje o tom, kolik energie stojí udržení stroje ve vzduchu — a dvě kombinace se stejným maximem se v ní mohou lišit výrazně.
  4. Teplota je součást zadání. Podmínka „po deseti minutách na plný plyn” je informace o tepelném stropu. Trvalé zatížení blízko maxima je jiná úloha než krátká špička.
  5. Chybí-li podmínky měření, číslo je jen marketing. Bez uvedeného napětí, vrtule, plynu a teploty není údaj s čím porovnat.

A ještě jedna zásada: tahy různých výrobců nejsou navzájem srovnatelné. Tyto Robotics, která zkušební stavy pro pohony UAV vyrábí, to říká přímo — testování není standardizované, takže není možné komponenty napříč výrobci porovnávat, a výrobci podle nich mohou výkon svého produktu i nadsazovat. Sčítat čísla ze dvou různých katalogů a vydávat výsledek za návrh pohonu je proto přesně ta chyba, kterou tenhle článek chce zarazit. Veřejné databáze měření na jednotném stavu jsou o stupeň lepší, ale pořád popisují jinou sestavu než tu vaši.

Co tabulkový tah reálně snižuje

Rozdíl mezi tabulkou a realitou nevzniká z jedné příčiny. Sčítají se tři, které jsou v provozu pravidelně přítomné.

Napětí pod zátěží

Tabulka bývá pořízená při stabilním napětí. Reálný stroj má baterii s vnitřním odporem, kabely, konektory a pájené spoje — a na každém z nich při proudu vzniká úbytek. Čím větší proud, tím větší propad napětí na svorkách, a regulátor podle vstupního napětí určuje dosažitelné otáčky. Výsledek: méně tahu právě ve chvíli, kdy je ho potřeba nejvíc.

Tyto Robotics na to výslovně upozorňuje jako na zdroj rozdílu mezi měřeními: úbytek napětí uvnitř LiPol baterie může výrazně ovlivnit naměřený výkon oproti měření ze zdroje s prakticky konstantním výstupem. Tabulka z laboratorního zdroje je tedy vůči letu na baterii optimistická — a rozdíl roste se stářím baterie, s délkou kabelů a s tím, jak nízko je pakét vybitý.

Teplota a hustota vzduchu

Vrtule pracuje se vzduchem, a kolik ho je, závisí na teplotě, tlaku a vlhkosti. S rostoucí teplotou hustota vzduchu klesá a s ní klesá i tah — tomu se v letectví říká hustotní výška a patří to k běžnému plánování výkonů. Stejná sestava se proto v horkém odpoledni chová jinak než za chladného rána, aniž by se na ní cokoli změnilo.

Druhá teplotní věc je samotný pohon: motor i regulátor mají tepelný strop a při dlouhém provozu blízko maxima se k němu blíží. Údaj o provozní teplotě v tabulce výrobce je proto zároveň informace o tom, jak dlouho se dá takové zatížení držet.

Opotřebená nebo poškozená vrtule

Vrtule se opotřebovává nejrychleji a nejnenápadněji z celého pohonu. Naštípnutá náběžná hrana, drobná eroze od písku nebo vody, mírné prohnutí listu — všechno to zhoršuje aerodynamiku a rozhazuje vyvážení. Tyto Robotics k tomu poznamenává, že poškození není vždycky patrné a že i drobná eroze od vody nebo nečistot dokáže ovlivnit účinnost pohonu. Nevyvážená vrtule navíc do konstrukce pumpuje vibrace, které zhoršují data ze senzorů řídicí jednotky, zatěžují ložiska a projeví se na obraze.

Pravidlo je nudné, ale funguje: vrtule je spotřební díl. Vrtule vlastní výroby přitom nenabízíme — spolu s vysoce zatíženými rameny a částmi řízení patří mezi letově kritické díly, které se bez výpočtu a zkoušky dodávat nemají.

K tomu se přidávají dvě položky mimo pohon: payload si často bere proud sám (kamera, převodník, záznamové zařízení) a dopředný let s větrem posouvá pracovní bod jinam, než kde ho měřil stav.

Proč finále patří na zkušební stav

Sečteno: z katalogu se dá udělat výběr kandidátů, ne rozhodnutí. Katalogová čísla platí pro cizí sestavu, cizí napájení a cizí podmínky.

Zkušební stav ten rozdíl uzavře, protože se na něm měří ta konkrétní kombinace: motor, vrtule, regulátor a napájení, které opravdu poletí. Vypadne z něj to, co katalog neumí — tah v provozním bodě, proud a účinnost při daném plynu, tepelné chování v čase a chování při propadu napětí ke konci baterie. A hlavně: u každého čísla víte, za jakých podmínek vzniklo. I stav má ale svou hranici — Tyto Robotics to říká přímo, slouží k charakterizaci pohonu, není to nástroj pro dynamické testování.

Proto v tomhle článku nenajdete žádnou nosnost, dobu letu ani „tolik gramů uzvednete”. Taková čísla uvádíme jen tehdy, když je na konkrétní sestavě naměříme a umíme popsat podmínky měření. Kdo je slíbí bez měření, hádá — a hádá na cizím stroji.

Pořadí, které dává smysl, je nakonec vždycky stejné:

  1. Zvážit stroj v letovém stavu včetně payloadu, držáků a kabeláže.
  2. Stanovit požadovanou rezervu podle toho, jak a kde se má létat.
  3. Vybrat kandidátní kombinace motor–vrtule–napětí z tabulek výrobce, s vědomím, že jde o statický tah ze stavu.
  4. Změřit vybranou kombinaci se skutečnou baterií a skutečnou kabeláží.
  5. Ověřit v provozním profilu — vis, teploty, symetrie výstupů motorů, konec baterie.
  6. Zapsat podmínky měření. Číslo bez podmínek není údaj, je to dojem.

Kde končíme my

Umíme navrhnout a vyrobit mechaniku kolem pohonu — uchycení motorů, rám, kryty, adaptéry, držáky payloadu — a posoudit, jestli je zamýšlená sestava mechanicky a hmotnostně rozumná. Zásah do existujícího stroje patří na stránku úprava dronu; návrh pohonu pro nový nebo nestandardní stroj je úloha pro vývoj UAV.

Co u nás nedostanete: letově kritické díly bez výpočtu a testu, slib nosnosti nebo doby letu bez měření, a posouzení shody, třídního označení nebo letového povolení — na to jsou Úřad pro civilní letectví a EASA, ne dílna. A nedostanete jednu univerzální rovnici, protože žádná neexistuje; existuje konkrétní sestava a konkrétní měření.

Konkrétní krok: pošlete do poptávky typ „vývoj” nebo „úprava” a k němu celkovou vzletovou hmotnost v letovém stavu, hmotnost a rozměry payloadu, počet motorů, napětí a typ baterie, stávající motory a vrtule (pokud nějaké jsou) a popis prostředí a letového profilu. Uděláme vám technické posouzení pohonu pro zadanou hmotnost a payload — co je potřeba změřit, co je hraniční a kde je rezerva. Cena podle zadání, nabídka zdarma.

Zdroje

výběr motoru pro dronstatický tahpoměr tahu a hmotnostipohon dronuzkušební stavvývoj UAV