Пропеллеры для квадрокоптера: обзор и расчет основных параметров

Если ты собрался собирать свой квадрокоптер, то тебе нужно в первую очередь знать о том, как заставить «это» взлететь. Здесь есть два важных параметра – пропеллеры, и двигатели. Пропеллеры для квадрокоптера могут быть самыми разными, и каждый несёт в себе совой смысл. Сегодня я объясню тебе основные понятия и принципы, чтобы ты знал, как подобрать пропеллеры для своей модели. Располагайся, заваривай пельмешки, будет долго, и немного больно. Но тебе понравится.

Сразу оговорюсь, что в любом проектировании бывает достаточно много НО. Всё, что я скажу далее, это стартовые знания. Не бойся включать голову и задавать вопросы. Нет такой информации, которую нельзя найти в гугле, или спросить на форуме. Главное- умение ей пользоваться. Поехали!

Основные понятия

«В идеальном мире» — чисто теоретическое понятие, не берущее в расчёт побочные факторы
Параметр «длинна», это и есть длинна пропеллера. Если точнее, то диаметр окружности, описываемой лопастями
Параметр «шаг» можно сравнить с шагом резьбы. Это то расстояние, которое может пройти винт за один оборот (по аналогии с шурупом в дереве) . Чем больше угол атаки лопасти, тем больше это расстояние.
«Угол атаки», это Угол наклона лопасти, относительно горизонтальной плоскости
«Тяга», это сила, которая создаётся винтом. Она компенсируется остальными силами реакции (сопротивление воздуха, гравитация). Из этого следует, что пока тяга больше сопротивления – коптер будет разгоняться в направлении, противоположном вектору тяги.

Основные параметры

Количество

Количество лопастей винта влияет на подъёмную силу, стабильность и отзывчивость коптера (в идеальном мире). Чем больше лопостей, тем эти параметры лучше. На самом деле, многолопастные пропеллеры (2+) ставятся только на мелкие дроны. Это происходит из за дороговизны изготовления и сложности балансировки. В большом размере отбалансировать 4 лопасти очень дорого.

Чем их больше, тем стабильнее БПЛА. Малое количество негативно сказывается на управляемости.

Виды лопастей

Normal (N) – Имеют заострённые на концах лезвия. Это уменьшает тягу, но и снижает расход энергии аккумулятора
Bullnose (BN) – Бычий нос (Закруглённые). При равном с нормальными диаметре, имеют большую тягу и площадь. За счёт тяжести ведут себя более стабильно, и увеличивают отзывчивость дрона по рысканью. Сильно повышают расход энергии акб.
Hybrid Bullnose (HBN) – промежуточный вариант. Имеют как и преимущества, так и недостатки предыдущих.

Направление вращения

Для электродвигателей есть два направления вращения. CW – вращение вала по часовой стрелке, CCW – вращение вала против часовой стрелки. Направления нужно или чередовать (так как каждый пропеллер создаёт реакционную силу, которая стремится развернуть то, к чему он прикреплён, в направлении вращения), или размещать соосно на одном луче (тогда реакционная сила одного компенсирует оную у второго. Это более сложная компоновка. Используется, к примеру, на вертолёте «чёрная акула»).

На направление вращения самого пропеллера указывает поднятая кромка. Она смотрит в сторону вращения.

Материал

Пластик – наиболее популярный, но не самый удачный вариант. Пластиковые пропеллеры обладают низкой ценой и очень широки ассортиментом. Обладают разной, но в основном высокой гибкостью и мягкостью. Якобы это увеличивает их устойчивость к механическим повреждениям. На самом деле, любой, даже небольшой дефект лопасти, скорее всего, будет фатален. Там уже не важно, расколется она, или просто помнётся. Всё равно ты её меняешь.

Углеродное волокно – Очень дорого, но очень круто. Великолепная жёсткость, лёгкость. Легко сбалансировать. Это значит, что брака будет меньше. Не теряет форму. Да и наличие чёрных лопастей всегда радует глаз. К ним рекомендуется докупить защиту лопастей для квадрокоптера, ибо их очень легко расколоть.

Композит – внутри пластик, снаружи покрытие из углеродного волокна. Дешевизна пластика, жёсткость и износостойкость (почти) как у карбоновых пропеллеров. Также не очень высокая цена.

Вес

От веса зависит отзывчивость дрона по оси рысканья. Однако, с этим надо быть аккуратным, ибо также увеличивается нагрузка на мотор квадрокоптера.

Эластичность

Эластичность пропеллера улучшает устойчивость оного к перегрузкам и механическому воздействию (не путать с мягкостью).

Качество

Как правило, чем дороже, тем качественнее. Тут может быть много параметров. Основной, это балансировка. Качественный пропеллер балансировать не придётся. Так же важным моментом является качество материала.

Пластик может быть упругим и эластичным, а может быть мягким и НЕ эластичным. С этим нужно быть внимательным. Не смотря на кажущуюся простоту, от качества лопастей напрямую зависят лётные качества коптера.

Спецификация

Есть два типа обозначений.

LLPPxB

L- длинна
P- шаг
B- количество лопастей (для двух лопастей может не указываться)

Например, 5045×3 – длина 5 дюймов, шаг 4.5 дюйма, 3 лопасти.

Иногда приходится гадать. Тот же пропеллер может обозначаться 0545×3.

LxPxB

Например, 5×45х3 – длина 5 дюймов, шаг 4.5 дюйма, 3 лопасти.

Иногда в конце присутствует буква R или C. Она определяет направление вращения пропеллера.

R – по часовой стрелке
C – против часовой стрелки

Иногда в конце присутствует обозначение профиля лопасти. (подробнее смотри выше «виды лопастей»)

N – нормальная (заострённая)
BN – закруглённая
HBN – промежуточная

Методы крепления и крепежи

Пропсейвер – Хороший вариант для проведения экспериментов, когда надо часто снимать и надевать пропеллер. Выглядит как втулка, которая притягивается к валу двигателя двумя винтами. Сам пропеллер надевается сверху, и притягивается резинками к выступающим винтам. Далеко не полетит, но можно побаловаться.

Цанговое крепление – рабочий вариант. На вал насаживается цанга (та, что с прорезями), потом зажимная втулка, пропеллер и шайба. Крепление надёжное и идеальное для полётов.

Outranner – Это не крепление, это разновидность бесколлекторного мотора, в котором ротор (вращающаяся часть) находится снаружи. На их верхней поверхности обычно находится несколько резьбовых отверстий, в которые крепится переходник (коих несметное количество).

Балансировка

Когда ты сэкономишь на пропеллере, ты точно удивишься тому, что он не отбалансирован. Из-за этого он будет вибрировать, на камере коптера ты будешь наблюдать эффект «желе», резьбовые соединения будут ослабевать, а моторы будут изнашиваться очень быстро. Надо балансировать.

Для этого тебе понадобится:

Пропеллер
Скотч\супер клей (на свой страх и риск)
Мелкозернистая наждачная бумага
Специальный инструмент — балансировщик пропеллеров
Уровень

Балансировщик устанавливаешь строго горизонтально.
Устанавливаешь пропеллер на ось, в горизонтальное положение. Отпускаешь. Одна из лопастей падает вниз.
Берёшь наждачку, и с внутренней стороны поднявшейся лопасти (с вогнутой) снимаешь немного материала. Не переусердствуй.
Возвращаешь лопасти в горизонтальное положение. Если одна из них падает – повторяешь предыдущий пункт. Если нет- идём дальше
Так как балансировщик тоже не лучшего качества- переворачиваешь ось и смотришь по новой. Нужно поймать момент, когда вне зависимости от направления оси, пропеллер будет сбалансирован.
Молодец.
Но не совсем. Теперь ступица. Устанавливаешь пропеллер вертикально. Если пропеллер наклоняется вправо- делаешь мазок лаком на левой стороне.
Добиваешься баланса
Меняешь направление горизонтальной оси пропеллера. Если всё по-прежнему в порядке- ты отбалансировал пропеллер. Надеюсь у тебя не октокоптер.
Молодец!

Калькулятор Ecalc

Крайне удобный калькулятор, которые находится на официальном сайте Ecalc. В нём ты сможешь задать те запчасти, которые будешь использовать для своего проекта, а он выдаст тебе (очень) примерную модель поведения коптера.

Давай рассмотрим его поближе, так как он тебе точно пригодится.

Основное

Тут ты выставляешь основные параметры своей сборки
Полный вес модели можно указывать «без ВМГ» (винтомоторная группа = пропеллеры и моторы). При выборе пропеллеров и моторов калькулятор сам учтёт их вес
Количество винтов – соосные винты, это два винта расположенных друг над другом, а одноосные это один винт на одном луче коптера. Для простоты, в нижнем правом углу, калькулятор рисует тебе конфигурацию
Размеры рамы- По диагонали, от одного конца луча, до другого
На остальное пока можешь забить. Оно уже стоит по стандарту. Высота, температура и давление может пригодится для расчёта полётных характеристик для разных высот

Аккумулятор

Из списка выбираешь нужный, или максимально похожий аккумулятор, и состояние заряда «номинал»
В поле «P» пишешь количество параллельно соединенных аккумуляторов (если нужно)

Регулятор

Из списка выбираешь свой регулятор скорости
В навесном оборудовании пишешь суммарное потребление и вес всей той фигни, что ты хочешь повесить на свой дрон. Камера, диоды, сервоприводы, мелкокалиберные орудия. Если ты уже указал их вес в основном весе модели, то поле вес оставляешь с нулём

Мотор

Выбираешь производителя мотора из списка, и проверяешь по параметрам. Если похоже, то всё нормально, если нет, то продолжаешь «Охлаждение»

Пропеллер

Выбираешь тип пропеллера из списка. Угол кручения (угол атаки), диаметр винта и его шаг ты узнаешь из спецификации
Передаточное число используешь, если твой пропеллер присоединён к мотору через редуктор

Всё, можно нажимать «рассчитать», и наслаждаться результатами с 15% погрешностью. Я не зря сказал о погрешности. Все эти расчёты годятся только для того, чтоб прикинуть – полетит, или нет. Более точной информации ты не получишь.

Если в списках нет нужной позиции, то можно воспользоваться строкой Custom, и ввести всё самостоятельно.

RashVinta

Программа для расчёта параметров пропеллера для летательного аппарата.

Она может работать с тремя наборами исходных данных.

Мощность двигателя + диаметр винта, который вам нужен
Мощность двигателя + частота вращения
Диаметр винта + шаг

В первом варианте

Галочку на «расчёт по диаметру винта»
Вводите нужный диаметр в см
Вводите мощность двигателя в лошадиных силах, подсмотренную в параметрах двигателя (чтоб получить лошадей из кВт используй формулу кВт*1.36)
Вводи максимальную скорость, которую позволит развить твой винт
Введи среднюю скорость в поле «Скорость расчётная»
Нажми кнопку расчёт

В результате ты увидишь необходимый шаг винта и частоту вращения.

Во втором варианте

Убери все галочки
Введи мощность двигателя
Введи частоту вращения винта (двигателя, если нет редуктора)
Введи максимальную и среднюю скорости

На выходе ты получаешь диаметр винта в сантиметрах и шаг винта.

Третий вариант

Установи галочку в «указать параметры винта»
Введи диаметр винта и шаг винта
После нажатия на кнопку расчёт, программа рассчитает профили сечения винта (форма лопастей) на различных радиусах от центра. Результат ты получишь в окне просмотра, и в виде таблицы Date.html в каталоге программы.
Кнопками со стрелками просматриваешь сечения на различных радиусах, а ползунком меняешь масштаб.

Как ты можешь заметить, подбор и корректировка пропеллеров, это важное и не самое простое занятие. Однако, настоятельно рекомендую уделить этому время. Даже в такой, на первый взгляд, неуклюжей корове, как квадрокоптер, есть место аэродинамике. К тому же это может сэкономить тебе очень много денег на моторах.

Конечно, всё вышесказанное достаточно ситуативно. К примеру, если ты собираешь маленький дрон, или просто хочешь попробовать, то пропеллеры можно использовать и самые дешёвые, и не отбалансированные.

Это вряд ли помешает твоему дрону взлететь, да и ты сразу поймёшь, что не так, и на что нужно впредь обращать больше внимания.

Так же крайне не рекомендую начинать с соосной компоновки, если ты не знаком с миром беспилотной авиации. Там есть куча нюансов, которые базируются на более глубоком понимании темы. Идеальным вариантом для начала будет четырёх лучевая, квадратная компоновка.

Ну и нужно понимать, что если ты не крутой инженер, с богатым набором закрытых САПР программ, то всё, что ты можешь рассчитать – мало тебе поможет.

Все эти вычислительные решения дают крайне ориентировочный результат. Так что я рекомендую тебе побольше экспериментировать, хотя помощью софта пренебрегать тоже не стоит. Пробуй, учи матчасть, когда-нибудь получится очень круто!

Уф… Я старался, клавиатуру до стола стёр, выпил ведро кофе. За это ты можешь наградить меня, и поделиться этой статьёй, при помощи кнопок внизу. А если хочешь почаще узнавать что-то новое и полезное, то подписывайся на нас в социальных сетях. Удачи, пилот!