Введение в тему

Пропеллеры для дронов являются критическим компонентом, который напрямую влияет на производительность, стабильность и эффективность полета коптера. Они создают тягу, которая обеспечивает подъем дрона в воздух и управление его движением. Выбор оптимальных пропеллеров зависит от конкретных требований пилота и его стиля полета.

Теоретические основы работы пропеллеров

Винтомоторная группа

Винтомоторная группа — это комплекс, состоящий из двигателя и пропеллера, которые работают вместе для создания тяги. Двигатель обеспечивает вращение пропеллера, а он, в свою очередь, преобразует вращательное движение двигателя в тягу, которая движет дрон в воздухе.

Физика возникновения подъемной силы

Лабораторные эксперименты показали, что когда воздушный поток встречает препятствие, частицы воздуха обтекают его. Если поместить крыло в аэродинамическую трубу с подкрашенным воздухом, можно увидеть, как воздух обтекает крыло. Эта картина называется спектром обтекания.

На упрощенной схеме ниже показано, как именно воздух обтекает плоскую пластину, расположенную под углом 90 градусов к потоку воздуха. На схеме видно, что при таком расположении тела не возникает никакой подъемной силы.

Воздух перед пластиной создает подпор, плотность струй повышается, а позади пластины воздух становится разреженным. Повышение давления воздуха перед пластиной и разрежение позади нее приводит к тому, что струи воздуха с силой рвутся в разреженное пространство, где они закручиваются.

Когда пластина установлена под углом к потоку, под ней давление повышается, а сверху, вследствие срыва струй (для прямоугольной пластины), образуется разреженный воздух, то есть давление понижается.

Благодаря образовавшейся разнице давлений возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, то есть назад и вверх. Отклонение аэродинамической силы от вертикали зависит от угла, под которым пластина поставлена к потоку. Этот угол получил название угол атаки.

Подъемная сила крыла возникает не только благодаря углу атаки, но и благодаря несимметричному профилю поперечного сечения крыла, который чаще всего имеет более выпуклую верхнюю поверхность. Крыло, перемещаясь, рассекает воздух. Одна часть встречного потока воздуха пройдет под крылом, другая над ним. Благодаря выпуклости верхней части крыла верхние струи воздуха проходят больший путь по сравнению с нижними.

Однако количество воздуха, набегающего на крыло, всегда одинаково, следовательно, верхние струи должны двигаться быстрее. В соответствии с законом Бернулли, если скорость воздушного потока под крылом меньше, чем над крылом, то давление под крылом, наоборот, будет больше, чем над ним. Эта разница давлений и создает аэродинамическую силу, составляющей которой является подъемная сила. Крылу нужно придать такую форму, чтобы она развивала как можно большее значение подъемной силы и в то же время создавала малое лобовое сопротивление.

Лопасти пропеллера имеют аэродинамический профиль, и при его вращении в воздушной среде возникает похожая картина, как и при движении крыла. В данном случае перетекания происходят как на внешнем, так и на внутренних краях лопасти. А поскольку подъемная сила возникает вследствие разницы давлений на верхней и нижней поверхностях лопасти, то любое выравнивание этих давлений вызывает потери подъемной силы.

Типы пропеллеров и их характеристики

Формы пропеллеров

Normal (обычные)

Эта форма уменьшает тягу, но также снижает потребление энергии аккумулятора. Они подходят для полетов, где важна экономия энергии и продолжительность полета. Заостренные концы лопастей уменьшают сопротивление воздуха, что способствует экономии энергии. Подходят для стабильных полетов без резких маневров. Идеальны для длительных полетов, где важно сохранить заряд аккумулятора.

Bullnose

Имеют особую форму законцовок, которые срезаны прямо, а не закруглены. Благодаря прямым концам площадь поверхности пропеллера увеличивается, что позволяет создавать большую тягу.

Прямые концы помогают уменьшить турбулентность, что улучшает стабильность полета. Обычно используются на гоночных дронах, поскольку они обеспечивают высокую эффективность и скорость. Однако из-за увеличенной площади поверхности такие пропеллеры могут потреблять больше энергии, что может уменьшить время полета.

Гибрид Bullnose (Hybrid)

Сочетают характеристики обычных Bullnose и стандартных пропеллеров. Компромисс между тягой и эффективностью. Гибрид Bullnose имеет концы, которые частично срезаны, что позволяет увеличить площадь поверхности для увеличения тяги, но не настолько, как у полностью срезанных Bullnose. Это обеспечивает лучший баланс между тягой и эффективностью энергопотребления благодаря частично срезанным концам. Такие пропеллеры могут уменьшать турбулентность, что улучшает стабильность полета.

По сравнению с полностью срезанными Bullnose, гибридные Bullnose потребляют меньше энергии, что может увеличить время полета. Эти пропеллеры часто используются на гоночных дронах, где важны как скорость, так и эффективность.

RaceKraft

Гоночные пропеллеры, известные своим высоким качеством и надежностью, особенно среди пилотов гоночных дронов. Пропеллеры RaceKraft изготавливаются из прочных материалов, что делает их устойчивыми к повреждениям во время аварий. Это особенно важно для гоночных дронов, которые часто подвергаются большим нагрузкам.

Пропеллеры RaceKraft разработаны для обеспечения максимальной эффективности и стабильности во время полета на высоких скоростях. Это достигается благодаря специальным формам лопастей, которые уменьшают турбулентность и улучшают аэродинамические характеристики.

Пропеллеры по количеству лопастей

B-Blade (двухлопастные)

Tri-Blade (трехлопастные)

3D-пропеллеры

Созданные для полета дрона в 3D-режиме, имеют особые характеристики, которые позволяют дрону выполнять акробатические маневры, включая перевороты и полеты в обратном направлении. Для 3D-полетов используются реверсивные пропеллеры, которые могут менять направление вращения. Это позволяет дрону быстро менять направление тяги и выполнять сложные маневры.

Пропеллеры для 3D-полетов обычно имеют симметричный профиль, что обеспечивает одинаковую эффективность как при прямом, так и при обратном вращении. Изготавливаются из прочных материалов, таких как карбон или усиленный пластик, чтобы выдерживать высокие нагрузки во время акробатических маневров.

Складные пропеллеры

Лопасти складных пропеллеров менее склонны к повреждениям во время транспортировки, поскольку они могут складываться и быть защищенными. Во время полета лопасти раскладываются под действием центробежной силы, обеспечивая эффективную работу пропеллера. Складные пропеллеры часто используются на больших дронах, таких как профессиональные дроны для видеосъемки или промышленные дроны, где важна компактность и защита во время транспортировки. Также можно отдельно заменять поврежденную лопасть.

Направление вращения пропеллеров

Электродвигатели имеют два направления вращения:

• Clockwise (CW) — вращение вала по часовой стрелке
• Contra-Clockwise (CCW) — вращение вала против часовой стрелки

Относительно направления движения этих двигателей нужно правильно надевать на них пропеллеры. В классическом дроне будет две пары пропеллеров, одна пара будет иметь профиль вращения пропеллера по часовой стрелке Clockwise, другая пара против часовой стрелки Counterclockwise.

Покупая пропеллеры, они обычно поставляются парами Clockwise и Counterclockwise. Производители иногда рисуют на самом пропеллере стрелочку направления движения этого пропеллера, или пишут букву R (по часовой стрелке), а если на другой паре ничего не написано, то это пропеллер против часовой стрелки.

Бывает, что на обоих пропеллерах ничего не написано, для этого нужно учиться отличать их по внешнему виду. Если смотреть на лопасть пропеллера в профиль, то мы можем увидеть его наклон, у него есть верх и низ. Возле центра пропеллера, где начинается сама лопасть, на ощупь нужно почувствовать, где его толстая часть и где тонкая. Толстая часть — это всегда будет верхом пропеллера, а тонкая — всегда низом.

Та сторона, которая является толстой, и есть передний край (передняя кромка) движения пропеллера.

Типы крепления пропеллеров

Существует три типа крепления пропеллера на двигатель:

Резьбовой вал М5 

Резьбовой вал М5 на 5 миллиметров является наиболее распространенным в FPV-дронах. Пропеллер крепится к валу с помощью резьбы М5 на конце и закручивается нейлоновой гайкой.

На роторе двигателя часто есть шипы, которые впиваются в пропеллер и надежно удерживают его на месте.

T-mount крепление

В T-Mount креплении пропеллер крепится к валу двигателя толщиной 1 мм или 1,5 мм, закрепленного двумя винтами М2 в ротор двигателя.

Такое крепление используется для маленьких дронов.

Press-Fit (фрикционная посадка)

Прес-фит или фрикционная посадка — также популярна у небольших дронов для уменьшения веса. Эти дроны не такие мощные, поэтому пропеллер не спадает во время полетов и аварий.

Процесс установки и снятия пропеллеров

Снятие и установка пропеллеров на дрон является важным процессом, который требует от пилота осторожности и точности. Для этого нужно использовать гаечный ключ или отвертку.

Для удобства существует специальный зажим для фиксации ротора во время работы.

Диаметр вала (SHAFT) — диаметр отверстия в центре пропеллера, через которое проходит вал двигателя. Это важный параметр, поскольку он указывает, подходит ли пропеллер к конкретному двигателю.

Если диаметр вала пропеллера не соответствует диаметру вала двигателя, пропеллер нельзя будет надежно закрепить, что может привести к потере эффективности или даже к повреждению дрона.

Характеристики пропеллеров

Маркировка пропеллеров

Пропеллеры имеют свои характеристики. Они имеют следующие форматы:

• Буква L означает диаметр пропеллера
• Буква P — шаг пропеллера
• Буква B — это количество лопастей

Диаметр пропеллера

Как подбирать правильную длину пропеллера для вашей рамы, мы это уже разбирали в третьем уроке.

Шаг пропеллера

Шаг пропеллера означает расстояние, которое пропеллер проходит за один оборот, и этот путь измеряется в дюймах. По сути, это то, насколько далеко продвинулся бы пропеллер, если бы он двигался сквозь твердую среду, а не воздух.

Классификация шага пропеллера:

• Высокий шаг — больше 4,5, подходит для быстрых и агрессивных полетов, таких как гонки, обеспечивает высокую маневренность, но может уменьшить стабильность дрона
• Средний шаг — 3,5-4,5, обеспечивает хороший баланс между скоростью и стабильностью, подходит для универсального использования
• Низкий шаг — меньше 3,5, подходит для стабильных полетов и съемки видео, обеспечивает плавный полет, но может уменьшить маневренность

Количество лопастей

Наиболее эффективный пропеллер фактически однолопастный, но из-за его дисбаланса он непрактичен для использования.

Увеличение количества лопастей на пропеллере является соответствующей заменой увеличению его размера, где пространство ограничено рамой в FPV-дроне.

Выбор количества лопастей пропеллера зависит от задач, которые вы ставите перед своим дроном:

• Для гонок лучше подойдут пропеллеры с меньшим количеством лопастей для максимальной скорости и маневренности
• Для аэрофотосъемки лучше подойдут пропеллеры с большим количеством лопастей для стабильности и плавности полета
• Если вы планируете лететь куда-то, где вы будете делать много быстрых поворотов, для этого подойдет больше лопастей. Подобно увеличенному размеру пропеллера, больше лопастей дадут большей плавности и ощущения от дрона

Среди популярных 5-дюймовых дронов, 3 лопасти обеспечивают лучший баланс эффективности, тяги и сцепления. Когда лопастей больше, обороты в минуту снижаются при заданной мощности, поэтому звук при этом тише.

Существуют пропеллеры с большим количеством лопастей, например, с четырьмя лопастями и шестью. Четырехлопастные пропеллеры — отличный выбор для внутренних трасс и поворотов, но они менее эффективны, чем трехлопастные, и вращаются сниженными оборотами при заданной мощности. Среди пилотов популярны все же трехлопастные пропеллеры, поскольку они обеспечивают отличный баланс между эффективностью и мощностью.

Четырехлопастные пропеллеры лучше сцеплены в воздухе благодаря дополнительной площади поверхности по сравнению с двухлопастными. С другой стороны, двухлопастные обычно более эффективны, поскольку они создают меньшее сопротивление и потребляют меньше тока, поэтому отличный выбор для полета на большое расстояние и для обучения, потому что во время аварии двухлопастные пропеллеры более живучи за счет своей формы.

Дополнительные факторы при выборе пропеллеров

Вес пропеллера

Вес пропеллера является важным фактором, который следует учитывать. В целом более легкие пропеллеры, как правило, работают лучше. Более тяжелые пропеллеры имеют большую массу на каждой лопасти и для их вращения нужен более мощный двигатель. Это может привести к увеличению крутящего момента, что заставит двигатель работать интенсивнее и, возможно, снизит общую производительность.

Более легкие пропеллеры имеют меньший момент инерции и могут быстрее менять обороты, благодаря чему ваш дрон чувствует себя более отзывчивым. Кроме того, они лучше работают с широким диапазоном двигателей, поскольку им нужен меньший крутящий момент для вращения.

Распределение веса лопастей также имеет значение. Лучшие пропеллеры имеют центр массы лопасти ближе к валу, однако это означает, что кончик лопасти становится тоньше и его легче сломать. Если центр массы находится дальше от вала, сопротивление становится больше и пропеллеры тяжелее ускорить и замедлить. Но именно такие пропеллеры можно увидеть на съемочных аппаратах, которым эта особенность нужна для стабильности картинки.

Материал пропеллера

Материал, из которого изготовлен пропеллер, значительно влияет на характеристики дрона, а именно на его эффективность и звук. Как правило, самым важным критерием является долговечность.

Изначально пропеллеры преимущественно изготавливались из нейлон-армированного стекловолокна, который является очень жестким для своего веса. И это позволяет пропеллеру сохранять правильную и наиболее эффективную форму, независимо от того, насколько быстро он вращается. Но когда он ударяется - он ломается.

В последнее время пропеллеры изготавливают из поликарбоната, типа пластика, который имеет хорошую жесткость, но скорее гнется, чем ломается, если ударится о что-то твердое. Это означает, что в случае аварии лопасть может согнуться, и достаточно часто ее можно выгнуть обратно вместо того, чтобы заменять весь пропеллер.

Важно при этом не забывать о балансировке пропеллера.

Существуют другие материалы, используемые для изготовления пропеллеров, но на сегодня поликарбонат считается лучшим.

Практические рекомендации

Проверяйте свои пропеллеры на наличие повреждений перед каждым полетом, чтобы не было вибраций на двигатель и не создавать лишних шумов на гироскоп дрона.

Во время подбора пропеллера для вашего дрона обязательно посмотрите на результаты тестов вашего двигателя для того, чтобы понимать, какие приблизительные характеристики тяги вы сможете получить для своего дрона.