Благодаря высокоплотным полутвердотельным батареям и 40-дюймовым пропеллерам, этот дрон переосмысливает концепцию длительных электрических полетов.
На этой неделе специально созданный дрон поразил сообщество любителей полетов на выносливость, проведя в воздухе более 3,5 часов на одном заряде батареи.
Недавно совершённый инженером и специалистом по беспилотникам Люком Максимо Беллом этот знаменательный полёт демонстрирует, как тщательная разработка и оптимизация энергопотребления могут значительно увеличить время полёта.
Белл не новичок в установлении рекордов. В 2022 году он установил мировой рекорд скорости на своих квадрокоптерах Peregrine. На этот раз он переключил внимание со скорости на выносливость.
В результате получилась машина, созданная с одной целью: оставаться в воздухе как можно дольше без подзарядки.
Разработка для максимального времени в воздухе.
Белл подошел к проекту, поставив во главу угла выносливость. Каждое конструктивное решение было направлено на достижение этой единственной цели. Вместо использования небольших быстро вращающихся пропеллеров он выбрал большие 40-дюймовые пропеллеры из углеродного волокна от компании T-Motor. Эти пропеллеры G40 вращаются медленно на двигателях с низким значением KV, что снижает энергопотребление.
Он использовал их в паре с антигравитационными двигателями MN105 V2 мощностью 90 кВ. Это были самые легкие двигатели, способные вращать пропеллеры такого размера без лишнего увеличения веса. Более крупные пропеллеры, вращающиеся с меньшей скоростью, создают подъемную силу более эффективно, позволяя дрону зависать в воздухе с меньшими затратами энергии.
Питание осуществляется от полутвердотельных литий-полимерных аккумуляторных батарей NMC от компании Tattu. Эти батареи обеспечивают около 320 ватт-часов на килограмм. Это примерно вдвое больше плотности энергии, чем у стандартных литий-полимерных элементов. Для дронов с длительным временем полета более высокая плотность энергии напрямую означает увеличение времени полета.
Белл также уменьшил избыточный вес батарей. Он убрал 180 граммов (6,3 унции) упаковки из каждого блока. Затем он заменил тяжелые разъемы на более легкие. В общей сложности он сэкономил 360 граммов (12,7 унции). Эта экономия веса близка к массе всей рамы из углеродного волокна.
В режиме зависания дрон потребляет около 400 ватт. При плавном движении вперед улучшается обтекаемость, подъемная сила и потребление энергии снижаются примерно до 250 ватт. Это повышение эффективности сыграло ключевую роль в увеличении общего времени полета.
Точная настройка рамы и проводки.
Длина плеч стала еще одним важным фактором. Белл использовал моделирование гидродинамики с помощью программы AirShaper для тестирования различных конфигураций. В конечном итоге он выбрал длину плеча в 800 миллиметров (31,5 дюйма) как оптимальный баланс между производительностью и весом.
Если рычаги слишком короткие, вихревые следы от гребных винтов мешают друг другу. Если слишком длинные, рама становится тяжелее и менее эффективной. Выбранная длина минимизировала помехи, избегая при этом излишней конструкции.
Проводке также было уделено пристальное внимание. Для каждого двигателя требовалось около 11 метров (36 футов) провода. Белл выбрал провод сечением 18 AWG, рассчитав компромисс между электрическим сопротивлением и дополнительным весом меди. Более толстый провод уменьшает потери на сопротивление, но увеличивает массу. Он оптимизировал систему для достижения общей энергоэффективности.
В конструкции рамы используются трубы из углеродного волокна в сочетании с напечатанными на 3D-принтере рычагами, креплениями и посадочными опорами. Конструкция легкая, но достаточно прочная, чтобы выдерживать длительные полеты.
Усовершенствованная электроника для повышения надежности.
Чтобы уменьшить количество потенциальных точек отказа, компания Bell упростила электронику. Электронный регулятор скорости Holybro Nano Drive 4-в-1 управляет питанием. Полетный контроллер TBS Lucid H7 работает под управлением прошивки INAV. Модуль GPS Matek обеспечивает данные позиционирования. Устройство DJI O4 Air передает видео в реальном времени на землю.
Ранее облегченные компоненты выходили из строя во время испытаний. Белл заменил их проверенными деталями для повышения надежности. В ходе многочисленных стендовых испытаний измерялось отношение тяги к мощности при различных нагрузках. Он обнаружил, что эффективность снижается с увеличением тяги, что помогло ему поддерживать меньший вес, сохраняя при этом достаточный запас тяги.
Первые полеты сопровождались колебаниями и поломками компонентов. Каждая неудача способствовала усовершенствованию конструкции. После доработки системы дрон смог совершать непрерывные полеты более 3 часов 30 минут, даже в ветреную погоду.
Через 2 часа и 14 минут дрон уже превзошёл рекорд SiFly по зависанию, при этом оставался значительный запас заряда батареи. Полёт вперёд ещё больше повысил эффективность. Дрон благополучно приземлился с напряжением батареи 2,95 вольт, что предотвратило его повреждение.
Показатели выносливости остаются неофициальными, но они явно превосходят известные на данный момент эталонные значения.
Sourse: interestingengineering.com
