Увеличил время полёта dji spark на 7%

Всем привет.
К сожалению, немного вас расстрою, статья не для деградации, а ума ради.

Дело было вечером, делать было нечего ©

Достаточно давно я приобрёл квадрокоптер DJI Spark, много снимал всевозможных видео, над водой (один раз утопил его, купил такой же) и над другими, более безопасными поверхностями.

В один прекрасный день, когда делать было практически нечего, я обратил своё внимание на воздушный винт сабжа. Он мне показался каким-то не вполне правильным в плане геометрии и я подумал, а что если сделать свой воздушный винт, который был бы лучше родного от DJI.

Логика подсказывает, что необходимо выполнить серию расчётов разных винтов. Но как и где взять отправную точку и что должно меняться в серийных расчётах?

Воздушный винт представляет из себя конструкцию, состоящую из одной или более лопастей. Лопасть состоит из набора профилей, установленный под определённым углом.

Видео для нетерпеливых.


Материал полностью мой.
via

Взяв коптер и вооружившись линейкой я совершенно однозначно смог определить, что диаметр воздушного винта составляет примерно 117 мм.

Один параметр мы знаем. Второе что необходимо определить - это обороты воздушного винта, при которых коптер висит (не меняет свою высоту). Сделать это не сложно оптическим тахометром с источником постоянного света (в данном случае это был фонарик от телефона).

Ну и третье, что доступно обывателю - определение тяги воздушного винта при висении коптера, а именно этот режим работы основной при использовании мной данного летательного аппарата. Зная массу DJI Spark (320г) и взяв за основу, что DJI молодцы и поместили центр тяжести в геометрический центр коптера, определим тягу одного винта как четверть от взлётной массы летательного аппарата=80гр.

В принципе, этих данных достаточно для начала работы. Но возникает вопрос, какой профиль выбрать и какие углы установки у каждого из профилей должны быть?

На первый вопрос нам поможет ответить замечательный сайт с базой данных профилей, откуда и был выбран профиль ah79100c-il. Почему он...просто понравился, а ещё у него неплохое соотношение Cy к Cx.

Со вторым вопросом сложнее. Если у нас безграничные вычислительные мощности, то можно построить лопасть из 10 профилей и для каждого профиля задать по 20 вариантов установки углов. В таком случае необходимо будет рассчитать 1.024e+13 вариантов лопастей. Согласитесь, это что-то за гранью разумного. Вариант второй - взять штатную лопасть воздушного винта и измерить углы. Или третий вариант - вычислить, скажем так, начальные условия лопасти воздушного винта.

Для этого я воспользовался книжкой, которую написал Борис Николаевич "Аэродинамический расчёт вертолётов".

Благодаря чему удалось создать документ в excle для определения параметров воздушного винта (больше интересует форма и углы установки профилей).

Немного пришлось "подкрутить" - коэффициенты в формуле для определения формы лопасти в плане (при виде сверху), лопасть изначально получалась очень узкая. И, тем не менее, результат расчёта очень далёк от реальности. В частности, получить 172г тяги, затратив 15 Вт мощности - что-то нереально и за гранью фантастики (эффективность 11 г/Вт). Поправка - в указанных габаритах и оборотах. Есть примеры из жизни, где получают эффективность воздушного винта порядка 133 г/Вт.

Вот теперь отправные углы для построения лопасти получены и нужно скорее строить лопасть воздушного винта, ну и винт потом. Проводить расчёты буду в программке Star-CCM, в ней и строю параметрическую 3D модель воздушного винта.

Теперь можно запускать расчёт. Я задал по несколько значений углов для каждого профиля и, всё равно, количество вариантов очень много (4608 вариантов). Расчёт был запущен, я сидел и ждал, точнее жил и ждал, потому как процесс не из самых быстрых, особенно учитывая, что расчёт проводил на домашнем ноутбуке.

Через некоторое время расчёт я остановил по причине бессмысленности его продолжать. Дело в том, что, судя по графикам, параметры лопасти стали смещаться в сторону увеличения тяга и уменьшения эффективности от искомых значений, что меня не устраивало.

Это неплохо) Я выбрал наиболее подходящий график и, соответственно, относящиеся к нему углы установки профилей лопасти и построил новую таблицу, уже с меньшим количеством вариантов. Чем дальше от центра вращения, там шаг меньше и больше вариантов, подумал я и получилась такая таблица.

Спустя неделю, а именно столько понадобилось моему хиленькому ноутбуку для расчёта всех вариантов я смог провести анализ полученных результатов и выбрать лучший из них. Тут стоит сказать, что сетка была не самая наилучшая. Чуть точнее сетка и расчёт занял месяц или ещё больше).

Вот такая лопасть показала наилучший результат после расчётов. Да, кривая, да, необходимо будет поправить, чтобы красивая была и провести окончательный расчёт.

Правка заключается в изменениях углах установки, чтобы лопасть смотрелась целостно, без резких перегибов.

Подобные картинки (только с лучшим разрешением) любят вставлять во всякие отчёты. Выглядит красиво и прекрасно, на этом всё))

Графики сходимости эффективности:

На этом расчёт воздушного винта окончен. Теперь осталось его изготовить и проверить на практике. Изготавливать я его методом 3D печати на фотополимерном принтере. Но, для этого необходима 3Д модель. Я её нарисовал в SW на основе рассчитанных данных. Получилось так. На изображении "комплект" лопасть правого вращения и лопасть левого вращения. Всего необходимо напечатать 4 таких комплекта.

Процесс печати лопастей на фотополимерном 3Д принтере.

Сборка воздушного винта.
Тут всё предельно просто, берём родной воздушный винт, выбиваем оси и демонтирую лопасти. Устанавливаю самодельные лопасти, запрессовываю оси. На фото ниже уже собранный воздушный винт с самодельными лопастями.

Собираю три оставшихся воздушных винта и можно приступать к экспериментам.

Методика испытаний следующая:

Заряжаю АКБ.

Устанавливаю воздушный винт, подвергающийся испытанию.

Взлетаю на высоту 2 метра равноудалённо от стен.

Жду того момента когда коптер начнёт сигнализировать о низком уровне заряда АКБ и начнёт снижаться на посадку.

Посадку отменяю и уже на высоте 0,3 метра жду когда он принудительно приземлится из-за невозможности продолжать полёт.

Время между началом п.3 и концом п.5 и есть время полёта для сравнения воздушных винтов. А так как у меня есть 2 АКБ, то для каждого воздушного винта я проведу по 2 испытания.

Масса самодельного винта.

А теперь результаты:

Родные воздушные винты
13 мин 21 сек (801 сек) - первая АКБ
13 мин 35 сек (815 сек) - вторая АКБ

Самодельные воздушные винты
14 мин 14 сек (854 сек) - первая АКБ
14 мин 33 сек (873 сек) - вторая АКБ

Прирост времени полёта.
Первая АКБ 6,6%
Вторая АКБ 7,1%

И немного выводов:

Удалось повысить эффективность воздушных винтов на 7%.
Можно выиграть ещё немного, за счёт изготовления жёстких винтов (напечатанные, всё таки, "мягковаты"). Об этом в следующей части, если будет интересно.

При печати на лопасти остаются ступеньки из-за недостаточно разрешения 3D принтера, если их убрать будет лучше.

Ну и небольшой бонус. У кого есть телеграмм - можете скачать 3Д модель лопасти и напечатать её. Ссылка: https://t.me/sergiv_spb/13
Если нет телеграмма -легко могу скинуть, при необходимости.

У меня всё, спасибо за внимание.

давно не читал такой познавательный технический пост на ЯПе!
круть!
а скорость выросла у квадрокоптера?
попробуй рассчитать скоростные винты, с другими законцовками и круткой!
было бы интересно!

Это сообщение отредактировал vovan77777 - 3.08.2022 - 20:01

Я первый нихуя не понял?

Афтар, могёшь..

Это сообщение отредактировал ПростоКонь - 3.08.2022 - 20:01

Возникает резонный вопрос - почему разработчик квадрокоптера выбрал другую форму лопастей?

Варианты ответа:
1. Не смогли или не захотели посчитать и скопировали лопасть с другого квадрокоптера.
2. Форма лопастей, которую посчитал автор, оптимальна для висения в воздухе, но работает хуже в других режимах полёта

завтра получу свой мини 3 с умным пультом:)) наконецто!

У меня сложилось впечатление что с такими поисками и расчётами ты просто случайно угадал приличную форму винта И да печать неровная и кромка зазубренная . Может покрывать чем то , что застывая будет гладким? Спасибо было очень интересно - продолжай свои эксперименты пожалуйста.