Wie können Sie Ihr praktisches Auftriebs-/Gewichtsverhältnis in einem Multirotor maximieren?

Mein Freund und ich arbeiten derzeit zusammen an einem Multirotor-Wettbewerb. Er ist ein erfahrener Flieger und ich bin eher ein Zahlenmensch (obwohl mein Hintergrund in der Softwareentwicklung und nicht in der Luftfahrt liegt).

Unsere neueste Herausforderung besteht darin, unser Auftrieb-zu-Gewicht -Verhältnis zu maximieren . Im Wesentlichen werden wir messen, wie viel unser Fahrzeug heben und durch das Gewicht unseres Fahrzeugs teilen kann.

Meine vorläufigen Recherchen scheinen zu zeigen, dass der offensichtlichste Weg, dies zu tun, darin besteht, dem Fahrzeug mehr Motoren + Requisiten hinzuzufügen. Also erwägen wir, einen Dodeca-Copter ohne Knochen zu bauen.

Dies scheint ein sehr einfacher Ansatz zu sein ... vielleicht zu einfach. Ich mache mir Sorgen, dass es, obwohl es sehr intuitiv ist, auch sehr naiv sein könnte.

Also frage ich die Community, ist unser Ansatz vernünftig? Vermissen wir einige allgemeine Optimierungen, die uns helfen könnten?

Mit anderen Worten: Wie können Sie Ihr praktisches Auftriebs-/Gewichtsverhältnis in einem Multirotor maximieren?

Aktualisieren

Wir konnten stärkere Motoren finden (E800 statt E310). Wir haben weniger von ihnen, aber ich denke, wir sind immer noch besser dran mit ihnen. Hier ist die Aufschlüsselung unseres Builds:

  • Hauptkomponenten (Flugregler, Empfänger, Muttern, Schrauben) =313g
  • Wir verwenden E800-Motoren
    • Gewichtseinheit:106g
    • Einheitslift:2100g
  • ESC-Gewicht =44g
  • Prop-Gewicht =14g
  • Batteriegewichte ={410g, 584g}

Das einzige Rahmenmaterial, auf das wir derzeit zugreifen können, ist Aluminium-Vierkantrohr. Jeder "Stab" Schlauch wiegt etwa 88g.

Ich habe einige Berechnungen für ein paar verschiedene Setups durchgeführt und das ist, was ich bekommen habe:

4 Motoren, 4 Arme

Diese Konfiguration erfordert 1.5"Stäbe" von Rahmenmaterialien. Damit erhalte ich folgendes Gesamtgewicht:

(4 * (motorWeight + EscWeight + PropWeight)) + (frameWeight) + batteryWeight + MainComponentsWeight 
(4 * (106g + 44g + 14g)) + (1.5 * 88g) + 410g + 313g
= 1511g

Der Gesamtauftrieb 4 * 2100g = 8400gergibt ein L/W-Verhältnis von

8400g / 1511g = 5.56

6 Motoren, 6 Arme

Diese Konfiguration erfordert 4"Stäbe" von Rahmenmaterialien. Damit erhalte ich folgendes Gesamtgewicht:

(6 * (motorWeight + EscWeight + PropWeight)) + (frameWeight) + batteryWeight + MainComponentsWeight 
(6 * (106g + 44g + 14g)) + (4 * 88g) + 410g + 313g
= 2059g

Der Gesamtauftrieb 6 * 2100g = 12600gergibt ein L/W-Verhältnis von

12600g / 2059g = 6.12

8 Motoren, 4 Arme

Diese Konfiguration erfordert 4"Stangen" von Rahmenmaterialien, hat aber zwei Motoren, die pro Arm montiert sind. Damit erhalte ich folgendes Gesamtgewicht:

(8 * (motorWeight + EscWeight + PropWeight)) + (frameWeight) + batteryWeight + MainComponentsWeight 
(8 * (106g + 44g + 14g)) + (4 * 88g) + 584g + 313g
= 2561g

Der Gesamtauftrieb 8 * 2100g = 16800gergibt ein L/W-Verhältnis von

16800g / 2561g = 6.56

Abschluss

Wenn ich meine Berechnungen richtig mache, scheint unsere beste Option angesichts unserer begrenzten Ressourcen ein Oktokopter mit 4 Armen zu sein.

Ich bin nicht allzu überrascht, da diese Konfiguration den höchsten Prozentsatz des mit Motoren verbundenen Gesamtgewichts hat.

Ist 6.56ein anständiges Verhältnis von Auftrieb zu Gewicht? Können wir noch etwas tun, um es zu verbessern?

Wettbewerbsergebnisse

Wiegen: 2460Hub (Meter Seil): 34m@ 346g/mHub (Gramm):11764g

Hub/Gewichtsverhältnis (ohne Boote):4.78

Hub/Gewichtsverhältnis (einschließlich Boot):5.78

Alles in allem also nicht allzu weit von unserer "idealen" Vorhersage entfernt.

Durch das Hinzufügen von Motor+Propeller+Batterie-Baugruppen mit demselben L/W-Verhältnis reduzieren Sie tatsächlich den Nutzlastanteil, den jede Baugruppe heben muss, sodass Sie mehr heben können. Die Grenze ist, wenn der individuelle Auftrieb aufgrund der von benachbarten Propellern erzeugten Turbulenzen abnimmt. Verwandte: Verletzt das ARCA-Hoverboard bekannte Grenzwerte für elektrische Ventilatoren mit kleinem Durchmesser?
Ja, darum habe ich mir Sorgen gemacht. Auf dem Papier scheint unser 8-Motoren-4-Arm-Setup am besten zu sein, aber die zwei Motoren pro Arm sind wahnsinnig nahe beieinander. Mein Teamkollege sagt mir, dass damit kein großer Leistungsverlust verbunden ist, aber ich bin skeptisch. Wenn wir mehr Zeit hätten, würde ich mit jedem Setup praktische Tests durchführen. Leider haben wir nur die Zeit für einen Bau.
Ich bin mir nicht sicher, ob dies helfen wird, ich verwerfe nur die Idee, dass das Ableiten der Lüfter dazu beitragen kann, den Leistungsverlust zu verringern, indem die beiden Stützen am Ende eines Arms nahe beieinander liegen. Sie haben das zusätzliche Gewicht der Kanäle und müssen etwas rechnen / recherchieren, um das beste Design für die Kanäle zu bestimmen, aber sie können hilfreich sein. Kein Luft- und Raumfahrtingenieur!
Das Hinzufügen von Motoren und zugehörigen Propellern, Strukturen und Batterien (unter der Annahme, dass die gleiche Ausdauer erforderlich ist) erhöht das Gewicht fast so schnell wie der Auftrieb, da die hinzugefügten Komponenten fast das gesamte Gewicht ausmachen. Tatsächlich müssen Sie die Struktur stärker machen, und das bedeutet, dass eine doppelt so große Struktur mehr als doppelt so viel wiegt, was zu einem geringeren L/W für ein größeres Design führt.
Sie haben jedoch die "Hauptkomponenten", die einen ziemlich großen Teil des Gesamtgewichts ausmachen. Wenn das etwas ist, das Sie nicht ändern können und das nicht skaliert, brauchen Sie sicher ein größeres Fahrzeug.
Eigentlich war das ein Tabellenfehler. Das tatsächliche Gewicht der "Hauptkomponenten" beträgt 313g. Ich werde die Frage aktualisieren, um dies morgen früh widerzuspiegeln (jetzt ist es spät). Danke, dass du mich darauf aufmerksam gemacht hast.
Darüber hinaus sollten Sie auf die Effizienz achten (verschiedene Propeller ausprobieren, insbesondere verschiedene Größen) und versuchen, überall Gewicht zu sparen, wo Sie möchten, indem Sie ein absolutes Minimum an Batterien verwenden, die schwächsten leichtesten Strukturelemente, die es zusammenhalten usw.
@MetaFight, Sie werden feststellen, dass das niedrigere Gewicht der "Hauptkomponenten" den L / W-Anstieg weniger signifikant macht, obwohl er immer noch da sein wird, da 313 g immer noch ein ziemlich großer Teil des Gesamtgewichts sind. Dann gibt es natürlich noch das Problem mit den Batterien - Sie skalieren die Batterien nicht, was bedeutet, dass das doppelte Design die halbe Lebensdauer hat und das bedeutet, dass entweder die kleinere unnötig lange Lebensdauer hat und Sie es mit einer kleineren Batterie rechnen sollten, oder der größere hat eine unzureichende Ausdauer und Sie benötigen einen größeren Akku.
@JanHudec ja, das macht Sinn. In unserem Fall müssen wir nur etwa 45 Sekunden fliegen, sodass die Ausdauer kein Problem darstellt. Wir haben unseren Build abgeschlossen und werden ihn heute noch testen. Ich werde berichten, wie es gelaufen ist :)

Antworten (1)

Um den Auftrieb zu maximieren, verwenden Sie die stärksten Motoren und lassen Sie sie die Propeller mit der höchstmöglichen Geschwindigkeit drehen. Um das Gewicht zu minimieren, machen Sie die Struktur so leicht wie möglich (verwenden Sie beispielsweise runde Kohlefaser-/Epoxidrohre anstelle von quadratischen Aluminiumrohren) und verwenden Sie nur so viele Batterien wie zum Erreichen des Abhebens erforderlich sind.

Ich würde erwarten, dass es einige weitere Regeln geben sollte, um sicherzustellen, dass der Gewinnerbeitrag tatsächlich verwendbar ist. Sie haben nichts davon erwähnt. Jetzt kommt die Effizienz ins Spiel und die Anzahl der zu beobachtenden Parameter steigt. Eine Menge.

  • Achten Sie darauf, dass Ihre Propeller auf möglichst viel Luftvolumen wirken. Lassen Sie sie für eine bessere Effizienz mit reduzierter Geschwindigkeit laufen. Sie müssen Ihre spezielle Motor-Propeller-Kombination dort testen, wo der Sweet Point liegt – es gibt keine allgemeine Zahl für die beste Effizienz.
  • Setzen Sie dem Fahrtwind so wenig Widerstand wie möglich entgegen. Dies erfordert ein sorgfältiges Studium aller Formen und Querschnitte. Auf der rechten Seite des Bildes unten finden Sie einen allgemeinen Überblick über den Luftwiderstandsbeiwert verschiedener 2D-Formen.

Abbildung 33 aus Sighard Hörners Fluid Dynamic Drag, Kapitel 3

Abbildung 33 aus Sighard Hörners Fluid Dynamic Drag , Kapitel 3.

Wie Sie sehen, ist rund besser als eckig. Abhängig von der lokalen Reynold-Zahl kann es jedoch hilfreich sein, Turbulatoren oder lokale Rauheit hinzuzufügen, um die Grenzschicht auszulösen.

Außerdem verringert das Hinzufügen von Motoren zu einem Arm die Effizienz und den Schub des zweiten Propellers. Ihr 8-Motoren-/4-Arm-Design wird in einer Enttäuschung enden - Sie können nicht einfach den Schub einer einzelnen Motor-Propeller-Kombination hinzufügen, sobald sie eine andere Einheit stören.

Ohne detaillierte Kenntnisse der Regeln Ihres Wettbewerbs ist es schwierig, eine detailliertere Beratung zu geben. Ich gehe davon aus, dass viel fundiertes Trial-and-Error das beste Ergebnis erzielen wird.

Wie können Sie Ihr praktisches Auftriebs-/Gewichtsverhältnis in einem Multirotor maximieren?
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