Wie stark nimmt die Leistung ab, wenn sich eine Drohne im Sinkflug befindet?

kann die Motorleistung beim Sinkflug aus dem Steigleistungsbedarf berechnet werden?

Normalerweise ist es umgekehrt, aber am wichtigsten ist, dass man die Steiggeschwindigkeit quantifiziert .

Der Leistungsbedarf für den Horizontalflug wird bei Starrflüglern durch die Gleitzahl bestimmt . Wenn Sie Ihren Höhenverlust über eine bestimmte Entfernung kennen, ist die Leistungsanforderung (Schub bei Gleitgeschwindigkeit) für einen Horizontalflug Masse × Gleitverhältnis.

Die Steigfähigkeit wird durch überschüssigen Schub bestimmt, der bei dieser Geschwindigkeit verfügbar ist . Wenn man sich nach oben neigt, wird der Auftriebsbedarf (senkrecht zur Fluglinie ) geringer als das Gewicht (durch den Kosinus des Steigwinkels × Gewicht), und der Schub muss nicht nur die Fluggeschwindigkeit aufrechterhalten, sondern auch zur vertikalen Kraft beitragen , um das Gewicht gegen die Schwerkraft zu tragen.

Für einen vertikal absteigenden Hubschrauber, ein Quad, ein landendes Raumschiff oder was auch immer, ist die Physik etwas einfacher; es basiert nur auf Schub, Widerstand und Schwerkraft.

Was man hier beachten muss, ist die Sinkgeschwindigkeit . Abgesehen von "Rasenpfeilen" erreichen die meisten vertikal absteigenden Objekte allein durch den Luftwiderstand eine "endgültige" Abstiegsgeschwindigkeit mit konstanter Rate. Das Hinzufügen einer vertikalen Schubkraft verlangsamt die Sinkgeschwindigkeit.

Beim Schweben ist vertikale Schubkraft = Gewicht. Aufsteigender, vertikaler Schub = Gewicht + Luftwiderstand (abhängig von der Aufstiegsgeschwindigkeit). Sinkender, vertikaler Schub = Gewicht - Luftwiderstand (abhängig von der Sinkgeschwindigkeit).

Der tatsächliche Leistungsbedarf kann auch von der Technik des Abstiegs abhängen. Ihr Quad benötigt möglicherweise weniger Leistung (für eine bestimmte Sinkgeschwindigkeit), wenn es sich vorwärts bewegt, im Gegensatz zu einer geraden Abwärtsbewegung, genau wie ein Hubschrauber. Die Vorwärtsbewegung hilft ihm tatsächlich ein wenig beim "Gleiten".

Jede Verringerung der Leistung unter das, was erforderlich ist, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten, führt zu einem Sinkflug.

Beim Abstieg ist der Auftrieb geringer als das Gewicht. Dies führt zu einer vertikalen Geschwindigkeitskomponente, die sich aufbaut, bis der vertikale Widerstand gleich der Kraftdifferenz ist. Wie jedes fallende Objekt, das eine Endgeschwindigkeit erreicht.

Oder mit anderen Worten, kann die Motorleistung während des Abstiegs mithilfe der Gleichung für die Steigleistungsanforderung berechnet werden, aber nur eine negative Geschwindigkeit eingesetzt werden, um den Abstieg darzustellen?

Ja, in der Tat, vorausgesetzt, dass der vertikale Luftwiderstand ein Teil der Steigleistungsgleichung ist. Die Motorleistung ist eine Funktion des erzeugten Schubs.

Die Kraft, die erforderlich ist, um den Auftrieb gleich dem Gewicht zu halten¹, nimmt mit der Steiggeschwindigkeit zu und mit der Sinkgeschwindigkeit ab.

Der von einem Rotor (Propeller) erzeugte Schub ist gleich dem Massendurchsatz der Luft durch die Propellerscheibe multipliziert mit der Geschwindigkeitsänderung dieser Luft. Diese Geschwindigkeitsänderung erhöht den Impuls der Luft (der den Schub ausgleicht), erhöht aber auch ihre kinetische Energie, und diese Energie muss vom Motor als induzierte Leistung bereitgestellt werden³.

Aber kinetische Energie ist gleich Masse mal Quadrat der Geschwindigkeit, was bedeutet, dass die induzierte Leistung gleich ist Massendurchfluss mal Geschwindigkeitsänderung mal Geschwindigkeit ² der Luft. Diese Geschwindigkeit ist ein Grundwert aufgrund der Rotorarbeit plus der vertikalen Geschwindigkeit des Fahrzeugs.

Wenn also das Fahrzeug steigt, steigt die erforderliche Leistung, und wenn das Fahrzeug sinkt, sinkt der Leistungsbedarf, selbst bei gleichem Auftrieb.

Wenn der Anstellwinkel der Rotorblätter niedrig genug ist, damit sie nicht abwürgen, wenn sich die Strömungsrichtung nach oben ändert, sinkt die induzierte Leistung unter Null, bis sie die parasitäre Leistung ausgleicht³ und der Rotor dreht sich ohne jegliche Motorleistung. Dies wird als Autorotation bezeichnet und ermöglicht es Hubschraubern, bei einem Triebwerksausfall noch sicher zu landen. Es erfordert jedoch, dass die Blätter einen ausreichend niedrigen Anstellwinkel haben, damit sich ein Quadrocopter mit fester Blattsteigung nicht automatisch dreht, sondern der Rotor bei höheren Sinkgeschwindigkeiten blockiert.

¹ Luftwiderstand erhöht den Auftriebsbedarf im Steigflug etwas und verringert ihn im Sinkflug etwas, aber bei typischen Steig- oder Sinkgeschwindigkeiten – 100 ft/min ~ 1 Knoten – ist dies ein relativ kleiner Beitrag.

² Genauer gesagt$P = \dot m (v_0 \Delta v + \Delta v^2)$Wo$P$ist die induzierte Leistung,$\dot m$ist der Massendurchfluss,$v_0$ist die Luftströmungsgeschwindigkeit direkt über dem Rotor und$\Delta v$ist die Zunahme der Strömungsgeschwindigkeit durch den Rotor. Wenn das Fahrzeug absteigt, irgendwann$v_0$wird negativ, d. h. die Luft strömt von unten nach.

³ Die zum Drehen eines Rotors (Propeller) erforderliche Leistung ist die induzierte Leistung, d. h. die Leistung, die erforderlich ist, um die kinetische Energie der Luft zu erhöhen, um Schub zu erzeugen, plus parasitäre Leistung, d. h. die Leistung, die erforderlich ist, um den parasitären Luftwiderstand der Blätter zu überwinden.