FPV propeleriai: išsamus pasirinkimo gidas

Kaip propeleris sukuria trauką?

Iš kur atsiranda jėga, kuri mentę kelia aukštyn? Oro srautas, pasiekęs mentės priekinę briauną, pasidalija ir teka virš bei po mente. Dėl mentės aerodinaminio profilio ir jos padėties oro srauto atžvilgiu aplink mentę susidaro nevienodas oro greičio ir slėgio pasiskirstymas. Kai propeleris sukuria trauką, viršutinėje mentės pusėje oro srautas paprastai juda greičiau, o statinis slėgis yra mažesnis nei apatinėje pusėje.

Supaprastintu atveju energijos tvermę sraute aprašanti Bernulio lygtis nurodo, kad statinio ir dinaminio slėgio suma išilgai srauto linijos išlieka pastovi. Ten, kur oro greitis v didesnis, didesnis ir dinaminis slėgis, todėl statinis slėgis yra mažesnis. Dėl to virš mentės susidaro žemo slėgio sritis (ŽS). Apačioje oro greitis mažesnis, todėl statinis slėgis didesnis – susidaro aukšto slėgio sritis (AS).

Slėgis mentę veikia iš abiejų pusių, tačiau apačioje esantis aukštesnis slėgis ją spaudžia aukštyn stipriau, nei viršuje esantis žemesnis slėgis spaudžia žemyn. Būtent dėl šio slėgių skirtumo mentė sukuria jėgą, kuri besisukančiame propeleryje virsta propelerio trauka (angl. thrust).

Propelerio diametras

Propelerio diametras (angl. propeller diameter) nurodomas coliais – pavyzdžiui, 2”, 3”, 5”, 7” ar 10”. Tai atstumas nuo vieno propelerio mentės galo iki kito, matuojant per jo centrą. Būtent pagal naudojamų propelerių diametrą dažnai apibūdinamas ir FPV drono dydis – pavyzdžiui, kalbėdami apie „5 colių droną“ paprastai turime omenyje droną, skirtą maždaug 5” propeleriams.

Didėjant propelerio diametrui, didėja jo veikiamas oro plotas, todėl propeleris gali sukurti didesnę trauką ir, tinkamai suderinus visą sistemą, pasiekti geresnį efektyvumą. Dėl to didesni propeleriai dažnai naudojami long-range dronuose, kuriems svarbus efektyvus skrydis.

Tačiau didesnį propelerį sunkiau sukti – didėja motoro apkrova, o jo apsukas paprastai sunkiau greitai pakeisti (tiek padidinti, tiek sumažinti). Mažesni ir lengvesni propeleriai gali greičiau keisti apsukas, todėl gerai suderintas dronas su mažesniais propeleriais gali labai greitai reaguoti į piloto komandas.

Propelerio diametras negali būti pasirenkamas atskirai nuo kitų komponentų. Jis turi fiziškai tikti rėmui, o motoras turi būti pritaikytas tokio dydžio propeleriui. Todėl 5” dronui negalima tiesiog uždėti 7” propelerių tikintis gauti daugiau traukos – propelerio, motoro ir rėmo dydžiai turi būti derinami tarpusavyje.

Propelerio forma

Vienodas propelerio diametras, žingsnis ir menčių skaičius dar nereiškia, kad propeleriai yra vienodi. Gali skirtis pačių menčių plotis, forma, storis, galiukų geometrija ir bendras propelerio svoris. Visa tai turi įtakos propelerio aerodinaminėms savybėms, motoro apkrovai ir tam, kaip dronas apskritai jaučiasi ore.

Geras pavyzdys –  ⁠HQProp Ethix P3.5 ir  ⁠Gemfan Hurricane 51433. Abu yra maždaug 5,1” diametro, 3,5” žingsnio, trijų menčių polikarbonato propeleriai, tačiau pažvelgus į juos iš viršaus skirtumas akivaizdus. Ethix P3.5 mentės yra „pilnesnės“, o Hurricane 51433 – labiau išlenktos atgal ir ryškiau siaurėjančios link galiuko.

Mentės plotas turi nemažą įtaką propelerio charakteristikoms. Didesnį plotą turinti mentė gali agresyviau veikti orą ir sukurti daugiau traukos, tačiau kartu paprastai labiau apkrauna motorą. Siauresnės mentės gali būti lengvesnės ir efektyvesnės, tačiau vėl – vien iš jų pločio apie visas propelerio savybes spręsti negalima, nes svarbi bendra visos mentės geometrija.

Svarbi ir propelerio masė. Šiame pavyzdyje HQProp sveria 3,5 g, o Gemfan – 3,8 g (skirtumas apie 10%). Lengvesnį propelerį motorui lengviau įsukti ir pristabdyti, todėl jo apsukas galima greičiau keisti. Sunkesnis propeleris turi didesnę sukimosi inerciją ir į motoro apsukų pokyčius reaguoja lėčiau.

Todėl tokie žymėjimai kaip 5.1×3.5×3 nusako tik pagrindinius propelerio parametrus. Net ir vienodo diametro, žingsnio bei menčių skaičiaus propeleriai dėl skirtingos menčių geometrijos ir masės gali skirtis trauka, motoro apkrova, efektyvumu ir reakcija į piloto komandas.

Propelerio sukimosi kryptis

Iki šiol aptarti propelerio parametrai – diametras, žingsnis, menčių skaičius, forma ar medžiaga – net ir parinkti neoptimaliai dažniausiai dar leistų dronui kažkaip skristi. Galbūt jis būtų neefektyvus, vangus, motorai kaistų ar tiesiog skristų prasčiau. Tačiau su propelerio sukimosi kryptimi klaidoms vietos gerokai mažiau. Uždėjus netinkamos krypties propelerį dronas gali visai nepakilti – ir tai dar būtų geresnis variantas. Blogesniu atveju, bandydamas pakilti jis gali staigiai apsiversti ir ką nors sulaužyti ar bent jau aplamdyti.

FPV dronų propeleriai gaminami dviejų sukimosi krypčių. CW (angl. clockwise) propeleris skirtas suktis pagal laikrodžio rodyklę, o CCW (angl. counter-clockwise) – prieš laikrodžio rodyklę. Tai nėra tiesiog tas pats propeleris, kurį galima sukti į bet kurią pusę – CW ir CCW propelerių mentės yra veidrodinės formos. Sukamas netinkama kryptimi propeleris stums orą ne žemyn, o aukštyn, todėl nesukurs dronui pakilti reikalingos krypties traukos.

Kaip atskirti CW ir CCW propelerį? Pirmiausia reikia pažiūrėti į mentės priekinę briauną (angl. leading edge) ir galinę briauną (angl. trailing edge). Priekinė briauna paprastai yra storesnė ir labiau užapvalinta, o galinė – plonesnė ir aštresnė. Sukdamasis propeleris turi judėti taip, kad priekinė mentės briauna „pjautų“ orą pirma. Taigi, žiūrint į propelerį iš viršaus, pagal priekinę briauną galima nustatyti, kuria kryptimi jis turi suktis – pagal laikrodžio rodyklę (CW) ar prieš ją (CCW). 

Taip pat priekinė briauna yra aukščiau, o galinė – žemiau. Pagal tai galima nustatyti, kaip propeleris turi būti uždėtas – kur jo viršus, o kur apačia.

Kai kurie gamintojai sukimosi kryptį papildomai pažymi ant paties propelerio. Pavyzdžiui, galima sutikti R (reverse) žymėjimą. Tačiau tokie žymėjimai tarp gamintojų nėra visiškai vienodi, todėl vien jais aklai pasikliauti nereikėtų – priekinė ir galinė mentės briaunos yra universalesnis būdas nustatyti teisingą sukimosi kryptį.

Įprastame keturių motorų FPV drone du motorai ir propeleriai sukasi CW, o kiti du – CCW kryptimi. Taip kompensuojamas reakcijos sukimo momentas. Motorui sukant propelerį viena kryptimi, drono korpusą veikia priešingos krypties sukimo momentas. Jei visi keturi propeleriai suktųsi ta pačia kryptimi, šie momentai susidėtų ir verstų visą droną suktis priešinga kryptimi aplink vertikalią – yaw – ašį. Kai du propeleriai sukasi CW, o du CCW, jų reakcijos momentai normalaus skrydžio metu iš esmės kompensuoja vienas kitą.

Props-in ir Props-out

Nors du propeleriai turi suktis CW, o du CCW, yra dvi dažniausiai naudojamos jų išdėstymo schemos.

Props In schemoje, žiūrint į droną iš viršaus, priekinių propelerių mentės ties drono viduriu juda link drono centro. Tai tradicinė Betaflight propelerių sukimosi schema.

Props Out schemoje viskas atvirkščiai – priekinių propelerių mentės ties drono viduriu juda nuo centro į išorę. Betaflight ši konfigūracija pasirenkama nustatymu Motor direction is reversed. Props Out gana dažnai naudojama FPV dronuose, nes priekiniai propeleriai linkę sviesti žolę, smėlį ir kitus nešvarumus tolyn nuo drono centro ir kameros, o ne į juos. Aišku, jei nėra jokios apsaugos iš šono – purvas gali būti sviedžiamas į pagrindinius drono komponentus.

Abiem atvejais dronas vis tiek turi du CW ir du CCW propelerius – pasikeičia tik jų išdėstymas. Nei Props In, nei Props Out savaime nėra „teisingesnė“ schema. 

Todėl neužtenka vien nusipirkti tinkamus CW ir CCW propelerius. Kad dronas galėtų normaliai pakilti, tarpusavyje turi sutapti trys dalykai:

1. Propeleriai turi būti fiziškai uždėti teisingai – CW propeleriai ant CW kryptimi besisukančių motorų, CCW – ant CCW kryptimi besisukančių.
2. Motorai turi fiziškai suktis teisingomis kryptimis pagal pasirinktą Props In arba Props Out schemą.
3. Betaflight turi būti pasirinkta fizinę motorų sukimosi schemą atitinkanti konfigūracija – Props In arba Props Out (Motor direction is reversed).

Perkant propelerius taip pat verta patikrinti jų komplektaciją. FPV dronams jie dažnai parduodami keturių komplektu – 2 CW + 2 CCW, tačiau taip būna ne visada. Todėl produkto aprašyme verta patikrinti ne tik propelerio diametrą, žingsnį ir menčių skaičių, bet ir kiek bei kurios sukimosi krypties propelerių iš tikrųjų yra pakuotėje.

Propeleris + motoras + baterija

Propelerio nederėtų rinktis atskirai nuo motoro ir baterijos. Propeleris yra apkrova motorui – kuo jį sunkiau sukti, tuo daugiau darbo turi atlikti motoras ir tuo daugiau elektros energijos jis pareikalauja iš baterijos. Todėl tas pats propeleris su skirtingais motorais ar baterijomis gali veikti visiškai skirtingai.

Pavyzdžiui, didesnio diametro, didesnio žingsnio ar daugiau menčių turintis propeleris paprastai motorą apkrauna labiau. Tačiau svarbu ir tai, koks motoras tą propelerį suka. Skirtingo dydžio ir KV motorai su tuo pačiu propeleriu gali pasiekti skirtingas apsukas, sukurti skirtingą trauką ir naudoti skirtingą srovę.

O kad būtų dar painiau – svarbi ir baterija. Kaip žinia, 4S ir 6S baterijų įtampa skiriasi, todėl motorai parenkami atsižvelgiant ir į naudojamą bateriją. Dėl šios priežasties panašus 5” FPV dronas su 4S baterija paprastai naudos didesnio KV motorus nei 6S dronas. Taigi vien žinoti, kad turime, pavyzdžiui, 5” propelerį ir 2207 motorą, dar nepakanka – svarbus ir motoro KV bei baterijos įtampa.

Jeigu motorui parenkamas per didelis ar per agresyvus propeleris, jam sukti reikės daugiau srovės. Dėl to motorai gali pradėti stipriai kaisti, o didesnė apkrova tenka ir ESC. Kraštutiniu atveju galima perkaitinti ar net sugadinti motorą arba ESC. Todėl didesnis žingsnis, daugiau menčių ar didesnis diametras nebūtinai reiškia, kad dronas tiesiog gaus „daugiau galios“ – visa sistema turi būti tarpusavyje suderinta. Kitu atveju gali tekti užsakinėti naujas detales, nes pirmosios gali būti sugadintos.

Laimei, visko skaičiuoti pačiam dažniausiai nereikia. Motorų gamintojai savo specifikacijose paprastai nurodo rekomenduojamą baterijos įtampą ir propelerius, o neretai pateikia ir bandymų (angl. thrust test) lenteles. Jose galima pamatyti, su kokiu propeleriu ir įtampa motoras buvo išbandytas, kokią trauką (angl. thrust) sukūrė, kiek srovės (A) naudojo ir kiek galios (W) pareikalavo. Kai kurie gamintojai netgi pateikia konkrečius išbandytų propelerių modelius, kiti – tik rekomenduojamą jų dydį ar bendrus parametrus.

Pavyzdžiui, galima pasižiūrėti kelių populiarių motorų – EMAX ECO II, AOS Supernova, AxisFlying AE 2207 ar iFlight XING-E Pro 2207 – specifikacijas. Informacija pateikiama skirtingai, tačiau principas tas pats: gamintojo duomenys leidžia suprasti, kokiai baterijai ir kokiems propeleriams konkretus motoras yra skirtas.

Pavyzdžiui, EMAX ECO II 1700 KV motoras su 6S baterija ir DALPROP Cyclone 5040 propeleriu maksimalia apkrova naudoja 26,2 A srovę, o su HQProp 5.5x4x3 – jau 35,8 A. Jau užsiminiau, kad agresyvesnis propeleris gali gerokai padidinti motoro imamą srovę, todėl renkantis propelerį nereikėtų pamiršti ir turimo (ar planuojamo įsigyti) ESC pajėgumų.

Tai kokį propelerį rinktis?

Jei perskaitę iki čia tikėjotės, kad pagaliau pasakysiu, kuris propeleris yra geriausias – turiu blogų žinių. Tokio nėra. Propelerio pasirinkimas, jei dar nepastebėjote, yra kompromisas tarp traukos, reakcijos, greičio, efektyvumo ir skrydžio laiko.

Racing pilotui paprastai svarbi didelė trauka ir greita reakcija į throttle. Didesnis propelerio žingsnis ir platesnės mentės gali padidinti trauką, bet reikia nepamiršt, kad tai labiau apkrauna motorą. Reakcijai svarbus ir propelerio svoris – lengvesnį propelerį motoras gali greičiau įsukti ir pristabdyti. Todėl racing atveju ieškoma gero balanso tarp didelės traukos ir greitos reakcijos.

Freestyle atveju taip pat svarbi greita reakcija, tačiau ne mažiau svarbu, kaip prognozuojamai dronas reaguoja į throttle ir elgiasi staigių manevrų metu. Čia nėra vieno parametro, pagal kurį būtų galima išsirinkti „freestyle propelerį“ – svarbus žingsnio, menčių formos, jų ploto ir svorio derinys.

Long-range pilotams prioritetas pasislenka efektyvumo link. Vieno propelerio parametro, kuris būtų tiesiogiai proporcingas efektyvumui, nėra, tačiau didesnis diametras paprastai leidžia efektyviau sukurti reikiamą trauką, nes propeleris veikia didesnę oro masę. Dėl to long-range dronuose dažnai sutinkami didesnio diametro ir ne itin agresyvaus žingsnio propeleriai. Vis dėlto propelerio ir motoro efektyvumą galima palyginti pagal gamintojų bandymų lentelėse sutinkamą g/W (gramai vatui) rodiklį – kiek gramų traukos gauname vienam sunaudojamam vatui. Kuo šis parametras aukštesnis tame pačiame darbo taške, tuo efektyviau sistema sukuria trauką.

Cinematic skrydžiuose svarbi tolygi ir lengvai kontroliuojama reakcija. Mažiau agresyvus žingsnis gali padėti išvengti pernelyg staigios reakcijos į throttle, tačiau svarbi ir menčių forma, standumas bei pats propelerio balansas. Pažeistas ar nesubalansuotas propeleris gali sukelti vibracijas, kurios galiausiai persiduoda ir į filmuojamą vaizdą.

Didžiausia trauka nebūtinai reiškia geriausią propelerį. Agresyvesnis propeleris gali sukurti daugiau traukos, tačiau kartu pareikalauti gerokai daugiau energijos. Racing dronui tai gali būti visai priimtinas kompromisas, o long-range dronui – puikus būdas savo „long-range“ skrydį paversti „surask droną laukuose“ pasivaikščiojimu.

Pradžiai paprasčiausia rinktis motoro gamintojo rekomenduojamus propelerius, o vėliau eksperimentuoti. Pakeiskite žingsnį, menčių skaičių ar jų formą ir pažiūrėkite, kaip pasikeičia drono elgesys. Tik geriausia vienu metu keisti vieną parametrą – tada bus aišku, kuris pakeitimas iš tikrųjų padarė skirtumą. Ir būtinai tikrinkite propelerių testų lentelėse nurodomą motoro imamą srovę – saugokit savo ESC.

Kada propelerį jau reikia keisti?

FPV propeleriai yra eksploatacinė dalis – anksčiau ar vėliau jie susitinka su žeme, šaka ar kitu objektu, kuris, pasirodo, nenori pasitraukti iš kelio. Nedideli paviršiaus pabraižymai paprastai nėra problema, o tikrai geros priežastys pakeisti propelerį yra:

• įtrūkimai
• nulūžę galiukai
• stiprūs įlenkimai
• deformuotos mentės

Net ir nedidelis pažeidimas gali pakeisti mentės formą arba propelerio balansą. Didelėmis apsukomis besisukantis nesubalansuotas propeleris gali sukelti vibracijas. Jos gali trikdyti giroskopo matavimus ir apsunkinti skrydžio valdiklio bei motorų darbą, todėl gali suprastėti drono skrydžio kokybė, padidėti motorų kaitimas, o vibracijos gali patekti ir į filmuojamą vaizdą.

Ypač atsargiai reikėtų vertinti įtrūkimus ties propelerio mentės pagrindu. Šiose vietose mentę veikia didelės apkrovos, todėl mažas įtrūkimas skrydžio metu gali išaugti ir mentė gali nulūžti. O vienos mentės netekęs didelėmis apsukomis besisukantis propeleris nėra didelis optimistas – skrydis paprastai ilgai nebesitęsia.

Taip pat verta patikrinti, ar visos mentės išlaikė savo formą. Po smūgio polikarbonato propeleris gali ne nulūžti, o pasilenkti ar persisukti. Iš pirmo žvilgsnio jis vis dar gali atrodyti tinkamas, tačiau pakitusi mentės geometrija jau gali turėti įtakos jos darbui.

Todėl kriterijus „dar nenulūžo – vadinasi, dar geras“ nėra pats geriausias. Propeleriai kainuoja palyginti nedaug, o sugedusio propelerio sukeltas kritimas gali kainuoti gerokai daugiau. Jei propeleris įtrūkęs, aiškiai deformuotas, nulūžęs jo galiukas arba po smūgio atsirado anksčiau nebuvusios vibracijos – jį geriau pakeisti.