Дело было вечером, делать было нечего (с)

К предыдущей статье про воздушный винт был комментарий от @RusikR2D2:

У вас получился винт, оптимизированный для "нулевой" скорости (висение). Ваш коптер теперь будет медленнее летать, медленнее набирать высоту, скорее всего, "тупее" реагировать на управление и хуже держать ветер. Также могут появиться вибрации (контроллер настроен именно на то соотношение тяги-оборотов, у вас же оно стало другим)

В данной статье постараюсь разобраться так ли это на самом деле, какие минусы и плюсы возникнут, как эти винты поведут себя в полёте.

Первая версия воздушных винтов была напечатана на 3D принтере, а это повлекло за собой то, что лопасти были крайне гибкими. Испытания с такими лопастями проводить на улице я, откровенно говоря, побоялся из-за потери коптера. И я принял решение, что для улицы я буду делать максимально жёсткие и держащие форму винты. Конечно, изготавливать я их буду из композитных материалов, а именно эпоксидной смолы, армированной углеродным волокном в виде ровинга.

Но, прежде чем что-то делать, необходимо обзавестись оснасткой. Оснастка, в данном случае - матрица (форма), состоящая из двух половинок. Матрица проектируется на основе изделия, которое необходимо получить.

После проектирования, матрицу можно изготовить различными способами, какими - я недавно писал в своей другой статье. Но, сегодня, матрицу как и прототипы винтов, я буду печатать на фотополимерном 3Д принтере. Это просто, быстро, дёшево и доступно для воспроизведения в домашних условиях, а именно это и хочется показать, что используя не совсем специализированные материалы можно получить неплохой результат.

После печати форма нуждается в обработке. Обрабатываются матрицы наждачной бумагой зернистостью от 800 до 1500, на одну половинку затрачивается порядка 5 минут. На фото ниже можно ознакомиться с результатами обработки.

Т.к. эпоксидная смола - это довольно клейкое вещество, то предполагается, что формы необходимо защитить, если этого не сделать, то изделие просто-напросто приклеится к оснастке и результат будет около нулевой. Поэтому, необходимо на форму нанести разделительный слой. Есть специализированные разделительные системы, на основе воска, силиконов или полупостоянные смазки, но у нас другая задача - сделать из того, что есть максимально под рукой. А под рукой есть обувной крем. Необходимо его нанести на форму, подождать когда он высохнет, потом располировать и повторить этот процесс раза 2-3. Для новых форм это особенно важно. Второй момент - лишнее в процессе обработки - не снять лишнее.

На этом матрицы полностью готовы к формовке. Но нам необходим уголь (углеродный ровинг). Я зашёл на авито и списался с продавцом о возможности приобретения небольшого количества желаемой нити, продавец пошёл мне навстречу и продал 5 метров. Смола эпоксидная продаётся практически в любом строительном магазине (ЭД-20, например).

Можно приступать к формовке. Пропитываю угольное волокно эпоксидной смолой и укладываю в форму.

Через сутки смола твердеет и можно извлекать изделие. На фото ниже извлечённое изделие из формы с облоем, которые необходимо срезать.

После обработки лопасти взвешиваю и собираю в готовые винты. Взвешиваю для того, чтобы собирать лопасти с наиболее близкой массой.

Готовый самодельный винт и его масса. (2,53 г)

Масса штатного винта. (2,61 г)

Для проверки провёл испытания в комнате, всё тоже самое, что и с напечатанными лопастями из предыдущей статьи. Прирост был чуть больше 8%, что на 1% больше, чем результат на напечатанных лопастях. Возможно, это связано с тем, что композитные лопасти намного жёстче и стабильнее, чем напечатанные, ну или ошибка где-то закралась )

И наступает момент, ради которого всё задумывалось - испытания на улице.

Сначала в полёт был отправлен коптер со штатными винтами и он улетел. Да-да, улетел и не вернулся, покоится где-то в лесу. Ниже приведён его последний кадр. Я не уследил, что коптер на высоте от 250 м стал быстро удаляться от точки старта (облачками залюбовался :) ). Потом потеря сигнала и пока.

Пришлось купить такой же и повторить испытания. Со вторым прошло всё куда более гладко. Из-за потери коптера я решил уменьшить максимальную высоту подъёма с 300 м до 200 м. И программа испытаний получается следующая:

1. Взлёт и старт секундомера;

2. Подъём на высоту 200 м.;

3. Спуск на высоту 50 м.;

4. Полёт вдоль дороги по маршруту до момента, когда Spark захочет полететь домой;

5. Прилёт в точку дом, спуск до высоты 1 м., принудительное удержание коптера в полёте;

6. Посадка по причине невозможности больше держаться в воздухе.

7. Останов секундомера.

Сначала летаю на штатных воздушных винтах на первом и втором аккумуляторе, потом на самодельных.

Видеоверсия испытаний.

И, конечно же, результаты измерений.

Штатный воздушный винт
1 АКБ 15:10 (910 сек)
2 АКБ 15:00 (900 сек)
Самодельный воздушный винт
1 АКБ 16:35 (995 сек)
2 АКБ 16:20 (980 сек)

Получается, что для при использовании первой АКБ прирост составил 9,3%, для второй АКБ 8,8%, т.е. по сути, тот же прирост, что и при висении.

Но, внимательный читатель может заметить, что время полёта на месте в помещении и на улице сильно отличается. В помещении время не дотягивало и до 15 минут, а на улице более 16 минут, на улице же ветер, который мешает летать.

Секрет кроется в косой обдувке воздушного винта, за счёт которой увеличивается расход воздуха через винт, а следовательно увеличивается и тяга при той же мощности.

Этот эффект используют и большие вертолёты, когда необходимо взлететь или с перегрузом или в условиях разреженной атмосферы ( в горах), но для этого нужно взлетать по самолётному. Ниже пример такого взлёта.

Возвращаясь к начальному вопросу о том, что получился оптимизированный винт для нулевой скорости. Да, это отчасти так, но из-за того, что скорости на воздушном винте, вызванные его вращением в среде довольно высоки (угловая скорости винта 200 об/сек), а скорость аппарата в среде довольно мала 2-3 м/с, то и получается, что негативного влияния последнего на конечные результаты просто нет. Другое дело, если в экспериментах участвовал самолёт, то да, влияние было бы существенно и эффективность винта на скорости 0 м/с сильно отличалась от эффективности при крейсерском полёте.

О минусах угольных винтов - сильно ухудшилась связь приёмо-передатчика с коптером. Углеродное волокно электропроводно, видимо, из-за этого связь ухудшилась. Для исправления этой проблемы лопасти можно сделать из стеклоткани или базальтового волокна. Они условно радиопрозрачны.

На этом всё, спасибо за внимание. На вопросы готов ответить.