Дрон настільки крутий, наскільки він має потужніший двигун та більшу максимальну тягу. Напевно, так пересічні люди уявляють ефективність БПЛА. Але насправді це поширений міф про безпілотну авіацію.

Логіка ніби проста: чим більше ньютонів або грамів тяги, тим більше ваги можна підняти або швидше розігнатися до найвищої швидкості. Натомість реальна аеродинаміка та електротехніка спростовують такий хід думок. Спроба отримати від силової установки всі 100% потенціалу обертається спадом ефективності.

Практичні випробування показали: якщо досягнути максимальних показників тяги, то коефіцієнт корисної дії (ККД) системи не просто зупиниться у зростанні, а стрімко впаде (можливо, навіть вдвічі).

Куди ж дівається енергія?

Всі сучасні мультироторні безпілотники оснащені безколекторними (безщітковими) електродвигунами (BLDC). Це стосується як компактних FPV-дронів так і важких вантажних платформ. Такі електродвигуни мають високу надійність та потужність. Але є нюанси – ніхто не скасовував термодинаміку та електромагнетизм!

Коли безщітковий електричний двигун працює на межі своїх можливостей (90–100% від тяги), то виникають два неминучі критичні процеси: 

1. Нелінійно зростають втрати на нагрівання. За законом Джоуля-Ленца тепло, яке виділяється в провіднику, пропорційне квадрату сили струму (I2R). Тобто, щоб видобути останні 20% тяги на обмотку двигуна, подається в рази більший струм. І значна частина цієї енергії витрачається не на корисну механічну роботу, а на звичайне перегрівання двигуна, а по суті — обігрів повітря навколишнього середовища.

2. Зростає аеродинамічний опір лопатей. Логіка схожа – при високому обертанні пропелера, опір повітря зростає квадратом швидкості. А щоб подолати цей опір потрібна потужність аж пропорційна кубу цієї швидкості. Ось і виходить так, що лопать ніби починає “прослизати” у повітряному потоці, а питома тяга катастрофічно падає.

Високі струми не лише гріють провідник, а й шалено навантажують акумуляторну батарею. Виникає так званий ефект “просідання” напруги (voltage sag). Акумулятор починає грітися через зростання його внутрішнього опору. А от ємність батареї знижується набагато швидше. Це скорочує час польоту, а інколи може навіть призвести до раптового вимкнення живлення в повітрі.

Золота середина: що показали результати експериментів?

Невід’ємним етапом розробки є польові випробування та стендові дослідження силових установок. На них визначають оптимальні робочі режими.

Виявляється, у безщітковому двигуні графік коефіцієнта корисної дії має форму інвертованої параболи. Найвища енергоефективність двигуна лежить у діапазоні 60–65% від його максимальної тяги.

Співвідношення підйомної сили до спожитої потужності в такому режимі — найвище. Робоча температура двигуна лишається у безпечній зоні. 

А якщо двигун запустити на 90–100% від своєї максимальної потужності, то його ефективність впаде у понад 2 рази.

Інженерний підхід: запас ресурсу – запорука надійності

Філософія розробки безпілотників має базуватися саме на розумінні цих фізичних процесів. Компанія «Реактивні дрони» (Reactive Drones) при проєктуванні своїх безпілотних систем свідомо відмовилася від гонитви за критичними піковими показниками.

Інженери не намагаються витискати з двигунів “усі соки”, а розраховують тактико-технічні характеристики (ТТХ) із запасом потужності. Це означає, що крейсерський політ дрона з повним корисним навантаженням відбувається у найефективнішому режимі — 60–65% навантаження на двигуни. І це стосується силових платформ для всієї лінійки апаратів (КАЖАН 620, КАЖАН 630 та ШМАВІК).

Ключові переваги такого підходу:

Максимальний час для проведення місії: Акумулятор віддає енергію в оптимальному режимі без перегріву і передчасного зносу.

Зниження небезпеки відмови пристрою: Двигуни працюють в допустимому температурному діапазоні – провідники не перегріваються, знижується ризик міжвиткового замикання та поламки неодимових магнітів. 

Запас для маневру: У разі виникнення нештатних ситуацій (сильний вітер, ухилення від перешкоди чи нетиповий маневр) дрон має резерв потужності, який можна короткочасно задіяти без ризику миттєвої поломки.

«Реактивні дрони» із досвіду знають, що у безпілотній авіації перемагає не той БПЛА, який видає рекордний ривок на межі самознищення, а той, чия силова система розрахована із запасом міцності, працює в зоні максимального ККД і стабільно виконує завдання від зльоту аж до приземлення.