¿Cómo maximizar su relación práctica de elevación/peso en un multirotor?

Mi amigo y yo estamos trabajando juntos actualmente en una competencia multirotor. Él es un piloto experimentado y yo soy más un tipo de números (aunque mi experiencia es en ingeniería de software , no en aviación).

Nuestro último desafío consiste en maximizar nuestra relación entre elevación y peso . Esencialmente, vamos a medir cuánto puede levantar nuestra nave y dividirlo por el peso de nuestra nave.

Mi investigación preliminar parece mostrar que la forma más obvia de hacer esto es agregando más motores y accesorios a la nave. Entonces, estamos considerando construir un dodeca-helicóptero básico.

Esto parece un enfoque muy simple... tal vez demasiado simple. Me preocupa que, aunque es muy intuitivo, también puede ser muy ingenuo.

Entonces, le pregunto a la comunidad, ¿nuestro enfoque es sólido? ¿Nos faltan algunas optimizaciones comunes que podrían ayudarnos?

En otras palabras: ¿Cómo maximizar su relación práctica de elevación/peso en un multirotor?

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Hemos podido encontrar motores más potentes (E800 en lugar de E310). Tenemos menos de ellos, pero creo que todavía estamos mejor con ellos. Aquí está el desglose de nuestra compilación:

  • Componentes principales (Controlador de vuelo, receptor, tuercas, tornillos) =313g
  • Estamos usando motores E800
    • Unidad de peso:106g
    • Unidad de elevación:2100g
  • ESC peso =44g
  • Peso de apoyo =14g
  • Pesos de la batería ={410g, 584g}

El único material del marco al que tenemos acceso en este momento es el tubo de aluminio cuadrado. Cada "barra" de tubería pesa alrededor de 88g.

Hice algunos cálculos para algunas configuraciones diferentes y esto es lo que obtuve:

4 motores, 4 brazos

Esta configuración requiere 1.5"barras" de materiales de marco. Esto me da el siguiente peso total:

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

La elevación total es 4 * 2100g = 8400gla que nos da una relación L/W de

8400g / 1511g = 5.56

6 motores, 6 brazos

Esta configuración requiere 4"barras" de materiales de marco. Esto me da el siguiente peso total:

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

La elevación total es 6 * 2100g = 12600gla que nos da una relación L/W de

12600g / 2059g = 6.12

8 motores, 4 brazos

Esta configuración requiere 4"barras" de materiales de estructura pero tiene dos motores montados por brazo. Esto me da el siguiente peso total:

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

La elevación total es 8 * 2100g = 16800gla que nos da una relación L/W de

16800g / 2561g = 6.56

Conclusión

Si estoy haciendo mis cálculos correctamente, parece que nuestra mejor opción, dados nuestros recursos limitados, es un octocóptero de 4 brazos.

No estoy tan sorprendido ya que esta configuración tiene el porcentaje más alto de peso total asociado con los motores.

¿Es 6.56una relación de elevación a peso decente? ¿Hay algo más que podamos hacer para mejorarlo?

Resultados de la competencia

Pesaje: 2460Elevación (metros de cuerda): 34m@ 346g/mElevación (gramos):11764g

Relación elevación/peso (excluida la embarcación):4.78

Relación elevación/peso (incluida la embarcación):5.78

Entonces, en general, no muy lejos de nuestra predicción "ideal".

Al agregar ensamblajes de motor + hélice + batería de la misma relación L/W, de hecho reduce la porción de carga útil que cada ensamblaje tiene que levantar, por lo que puede levantar más. El límite es cuando la sustentación individual comienza a reducirse debido a la turbulencia creada por las hélices vecinas. Relacionado: ¿El aeropatín ARCA viola los límites conocidos de los ventiladores eléctricos de pequeño diámetro?
Sí, eso es lo que me preocupaba. Sobre el papel, nuestra configuración de 8 motores y 4 brazos parece la mejor, pero los dos motores por brazo están increíblemente cerca uno del otro. Mi compañero de equipo me dice que no hay mucha pérdida de energía asociada con esto, pero soy escéptico. Si tuviéramos más tiempo, haría pruebas prácticas con cada configuración. Desafortunadamente, solo tenemos tiempo para una compilación.
No estoy seguro de si esto ayudará, solo descarté la idea de que canalizar los ventiladores puede ayudar a reducir la pérdida de energía al tener los dos accesorios juntos al final de un brazo. Tendrá el peso adicional de los conductos y tendrá que hacer algunas matemáticas/investigación para determinar el mejor diseño para los conductos, pero pueden ayudar. ¡No es un ingeniero aeroespacial!
Agregar motores y hélices asociadas, estructura y baterías (suponiendo que se necesita la misma resistencia) aumentará el peso casi tan rápido como el elevador, porque los componentes que está agregando son casi todo el peso. De hecho, deberá fortalecer la estructura y eso significa que la estructura de tamaño doble pesará más del doble, lo que conducirá a una L/W más baja para un diseño más grande.
Sin embargo, tiene los "componentes principales" que constituyen una fracción bastante grande del peso total. Si eso es algo que no puede cambiar y no escala, seguro que necesita una nave más grande.
En realidad, eso fue un error de la hoja de cálculo. El peso real de los "componentes principales" es 313g. Actualizaré la pregunta para reflejar esto mañana por la mañana (ya es tarde). Gracias por llamar mi atención sobre eso.
Más allá de eso, debe buscar la eficiencia (pruebe diferentes hélices, especialmente diferentes tamaños) y trate de ahorrar peso en todo lo que pueda, usando el mínimo absoluto de baterías, los elementos estructurales más débiles y livianos que lo mantendrán unido, etc.
@MetaFight, notará que el menor peso de los "componentes principales" hará que el aumento de L/W sea menos significativo, aunque seguirá ahí, porque 313 g sigue siendo una parte bastante grande del peso total. Luego, por supuesto, todavía está el problema de las baterías: no escala las baterías, lo que significa que el diseño de tamaño doble tendrá la mitad de la duración y eso significa que el más pequeño tiene una duración innecesariamente larga y debe calcularlo con una batería más pequeña, o el más grande tiene una resistencia insuficiente y necesitará una batería más grande.
@JanHudec sí, eso tiene sentido. En nuestro caso, solo necesitamos volar durante unos 45 segundos, por lo que la resistencia no es un problema. Hemos completado nuestra compilación y la pondremos a prueba más tarde hoy. ya te cuento como me fue :)

Respuestas (1)

Para maximizar la sustentación, utilice los motores más potentes y déjelos girar las hélices a la mayor velocidad posible. Para minimizar el peso, haga que la estructura sea lo más liviana posible (use tubos redondos de fibra de carbono/epoxi en lugar de tubos cuadrados de aluminio, por ejemplo) y use solo la cantidad de baterías necesarias para lograr el despegue.

Espero que haya algunas reglas más para garantizar que la entrada ganadora sea realmente utilizable. No mencionaste nada de esto. Ahora entra en juego la eficiencia y aumenta el número de parámetros a observar. Mucho.

  • Asegúrese de que sus hélices actúen sobre el mayor volumen de aire posible. Déjelos funcionar a una velocidad reducida para una mejor eficiencia. Debe probar su combinación particular de motor y hélice donde está el punto dulce: no hay un número general para la mejor eficiencia.
  • Ponga la menor resistencia posible en el camino de la corriente de aire. Esto requiere un estudio cuidadoso de todas las formas y secciones transversales. Consulte el lado derecho de la imagen a continuación para obtener una descripción general del coeficiente de arrastre de diferentes formas 2D.

Figura 33 de Fluid Dynamic Drag de Sighard Hoerner, Capítulo 3

Figura 33 de Fluid Dynamic Drag de Sighard Hoerner , capítulo 3.

Como puedes ver, redondo es mejor que cuadrado. Sin embargo, dependiendo del número de Reynold local, puede ayudar agregar turbuladores o rugosidad local para disparar la capa límite.

Además, agregar motores a un brazo reducirá la eficiencia y el empuje de la segunda hélice. Su diseño de 8 motores / 4 brazos terminará en una decepción: no puede simplemente agregar el empuje de una combinación individual de motor y hélice una vez que interfieren con otra unidad.

Sin un conocimiento detallado de las reglas de su competencia, es difícil dar consejos más detallados. Espero que una gran cantidad de ensayo y error educados produzcan el mejor resultado.

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