¿Cuál es la disminución de potencia cuando un dron está descendiendo?

¿Se puede calcular la potencia del motor durante un descenso a partir del requisito de potencia de ascenso?

Por lo general, es al revés, pero lo más importante es cuantificar la tasa de ascenso .

El requisito de potencia para el vuelo nivelado se determina en las naves de ala fija por la tasa de planeo . Una vez que conoce su pérdida de altitud en una cierta distancia, el requisito de potencia (empuje a la velocidad de planeo) para un vuelo nivelado es la relación masa × planeo.

La capacidad de ascenso está determinada por el exceso de empuje disponible a esa velocidad . A medida que uno sube, el requisito de sustentación (perpendicular a la línea de vuelo ) se vuelve menor que el peso (por el coseno del ángulo de ascenso × el peso) y el empuje no solo debe mantener la velocidad aerodinámica sino también contribuir a la fuerza vertical para soportar el peso contra la gravedad.

Para un helicóptero que desciende verticalmente, un quad, un Starship que aterriza, lo que sea, la física es un poco más fácil; solo se basa en el empuje, la resistencia y la gravedad.

Lo que uno debe considerar aquí es la tasa de descenso . Aparte de los "dardos de césped", la mayoría de los objetos que descienden verticalmente alcanzarán una velocidad de descenso de tasa constante "terminal" solo por arrastre. Agregar fuerza de empuje vertical reducirá la velocidad de descenso.

En vuelo estacionario, fuerza de empuje vertical = peso. Ascendente, empuje vertical = peso + arrastre (depende de la velocidad de ascenso). Descendente, empuje vertical = peso - arrastre (depende de la velocidad de descenso).

El requisito de potencia real también puede depender de la técnica de descenso. Su quad puede requerir menos potencia (para una determinada velocidad de descenso) si se mueve hacia adelante, en lugar de hacia abajo, como un helicóptero. El movimiento hacia adelante en realidad lo ayuda a "deslizarse" un poco.

Cualquier disminución en la potencia por debajo de lo que se requiere para mantener el vuelo nivelado resultará en un descenso.

La sustentación será menor que el peso en un descenso. Esto da como resultado un componente de velocidad vertical, que se acumula hasta que el arrastre vertical es igual a la diferencia de fuerza. Como cualquier objeto que cae alcanzando una velocidad terminal.

O, en otras palabras, ¿se puede calcular la potencia del motor durante el descenso utilizando la ecuación de requisitos de potencia de ascenso, pero simplemente poniendo una velocidad negativa para representar el descenso?

Sí, de hecho, siempre que la resistencia vertical sea parte de la ecuación de potencia de ascenso. La potencia del motor es una función del empuje generado.

La potencia necesaria para mantener la sustentación igual al peso¹ aumenta con la velocidad de ascenso y disminuye con la velocidad de descenso.

El empuje producido por un rotor (hélice) es igual a la tasa de flujo másico de aire a través del disco de la hélice por el cambio en la velocidad de ese aire. Este cambio de velocidad aumenta el impulso del aire (que equilibra el empuje), pero también aumenta su energía cinética, y esta energía tiene que ser proporcionada por el motor como potencia inducida³.

Pero la energía cinética es igual a la masa por el cuadrado de la velocidad, lo que significa que la potencia inducida es igual a la tasa de flujo de masa por el cambio en la velocidad por la velocidad ² del aire. Esta velocidad es un valor base debido al funcionamiento del rotor, más la velocidad vertical de la nave.

Entonces, si la embarcación está ascendiendo, la potencia requerida aumenta, y si la embarcación está descendiendo, la potencia requerida disminuye, incluso para la misma sustentación.

Si el ángulo de ataque de las palas del rotor es lo suficientemente bajo como para que no se detengan cuando la dirección del flujo cambia hacia arriba, la potencia inducida disminuirá por debajo de cero hasta que equilibre la potencia parásita³ y el rotor gire sin ninguna potencia del motor. Esto se denomina autorrotación y permite que los helicópteros realicen un aterrizaje seguro en caso de falla del motor. Sin embargo, requiere que las palas tengan un ángulo de ataque lo suficientemente bajo, por lo que un cuadricóptero con un paso de pala fijo no girará automáticamente, sino que el rotor se detendrá a velocidades de descenso más altas.

¹ La resistencia aumentará un poco el requisito de sustentación en el ascenso y lo disminuirá un poco en el descenso, pero con tasas típicas de ascenso o descenso (100 pies/min ~ 1 nudo), esta es una contribución relativamente pequeña.

² Más precisamente,$P = \dot m (v_0 \Delta v + \Delta v^2)$dónde$P$es la potencia inducida,$\dot m$es el caudal másico,$v_0$es la velocidad del flujo de aire justo por encima del rotor y$\Delta v$es el aumento en la velocidad del flujo a través del rotor. Cuando la embarcación está descendiendo, en algún punto$v_0$se volverá negativo, lo que significa que el aire fluye desde abajo.

³ La potencia necesaria para hacer girar un rotor (hélice) es potencia inducida, que es la potencia necesaria para aumentar la energía cinética del aire para producir empuje, más potencia parásita, que es la potencia necesaria para superar la resistencia parásita de las palas.