Ρεκόρ ηλεκτρικού quadcopter: Πτήση 3,5+ ωρών με μία φόρτιση – πως το πέτυχε ο Luke Maximo Bell

Ρεκόρ: Μηχανικός κατασκευάζει ηλεκτρικό quadcopter με πάνω από 3,5 ώρες πτήσης

Ο Νοτιοαφρικανός Luke Maximo Bell έσπασε (ανεπίσημα) το ρεκόρ αντοχής για ηλεκτρικά quadcopters. Ο δρόμος μέχρι εκεί ήταν μακρύς.

Ο Νοτιοαφρικανός μηχανικός και YouTuber Luke Maximo Bell κυνηγά συνεχώς νέες επιδόσεις. Μέχρι σήμερα είχε εστιάσει κυρίως σε ρεκόρ στον τομέα των υψηλής ταχύτητας drones.

Τώρα μετατοπίζει το ενδιαφέρον του στην αντοχή: ανέπτυξε ένα quadcopter που, με μία φόρτιση, μπορεί να μείνει στον αέρα πάνω από 3,5 ώρες.

Μέχρι πρότινος το ρεκόρ ανήκε στη SiFly Aviation με 3 ώρες, 11 λεπτά και 54 δευτερόλεπτα, ενώ στο αιώρημα (hover) η επίδοση ήταν 2 ώρες και 14 λεπτά. Το ρεκόρ του Bell επιτεύχθηκε σε αιώρηση, ωστόσο προς το παρόν παραμένει ανεπίσημο.

Ελαφρύ και αποδοτικό: η φιλοσοφία σχεδίασης

Για την κατασκευή του quadcopter, ο Bell βασίστηκε σε μεγάλο βαθμό σε τυπικά (standard) εξαρτήματα, επιλεγμένα όμως με συνέπεια προς τον ελαφρύ σχεδιασμό και την απόδοση, ώστε το drone να πετυχαίνει τη μέγιστη δυνατή διάρκεια πτήσης.

Μόνο λίγα μέρη κατασκευάστηκαν από τον ίδιο, αφού προήλθαν από 3D εκτύπωση.

Μεγάλοι ρότορες, χαμηλότερες στροφές

Η ιδέα του Bell βασίζεται σε ένα τετρακίνητο ηλεκτρικό drone, με τέσσερις μεγάλους ρότορες που περιστρέφονται σχετικά αργά. Επέλεξε πτερύγια T-Motor G40 μήκους 40 ιντσών. Όπως συνοψίζει ο ίδιος στο project video: όσο μεγαλύτερα τα πτερύγια, τόσο υψηλότερη η απόδοση.

Κινητήρες, kV και δοκιμές «thrust per watt»

Τους ρότορες κινούν τέσσερις κινητήρες Antigravity MN105 V2. Οι brushless κινητήρες έχουν τιμή kV = 90 (δηλαδή ~90 στροφές ανά λεπτό ανά Volt σε κενό φορτίου). Είναι ιδιαίτερα ελαφριοί, αποδοτικοί και προσφέρουν αναλογικά πολύ υψηλή ροπή.

Για να βρει το βέλτιστο μέγεθος μπαταρίας με στόχο τη μέγιστη απόδοση σε υψηλή ώση, ο Bell έφτιαξε δοκιμαστικό πάγκο. Έτσι χαρτογράφησε την ώση ανά Watt και επιπλέον υπολόγισε τον αναμενόμενο χρόνο αιώρησης σε σχέση με τη μάζα της μπαταρίας.

Μπαταρίες υψηλής ενεργειακής πυκνότητας

Για μπαταρίες, επέλεξε δύο ημιστερεάς μορφής (semi-solid) Tattu NMC LiPo. Παρέχουν περίπου 320 Wh/kg και έχουν περίπου διπλάσια ενεργειακή πυκνότητα σε σχέση με τυπικές LiPo. Με την υψηλότερη ενεργειακή πυκνότητα, ο Bell περίμενε εύλογα μεγαλύτερο χρόνο πτήσης.

Οι μπαταρίες έχουν χωρητικότητα 33.000 mAh στα 22,2 V. Ο Bell μείωσε το βάρος αφαιρώντας το κέλυφος της μπαταρίας και αντικαθιστώντας τους υπάρχοντες συνδέσμους με ελαφρύτερους. Έτσι εξοικονόμησε συνολικά 360 g, περίπου όσο ζυγίζει το σώμα του drone (χωρίς ηλεκτρονικά και κινητήρες).

Ως Electronic Speed Controller (ESC) χρησιμοποίησε έναν Holybro 4-in-1, τον οποίο είχε επιλέξει και σε άλλο project λόγω της αποδοτικότητάς του.

Βελτιστοποιημένο σώμα drone και αεροδυναμική προσομοίωση

Ο Bell σχεδίασε το σώμα του drone ως έναν απλό σταυρό από σωλήνες ανθρακονήματος. Στο κέντρο υπάρχει βάση που φιλοξενεί τα ηλεκτρονικά. Τη γεωμετρία τη μοντελοποίησε στο OnShape, δοκιμάζοντας διαφορετικά μήκη και αποστάσεις μεταξύ των ρότορων.

Με προσομοίωση στο AirShape υπολόγισε πώς επηρεάζονται μεταξύ τους οι ροές αέρα από τους έλικες και βελτιστοποίησε το μήκος των βραχιόνων για μέγιστη απόδοση. Το καλύτερο μήκος σωλήνα προέκυψε στα 80 cm για καθέναν από τους τέσσερις βραχίονες.

Τα συνδετικά και οι βάσεις κινητήρων σχεδιάστηκαν όσο πιο ελαφριά γινόταν και τυπώθηκαν σε 3D printer. Ο έλεγχος αντοχής έγινε επίσης με προσομοίωση στο OnShape.

Καλωδίωση: κοντή, όσο χρειάζεται «χοντρή»

Στην καλωδίωση των κινητήρων ο Bell κράτησε τα καλώδια όσο πιο κοντά γίνεται και όσο πιο παχιά χρειάζεται, ώστε να μειώνει τις απώλειες τάσης από την αντίσταση των καλωδίων. Ως καλύτερος συμβιβασμός μάζας/αντίστασης κατέληξε σε συνολικό μήκος 11 m καλωδίου χαλκού 18 AWG (περίπου 1 mm² διατομή αγωγού).

Διάταξη ηλεκτρονικών και ωφέλιμων

Τα ηλεκτρονικά (ESC, ο flight controller TBS Lucid H7 και το Matek GPS για θέση) τα στερέωσε στο κέντρο του quadcopter. Μια κάμερα DJI-04-Air μπήκε σε 3D-εκτυπωμένη βάση από μαλακό πολυμερές. Τις μπαταρίες τις στερέωσε κεντρικά, κάτω από το drone.

Η πρώτη δοκιμή απέτυχε – και αυτό βοήθησε

Η πρώτη δοκιμαστική πτήση ήταν απογοητευτική: το drone αποδείχθηκε ασταθές. Ο Bell πρόσθεσε σύστημα προσγείωσης και στερέωσε τους σωλήνες που στρίβονταν κατά την πτήση, μεταβάλλοντας τη θέση των κινητήρων.

Μετά τη στερέωση, η θέση των κινητήρων δεν μπορούσε πια να αλλάξει. Επιπλέον, βελτιστοποίησε τις παραμέτρους πτήσης και πέτυχε σταθερή αιώρηση.

Προσπάθεια ρεκόρ: 3 ώρες 31 λεπτά και 6 δευτερόλεπτα

Στην προσπάθεια ρεκόρ σε αιώρηση, το quadcopter του Bell ξεπέρασε άνετα το όριο της SiFly (2:14). Επίσης, σύμφωνα με την περιγραφή, κατάφερε να υπερβεί και το ρεκόρ πτήσης εμπρός (forward flight) της SiFly. Συνολικά, το drone έμεινε στον αέρα 3 ώρες 31 λεπτά και 6 δευτερόλεπτα.

Ο Bell εκτιμά ότι, όταν κινείται, μπορεί να παραμείνει στον αέρα ακόμη περισσότερο. Σκοπεύει να δουλέψει πάνω σε αυτό το σενάριο, ώστε το quadcopter να πετάξει αυτόνομα μια διαδρομή.

Το ρεκόρ είναι προς το παρόν ανεπίσημο. Ο μηχανικός θέλει να επανέλθει για την επίσημη καταγραφή, αφού κάνει περαιτέρω βελτιστοποιήσεις στο drone.

Ένα εγχείρημα που εξέπληξε

Το project του Bell δείχνει ότι η «μαγική» συνταγή για μεγάλη αυτονομία δεν είναι ένα μόνο εξάρτημα, αλλά η συστημική βελτιστοποίηση.

Αν θέλετε να αυξήσετε τον χρόνο πτήσης σε δικό σας drone (RC ή επαγγελματικό), ξεκινήστε από το βασικό: Wh διαθέσιμα έναντι W κατανάλωσης.

Η αυτονομία δεν ανεβαίνει μόνο βάζοντας μεγαλύτερη μπαταρία, γιατί κάθε επιπλέον γραμμάριο αυξάνει την απαιτούμενη ώση και άρα την κατανάλωση.

Γιατί το αιώρημα είναι χρήσιμη (και δύσκολη) μέτρηση

Η αιώρηση είναι καλή δοκιμή επειδή απομονώνει πολλούς παράγοντες (χωρίς αεροδυναμική άνωση από προώθηση). Είναι όμως και απαιτητική, γιατί το drone πρέπει να παράγει συνεχώς ώση ίση με το βάρος του.

Σε αρκετές πλατφόρμες, η προώθηση προς τα εμπρός μπορεί να βελτιώσει την απόδοση λόγω ροής αέρα πάνω από τους ρότορες, αλλά αυτό εξαρτάται από τη γεωμετρία, τις έλικες και το προφίλ πτήσης.

Checklist για βελτίωση αυτονομίας

1. Μετρήστε thrust-per-watt με ασφαλή δοκιμαστικό πάγκο ή telemetria: αλλάξτε μία μεταβλητή τη φορά (έλικες, kV, τάση, βάρος).
2. Μειώστε απώλειες: σωστή διατομή καλωδίων, ποιοτικά βύσματα, αποδοτικό ESC, καλή ψύξη.
3. Αποφύγετε δονήσεις: οι μικροδονήσεις αυξάνουν διορθωτικές κινήσεις του controller και «τρώνε» ενέργεια.
4. Ρυθμίστε σωστά το hover throttle και τα PID: πιο ομαλή διόρθωση σημαίνει λιγότερα spikes ρεύματος.

Τέλος, αν σας ενδιαφέρει η αυτόνομη πτήση μεγάλης διάρκειας, υπολογίστε από νωρίς και τα «μη τεχνικά» εμπόδια: περιορισμούς κανονισμών, απαιτήσεις οπτικής επαφής, ισχυρό failsafe (Return-to-Home), καθώς και περιβαλλοντικούς παράγοντες όπως άνεμος και θερμοκρασία, που μπορούν να αλλάξουν αισθητά την κατανάλωση.

Έτσι, οι βελτιώσεις που κάνετε στο εργαστήριο θα μεταφραστούν πιο αξιόπιστα σε πραγματικές συνθήκες.