멀티콥터 공기역학: 헥사콥터 추력 특성화

멀티콥터는 하나의 메인 로터가 있는 기존 헬리콥터와 달리 여러 개의 로터가 있는 소형 항공기입니다. 전통적인 헬리콥터 로터는 가변 피치를 가지고 있어 조종사가 양력과 조향을 제어할 수 있습니다. 그러나 멀티콥터는 고정 피치 로터에 의존합니다. 일부는 시계 방향으로 회전하고 일부는 시계 반대 방향으로 회전합니다. 비행은 하나 이상의 로터의 속도를 변경하여 제어됩니다. 예를 들어, 이 헥사콥터에서는 모든 프로펠러가 동일한 속도로 작동합니다. 이것은 호버링하는 것과 동일한 추력을 생성합니다.

고정익 항공기와 마찬가지로 헥사콥터 자세는 피치 축, 롤 축 및 요 축의 세 가지 축에 대해 설명됩니다. 헥사콥터는 피치 축의 한쪽에 있는 프로펠러의 속도를 높이고 다른 쪽에 있는 프로펠러의 속도를 줄여 피치 축에 대해 제어할 수 있습니다. 이것은 양측 사이에 추력 차이를 생성합니다. 뒤쪽 프로펠러에서 추력이 증가하고 앞쪽 프로펠러에서 추력이 감소하면 헥사콥터가 앞으로 기울어집니다.

유사하게, 헥사콥터는 같은 방식으로 롤 축에 대해 제어될 수 있습니다. 이로 인해 좌우로 움직입니다. 이것은 한쪽에 있는 프로펠러의 속도를 높이고 다른 쪽에 있는 프로펠러의 속도를 줄임으로써 수행됩니다.

방향 각도를 변경하는 요 제어는 시계 방향 프로펠러 회전 토크와 시계 반대 방향 프로펠러 회전 토크의 균형을 유지하여 달성됩니다. 시계 반대 방향 프로펠러를 시계 방향 프로펠러보다 빠르게 회전시킴으로써 반대쪽 네트 반응은 요 축을 중심으로 시계 방향 회전을 유도합니다.

표시된 방정식을 사용하여 각 프로펠러 장치의 추력과 토크를 계산할 수 있습니다. 여기서 T는 생성된 추력, CT는 추력 계수, 타우는 토크, CQ는 토크 계수, 오메가는 회전 속도(RPM)입니다. 전력 입력과 기계적 전력 출력은 모두 다음 방정식을 사용하여 계산할 수 있습니다. 그런 다음 전기 및 기계적 동력을 사용하여 프로펠러 모터의 효율성을 결정합니다. 전기 및 기계적 동력과 함께 두 계수는 실험에서 얻은 데이터를 사용하여 계산됩니다.

이 실험실에서는 테스트 스탠드에 장착된 로드 셀을 사용하여 헥사콥터의 공기역학적 및 추력을 계산하는 방법을 시연합니다. 그런 다음 풍동을 사용하여 다양한 공기 속도에 대한 양력을 특성화하고 분석합니다.

이 실험을 시작하기 위해 동력계를 사용하여 프로펠러 하나의 매개변수를 측정하고 계산합니다. 먼저, 온보드 데이터 수집 시스템이 있는 동력계를 구하십시오. 동력계 시스템과 함께 제공되는 그래픽 사용자 인터페이스를 실행합니다. 동력계 테스트 스탠드에 모터를 장착하고 모든 장치 와이어를 연결합니다. 그런 다음 메시지가 표시되면 가중치와 알려진 레버 암을 사용하여 화면의 지시에 따라 시스템을 보정합니다.

보정이 완료되면 프로펠러를 "풀러"에 부착하십시오. 구성. 실험을 실행하기 전에 동력계가 C-클램프를 사용하여 작업대에 단단히 고정되어 있고 플렉시글라스 보호벽 뒤에 놓여 있는지 확인하십시오.

이제 배터리를 동력계에 연결하십시오. 펄스 신호를 사용하여 DC 모터에 전원을 공급하는 스텝 입력 프로그램을 실행합니다. 이 프로그램은 모듈레이션 스로틀 명령으로 측정된 추력, 토크, 모터 RPM, 모터 전류 및 펄스를 기록합니다.

실험의 이 부분에서는 풍동 벽의 교란을 피하기 위해 풍동 외부의 로드 셀을 사용하여 헥사콥터의 추력을 측정합니다.

먼저, 장착 나사를 사용하여 헥사콥터를 로드셀 테스트 스탠드에 고정합니다. 그런 다음 데이터 수집 시스템을 열고 로드셀 스트레인 게이지 바이어스 프로그램을 실행하여 모든 바이어스 로드셀 값을 제거합니다. 마이크로 USB 케이블을 사용하여 헥사콥터 비행 컨트롤러를 컴퓨터에 연결하고 전원 공급 장치를 헥사콥터에 연결합니다.

그런 다음 지상 관제소 프로그램을 엽니다. 구성 탭에서 오른쪽에 있는 체크 표시를 클릭하여 모든 모터를 연결합니다. 출력 채널 슬라이더를 1,300마이크로초에서 원하는 스로틀 명령으로 이동합니다. 몇 초 동안 시스템을 안정화시킨 다음 프로그램을 실행하여 로드 셀에서 데이터를 수집합니다.

프로그램이 완료되면 지상 컨트롤러 스테이션에서 출력 채널 슬라이더를 왼쪽으로 이동하여 모터를 정지합니다. 1,500 및 1,700마이크로초의 스로틀 명령으로 테스트를 반복합니다. 그런 다음 모터를 중지하고 모든 데이터를 플래시 드라이브로 전송하여 다음 테스트에서 풍동 측정의 기준선으로 사용합니다.

실험의 다음 부분에서는 공기 흐름이 있는 풍동 내부에서 수행되는 것을 제외하고 동일한 테스트를 수행할 것입니다. 시작하려면 헥사콥터를 로드셀 테스트 스탠드에 장착하십시오. 그런 다음 로드 셀을 데이터 수집 컴퓨터에 연결하고 헥사콥터를 지상 제어 스테이션에 연결합니다. C-cl을 사용하여 테스트 스탠드를 풍동 바닥에 고정합니다.amps, 헥사콥터가 풍동 벽, 바닥 및 천장에서 벗어나 자유 흐름 방해를 최소화하는지 확인합니다.

그런 다음 산업용 테이프를 사용하여 풍동 내부에 두 개의 피토 튜브를 장착하고 헥사콥터에서 몇 피트 떨어진 곳에 배치하여 방해받지 않는 공기 흐름을 샘플링합니다. 이제 헥사콥터의 피치 각도를 0으로 설정하시겠습니까? 테스트 스탠드의 힌지 조인트를 조정합니다. 그런 다음 풍동을 닫습니다.

피토관 센서를 데이터 수집 시스템에 연결합니다. 다음으로, 바이어스 프로그램을 실행하여 로드셀 전압 바이어스를 설정합니다. 그런 다음 풍동을 초기화하고 풍속을 약 430ft/min 또는 2로 설정합니다. 2m/초 자유 흐름 속도가 원하는 값으로 안정되면 헥사콥터 모터를 끈 상태에서 로드 셀에서 기준선 리프트 및 드래그 판독값을 수집합니다.

이제 스로틀 명령을 1,300마이크로초로 초기화하여 헥사콥터 모터를 켭니다. 풍동의 공기 속도를 안정시킨 다음 로드셀과 피토관에서 판독값을 수집합니다. 그런 다음 다양한 헥사콥터 피치 각도와 풍동 공기 속도에서 세 가지 스로틀 명령 설정에 대해 테스트를 다시 반복합니다. 복잡성을 줄이기 위해 항상 0-요 각도를 유지했습니다.

이제 결과를 해석해 보겠습니다. 먼저 동력계 실험에서 수집된 추력 대 RPM 및 토크 대 RPM 데이터를 플롯합니다.

여기에서는 하나의 모터에 대한 데이터를 보여줍니다. 이 그래프는 모터 RPM이 증가하면 토크와 추력이 증가한다는 것을 보여줍니다. 이제 2차 곡선을 다음 방정식의 형태로 데이터에 맞춥니다. 그런 다음 2차 관계를 사용하여 추력 계수 CT와 토크 계수 CQ를 결정할 수 있습니다.

다음으로, 입력 모터 RPM, 전력 및 스로틀 명령을 3차원 플롯에 플롯합니다. 헥사콥터에는 직접적인 RPM 센서 피드백이 없기 때문에 전력 및 스로틀 명령의 함수로 실제 RPM을 얻기 위해 데이터에 다항식 표면을 맞췄습니다.

동력계 결과를 살펴보았으므로 이제 여기에 나열된 매개변수를 사용하여 수행된 풍동 실험을 살펴보겠습니다. 항력 및 양력의 변화는 테스트된 다양한 피치 각도에 대해 표시됩니다. 두 플롯 모두 스로틀 명령을 높이면 양력 또는 모터 추력이 크게 증가하고 항력이 증가한다는 것을 보여줍니다. 풍동 공기 속도의 증가는 양력을 크게 증가시키지 않습니다. 그러나 더 높은 공기 속도는 헥사콥터에 작용하는 항력을 크게 증가시키는 결과를 낳았습니다.

요약하면, 우리는 공기역학적 힘이 멀티콥터의 비행을 제어하는 방법을 배웠습니다. 그런 다음 풍동에서 헥사콥터를 테스트하고 다양한 공기 속도에서 생성되는 양력과 항력을 분석했습니다.