Bệ thử lực đẩy cánh quạt: Tại sao các thông số tĩnh gây hiểu lầm và những gì cần đo lường thay thế

Hầu như mọi chương trình UAV đều bắt đầu thử nghiệm hệ thống động lực theo cùng một cách: một động cơ và cánh quạt được bắt vít vào bệ thử tĩnh, một cảm biến lực, một máy đo tốc độ vòng quay, và một bảng dữ liệu lực đẩy theo mức ga.

Đó là một bảng dữ liệu hữu ích. Nó cũng là bảng dữ liệu của một điều kiện bay mà máy bay hầu như không dành thời gian ở đó — và việc rút ra các kết luận về thời gian bay, tầm bay hoặc khả năng leo cao từ nó là nơi mà nhiều chương trình lãng phí hàng tháng trời.

---

1. Lực đẩy tĩnh chỉ là một điểm trên đường cong

Một cánh quạt trong không khí tĩnh đang hoạt động ở tỷ số tiến bằng không (zero advance ratio) . Tỷ số tiến, thường được viết là J, liên hệ tốc độ tiến về phía trước của máy bay với tốc độ quay và đường kính của cánh quạt. Trạng thái bay treo (hover) nằm ở J = 0. Cất cánh và leo cao nằm ở mức J thấp. Bay hành trình (cruise) nằm ở vị trí cao hơn trên đường cong.

Khi J thay đổi, hệ số lực đẩy, hệ số công suất và hiệu suất năng lượng của cánh quạt đều thay đổi — và thay đổi không hề nhỏ. Các hệ thống động lực thường hoạt động rất khác biệt trong các thử nghiệm tĩnh so với khi bay thực tế, đó chính xác là lý do tại sao thử nghiệm trong dòng chảy được coi là một bước cần thiết trong việc phát triển drone chuyên nghiệp thay vì chỉ là một tinh chỉnh tùy chọn. Các nghiên cứu hầm gió đã công bố báo cáo sự chênh lệch hiệu suất lên tới khoảng 10% giữa mức RPM thấp nhất và cao nhất được thử nghiệm khi tỷ số tiến khác không.

Hệ quả thực tế: một cánh quạt đạt kết quả tốt trên bệ thử tĩnh có thể kém hiệu quả khi bay hành trình, và cặp cánh quạt mà bạn chọn cuối cùng thường không phải là cặp tạo ra thông số tĩnh tốt nhất.

---

2. Một thử nghiệm hệ thống động lực chuẩn xác sẽ đo lường những gì

Một bệ thử được gắn bên trong hầm gió cung cấp cho bạn toàn bộ bản đồ dữ liệu thay vì chỉ một điểm duy nhất. Hai loại chiến dịch thử nghiệm thường được thực hiện:

Hiệu suất tĩnh — lực đẩy và mô-men xoắn được đo trên toàn bộ dải RPM ở tốc độ gió bằng không. Đây là dữ liệu tham chiếu và cho trường hợp bay treo.

Hiệu suất trong dòng chảy tiến — RPM được đặt ở một giá trị cố định, tốc độ hầm gió tăng theo từng bước, lực đẩy và mô-men xoắn được ghi lại tại mỗi điểm. Lặp lại cho một số cài đặt RPM. Từ đó, bạn xây dựng được hệ số lực đẩy, hệ số công suất và hiệu suất theo tỷ số tiến — những đường cong mà bất kỳ tính toán hiệu suất thực tế nào cũng cần đến.

Các thông số được đo đồng thời: lực đẩy, mô-men xoắn, tốc độ quay, công suất điện đầu vào (điện áp và dòng điện), và tốc độ tham chiếu của hầm gió. Hiệu suất mà không có phép đo đầu vào điện năng chỉ cho bạn biết về cánh quạt; khi có nó, bạn sẽ hiểu về toàn bộ chuỗi động lực, điều thực sự quyết định thời gian bay.

---

3. Những hiệu chỉnh không ai đề cập trong bảng thông số kỹ thuật

Có hai hiệu ứng làm sai lệch dữ liệu cánh quạt trong hầm gió, và cả hai đều đã có các phương pháp xử lý tiêu chuẩn:

Hiệu ứng cản (Blockage). Cánh quạt không phải là một vật thể nhỏ so với đoạn thử nghiệm, và nó gia tốc dòng chảy đi qua chính nó. Các hiệu chỉnh kinh điển cho hiệu ứng cản của cánh quạt bắt nguồn từ Glauert (1926) và vẫn được sử dụng thường xuyên.

Vận tốc cục bộ tại đĩa quay. Bởi vì một cánh quạt thường được thử nghiệm trên một thanh đỡ phía trước một nắp chụp khí động, vận tốc thực tế mà các cánh quạt nhận được thấp hơn vận tốc được đo tại lối vào của đoạn thử nghiệm, do đó phải áp dụng một hệ số hiệu chỉnh vận tốc.

Bỏ qua bất kỳ yếu tố nào trong hai yếu tố này và đường cong hiệu suất của bạn sẽ trở nên lạc quan một cách thái quá, điều chỉ lộ ra trong thử nghiệm bay thực tế, khi máy bay không đạt được thông số thời gian bay dự kiến.

---

4. Bệ thử tĩnh hay hầm gió?

Bệ thử tĩnh không trở nên vô dụng — nó vẫn là công cụ phù hợp cho các bài kiểm tra độ bền, ngâm nhiệt và sàng lọc linh kiện. Nó chỉ đơn giản là không thể trả lời các câu hỏi quyết định tầm bay.

---

5. Yêu cầu đối với cơ sở thử nghiệm

Nếu thử nghiệm hệ thống động lực là một trường hợp sử dụng cốt lõi, các thông số kỹ thuật của hầm gió sẽ thay đổi theo những cách cụ thể:

• Chất lượng và độ ổn định ở tốc độ thấp. Phần quan trọng của đường cong tỷ số tiến bắt đầu gần bằng không, nơi mà dòng chảy tốc độ thấp đồng đều là khó tạo ra nhất.
• Kích thước đoạn thử nghiệm so với đường kính đĩa quay. Các giới hạn về hiệu ứng cản xác định cánh quạt lớn nhất mà bạn có thể thử nghiệm một cách đáng tin cậy; đây là con số thường xuyên buộc phải thay đổi kích thước đoạn thử nghiệm ở giai đoạn muộn của dự án.
• Giá đỡ cứng vững, căn chỉnh tốt. Phép đo lực đẩy và mô-men xoắn chỉ chính xác khi cấu trúc giữ động cơ đủ tốt, và sự cộng hưởng trong thanh đỡ sẽ xuất hiện dưới dạng nhiễu trong dữ liệu của bạn.
• Hạ tầng điện tại mô hình. Nguồn cung cấp dòng điện cao, xử lý pin an toàn và thiết bị đo lường có khả năng chịu đựng được các điều kiện đó.
• Thu thập dữ liệu đồng bộ. Dữ liệu cơ học, điện và dòng chảy trên cùng một cơ sở thời gian — nếu không, hiệu suất chỉ là một ước tính chứ không phải là một phép đo.
• Khả năng âm học tùy chọn. Lực đẩy trên mỗi watt và tiếng ồn trên mỗi đơn vị lực đẩy là hai đường cong quyết định xem một thiết kế có thể được cấp chứng nhận hay không, vì vậy việc chỉ định trước một mảng micrô dọc theo hệ thống cân bằng là điều đáng giá thay vì cải tạo lắp thêm sau này.

---

6. Năm sai lầm thường gặp

• So sánh các cánh quạt bằng lực đẩy tĩnh. Thứ hạng sẽ thay đổi theo tỷ số tiến.
• Bỏ qua các hiệu chỉnh về hiệu ứng cản và vận tốc. Cả hai đều làm thổi phồng hiệu suất.
• Đo lực đẩy mà không đo công suất điện. Khi đó các dự đoán về thời gian bay chỉ là phỏng đoán.
• Chỉ thử nghiệm ở một mức RPM duy nhất. Bản đồ hiệu suất cần nhiều mức RPM khác nhau.
• Chỉ thử nghiệm cánh quạt đơn lẻ và kỳ vọng phương tiện sẽ đạt kết quả tương đương. Các hiệu ứng tương tác là có thật và có thể rất lớn.

---

7. Xây dựng năng lực thử nghiệm

Đo lường hệ thống động lực là một trong những ứng dụng có giá trị cao nhất của một hầm gió cỡ nhỏ: đoạn thử nghiệm có thể nhỏ, tốc độ thấp và mang lại lợi ích ngay lập tức cho hiệu suất máy bay. Đây cũng là năng lực đầu tiên tự nhiên đối với một nhà sản xuất UAV khi xây dựng hạ tầng thử nghiệm nội bộ.

Chúng tôi thiết kế các hầm gió và đoạn thử nghiệm xoay quanh chính xác loại chương trình này, với giá đỡ, thiết bị đo lường và nguồn điện được lên kế hoạch ngay từ ý tưởng khí động học. Bài viết liên quan:

Hệ thống tạo gió dạng mảng quạt so với Hầm gió mạch kín

và

Thử nghiệm hầm gió cho Di chuyển trên không trong đô thị

.

Hãy cho chúng tôi biết kích thước cánh quạt và dải tốc độ của bạn và chúng tôi sẽ đề xuất một đoạn thử nghiệm cùng bộ thiết bị đo lường phù hợp.

---

Nguồn tham khảo và ghi chú

• Các bệ thử bên trong hầm gió đo lực đẩy, mô-men xoắn và tốc độ quay; các chiến dịch thử nghiệm tĩnh qua các mức RPM và chiến dịch dòng chảy tiến ở RPM cố định với tốc độ hầm gió tăng theo từng bước; các hệ số và hiệu suất được vẽ theo tỷ số tiến; chênh lệch hiệu suất lên tới khoảng 10% giữa mức RPM thử nghiệm thấp nhất và cao nhất ở tỷ số tiến khác không; các hiệu chỉnh hiệu ứng cản của Glauert (1926) và hiệu chỉnh vận tốc cho cánh quạt được thử nghiệm trên thanh đỡ phía trước nắp chụp khí động: "Wind Tunnel Study on Drone Propeller Thrust and Efficiency", Unmanned Systems Technology, "Measurement of Static and Dynamic Performance".
• Phương pháp luận dữ liệu hiệu suất cánh quạt ở số Reynolds thấp: Brandt & Selig, AIAA 2011-1255; Chuỗi thử nghiệm cánh quạt APC, AIAA 2022-4020.
• Định nghĩa về lực đẩy và các hệ số hiệu suất: Tyto Robotics, propeller performance coefficients.
• Hướng dẫn về cơ sở thử nghiệm (kích thước đoạn thử nghiệm so với đường kính đĩa quay, độ cứng của giá đỡ, thu thập dữ liệu đồng bộ) là thực tiễn kỹ thuật của TunnelTech.