Разработка и исследование тороидального винта для беспилотника

Квадрокоптеры используются в различных сферах деятельности: аэрофотосъемка, видеосъемка, доставка товаров и многие другие. По данным статистики, люди находят этот звук более раздражающим, чем любой другой шум [1]. Поэтому актуальной задачей является снижение уровня акустического шума. С этой целью были разработаны и изготовлены винты тороидальной формы. Проведён спектральный анализ шума на частотах от 25 Гц до 20 кГц, результаты которого приведены в статье.

Исследователи из Массачусетского технологического института предложили концепцию тороидального винта, основываясь на том, что конструкция закрытой формы уменьшает и контролирует эффекты сопротивления закручивающихся воздушных каналов (вихрей), создаваемых на концах лопастей, и повышает общую жесткость воздушного винта. Таким образом, акустическая сигнатура винта в разы снижается, не влияя на его характеристики [2].

В качестве возможности уменьшения шума, основываясь на данной концепции, была проведена модернизация винта квадрокоптера «Геоскан Пионер». Винт был смоделирован в программной среде SOLIDWORKS, используя метод соединения множества смещённых плоскостей. Эскиз полученной модели приведён на рис. 2.

С помощью технологии аддитивной печати винт был физически реализован. При этом были опробованы различные материалы. В табл. 1 приведены сравнительные характеристики винтов.

Винты оригинальной формы созданы с помощью технологии литья под давлением. Такие винты очень лёгкие и прочные. Винты тороидальной формы были созданы с помощью технологии аддитивной печати из двух различных видов пластика, но винт получался тонким и гибким. По этой причине было произведено горизонтальное расширение модели, что существенно увеличило массу винта, но в значительной степени повысило прочность. Для достижения лучших параметров, винт печатался толщиной слоя 0.1 мм.

Винты из PLA-пластика обладают определённой гибкостью и жёсткостью, но это не даёт устойчивости к механическим повреждениям. При работе с квадрокоптером внутри винтов со временем образовывались микротрещины и небольшие сколы на лопастях. Благодаря печати из PETG-пластика винты стали более жёсткими и прочными. К тому же этот пластик лучше подвержен механической обработке, за счёт чего края и основная часть винта становятся более гладкими.

Следующим этапом было сравнение акустического шума квадрокоптера с различными формами винтов. При проведении экспериментальных испытаний использовались два квадрокоптера «Геоскан Пионер», на одном из которых были установлены стандартные винты от производителя, а на другом – тороидальные. Для измерения шума использовался шумомер Октава-110А, который позволяет проводить измерения в режимах: звук, ультразвук, инфразвук, общую и локальную вибрацию, а также используется для частотного анализа сигналов, поступающих от различных первичных преобразователей (например, микрофон) [3].

Эксперимент состоял из 3-х частей, которые условно можно назвать «статика», «поворот» и «динамика». Измерения проводились в диапазоне частотах от 25 Гц до 20 кГц. Шумомер был установлен на расстоянии 1 метр от квадрокоптера (рис. 4). По полученным данным в среде MatLAB были построены спектрограммы акустического шума (уровни звукового давления в 1/3 октавах) и проведен их анализ. Измерения были построены на основе пяти замеров, выполненных для каждого типа винта, с последующим вычислением среднего значения для них.

Статика. На рис.5 приведены спектры шумов для тороидальных и оригинальных винтов. Как видно из рис. 6, на котором показана разница уровней шума для двух типов винтов, тороидальные винты на частотах от 0 до 315 Гц громче, чем оригинальные. Разница составляет порядка 8 дБА. Также можно заметить, что при увеличении частоты, начиная от 315 Гц до 20 кГц, расхождение снижается до порядка двух дБА, либо они совпадают, т. е. разница незначительна.

Динамика. Измерения акустического шума проводились во всем диапазоне работы дрона: запуск-набор высоты-посадка. Летательный аппарат запускался в режиме автономного полёта. Для этого в программной среде TRIK STUDIO была разработана специальная программа, позволяющая производить запуск моторов, осуществлять подъём квадрокоптера на высоту 1 метр, фиксируя его в этом положении на 10 секунд, после чего дрон опускался на пол. Результирующие графики представлены на рис. 7 и 8. Как видно, тороидальные винты существенно тише во всём диапазоне частот, кроме интервала от 431 Гц до 1031 Гц. На частотах 6.3 кГц и 16 кГц максимальная разница составляет около 7 дБА. Эта разница для слуха ощущается в 2 раза сильнее.

Поворот на угол. Суть эксперимента заключалась в последовательных поворотах квадрокоптера относительно микрофона шумомера. Углы поворота задавались от 15° до 90° с шагом 15° (рис. 10).  

Как показал анализ, при повороте на углы в 45° и 90° были получены наибольшие отклонения между уровнями шума для тороидальных и оригинальных винтов (рис. 10 и 11). Для случая с измерением при повороте на 45° (рис. 10), в диапазоне частот от 40 до 100 Гц, уровень звукового давления для квадрокоптера с тороидальными винтами ниже, максимальная разность составляет 7 дБА, в диапазоне частот от 100 Гц до 1кГц – отличия незначительны. В интервале от 1кГц до 10 кГц максимальная разница составляет 8.87 дБА, а для диапазона частот от 10 кГц до 20 кГц – отличия незначительны. Как видно по рис. 11 значения уровня шума для тороидального винта на интервале от 50 до 800 и от 1600 до 12500 Гц тише, в остальных интервалах значения примерно равны значениям с оригинального. Рассмотрев рисунки 5, 10 и 11 можно отметить, что в случае поворота на определённые углы акустический шум снижается и особенно это заметно на графике спектрограммы акустического шума для тороидальных винтов.

Разработанная форма винта имеет существенные преимущества в различных диапазонах частот в рассмотренных экспериментах. Максимальная разница уровней шума составляет 8.87 дБА. Стоит отметить, что на полученные результаты могли повлиять материал, технология изготовления винтов, а также место проведения эксперимента. В дальнейшем планируется провести полевые испытания, исследовать влияние изменения формы и размеров винта на лётные характеристики квадрокоптера, произвести расчёт и анализ упругих и прочностных характеристик винта с применением специальных программных макетов, а также создать винт с помощью технологии литья.

Список литературы

1.        Исследование вихревого шума вращающихся лопастей, П.А. Мошко. Вестник МГТУ им. Н.Э. Баумана. Сер. Естественные науки. 2020. № 2, стр. 85-98

2.        Кайли Фой. Массачусетсский Технологический Институт. Новости МТИ. [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://news.mit.edu/2022/lincoln-laboratory-inventions-win-rd-100-awards-0921

3.        Октава-ЭлектронДизайн. Приборостроительное объединение. [Электронный ресурс] / Режим доступа: https://www.octava.info/octava-110A