Warum es oben bleibt, und warum nicht

Was den Auftrieb tatsächlich bezahlt

Es hilft, Gewicht, Auftrieb, Widerstand und Schub zu trennen, die vier Kräfte, die eine Flugmaschine ins Gleichgewicht bringen muss. Bei einem Starrflügler kommt der größte Teil des Auftriebs vom Flügel, der sich durch die Luft bewegt. Im stationären Horizontalflug gleicht der Schub den Widerstand aus, nicht das Gewicht selbst. Der Widerstand ist kleiner als das Gewicht, weshalb der Reiseflug energetisch günstig sein kann. Ein Multikopter hat keinen Flügel in diesem Sinn. Jeder Rotor ist ein rotierender Flügel, und die Aufwärtskraft ist die Reaktion darauf, Luft nach unten zu beschleunigen. Neigen Sie den Schub, um sich seitwärts zu bewegen, muss der vertikale Anteil weiterhin das Gewicht tragen, sodass der Gesamtschub im Vorwärtsflug größer ist als das Gewicht.

Schweben ist diese Reaktion, ohne Pause bezahlt. In Worten, aus der Impulstheorie: Schub ist die Rate, mit der der Luft Abwärtsimpuls verliehen wird, und Leistung ist ungefähr dieser Schub mal die Geschwindigkeit, die der Luft verliehen wird. Bei gleicher Rotorfläche muss ein schwereres Luftfahrzeug mehr Luft bewegen oder sie schneller bewegen. Sie schneller zu bewegen ist die teure Wahl. Die Energie im Nachlauf wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit, während der Schub nur mit Geschwindigkeit mal Luftmenge wächst. Die Schwebeleistung steigt daher schneller als das Gewicht. Eine größere Rotorkreisfläche liefert denselben Schub bei geringerer Luftgeschwindigkeit, und es ist ein anderes Luftfahrzeug, mit anderem Lärm und einem anderen Landeplatz.

Schweben, Wind und das Tal

Schweben ist nicht immer die höchste Leistung, die das Luftfahrzeug verlangt. Ein harter Steigflug oder ein schneller Sprint können schlimmer sein. Mäßiger Vorwärtsflug braucht oft weniger Leistung als Schweben, weil der Rotor auf frische Luft trifft und die induzierten Kosten sinken, bis der parasitäre Widerstand und die Neigung des Schubvektors wieder ansteigen. Leistung über Fluggeschwindigkeit ist typischerweise ein Tal, keine Rampe. Was Schweben zerstört, ist die Reichweite. Reichweite ist Strecke pro Energieeinheit, und ein Schwebeflug legt keine Strecke zurück, während der Zähler läuft. Über einer Haustür zu warten ist keine billige Pause. Es ist Flug ohne Fortschritt, daher sollte ein Plan diese Minuten in verlorene Strecke umrechnen, bevor er die Route für machbar erklärt.

Wind ist kein Ärgernis, das auf der Karte eingezeichnet ist. Das Luftfahrzeug fliegt Fluggeschwindigkeit; die Mission braucht Geschwindigkeit über Grund. Gegen den Wind geben Sie mehr Minuten aus oder fliegen eine höhere Fluggeschwindigkeit, bei der der Widerstand größer ist, um dieselbe Strecke zurückzulegen. Der Rückenwind auf dem Hinweg ist oft der Gegenwind auf dem Rückweg. Eine Position im Wind zu halten ist ebenfalls Arbeit: Das Luftfahrzeug drückt ständig gegen die Luft. Ein mittlerer Wind und eine Böe sind verschiedene Dinge. Böen verlangen Schub- und Lagereserven, damit der Regler korrigieren kann. Wenn das mittlere Schweben bereits fast den gesamten Schub verbraucht, bleibt nichts zum Korrigieren übrig, und das Luftfahrzeug ist in keinem brauchbaren Sinn steuerbar. An einem windigen Tag ist die Reserve Teil des Auftriebs, keine Zierde.

Ein Inspektionsluftfahrzeug, das neben einem Bauwerk die Position hält, trifft denselben Wind in anderer Form. Böen, die an Pfeilern und Gebäudeecken umschlagen, und Abdrift, die den Sicherheitsabstand bestimmt, werden behandelt in wie Inspektionsdrohnen im Wind nahe Bauwerken die Position halten (Airffic Inspection).

Vom eigenen Abwind in Wandnähe geschoben zu werden, wird in Drohnenflüge in engen Räumen im Leitfaden von Airffic Inspection behandelt.

Warum Nutzlast Reichweite frisst

Kommt Masse hinzu, steigt der zum Schweben nötige Schub mit ihr. Bei fester Rotorfläche steigt die Leistung schneller als der Schub, sodass eine kleine Zunahme der Nutzlast einen großen Teil der Minuten kosten kann. Die Batterie hält einen festen Energievorrat, sofern Sie keine Batterie hinzufügen, und die Batterie, die Sie hinzufügen, ist Masse, die Sie heben müssen. Ab einem Punkt kauft mehr Batterie keine nutzbare Reichweite mehr. Sie kauft Gewicht. Fracht und Batterie konkurrieren zudem um dasselbe Volumen, und die Struktur wächst, um beides zu tragen. Ein Prospekt, der Reichweite und Nutzlast als unabhängige Zahlen angibt, ist unvollständig. Sie sind ein einziger Tausch, und der Tausch verschiebt sich erneut, sobald Wind, Reserve und eine gealterte Batterie einbezogen werden.

Das Speichermedium setzt eine Obergrenze, bevor die Route es tut. In der Vorauslegung liegen heutige Lithium-Ionen-Packs, als Packs und nicht als Schlagzeilenzellen gerechnet, in der Größenordnung von einigen hundert Wattstunden pro Kilogramm. Die Zahl bewegt sich mit der Chemie und damit, wie viel Struktur und Kühlung Sie einrechnen. Flüssige Kraftstoffe liegen in der Größenordnung von zehn Kilowattstunden chemischer Energie pro Kilogramm. Ein kleiner Motor verschwendet viel davon als Wärme und bringt eigene Masse und eigene Ausfälle mit, aber was bleibt, ist immer noch der Grund, warum Luftfahrzeuge mit langer Flugdauer keine Batterie-Multikopter sind. Batterien werden gewählt, weil der Antriebsstrang einfach ist, die Steuerung schnell reagiert und die Mission kurz ist, nicht weil der Speicher dicht ist. Wasserstoff sieht pro Kilogramm dicht aus und verliert diesen Vorteil dann an den Tank. Hören Sie auf, von einer Zelle die Arbeit eines Lastwagens zu verlangen.

Drehen allein genügt nicht

Rotation an sich hebt die Schwerkraft nicht auf. Blätter erzeugen Schub nur, indem sie Luft beschleunigen, und dieser Schub hat eine Obergrenze, die durch Durchmesser, Drehzahl, Blattfläche, Motordrehmoment und die elektrische Leistung gesetzt wird, die die Batterie liefern kann, bevor ihre Spannung einbricht. Konstrukteure schweben nicht mit Schub gleich Gewicht. Sie halten eine Reserve über dem Gewicht, damit die Maschine neigen, steigen und eine Böe abwehren kann. Ein Schubwert, der eine Sekunde lang auf dem Prüfstand gehalten wird, ist nicht der Schub, den Sie einen Einsatz lang halten können. Derselbe Strom erhitzt die Wicklungen und lässt die Spannung des Akkus einbrechen. Ein größerer Propeller erhöht den Schub bei gegebener Leistung und verändert zugleich Lärm, Blattspitzengeschwindigkeit und den Landeplatz, den Sie brauchen. Es gibt keinen übrig gebliebenen Trick, bei dem genug Drehung die Rechnung bezahlt.

Die Schwerkraft ist kontinuierlich, und das Energiekonto läuft die ganze Zeit, in der das Luftfahrzeug vom Boden abgehoben ist. Dasselbe gilt für die Steuerung. Ein Flight Stack aktualisiert ständig seine Schätzung, schließt die Lage- und Drehratenregelkreise und stoppt bei der Schubverteilung, wenn die Kommandos sättigen. Ein Luftfahrzeug, das nahe an dieser Sättigung geflogen wird, mag im Prospekt „fliegen“ und hat dennoch nichts mehr übrig, sobald der Wind eine Korrektur verlangt. Wenn jemand eine schwere Last vorschlägt, fragen Sie zuerst nach Rotorkreisfläche, Schubreserve und Energie pro Minute. Ein Video drehender Blätter ist kein Beleg dafür, dass diese drei erfüllt sind. Ein Plan, der sie nicht beantworten kann, sollte verworfen werden, bevor er scharf geschaltet wird.

Neigen Sie, um sich zu bewegen, und der vertikale Anteil des Schubs sinkt. Diese Beziehung ist schneller zu spüren als zu lesen. Über eine Weltkarte im Browser fliegen (Airffic Simulation, auf Japanisch) lässt Sie das ausprobieren, ohne ein Luftfahrzeug zu zerstören. Es ersetzt keine operative Ausbildung.

Um zu sehen, wie Größe und Gewicht das Flugverhalten einer Drohne verändern, versuchen Sie einen dimensionierten Multirotor im Browser zu fliegen.