Waarom het in de lucht blijft, en waarom niet

Waar lift echt voor betaalt

Het helpt om gewicht, lift, weerstand en stuwkracht te scheiden, de vier krachten die een vliegende machine in evenwicht moet brengen. Bij een vleugelvliegtuig komt het grootste deel van de lift van de vleugel die door de lucht beweegt. In stationaire horizontale vlucht is de stuwkracht in evenwicht met de weerstand, niet met het gewicht zelf. De weerstand is kleiner dan het gewicht, en daarom kan kruisen energiezuinig zijn. Een multicopter heeft geen vleugel in die zin. Elke rotor is een draaiende vleugel, en de opwaartse kracht is de reactie op het naar beneden versnellen van lucht. Kantel je de stuwkracht om zijwaarts te bewegen, dan moet het verticale deel nog steeds het gewicht dragen, dus de totale stuwkracht in voorwaartse vlucht is groter dan het gewicht.

Zweven is die reactie, zonder pauze betaald. In woorden, volgens de impulstheorie: stuwkracht is de snelheid waarmee neerwaartse impuls aan de lucht wordt gegeven, en vermogen is ruwweg die stuwkracht maal de snelheid die aan de lucht wordt gegeven. Bij hetzelfde rotoroppervlak moet een zwaarder luchtvaartuig meer lucht wegduwen of die sneller wegduwen. Sneller wegduwen is de dure keuze. De energie in de zog groeit met het kwadraat van de snelheid, terwijl de stuwkracht maar groeit met snelheid maal de hoeveelheid lucht. Het zweefvermogen stijgt dus sneller dan het gewicht. Een grotere schijf levert dezelfde stuwkracht bij een lagere luchtsnelheid, en is een ander luchtvaartuig, met ander geluid en een ander platform.

Zweven, wind en de vallei

Zweven is niet altijd het hoogste vermogen dat het luchtvaartuig vraagt. Een stevige klim of een snelle sprint kan erger zijn. Matige voorwaartse vlucht gebruikt vaak minder vermogen dan zweven, omdat de rotor verse lucht ontmoet en de geïnduceerde kosten dalen, tot parasitaire weerstand en de kanteling van de stuwkrachtvector weer toenemen. Vermogen tegen luchtsnelheid is doorgaans een vallei, geen helling. Wat zweven vernietigt, is bereik. Bereik is afstand per eenheid energie, en zweven legt geen grond af terwijl de meter loopt. Wachten boven een deuropening is geen goedkope pauze. Het is vliegen zonder voortgang, dus een plan moet die minuten omrekenen naar verloren afstand voordat het de route haalbaar noemt.

Wind is geen hinder die op de kaart wordt getekend. Het luchtvaartuig vliegt luchtsnelheid; de missie heeft grondsnelheid nodig. Tegen de wind in kost het meer minuten, of vlieg je een hogere luchtsnelheid waar de weerstand groter is, om dezelfde grond te bestrijken. De rugwind op de heenweg is vaak de tegenwind op de terugweg. Een positie vasthouden in de wind is ook werk: het luchtvaartuig blijft tegen de lucht duwen. Een gemiddelde wind en een windvlaag zijn verschillende dingen. Windvlagen vragen om marge in stuwkracht en stand, zodat de regelaar kan corrigeren. Als het gemiddelde zweven al bijna alle stuwkracht gebruikt, blijft er niets over om mee te corrigeren, en is het luchtvaartuig niet op een bruikbare manier bestuurbaar. Marge is op een winderige dag een deel van de lift, geen versiering.

Een inspectieluchtvaartuig dat naast een constructie stil blijft hangen, ondervindt dezelfde wind in een andere vorm. Windvlagen die draaien bij pijlers en gebouwhoeken, en afwijking die de afstand tot de constructie bepaalt, staan in hoe inspectiedrones hun positie vasthouden in de wind bij constructies (Airffic Inspection).

Weggeduwd worden door je eigen downwash bij muren staat in drones vliegen in besloten ruimtes in de Inspection-gids.

Waarom lading bereik opeet

Voeg massa toe en de stuwkracht die nodig is om te zweven stijgt mee. Bij een vast rotoroppervlak stijgt het vermogen sneller dan de stuwkracht, dus een kleine toename van de lading kan een grote hap uit de minuten nemen. De accu bevat een vaste hoeveelheid energie, tenzij je accu toevoegt, en de accu die je toevoegt is massa die je moet tillen. Voorbij een bepaald punt levert meer accu geen bruikbaar bereik op. Het levert gewicht op. Lading en accu strijden ook om hetzelfde volume, en de constructie groeit om beide te dragen. Een brochure die bereik en lading als onafhankelijke getallen noemt, is onaf. Het is één afweging, en die verschuift opnieuw wanneer wind, reserve en een verouderde accu worden meegerekend.

Het opslagmedium bepaalt een plafond nog voordat de route dat doet. Bij voorlopige dimensionering liggen de huidige lithium-ionpakketten, geteld als pakketten en niet als kopcellen, in de orde van enkele honderden wattuur per kilogram. Het getal varieert met de chemie en met hoeveel constructie en koeling je meerekent. Vloeibare brandstoffen liggen in de orde van tien kilowattuur per kilogram chemische energie. Een kleine motor verspilt veel daarvan als warmte en brengt eigen massa en storingen mee, maar wat overblijft is nog steeds de reden dat langdurige luchtvaartuigen geen accumulticopters zijn. Accu's worden gekozen omdat de aandrijflijn eenvoudig is, de besturing snel is en de missie kort, niet omdat de opslag dicht is. Waterstof lijkt per kilogram dicht en verliest dat voordeel dan aan de tank. Vraag niet aan één casco om het werk van een vrachtwagen te doen.

Draaien is niet genoeg

Rotatie op zich heft de zwaartekracht niet op. Bladen leveren alleen stuwkracht door lucht te versnellen, en die stuwkracht heeft een plafond dat wordt bepaald door diameter, toerental, bladoppervlak, motorkoppel en het elektrische vermogen dat de accu kan leveren voordat de spanning inzakt. Ontwerpers zweven niet met stuwkracht gelijk aan het gewicht. Ze houden een marge boven het gewicht aan, zodat de machine kan kantelen, klimmen en een windvlaag kan opvangen. Een stuwkrachtwaarde die één seconde op de testbank wordt volgehouden, is niet de stuwkracht die je een hele vlucht kunt vasthouden. Dezelfde stroom verwarmt de wikkelingen en laat het accupakket inzakken. Een grotere propeller verhoogt de stuwkracht bij een gegeven vermogen, en verandert ook het geluid, de tipsnelheid en het platform dat je nodig hebt. Er is geen overgebleven truc waarbij genoeg draaien de rekening betaalt.

Het luchtvaartuig moet de hele vlucht energie gebruiken om in de lucht te blijven. Ook het besturingssysteem moet blijven werken. De vluchtsoftware schat voortdurend de toestand van het toestel en past de stand en de rotatie aan. Haar commando's worden begrensd door de stuwkracht die de motoren kunnen leveren. Een toestel dat dicht bij die grens vliegt, heeft misschien geen stuwkracht meer over om een windstoot op te vangen, ook al laat een brochure zien dat het de lading draagt. Vraag bij een voorstel voor een zware lading eerst naar rotoroppervlak, stuwkrachtmarge en energie per minuut. Een video van draaiende bladen is geen bewijs dat aan die drie is voldaan. Een plan dat ze niet kan beantwoorden, moet je schrappen voordat het wordt ingeschakeld.

Kantel om te bewegen, en het verticale aandeel van de stuwkracht daalt. Die relatie voel je sneller dan je haar leest. Met over een wereldkaart vliegen in je browser (Airffic Simulation, in het Japans) kun je dat uitproberen zonder een luchtvaartuig te breken. Het is geen vervanging voor operationele training.

Wil je zien hoe grootte en gewicht bepalen hoe een drone vliegt, probeer dan een multirotor op maat in de browser vliegen.