Por que se mantém no ar, e por que não

Uma hélice girando não é permissão para levantar qualquer massa que você queira. A sustentação é a reação a empurrar ar, e o trabalho continua enquanto o peso estiver no ar. Acrescente carga útil e a distância que uma dada bateria consegue comprar diminui.

O que realmente paga a sustentação

Ajuda separar peso, sustentação, arrasto e tração, as quatro forças que uma máquina voadora tem de equilibrar. Numa asa fixa, a maior parte da sustentação vem da asa movendo-se através do ar. Em voo nivelado estável, a tração equilibra o arrasto, não o peso em si. O arrasto é menor que o peso, e é por isso que o cruzeiro pode ser barato em energia. Um multicóptero não tem asa nesse sentido. Cada rotor é uma asa rotativa, e a força para cima é a reação a acelerar ar para baixo. Incline a tração para se mover lateralmente e a componente vertical ainda tem de sustentar o peso, portanto a tração total em voo para a frente é maior que o peso.

Pairar é essa reação paga sem pausa. Em palavras, pela teoria do momento: a tração é a taxa com que momento para baixo é dado ao ar, e a potência é aproximadamente essa tração multiplicada pela velocidade dada ao ar. Para a mesma área de rotor, uma aeronave mais pesada tem de empurrar mais ar ou empurrá-lo mais depressa. Empurrá-lo mais depressa é a escolha cara. A energia na esteira cresce com o quadrado da velocidade, enquanto a tração cresce apenas com a velocidade vezes a quantidade de ar. A potência de pairar, portanto, sobe mais depressa que o peso. Um disco maior compra a mesma tração a uma velocidade de ar menor, e é uma aeronave diferente, com outro ruído e outra plataforma.

Pairar, vento e o vale

Pairar nem sempre é a maior potência que a aeronave vai exigir. Uma subida forte ou uma arrancada rápida podem ser piores. O voo moderado para a frente muitas vezes usa menos potência que o pairar, porque o rotor encontra ar fresco e o custo induzido cai, até que o arrasto parasita e a inclinação do vetor de tração voltem a subir. Potência contra velocidade do ar é tipicamente um vale, não uma rampa. O que o pairar destrói é o alcance. Alcance é distância por unidade de energia, e um pairar não cobre terreno algum enquanto o medidor corre. Esperar sobre uma porta não é uma pausa barata. É voo sem progresso, por isso um plano deve converter esses minutos em distância perdida antes de chamar a rota de viável.

O vento não é um incômodo desenhado no mapa. A aeronave voa velocidade do ar; a missão precisa de velocidade em relação ao solo. Contra um vento de proa você gasta mais minutos, ou voa a uma velocidade do ar maior, onde o arrasto é mais alto, para cobrir o mesmo terreno. O vento de cauda da ida é muitas vezes o vento de proa da volta. Manter uma posição no vento também é trabalho: a aeronave continua empurrando contra o ar. Um vento médio e uma rajada são coisas diferentes. Rajadas exigem margem de tração e de atitude para que o controlador possa corrigir. Se o pairar médio já usa quase toda a tração, não sobra nada para corrigir, e a aeronave não é controlável em nenhum sentido útil. A margem faz parte da sustentação num dia de vento, não é um enfeite.

Uma aeronave de inspeção mantendo posição ao lado de uma estrutura encontra o mesmo vento sob outra forma. Rajadas que giram em pilares e esquinas de edifícios, e a deriva que define a distância de afastamento, são tratadas em como os drones de inspeção mantêm posição no vento perto de estruturas (Airffic Inspection).

Ser empurrado pelo seu próprio fluxo descendente perto de paredes é tratado em voar drones em espaços confinados no guia de Inspeção.

Por que a carga útil consome alcance

Acrescente massa e a tração necessária para pairar sobe com ela. Com a área de rotor fixa, a potência sobe mais depressa que a tração, por isso um pequeno aumento de carga útil pode levar uma fatia grande dos minutos. A bateria guarda uma reserva fixa de energia, a menos que você acrescente bateria, e a bateria que você acrescenta é massa que você tem de levantar. Passado um ponto, mais bateria não compra alcance útil. Compra peso. Carga e bateria também competem pelo mesmo volume, e a estrutura cresce para acomodar ambas. Um folheto que cita alcance e carga útil como números independentes está incompleto. Eles são uma única troca, e a troca se move de novo quando vento, reserva e uma bateria envelhecida entram na conta.

O meio de armazenamento impõe um teto antes da rota. No dimensionamento preliminar, os pacotes de íon-lítio de hoje, contados como pacotes e não como células de manchete, ficam na ordem de algumas centenas de watt-hora por quilograma. O valor varia com a química e com quanta estrutura e refrigeração você inclui. Combustíveis líquidos ficam na ordem de dez quilowatt-hora por quilograma de energia química. Um motor pequeno desperdiça grande parte disso como calor e traz a sua própria massa e as suas próprias falhas, mas o que sobra ainda é a razão pela qual aeronaves de longa autonomia não são multicópteros a bateria. Baterias são escolhidas porque a transmissão é simples, o controle é rápido e a missão é curta, não porque o armazenamento é denso. O hidrogênio parece denso por quilograma e depois perde essa vantagem para o tanque. Pare de pedir a uma única aeronave que faça o trabalho de um caminhão.

Girar não basta

A rotação por si só não cancela a gravidade. As pás produzem tração apenas ao acelerar ar, e essa tração tem um teto definido por diâmetro, velocidade de rotação, área das pás, torque do motor e a potência elétrica que a bateria consegue fornecer antes que a sua tensão desabe. Os projetistas não pairam com tração igual ao peso. Mantêm uma margem acima do peso para que a máquina possa inclinar, subir e rejeitar uma rajada. Um valor de tração sustentado por um segundo numa bancada não é a tração que você consegue sustentar numa surtida. A mesma corrente aquece os enrolamentos e derruba a tensão do pacote. Uma hélice maior aumenta a tração para uma dada potência, e também altera ruído, velocidade de ponta e a plataforma de que você precisa. Não há truque escondido em que girar o suficiente paga a conta.

A gravidade é contínua, e a conta de energia corre todo o tempo em que a aeronave está fora do solo. O controle também. Uma pilha de voo continua atualizando a sua estimativa, fecha as malhas de atitude e de taxa angular e para na alocação de tração quando os comandos saturam. Uma aeronave voada perto dessa saturação pode estar 'voando' num folheto e ainda assim não ter nada de sobra no momento em que o vento pede uma correção. Quando alguém propõe uma carga pesada, pergunte primeiro por área de disco, margem de tração e energia por minuto. Um vídeo de pás girando não é prova de que esses três estão satisfeitos. Um plano que não consegue respondê-los deve ser descartado antes de ser armado.

Incline para se mover, e a parcela vertical da tração cai. Essa relação é mais rápida de sentir do que de ler. Voar sobre um mapa-múndi no seu navegador (Airffic Simulation, em japonês) permite experimentar sem quebrar uma aeronave. Não substitui o treinamento operacional.

Para ver como tamanho e peso mudam a forma como um drone voa, experimente voar um multirrotor dimensionado no navegador.