Вы можете купить (или собрать самостоятельно) квадрокоптер практически любого размера. Некоторые из них умещаются на ладони, другие же не поместятся и в рюкзак. Обращали ли вы внимание на то, что продолжительность полёта дрона прямо зависит от его размера? Крохотные карманные квадрокоптеры редко когда летают больше четырёх-пяти минут. Более крупные дроны (например, DJI Phantom 4 Pro) могут оставаться в воздухе около получаса. Почему же более крупные, а значит, и более тяжёлые дроны летают дольше маленьких и лёгких?
Представьте дрон с вращающимися пропеллерами. На самом деле, абсолютно неважно, сколько их: один (как у вертолёта), или четыре (как у квадрокоптера), или даже восемь (как у октокоптера). Важно то, что пропеллеры дрона захватывают неподвижный воздух над аппаратом и направляют его вниз. Воздействуя таким образом на воздух, винт перенимает силу от его увеличившегося импульса. Если эта сила эквивалентна весу аппарата, дрон зависнет в воздухе. Таким образом, при приходим к следующему уравнению для определения скорости воздуха, необходимой для зависания дрона.
В данном уравнении ρ – плотность воздуха, m – масса дрона, g – гравитационная константа (9,8 N/kg), а A – площадь винтов. Как видно из формулы, увеличение размеров пропеллеров снизит скорость воздуха. Это важно для мощности, которую можно выразить следующей формулой:
Здесь можно увидеть, почему большие пропеллеры лучше. Увеличивая площадь винта, вы снижаете скорость воздушного потока – а мощность зависит от скорости воздуха в третьей степени. Если вы хотите, чтобы дрон потреблял меньше энергии, вам нужна как можно меньшая скорость потока воздуха.
Осталось добавить ещё одно – определение мощности. Мощность – это скорость, с которой объект использует энергию. Это можно выразить следующим уравнением:
Если энергия меряется в Джоулях, а временной промежуток – в секундах, то мощность будет выражаться в Ваттах. Таким образом, дрону большей мощности понадобится больший аккумулятор, чтобы оставаться в воздухе достаточно долго.
Теперь перейдём к самому интересному. Давайте сравним размеры и мощность аккумуляторов двух дронов. Для примера мы возьмём крохотный Syma X20 и DJI Phantom 4. И начнём мы с “Фантома”.
Масса DJI Phantom 4 – 1,38 килограмм, радиус пропеллера – около 12 сантиметров. Таким образом, общая площадь винтов равняется 0,18 квадратным метрам. Используя формулы выше, можно высчитать требуемую для зависания в воздухе мощность – 150 Ватт. Получается, для достижения указанной в технических характеристиках максимальной продолжительности полёта (28 минут) аккумулятор должен иметь энергию 2,5*10^5 Джоулей. Если взять ёмкость аккумулятора от Фантома (5350 mAh) и перевести её в Джоули, мы получим 2,9*10^5 Дж. Обратите внимание, насколько близка эта цифра к нашей оценке!
Но что по поводу крохотного Syma X20?
Площадь винтов этого квадрокоптера – 0,0043 квадратных метра, а масса – около 100 грамм. Используя эти значения, получим мощность зависания в воздухе всего 19 Ватт. Это действительно немного, но если вы захотите достичь продолжительности полёта как у “Фантома” (28 минут), вам понадобится аккумулятор с 3,2*10^4 Джоулями – приблизительно одна десятая от энергии аккумулятора DJI Phantom 4. На первый взгляд это кажется возможным, ведь и сам квадрокоптер весит в десять раз меньше “Фантома”. Однако есть важное отличие – вес самого аккумулятора.
Большинство дронов используют Li-Ion и Li-Po аккумуляторы. Они имеют соотношение энергии к массе порядка 5*10^5 Джоулей на килограмм. Таким образом, аккумулятор с 3,2*10^4 Дж будет весить около 60 грамм. Для Syma X20 это означает, что лишь 40 грамм остаётся на все другие системы дрона, включая всю электронику, антенны, моторы, корпус и так далее. И это действительно проблема. Инженерам, создающим крохотные дроны, нужно экономить вес для компонентов, которые никак нельзя уменьшить. И в результате приходится жертвовать аккумулятором, а значит и продолжительностью полёта – по крайней мере, на современном уровне развития технологий.
Ваш комментарий будет первым