فناوری در مهندسی هوافضا

فناوری در مهندسی هوافضا

مطالعه عملکرد و اثباتگر فن‌آوری پروانه‌های حلقوی پهپاد

نوع مقاله : علمی پژوهشی

نویسنده
دانشیار، پژوهشکده علوم و فناوری هوایی، پژوهشگاه هوافضا، وزارت علوم، تحقیقات و فناوری، تهران، ایران
چکیده
پروانه‌های (ملخ) حلقوی با مبدأ استفاده دریایی یکی از ایده‌هایی است که به‌تازگی توسط محققان مرکز لینکلن MIT برای کاربردهای هوایی معرفی شده‌است. ادعا شده‌است که این طراحی با حذف نقاط فرار سیال در انتهای تیغه‌ها، به‌طور قابل توجهی سطح نویز را در مقایسه با ملخ‌های متداول کاهش می‌دهد. با توجه به اهمیت کاهش آثار زیست محیطی وسایل پرنده، این نوع طراحی می‌تواند به‌ویژه در محیط‌های شهری مفید باشد و پذیرش پهپادها را برای کاربرد تسهیل کند. در این مطالعه، با هدف شناسایی این نوع طراحی، فرایند نمونه‌سازی و آزمون نوعی از این پروانه انجام گرفته است. پارامتر عملکردی اصلی مورد توجه در این مطالعه نیروی پیش‌ران (تراست) است. جهت ایجاد بستری برای مقایسه، نمونه‌هایی از پروانه‌های متداول تیغه‌ای نیز تولید و آزموده شده‌است. به عنوان یک روش سریع و در دسترس برای نمونه‌سازی، ساخت نمونه‌های پروانه به روش تولید افزایشی و با استفاده از چاپگر سه‌بعدی انجام شده‌است. در اجرای آزمون، اندازه‌گیری هم‌زمان دور چرخش موتور و تراست پروانه انجام شده‌است. در نهایت نمودارهای عملکردی برای تمام پروانه‌ها استخراج و مقایسه شده‌است. نتایج این مطالعه نشان داد که پروانه حلقوی سه‌حلقه با وزن کمی بیشتر، تراست بیشتر از پروانه متداول سه‌تیغه ارائه می‌کند.
کلیدواژه‌ها
موضوعات

عنوان مقاله English

Preliminary Performance Study and Technology Demonstrator of UAV Toroidal Propellers

نویسنده English

Jamshid Fazilati
Associate Professor, Department of Aeronautical Science and Technology, Aerospace Research Institute, Ministry of Science Research and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Toroidal propellers are among the ideas recently introduced by MIT-Lincoln Center for aerial applications. It is claimed that this design significantly reduces the annoying noise level compared to the conventional bladed propellers by eliminating the fluid escape points at the blade ends. Due to the importance of reducing environmental footprint of flying robots, this design paradigm can be particularly advantageous wherever the noise pollution is a concern. This will result in the adoption of drones for various applications. In this study, with the aim of identifying this modern type of design, the process of prototyping and testing a set of the toroidal propellers has been carried out. The main functional parameter of interest in this study is thrust. For the sake of comparison, samples of common bladed propellers have also been produced and tested. As a quick and accessible method for prototyping, the propellers have been made by additive manufacturing using a 3D printer. In the assessment process, simultaneous measurement of the motor speed and thrust have been performed. Finally, performance graphs for all propellers have been extracted and compared. The results showed that the three-ring toroidal propeller with slightly more weight, provides more thrust than the conventional three-bladed propeller.

کلیدواژه‌ها English

Toroidal Propeller
Bladed Propeller
Drone
FDM Additive manufacturing
Thrust Measurement
Rpm Measurement
Propeller Performance
[1] G. Andria, A. Di Nisio, A. M. L. Lanzolla, M. Spadevecchia, G. Pascazio, and F. Antonacc,"Design and performance evaluation of drone propellers," in 5th IEEE International Workshop on Metrology for AeroSpace (MetroAeroSpace), Rome, Italy, 2018, pp. 407-412 Rome, Italy, 2018, 2018, pp. 407-412, https://doi.org/10.1109/MetroAeroSpace.2018.8453604.
[2] P. Biswas, A. Heryudono, J. Li, and J. Bi, "Prediction of printing failure of a 3d printed drone propeller using fused deposition modeling," in Science in the Age of Experience Conference, Boston, USA, 2018.
[3] T. Sebastian and C. Sterm, "Toroidal propeller," US20190135410A1, Nov 17, 2020.
[4] P. Brinkmann, "These strangely shaped propellers sprang from research into propellerless flight,"2023. [Online]. Available: https://aerospaceamerica.aiaa.org/?s=These+strangely+shaped+propellers+sprang+from+research+into+propellerless+flight.
[5] O. liang, "Toroidal Propellers: A Quieter Future for FPV Drones?," [Online]. Available: https://oscarliang.com/toroidal-propellers/
[6] A.W. Christian and R. Cabell, "Initial investigation into the psychoacoustic properties of small unmanned aerial system noise," in 23rd AIAA/CEAS Aeroacoustics Conference, Denver, Colorado, 2017, 4051 Paper, http://dx.doi.org/10.2514/6.2017-4051.
[7] N. B. Konzel and E. Greenwood, "Ground-based acoustic measurements of small multirotor aircraft," in Vertical Flight Society’s 78th Annual Forum and Technology Display, Ft. Worth Conference, Texas, USA, 2022, http://dx.doi.org/10.4050/F-0078-2022-17435.
[8]    E. Shima, S. Tsutsumi, and K. Fujimoto, "Preliminary study on innovative loop propellers for quiet eVTOL," in in 8th Asian/Australian Rotorcraft Forum, Ankara, Turkey, 2019.
[9] J. Sun, K. Yonezawa, Y. Tanabe, H. Sugawara, and H. Liu, "Blade twist effects on aerodynamic performance and noise reduction in a multirotor propeller," Drones, vol. 7, no. 4, 2023, Art. no. 252, http://dx.doi.org/10.3390/drones7040252.
[10] T. J. Lieb, J. Treichel, and A. Volkert, "Noise measurements of unmanned aircraft vehicles: Experiences, challenges and recommendations for standards taken from flight trials," in Integrated Communication, Navigation and Surveillance Conference (ICNS), Herndon, VA, U.S.A., 2023, pp. 1-7, http://dx.doi.org/10.1109/ICNS58246.2023.10124257.
[11] A. Malim, N. Mourousias, B. G. Marinus, and T. De Troyer, "Structural design of a large-scale 3D-printed high-altitude propeller: Methodology and experimental validation," Aerospace, vol. 10, no. 3, 2023, Art. no. 256, 2023, https://doi.org/10.3390/aerospace10030256.
[12] G. Ion and I. Simion, "Performance of 3D printed conventional and toroidal propeller for small multirotor drones," Journal of Industrial Design and Engineering Graphics, vol. 18, no. 1, pp. 27-32, 2023.
[13] J. M. Reverte, M. Á. Caminero, J. M. Chacón, E. García-Plaza, P. J. Núñez, and J. P. Becar, "Mechanical and geometric performance of PLA-based polymer composites processed by the fused filament fabrication additive manufacturing technique," Materials, vol. 13, no. 8, Art. no 1924, 2020, https://doi.org/10.3390/ma13081924.
[14] "Motor Data Explorer," Mini Quad Test Bench. [Online]. Available: https://www.miniquadtestbench.com/motor-explorer.html
[15] "HQ Prop 6x4.5 Propeller (Black) (2)," Amain hobbies. [Online]. Available: https://www.amainhobbies.com/hq-prop-6x4.5-propeller-black-2-hq-p010506452/p456710

  • تاریخ دریافت 06 شهریور 1402
  • تاریخ بازنگری 01 آبان 1402
  • تاریخ پذیرش 22 آبان 1402
  • تاریخ اولین انتشار 22 آبان 1402