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Einfluss der Propellergröße auf das Flugverhalten einer Drohne

Für möglichst effizientes Arbeiten ist eine lange Flugdauer wünschenswert. Leider geht diese immer zu Lasten anderer Faktoren. Um eine möglichst lange Flugdauer zu erreichen, optimieren Drohnen-Hersteller folgende Parameter:

  • Minimales Gesamtgewicht des Flugsystems
  • Optimierte Aerodynamik des Systems
  • Nutzung von effizienten Propellern mit großem Durchmesser
  • Verwendung hochpoliger Antriebe
  • Verwendung geeigneter Akkus (Gewicht, Typ, sowie Kapazität)
  • Optimiertes Verhältnis von Akkugewicht zu Gesamtgewicht

Ein sehr wichtiger Faktor, welcher die Flugdauer stark beeinflusst, sind die verwendeten Propeller. Da die Betrachtung von Blattform, Blattprofil usw. zu weit führen würde, werden wir hier zur Bestimmung des Wirkungsgrades die Strahl-Theorie anwenden, welche von einem idealen Rotor ausgeht. Die Fluggeschwindigkeit eines Multicopters ist meist verhältnismäßig gering, daher kann man vereinfachend für die Betrachtung der Effizienz eines spezifischen Setups den Standschub betrachten.

Je grösser ein Propeller ist, desto langsamer muss dieser drehen um den gleichen Standschub zu erzeugen wie ein kleinerer mit höherer Drehzahl. Fasst man die Grundaussagen der Strahl-Theorie zusammen kommt man zu dem Schluss, dass ein größerer, langsam drehender Propeller bei gleichem Schub effizienter ist als der kleinere, schneller drehende.

Wie bereits erwähnt haben leider fast alle Maßnahmen, welche zu einer längeren Flugzeit führen auch ihre Nachteile. Die Propellergröße stellt hier leider keine Ausnahme dar. Die Manövrierfähigkeit eines Copters ist abhängig davon, wie schnell die Drehzahl der einzelnen Rotoren, und damit der gesamt resultierende Schubvektor, verändert werden kann. Da ein kleinerer Propeller schneller beschleunigt und abgebremst werden kann, lässt sich die Lage eines Copter mit kleineren Propellern schneller ändern, was letztendlich auch der Flugstabilität zugute kommt. Je grösser der Propeller ist, desto schwieriger wird es diesen zu beschleunigen und abzubremsen.

Um dem gerecht zu werden, werden in Verbindung mit großen Propellern meist Motoren mit größerer Polzahl eingesetzt, da diese neben geringerer Drehzahl auch ein größeres Drehmoment haben. Ab einer gewissen Propellergröße wird eine schnelle Drehzahländerung trotz eines großen Motordrehmomentes immer schwieriger. Dies ist neben der Redundanz einer der Gründe, warum für größere Traglasten nicht immer größere Quadrocopter eingesetzt werden, sondern die Wahl auf Flugplattformen mit mehr Rotoren, wie zum Beispiel einen Octocopter, fällt.

Ein weiterer großer Nachteil ist, dass mit steigendem Rotor-Durchmesser auch die Strahlgeschwindigkeit sinkt und die projizierte Fläche des Rotors steigt. Dies macht den Copter anfälliger für Beeinflussung durch Wind.

Neben dem Durchmesser des Propellers spielt auch die Steigung eine wichtige Rolle. Generell kann man sagen, dass ein Propeller mit größerer Steigung eher für schnellen, dynamischen Flug geeignet ist. Der Stromverbrauch des Copters steigt an, es sind aber aufgrund der höheren Strahlgeschwindigkeit größere Fluggeschwindigkeiten möglich. Für die Nutzung eines Copters als Trägerplattform für Kameras oder Sensor-Systeme sind Propeller mit großer Steigung meist weniger geeignet. Bei zu geringer Steigung wird hingegen die Strahlgeschwindigkeit so gering, dass die Windanfälligkeit deutlich steigt.

In besonderen Anwendungsfällen muss darüber hinaus berücksichtigt werden, dass größere Propeller auch eher zu Vereisung neigen, was nicht nur den Wirkungsgrad stark verringert, sondern auch zum Totalausfall der Drohne führen kann. Meist wird die maximal mögliche Flugdauer überbewertet.

Man muss sich also für seinen konkreten Anwendungsfall fragen, ob eine möglichst lange Flugdauer wirklich so wichtig ist, dass man die damit einhergehenden Nachteile in Kauf nehmen will.

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