Лирическое отступление.

Массовое использование бесколлекторных моторов и литий-полимерных аккумуляторов прочно обосновалось в нашей жизни не так уж давно...

Какие-то 5-6 лет назад прошли первые успешные опыты hivolt-а – и тут же стайки шустрых ЕПП-самолетов на первых отечественных БК и высокоамперными металл-гидридных аккумуляторах формата «ААА» начали бодро вытеснять коллекторные редуцированные мотоустановки. Все чаще стали звучать непривычные слова - «инраннер», «аутранер». На рынок пришли чешские «AXI» от Model Motors, контроллеры Castl Creations, MGM Compro, Jeti (уже заслужившая хорошую репутацию у нас в стране).

Бесколлекторные системы начали становиться вполне осязаемой реальностью и для массового моделизма. Энерговооруженность электросамолетов стала стремительно расти. Привычное значение с 0, 5-0, 6 постепенно подросло до 0, 8, дальше до 1, а потом и вовсе стала стремиться к 1, 5-2. Рынок быстро реагировал на запросы моделистов, и вот уже с витрин постепенно стали вытесняться 350-е и 400-е коллекторные моторы.

Тут в страну пришли первые доступные LiPo аккумуляторы, и это стало воистину переломным моментом. В среде моделистов хоббийного уровня электролет из худосочного бедного родственника превратился в полноценного спортсмена, довольно уверенно играющего мышцами, пускай пока и в «легкой весовой категории».

Года 4 назад еще бодро обсуждались радужные перспективы БК, и его потенциальные возможности подвинуть малокубатурные калильные моторы на самолетах вплоть до 120-130 см размахом. И «калилки» быстро подвинулись, к большой радости и гордости электролетчиков.

Деление самолетов на «электролеты» и «нормальные самолеты» начало постепенно размываться сначала в .10-.15 классе (100-110см размах, до 1 кг весом), а затем БК прочно обосновались и в .25-.30 классах (120-130см/до1, 5 кг). Вполне серьезно встал вопрос о перспективах дальнейшего развития мотоустановок. Бытовало стойкое мнение, что самолет более .30 класса на электричестве неразумен из за стоимости своей эксплуатации. Большие токи требовали больших аккумуляторов с большой токоотдачей и дорогих контроллеров, а это неприемлемо задирало любой хоббийный бюджет. Дебаты шли долго и шумно, и я в качестве эксперимента приступил к постройке пилотажки .46-го класса с БК в качестве силовой установке, с претензией уложиться в эксплуатационный бюджет аналогичного самолета с калильным мотором. Рынок уже давал некоторый выбор моторов этом классе, аккумуляторы большой емкости тоже были не в диковинку, но все же для того времени поиметь 700-800 ватт на электричестве с претензией обойти калильные моторы класса .40-.50 было довольно серьезной заявкой в амфибийной среде. Ведь спор шел не про потенциальную возможность, а именно о доступности таких решений...

Камень преткновения – недорогие аккумуляторные сборки с невысокой токоотдачей, которые предполагалось использовать. А штампы, которыми мыслили элетролетчики того времени, предполагали высокий рост токов с увеличением мощности мотора. Один мудрый человек, в нашей с ним переписке, подал идею поднимать напряжение, оставив токи на приемлемом уровне, и я с благодарностью за эту идею зацепился.

Сейчас это кажется забавным, но тогда не было массового опыта использования сборов в 5-6-8 банок. Этим вовсю пользовались спортсмены, но они не баловали массового хоббийного моделиста своим вниманием. Поэтому многое было в новинку и опираться на «коллективный опыт» не приходилось. Но все складывалось более-менее удачно, и самолет был закончен. Результат превзошел все ожидания. Мотор, потребляя всего 35 ампер при напряжении в 22 вольта, запросто выдал 700 с лишним ватт. Самолет резво набрал высоту, унося с собой последние сомнения в том, что электричество у нас, хоббийных пилотов, рано или поздно будет не менее массовым чем ДВС во всех классах самолетов, а то и станет более популярным.

Через год – 1200 ватт на Экстре 330 .50 – уже ни у кого не вызывает большого удивления. При этом, мотоустановка неожиданно обходит по всем показателям знаменитую Yamada YS-63, имея аналогичный бюджет сезонной эксплуатации, и это подтверждает один из довольно искушенных пилотов, которому я предложил потестировать самолет – и для меня пройден еще один психологический рубеж. БК не только способен тягаться с ДВС. Он уверенно ее превосходит!

Проходит еще некоторое время, и ситуация сегодня наглядно подтверждает это. Цены на литий-полимерные аккумуляторы медленно, но неумолимо снижаются, их токоотдача растет, порой далеко превосходя необходимые пределы. Линейки имеющихся на рынке моторов покрывают любые запросы, от 10 граммовых комнатных стрекоз, до электроконверсий 200сс бензиновых самолетов под 25 кило весом. 10-ти баночная аккумуляторная сборка – обыденность на пилотажных соревнованиях даже в удаленных уголках страны. Даже само понятие «электролет» уже отошло в прошлое. Сейчас есть «просто самолет». Какая силовая установка на борту - решает сам владелец, исходя из своих личных субъективных предпочтений. Калильный мотор, бензиновый или электрический – значения никакого не имеет. А ведь прошло – всего каких-то 5-6 лет... Воистину – революционные темпы!

Думается, развитие моторов в ближайшей перспективе будет пока развиваться в сторону расширения линейки, повышения КПД и общего качества изготовления. Пока не видно предпосылок для появление чего-либо радикально нового.

А вот разработчики и производители аккумуляторов вполне могут порадовать моделистов новыми решениями в области химии, а так же дальнейшим развитием существующих типов, и как следствие - дальнейшим снижением веса, ростом емкости, токоотдачи и большими зарядными токами... По большому счету – сегодня накачивание мощности в самолет ограничено лишь приемлемым весом силовой батареи.

Как это сделать наиболее эффективно, не прибегая к сложным расчетам и теоретическим выкладкам – я попытаюсь изложить в этой статье.

Алгоритм расчета мотоустановки.

Единственная задача мотоустановки – вращать воздушный винт в определенном диапазоне оборотов. Более – ничего. Поэтому выбор мотора, аккумуляторов и контроллера всегда зависит от воздушного винта, который мы, в свою очередь, выбираем для нашей модели. Для выбранного винта требуется подобрать мотор необходимой мощности, а для его питания требуются определенные параметры аккумулятора.

Понимая после расчетов, какие пиковые токи будут проистекать в цепях мотоустановки, мы должны будем выбрать контроллер (регулятор хода).

Последовательность наших действий выглядит теперь вполне ясно и логично. А именно:

Винт > Мотор > Аккумулятор >Контроллер.

Итак – «пляшем от винта»!

Воздушные винты.

Основные параметры воздушного винта, которые мы учитываем при грубом (черновом) подборе мотоустановки – это его диаметр и шаг. Эти параметры зависят в основном от размера самолета, его типа и назначения.

Воздушные винты и БК двигатели

Для копийной модели винт (винты) должны быть соразмерны общему масштабу модели, и иметь требуемое количество лопастей. Для спортивных и тренировочных самолетов – размеры выбираются исходя из необходимых тяговых характеристик, скорости потока от винта и площади обдува этим потоком рулевых плоскостей. Т.к. основную массу некопийных любительских самолетов можно по типу мотоустановки отнести к пилотажным (исключая модели для боя и мотопланеры), стоит подробнее остановиться на этом типе и специфике подбора размеров винта для них.

Самое простое – исследовать статистику, и рассмотреть размеры винтов, рекомендуемых известными и проверенными производителями самолетов (изобретение своего велосипеда – не всегда благодарное занятие).

Если по каким либо причинам такая статистика недоступна, можно принять примерную зависимость, исходя из размера самолета, что бы определить отправную точку для дальнейших размышлений. Для большинства пилотажных самолетов среднего и большого размера (больше 1, 5 м) диаметр винта для начала расчетов можно взять как 1/4 от размаха крыла, или чуть (на дюйм) больше для самолетов небольшого размера (1-1, 3м).

Действительно – если посмотреть на самые популярные самолеты с устоявшейся комплектацией, то диаметры винтов будут выглядеть примерно так:

Размах крыла

Диаметр (в дюймах)

40” (1000mm)

10-11”

47”(1150-1200mm)

12-13”

50-52”(1250-1300mm)

13-14”

66-70”(1500-1600mm)

15-16”

78-82”(2000-2100мм)

19-22”

Для простоты можно воспользоваться и этой нехитрой табличкой – для начала она вполне сгодиться. Следует так же учитывать, что, как правило, более скоростные модели, полукопии и тренеры используют винты диаметром поменьше, а фан-флаи и самолеты с развитыми 3D способностями – винты большего диаметра. Так же, часто возникают подвижки в +/- 1-2 дюйма для конкретной модели. Но в целом (как пример статистики), табличка выглядит вполне реально.

Если описывать упрощенно, то диаметр винта в большей степени определяет статическую тягу мотоустановки (грубо говоря, сколько может «поднять» такой винт, будучи направленным вверх), и площадь обдува рулевых плоскостей, как правило элеронов (хвостовое оперение почти всегда находиться в потоке от винта, и обдувается на 100%).

Несложно догадаться, что от статической тяги сильно зависит поведение самолета на вертикальных маневрах, когда подъемная сила крыла попросту отсутствует.

Шаг винта - определяет в большей степени скорость потока воздуха, отбрасываемый от винта (хотя и влияет на статическую тягу мотоустановки тоже, правда в меньшей степени).

Образно говоря – с какой скоростью можно будет двигать поднятый статической тягой груз, и до какой скорости можно разогнать самолет в горизонтальном полете. Второе важное влияние, оказываемое шагом винта - это скорость потока, которым будут обдуваться рулевые поверхности. Т.е от нее сильно зависит скорость реакции самолета на рули, особенно хвостовые. Попадая в крайности можно получить абсурдные ситуации, при которых, например, самолет, обладающий огромной статической тягой, сможет держать на висении привязанный утюг, но не сможет двигаться из отсутствия достаточного потока от винта. И наоборот.

Соответственно, большая тяговая вооруженность важна при выполнении вертикальных фигур и элементов 3Д-пилотажа. А для скоростных самолетов, гонок, бойцовок – большее влияние оказывает скорость потока и тяга играет уже второстепенное значение.

Самолеты, летающие современные пилотажные комплексы, содержащие много вертикальных составляющих - должны обладать обоими свойствами с приличным запасом. Конечно, иметь запас и по тяге и по скорости потока - хорошо для любого самолета, но ввиду разных причин одновременно не всегда это можно заложить в мотоустановке – это один из серьезных компромиссов, на которые придется пойти при наших расчетах…

Третий «параметр» винта, оказывающий сильное влияние на его свойства – это его тип.

К сожалению, многие начинающие моделисты не принимают его во внимание, и основываясь только на размерах и шаге винта, часто не получают желаемого результата, а иногда и вовсе теряют мотор или сжигают контроллер, перегружая их.

Самые распространенные винты производит фирма АРС. Их подразделение по типам винтов можно назвать сложившимся стандартом де-факто. Из тех типов, которые для нас представляют интерес можно назвать:

Тип «Е» (electro) - классические пилотажные винты для электромоторов. Самый распространенный тип, для оборотов 6-8 тыс, небольшой массы, с прочной ступицей. Размерности - почти любые.

Тип «SF» (slowflyer)- очень легкие винты с увеличенной тяговой характеристикой, для легких моделей. Рассчитаны на низкие обороты (до 6 тыс.). Диапазон размеров от 8х3, 8 до 13х4, 7. Часто используются «внештатно» вместо Е-серии на моделях вплоть до 1, 5 кг для получения очень большой тяговооруженности (правда ценой некоторых потерь), на свой страх и риск. Имеют легкую небольшую ступицу и невысокая (по сравнению с Е-серией) прочность.

Тип «Р» (pusher) – т.н. «толкающий винт». Винт обратного вращения. Стоит заметить, что на электроустановках понятие «толкающий» не особенно актуально, потому что мотор может вращаться в обоих направлениях. Ориентирован больше на ДВС.

Тип «F» (folding)- складной винт (вернее - комплект лопастей, для установки на специальную муфту – «хаб») как правило, для моделей планеров.

Есть еще специализированные типы - С, W и пр., но в данной статье мы их рассматривать не будем из за их специфических применений.

В наших расчетах мы будем в основном опираться на тип Е и тип SF – как на наиболее часто применяющиеся универсальные винты.

Тип Е применяется почти на любых типах самолетов, от маленьких «летающих крыльев», до спортивных пилотажных самолетов 2 метра размахом и даже выше.

Тип SF, штатно – на легких, медленно летающих моделях, преимущественно 3D, «не штатно» - на 3D самолетах размахом до 1300мм и весом до 1, 5кг. Забегая вперед скажу почему – SF обладает тяговым коэффициентом в 1, 5-2 раза более высоким чем E-серия. Но при этом нагрузка на мотор так же вырастает в 1, 5-2 раза.

И в большинстве случаев потери КПД тоже растут. Но это мы рассмотрим чуть ниже.

А пока приведу несколько примеров винтов на вполне конкретных и известных всем самолетах:

Click (150-граммовый зальный самолет) – 8x3, 8SF, 8x4, 7SF

Zoom/Super Zoom/Flash/Sniper (под 3D) – 10х3, 8SF, 11х3, 8SF

Hyperion Helios-10 - 9х6Е, 10х5Е, 11х5, 5Е

Sebart Katana 30E - 13х4Е, 13х6Е, 14х7Е

Pilotage Hotpoint 40 – 15x10E, 16x8E

Sebart Angel’s 50E – 16х8Е, 16х10Е

Pilotage Katana 50EV2 – 16x8E

RCF Extra 260 26cc – 18x8E

Sebart Katana 120 - 20x10E

Примерно понимая, о каких самолетах идет речь – можно предположить, какие винты лучше использовать на аналогичных по классу и назначениях самолетах.

Теперь, понимая логику применения тех или иных винтов, мы можем подходить к следующему звену нашей цепочки – к выбору бесколлекторного электромотора

Моторы

Что бы не раздувать статью до уровня многотомного труда, я хочу сразу опустить упоминание некоторые типов двигателей и нюансы их использования. Мы будем рассматривать бесколлекторные двигатели с внешним ротором – они составляют около 95% самолетных электромоторов, а расчеты редуцированных мотоустановок с двигателями с внутренним ротором (инраннеры) имеют те же принципы, что и расчеты аутраннеров, лишь с небольшими нюансами.

В целом, приведенные способы расчета на практике проверенно работают в диапазоне мотоустановок от 50 до 2500 ватт. Честно признаюсь, расчеты для микросамолетов весом в 100-150 грамм не всегда совпадали с практическими замерами (вернее, совпадали, но наилучшие результаты получались эмпирическим подбором компонентов, иногда в противоречие расчетам), а расчеты свыше 2, 5квт мне не удавалось ни проверить, ни подтвердить, хотя у меня есть надежда, что они будут тоже верны.

Бензиновый и электрический двигатели

В целом, адресуя статью скорее начинающим строителям и пилотам, думаю, что их запросы будут удовлетворены диапазоном мощностей в 50-2500 ватт. Итак.

Какие параметры БК мотора нам нужно знать, чтоб подобрать необходимую модель?

Первое – максимально допустимый ток, который мотор в состоянии безболезненно переварить. Если в процессе работы это значение будет превышено – мотор попросту сгорит. Если ток в предельных режимах работы будет существенно ниже – значит мы не до конца «нагружаем» двигатель, и попросту не используем его потенциальные возможности.

Иногда в описании присутствует параметр «рабочий ток», или «ток максимального КПД» - это как раз тот диапазон токов, при котором мотор используется максимально эффективно. Если этот параметр не указан – значит его значение лежит где-то в районе 80-90% от максимально допустимого тока в предельных режимах работы.

Сразу отмечу, что в 99% случаев под предельным режимом подразумевается работа мотоустановки на 100% газа в статическом состоянии (грубо говоря - на самолете, который стоит на земле и удерживается руками). Более тяжелого режима для самолета подобрать сложно - попробуйте свой автомобиль привязать к дереву и попробовать как следует погазовать, будучи на первой передаче... Неизвестно кто кого победит, но я уверен, что для мотора и трансмиссии это будет куда более суровым испытанием, чем езда на максимальной скорости или светофорные гонки. Слава богу, для самолета с воздушным винтом такое испытание менее вредно... В любых других условиях – полет на максимальной скорости, висение и фигуры пилотажа – нагрузка на мотор и протекающие в нем токи будут ниже. Об этом надо помнить.

Второй параметр – это количество оборотов на вольт, или kV. Оно обозначает, сколько оборотов в минуту делает вал мотора без нагрузки (без винта), на каждый вольт поданного на него напряжения (аккумуляторной батареи). Попросту говоря, если на мотор с kV=1000 подать 7 вольт, то он будет без винта вращаться со скоростью 7000 об/мин. Если подать 11 вольт – то 11000 об/мин.

Внимательный читатель сразу заметит практическую сторону этого параметра. Действительно, если с мотором с kV = 1000 и аккумулятором 7, 4в абстрактный винт заставить вращаться со скоростью 5000 об.мин, то для мотора с kV=500 для достижения тех же оборотов придеться использовать аккумулятор в 14, 8 вольт. Замечу сразу, что в этом примере мы не говорили о разнице в токах! Об этом будет ниже, куда более серьезно...

Третий параметр – внутреннее сопротивление обмоток. Оно сильно влияет на КПД нашего мотора, и на его токопотребление. Обычная единица измерения – мОм, но иногда у некоторых производителей и в некотрых таблицах эту единицу подменяют например кОм-ами или Ом-ами, просто сдвинув запятую в сторону. Это не должно сильно пугать, достаточно посмотреть в параметр похожего мотора, что бы понять куда следует сдвигать запятую в числе, чтоб привести данные к принятому нами стандарту.

Теперь, как применять имеющиеся параметры. Ставим задачу – вращать определенный винт с нужными оборотами (т.е. получая необходимую тягу и скорость потока), не выходя за пределы допустимого для мотора тока, и обеспечивая нужное время работы мотоустановки (обычно 7-10 минут). Все это мы должны рассчитать, исходя из возможностей использовать те или иные аккумулятор (сборку), укладываясь в допустимый вес и бюджет.

Логика расчетов электродвигателя

Мы примерно оцениваем, какое питание мы можем обеспечить для мотора, исходя из веса и размеров модели, и имея уже два более-менее понятных нам компонента (винт и напряжение питания) – ищем последнее «неизвестное» - мотор. Используя более высокое напряжение, мы уменьшаем потребляемые токи при одинаковой потребляемой мощности, но проигрываем в весе аккумуляторов из за большого количества банок.

Применяя низкое напряжение питания – мы экономим на количестве банок аккумулятора, но поднимает токи и соответственно емкость и токоотдачу аккумуляторов (опять же – вес немного растет). Опять же компромисс. Единственно, этот компромисс имеет устойчивую тенденцию - чем больше вес самолета и необходимая мощность мотоустановки, тем большее напряжение эффективнее всего использовать.

Приведу примеры наиболее популярных решений, от которых можно отталкиваться:

Вес самолета

Типичное количество банок аккумуляторов

100-300г.

2 банки (7, 4в)

300-1300г

3 банки (11, 1в)

1300-2000г