Come scegliere le eliche per il drone

Come scegliere le eliche per il drone

Introduzione

In questo articolo si affronterà il tema della scelta dell’eliche per il drone da abbinare al motore. Le eliche hanno un peso notevole sulle prestazioni del drone in quanto è grazie all’elica che viene generata la portanza, ovvero la forza verticale che si oppone alla forza peso.

Come Scegliere Eliche Per Il Drone - Elica Alto - ProjectEMS

Nell’articolo verranno dunque forniti dei cenni matematici e le relazioni che caratterizzano l’elica e le forze da essa prodotte. In seguito si darà risalto ai parametri geometrici che son quelli che l’utente dovrà effettivamente valutare al fine di fornire al proprio modello l’elica che massimizza le prestazioni.

Principi di funzionamento delle eliche per il drone

La forza necessaria alla propulsione di un aeromodello (in questo caso un drone) è chiamata Spinta, Trazione o anche Portanza ed è ottenuta accelerando una massa di fluido nel verso opposto alla direzione del moto in modo da variare la quantità di moto del flusso d’aria. Il funzionamento si basa sul terzo principio della dinamica per cui un un corpo che esercita una forza su un altro corpo (l’elica sulla massa d’aria) riceve una forza di reazione uguale ed opposta (massa d’aria sull’elica) provocando in questo modo l’avanzamento dell’elica.
Una delle teorie matematiche che governa il funzionamento dell’elica è la teoria del disco attuatore che, in sintesi, sfruttando il principio di conservazione della quantità di moto, afferma che:

Come Scegliere Eliche Per Il Drone - Formula Funzionamento Elica - ProjectEMS

dove: m è la portata in massa dell’aria, uw è la velocità impressa al fluido dall’elica (a valle dell’elica) e V0 è la velocità di avanzamento (nella direzione dell’asse dell’elica).
Esistono tuttavia diverse relazioni empiriche che permettono di quantificare la spinta dell’elica e che dipendono da grandezze più facilmente individuabili come, ad esempio, la velocità di rotazione e le dimensioni fisiche.

Parametri fisici caratteristici

Un’elica è costituita fondamentalmente da due parti: il mozzo e le pale. Il mozzo è la parte centrale, solitamente forata in modo da essere inserita nell’albero motore. Dovrebbe avere una forma ogivale in modo da minimizzare la resistenza all’avanzamento (verticale). Le pale sono gli elementi che consentono la generazione vera e propria della forza di trazione. Nel caso di un drone sono solitamente 2 o 3 pale. Le eliche bipala le troviamo soprattutto nei motori di grosse dimensioni con regimi di rotazione bassi, mentre per i droni da corsa si posso trovare sia le bipala che le tripala. Il vantaggio di quest’ultima è di aumentare la velocità di avanzamento e la reattività senza aumentare il diametro dell’elica; di contro induce tuttavia dei consumi maggiori.

Come Scegliere Elica Per Il Drone - Elica - ProjectEMS

Per caratterizzare un’elica possiamo definire due grandezze: il diametro e il pitch. Il diametro, come si intuisce, è la distanza punta-punta delle 2 pale e costituisce l’area di lavoro dell’elica. Esso corrisponde al diametro del disco che circoscrive l’elica. É una grandezza che viene espressa in pollici. Il pitch, o passo, è definito come la distanza che teoricamente (in condizioni ideali) l’elica percorrerebbe durante una rotazione completa. Anche il passo, come il diametro, si esprime in pollici e il numero che leggiamo indica l’altezza della colonna d’aria che verrà spostata durante la rotazione completa.

Anche la forma dell’elica riveste un ruolo importante nelle performance del modello. In particolare la parte terminale (tip) è quella che induce effetti differenti, in quanto è lì che il flusso d’aria è maggiormente turbolento. Si distinguono quindi eliche con il tip a punta, a naso di toro (bullnose, BN) e Hybrid Toro (HBN). Anche in questo caso la scelta è da fare in riferimento alle caratteristiche che si richiedono al proprio modello.
Infine dal punto di vista della qualità costruttiva, le eliche vengono proposte in differenti materiali: plastica, fibra di carbonio, fibra di vetro, legno, ecc. Quelle costituite in fibra di carbonio offrono senza dubbio la miglior resa, grazie alle proprietà del materiale, ma ovviamente i costi sono maggiori.

Trade-off delle eliche per il drone

Ora che si è compreso come funziona un eliche per il drone e quali sono le parti fondamentali, bisogna tenere a mente che un’elica non può essere associata a un qualsiasi motore e/o una qualsiasi batteria. Come è stato accennato nel paragrafo relativo alla scelta del motore, la regola generale da rispettare è quella di associare eliche con un diametro di piccole dimensioni a motori piccoli e quindi con alti KV se si vuol massimizzare la manovrabilità e l’agilità, mentre le eliche con diametri di grandi dimensioni vanno associate a motori più grossi e quindi con KV più ridotti con conseguente massimizzazione dell’autonomia.

Infine va preso in considerazione il Pitch, ovvero il passo dell’elica. La scelta del pitch è direttamente correlato al regime di rotazione nominale del motore e al diametro dell’elica. Pitch elevato (angolo di calettamento delle pale elevato) associato a un piccolo diametro è da utilizzare nel caso di droni da corsa (i cosiddetti racer) in quanto con pitch elevati e con elevate velocità di rotazioni, il flusso d’aria elaborato dall’elica è elevato in ogni fase di manovra evitando così indesiderate perdite di spinta. Pitch più contenuti invece sono da associare ad eliche con diametri più elevati e sono da tenere in considerazione quando si vuol massimizzare l’autonomia. In questo modo la spinta generata da un area di lavoro (diametro) elevato e che ruota a velocità ridotte è grande e permette di sollevare modelli di più grandi dimensioni. Se a tale elica si aumentasse troppo il pitch, la corrente assorbita (che è già elevata) aumenterebbe troppo rischiando di far bruciare il motore.

In definitiva ogni motore è caratterizzato da un regime di efficienza massima (massima potenza meccanica prodotta con il minimo dell’energia utilizzata) a cui, tramite l’associazione di elica e batteria, bisogna quanto più possibile avvicinarsi.

Dove acquistare

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