Maximale Flugzeit von 450er Helis

[orangedrummer]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

In den Zahlen sind einige Unschärfen:
Die fettgeschriebenen werden vermutlich nicht richtig sein. Kannst Du das nochmal prüfen?

=== 4S / 6324mAh / 736 Gramm ===

6324mAh / 2900 RPM / 235 mAh/min / 26,9 min
6324mAh / 2300 RPM / 211 mAh/min / 29,9 min
6324mAh / 2100 RPM / 190 mAh/min / 33,2 min
6324mAh / 1850 RPM / 195 mAh/min / 32,4 min

=== 4S / 10450mAh / 1216 Gramm ===

10450mAh / 2900 RPM / 319 mAh/min / 32,7 min
10450mAh / 2300 RPM / 279 mAh/min / 37,4 min
10450mAh / 2100 RPM / 282 mAh/min / 37,0 min
10450mAh / 1850 RPM / 318 mAh/min / 32,8 min

[Foobar]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

In den Zahlen sind einige Unschärfen:
Die fettgeschriebenen werden vermutlich nicht richtig sein. Kannst Du das nochmal prüfen?

Ich kann auf den ersten Blick keinen Fehler finden. Was meinst du denn mit Unschärfen? Die Tatsache, dass die Flugzeit auf einmal mit der Drehzahl abnimmt?

[orangedrummer]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Ja, ist vielleicht gar nicht so wichtig. Die fett-geschriebenen Werte (mAh/min) müßten eigentlich niedriger sein...

Hier ist Leistung [Watt] (Vertikale) gegen Drehzahl [U/min] (Horizontale) angetragen.
Die Kurven (bzw. eher Geraden) stehen jeweil für ein Gesamtgewicht [Kg].

Ich finde zwei Dinge auf den ersten Blick interessant:

1. die Drehzahl macht viel mehr aus als das Gewicht. Bei 2900/min brauchst du, wenn der Heli leicht ist, so viel Leistung wie beim nahezu 50% mehr Gewicht mit diedriger Drehzahl.
2. mit steigendem Gewicht bleibt die Leistung die du zum tragen der Last brauchst, etwa über die Drehzahlen gleich!
   
   

[Amok]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

2200mAh / 2900 RPM / 184 mAh/min / 11,9 min dann ist er zum wegwerfen.

Ich flieg meinen Scale-Rundflug mit dem 450er mit 3S1p 2200 auch 10-12 Minuten, wo ist das Problem?

@Foobar:
Bedenke, dass der Schwebeflug OGE die leistungsfressendeste Flugphase ist. Wenn du langsamen Rundflug machst, kannst du sicher noch mehr Zeit erreichen.

mfg
Amok

[Sisko]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Irgendwann spielt auch die Höhe des Pitchgrades eine Rolle, die nicht zu vernachlässigen ist.
Die Gradzahl, die benötigt wird zum Schweben/Rundflug ist natürlich auch von der Drehzahl abhängig.

[orangedrummer]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

@ Sisko:
3. Bei sehr schwerem Heli reißt vermutlich schon die Strömung am Blatt ab. Deshalb hast du bei niedrigen Drehzahlen und hohem Gewicht relativ hohen Leistungsbedarf.

Wenn das alles so stimmt ist das doch ein tolles Ergebnis!

@ Amok:
Richtig. Das Video ist bei Wind gemacht, was den gleichen Effekt haben dürfte.

[Foobar]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Irgendwann spielt auch die Höhe des Pitchgrades eine Rolle, die nicht zu vernachlässigen ist.
Die Gradzahl, die benötigt wird zum Schweben/Rundflug ist natürlich auch von der Drehzahl abhängig.

In die Richtung habe ich auch schon gedacht: Beim 1,9 Kilogramm Setup musste ich bei 1850 Umdrehungen teilweise Vollpitch geben (+-13,5°), um den Heli bei Böen auf Höhe zu halten. Ich hatte schon während dem Flug das ungute Gefühl, dass das nicht sonderlich effizient sein kann. Ist aber nur ein Bauchgefühl: Physikalisch begründen kann ich den Effekt nicht.

@orange: Ich müsste mal 'eine Testreihe in einer Halle machen um störende Einflüsse (wie Wind zu beseitigen). Das würde verlässlichere Zahlen liefern. Aber die Grafik ist trotzdem sehr interessant.

Bedenke, dass der Schwebeflug OGE die leistungsfressendeste Flugphase ist. Wenn du langsamen Rundflug machst, kannst du sicher noch mehr Zeit erreichen.

Hast du eine Idee, was man da rausholen kann?

Mit Telemetrie könnte man das alles ratz-fatz in der Halle mal durchtesten. Aber mit meiner Low-Tech-Variante mit Notizbuch, Stoppuhr und Ladegerät ist das leider ein ziemlich zeitraubender Akt

[Hero67]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

In den Zahlen sind einige Unschärfen:
Die fettgeschriebenen werden vermutlich nicht richtig sein. Kannst Du das nochmal prüfen?

Doch die werden wohl richtig sein, siehe unten. Es gibt auch beim Fliegen mit einem "normalen" Heli Flugzustände in denen weniger Drehzahl mehr Leistung benötigt. Ebenso gibt es Flugzustände, in denen bei gleicher Drehzahl weniger Maximalpitch zu erhöhtem Leistungsbedarf führt.

Ansonsten, interessanter Versuch. Aber ein wenig mehr als Schweben sollte der Heli schon können, sonst wird es auch beim Rundflug gefährlich.

Wie man ja anhand der Daten sehen kann, ist schon in der Konfiguration mit 6324mAh Akku 1850 U/Min nicht mehr die Drehzahl mit der längsten Flugzeit, da die Schwebepitchwinkel schon zu groß sind.Das verschiebt sich mit mehr Gewicht immer weiter Richtung hohe Drehzahlen.
Ich weiß nicht wie groß das Schub/Gewichts-Verhältnis für defensiven Rundflug sein muß, auf jeden Fall mehr als 1:1. Zum empirischen Testen würde ich auf jeden Fall noch ein zusätzliches Gewicht am Heli anbringen, so dass das Gesamtgewicht mit einem bestimmten Faktor multipliziert wird. Vielleicht hat die Scalefraktion da ein paar Erfahrungswerte, 1,5:1 oder 2:1 ?
Jedenfalls hat der Test so keinen praktischen Wert. Und selbst wenn man die mangelnde Agilität in Kauf nimmt, sollte man ja auch nicht vergessen, dass die Rotorflächenbelastung und die Belastung der Mechanik sowie der elektrischen Komponenten enorm ansteigt.
Am effizientesten ist ein Akku natürlich dann, wenn sein Anteil am Gesamtgewicht des Helis möglichst gering ist, die Energie des Akkus also nur zum Fliegen des Helis verwendet wird und der Akku nur zu einem kleinen Teil sich selbst fliegt, das wäre natürlich ein unendlich kleiner Akku, was natürlich auch keinen Sinn macht.

Der Auftrieb bei konstanten Pitchwinkel wächst mit dem Quadrat der Geschwindigkeit der Rotorblätter. Um bei gleichem Pitchwinkel einen doppelt so schweren Heli schweben zu lassen braucht man also nur Wurzel(2) soviel Drehzahl. Klasse, das sind ja nur 41% mehr. Leider wächst die Luftwiderstandskraft ebenfalls mit dem Quadrat der Geschwindigkeit und da
Arbeit = Kraft * Weg und
Leistung = Arbeit/Zeit also
Leistung = Kraft * Geschwindigkeit,

wächst der Leistungsbedarf mit der 3. Potenz der Drehzahl.

Einer Erhöhung des Gewichts also nur mit Drehzahl zu begegnen führt bei Verdoppelung des Gewichts also zu ca. (Wurzel(2))^3 = 2,83 mehr benötigter Leistung. Das paßt nicht nur rechnerisch sondern auch anhand der Zahlen. Man vergleiche mal die Werte 2100 U/Min in der Messreihe (891g gesamt) und die letzte Messreihe (1851g nur etwas mehr als das Doppelte). Wurzel(2) * 2100 = 2969. Bei etwas weniger Drehzahl (2900) braucht der Heli pro Minute 319mAh und 121mAh * 2,83 = 342mAh bei etwas mehr Drehzahl trifft schon ziemlich genau.
Also Drehzahl behalten und das Ganze mit dem Pitchwinkel kompensieren ? Hier wird es in der Aeromechanik ziemlich kompliziert (Stichw. Strahltheorie, Blattelementtheorie), zudem hängt das stark vom verwendeten Profil der Blätter ab. Man kann den Pitchwinkel nicht beliebig erhöhen, sonst reißt irgendwann die Strömung ab. Zudem entwickelt sich das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand mit zunehmendem Pitchwinkel ähnlich ungünstig wie bei Erhöhung der Drehzahl. Es gibt für jedes Profil einen optimalen Schwebepitchwinkel (Polardiagramm) bei einer bestimmten Drehzahl und gewünschtem Auftrieb. Wenn daher trotz geringerer Drehzahl die benötigte Leistung zum Schweben ansteigt, hat man den vernünftigen Bereich längst verlassen, zudem bedeutet ein nicht auftretender Strömungsabriss beim Schweben noch lange nicht, dass das beim Fliegen aufgrund der unterschiedlichen Geschwindigkeit der Blätter und hinzukommenden zyklischen Pitches, dass der Vogel in einer Kurve nicht doch einfach vom Himmel fällt.

Mit diesem bißchen Theorie kommt man der Sache aber auch ohne langes Testen auf den Grund. Legt man nur die erste Berechnung der Kompensation über Drehzahlerhöhung zugrunde, und dann ergibt sich folgende Formel, die trotz Vernachlässigung vieler anderer Effekte ziemlich dicht an der Realität ist.

A = "originales" Akkugewicht (256g)
H = Heli Leergewicht (635g)
x = Faktor um den die Akkukapazität (und damit auch das Akkugewicht) erhöht wird
F = Faktor um den sich die Flugzeit verlängert

F = x/(Wurzel((x * A + H) / (A + H)))^3

Setzt man für x den Faktor 1 ein, ist das Ergebnis logischerweise ebenfalls 1
1 / (Wurzel((1 * 256 + 635) / (256 + 635)))^3 = 1

Mann könnte jetzt noch ein wenig Differentialrechnung bemühen um die Extrema zu bestimmen aber wir setzen das einfach mal in die Formel ein: 20% mehr Akkukapazität

1,2 / (Wurzel((1,2 * 256 + 635) / (256 + 635)))^3 = 1,10 also 10% mehr Flugzeit, Flugzeiteffizienz im Vergleich zur Ausgangskonfiguration (100% 1/1) 1,1/1,2 = 91,6%.

mal weiter

40% mehr Akku = 18% mehr Flugzeit, Effizienz = 84%
60% = 26% mehr, 79% E.
80% = 32% mehr, 72% E.
100% = 37% mehr, 68% E.
150% = 46% mehr, 58% E.
200% = 52% mehr (ungefähr die zweite Testreihe), 50% E., allerspätestens hier wird es richtig ätzend, die Flugminute ist jetzt schon doppelt so teuer wie in der Ausgangskonfiguration
500% = 58% mehr (ungefähr die dritte Testreihe), 26% E.
800% = 56% mehr, 17% E.

ab hier geht es nur noch abwärts, also mehr Akku = weniger Flugzeit... wenn der Heli überhaupt noch hochkommt, sonst ist die Flugzeit nämlich Null Wenn man statt des 4S Akkus von den üblichen 3S 2200mAh Akkus mit ca. 195g ausgeht, sieht die Bilanz noch schlechter aus.

Und vom Schweben auf die restlichen Flugzustände zu schließen funktioniert nicht, da je nach Flugzustand unterschiedliche Pitchwinkel/Drehzahl-Kombinationen am effizientesten sind. Selbst wenn der Heli nicht vom Himmel fällt, kann zuwenig Drehzahl in Verbindung mit zuviel Pitch oder zuwenig Pitch mit zuviel Drehzahl mehr Leistung fressen als umgekehrt !!!

Bei angenommener konstanter Leistungsdichte eines LiPo-Akkus im Verhältnis zum Akkugewicht kommt es wohl nicht von ungefähr, dass unabhängig von der Größe des Helis, alle mit einem Verhältnis von Akkugewicht zu Leergewicht des Helis von round about 1:3 also 25% geflogen werden. Da die meisten Besenstiele ja auch für 3D Gezappel ausgelegt sind, kann man vielleicht in Richtung 1:2 davon abweichen und erhält einen immer noch gut und effizient im Rundflug funktionierenden Heli. Die Effizienz würde dann im Vergleich zu dem 256g Akku beim Miniprotos mit 635g Leergewicht immer noch bei über 90% liegen, bei 25% mehr Akkukapazität und 12,6% mehr Flugzeit.
Die Tests beruhen aber auf einem "original" Verhältnis von 1:2,5 und schrauben dass dann auf 1:1 und 2:1

[Taumel S.]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Hast du eine Idee, was man da rausholen kann?
Mit Telemetrie könnte man das alles ratz-fatz in der Halle mal durchtesten. Aber mit meiner Low-Tech-Variante mit Notizbuch, Stoppuhr und Ladegerät ist das leider ein ziemlich zeitraubender Akt

Mit deinem lobenswerten Test- und Messeifer bist du ein typischer Fall für die IISI-Telemetrie. Damit kann man ohne viel Arbeit recht genaue Strommessungen machen und die Daten auch gleich loggen, um sie dann am PC gemütlich auszuwerten.

[Flip]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

@Hero67

danke, das war mal sehr erhellend. Prima Formel um solche "Vorhaben" mal grob vorher durchzuspielen. Ich hab mal eine KeyCam an nen Blade MSR gebaut. Klar das ich mich bei der Aktion plötzlich mit genau diesen Effekten rumzuschlagen hatte.
Flog noch erstaunlich gut, aber nur noch 2,5 Minuten.
Deine Ausführungen werden mir beim Zusammenstellen meiner FPV Ausrüstung sicher sehr hilfreich sein.

Weiter so tolle Beiträge !!

Gruß
Arne

[OlliW]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

@Hennes:
die von dir angeführten Gesetzmässigkeiten sind natürlich richtig, aber deine Schlussfolgerungen, insbesondere die Schätzregel, sind IMHO falsch weil sie einen wichtigen Aspekt vergessen.
Ich will das gleich an einem konkreten Beispiel vorführen, nämlich meinem Trex450 für den ich mit Telemetrie und anderen Versuchen eine recht gute Vorstellung von der Leistungsbilanz im Schweben habe:
Das Teil wiegt etwa (mit Akku) 880g, und die Drehzahl ist ca. 2900 U/min.
Um 880g zum Schweben zu bekommen werden im Idealfall (bei dem Rotordurchmesser eines 450er) ca. 27 Watt benötigt. Nimmt man einen Wirkungsgrad des Hauptrotors von ca. 0.5 an, sind das etwa 55 Watt. Auch wenn das nur eine Abschätzung ist und mit Fehlern behaftet ist, werden die Fehler aber kaum 300% sein.
In der Praxis benötige ich aber 140-150 Watt zum Schweben!
=> nur ca. 1/3 der aus dem Akku gesaugten Leistung geht tatsächlich "in die Aeordynamik des Hauptrotors".
=> den Zusammenhang "Leistungsbedarf mit der 3. Potenz der Drehzahl", welche nur für den Rotor gilt, darf und kann nicht auf den gesamten Heli übertragen werden, für den ja die Messwerte genommen wurden
=> die Schätzformel erlaubt es vielleicht den generellen Trend mit steigendem Akkugewicht zu erkennen (der aber auch so bekannt ist) aber nicht praxistaugliche Werte zu erschliessen (die ja hier im Thread so wie ich ihn verstehe erfragt sind).

@Foobar:
Ich denke die Gesetzmässigkeiten ergeben sich im Wesentlichen aus dem zum Schweben benötigten Pitchwinkel und zwei einfachen Zusammenhängen:

1) Tendenziell steigt die Effizienz der Rotorblätter mit zunehmenden Pitchwinkel. Das lässt sich IMHO recht einfach anschaulich machen (vom Prinzip her, es gibt Korrekturen). Bei 0° Pitchwinkel erzeugt man offensichtlich keinen Schub, aber muss trotzdem Leistung aufwenden um gegen den Luftwiderstand den die sich drehenden Rotoren spüren anzukämpfen. Erhöht man nun den Pitchwinkel dann erzeugt man Schub; dieser steigt (bei gleicher Drehzahl) in etwa linear mit dem Pitchwinkel an, also doppelter Pitchwinkel erzeugt doppelten Schub. Dazu wird natürlich zusätzlich zu der Leistung die man brauchte um "gegen den Luftwiderstand anzukämpfen" weitere Leistung benötigt, die natürlich immer mehr wird je mehr Schub man erzeugt. Da nun aber von der gesamten aufzuwendenden Leistung der Anteil zum Erzeugen des Schubs im Vergleich zum Anteil zum "Ankämpfen gegen den Luftwiderstand" immer größer wird, wird der relative (und nutzlose) Beitrag durch's "Ankämpfen gegen den Luftwiderstand" immer kleiner, sprich die Effizienz wird besser.

2) Ab einem gewissen Pitchwinkel ergibt sich ein Stall und die Leistungsaufnahme nimmt recht rapide zu. Der "kritische" Winkel hängt etwas von der Qualität des Blatts ab, bei den Blättern die ich so bisher genutzt hatte waren aber 15° eine Obergrenze. Ich hau das jetzt daher mal so raus: Rule of Thumb: alles über 13° ist nicht sinnvoll.

D.h. nun, für eine gegebene Drehzahl wird die (Schwebe)Flugzeit mit vergrößertem Akku tendenziell immer länger werden, solange bis man mit dem zum Schweben nötigen Pitchwinkel nahe an den "kritischen" Winkel herankommt, dann wird die Effizienz (schnell) kleiner werden und damit auch die Flugzeiten.

D.h. im Umkehrschluss, um das "optimale" Gewicht für eine gegebene Drehzahl zu finden, einfach solange Gewicht draufpacken bis man, sagen wir mal (um noch ein bischen Reserve zu haben), bei 10° Pitch gerade schwebt.

Cheers, Olli

PS: ich denke dass die 1:3 bzw 25% Regel damit verknüpft is dass die ca. 13° für den Stallwinkel in der Größenordnung festliegt, aber keiner bei 10° Schweben will, sondern allgemein eher so etwas um die ca. 5° als Grund- bzw. Standardsetup als angemessen betrachtet wird. Kann und/oder will man auf diesen "Overhead" verzichten, gelten natürlich "neue" Regeln.

[Amok]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Mit deinem lobenswerten Test- und Messeifer bist du ein typischer Fall für die IISI-Telemetrie. Damit kann man ohne viel Arbeit recht genaue Strommessungen machen und die Daten auch gleich loggen, um sie dann am PC gemütlich auszuwerten.

Wenn er nicht nen Jive, nen JLOG und ne Jeti Box Profi im Zugriff hätte

mfg
Amok

[Taumel S.]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Wieso schreibt er dann was von "Low-Tech-Variante mit Notizbuch, Stoppuhr"?

[Amok]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Weil er es nur im Zugriff, nicht aber im direkten Zugriff hat

mfg
Amok

[Murdoc]

AW: Maximale Flugzeit von 450er Helis

Grau ist alle Theorie ! Ich finde man sollte das Ganze mal konkret ausprobieren !
Dann wird man sehn was von der ganzen Rechnerei noch übrigbleibt .

Gruss

Murdoc