Как выбрать пропеллеры для FPV-дрона: руководство для начинающих

Перевод статьи How to Choose the Best Propellers for FPV Drone: Beginner’s Guide and Recommendations — Oscar Liang.

Пропеллеры — пожалуй, самый дешёвый и простой апгрейд FPV-дрона. Купите несколько разных и попробуйте: вы удивитесь, насколько по-другому может вести себя аппарат после простой замены винтов.

Шпаргалка по выбору#

Как вообще работает пропеллер#

Пропеллер создаёт тягу, быстро вращаясь и отбрасывая воздух вниз. Каждая лопасть имеет профиль крыла и создаёт перепад давления: пониженное сверху, повышенное снизу. Этот перепад и даёт подъёмную силу.

Передняя кромка лопасти (leading edge) первой врезается в воздух: она расщепляет поток, направляя часть над выпуклой поверхностью (где давление падает), а часть — под более плоской (где давление растёт). У задней кромки (trailing edge) потоки снова сходятся.

Как читать маркировку#

Пропеллеры описываются тремя числами: размером, шагом и количеством лопастей. Пишут это как 5x4x3 или 5040×3.

Размер (диаметр)#

Первое число — диаметр в дюймах, то есть диаметр круга, который винт заметает при вращении.

• Крупные винты дают больше тяги за счёт большей площади, но требуют более мощных моторов. С правильно подобранным мотором они обычно эффективнее: больше подъёмной силы, больше полезной нагрузки.
• Мелкие винты дают меньше тяги, но легче для мотора: обороты меняются быстрее, и дрон получается отзывчивее и вертлявее.

Рамы FPV-дронов как раз и классифицируют по максимальному размеру винта, который в них помещается. Ставьте тот размер, под который рама рассчитана.

Шаг#

Второе число — шаг: на сколько винт теоретически продвинулся бы вперёд за один оборот, если бы не было проскальзывания.

Высокий шаг:

• даёт больше тяги на высоких скоростях и поднимает максимальную скорость, но сильнее нагружает моторы и тянет больше тока;
• если шаг слишком агрессивен для мотора, тот не сможет держать обороты — и производительность с эффективностью, наоборот, упадут;
• требует большего момента для изменения оборотов, что может снизить отзывчивость;
• держит тягу по мере разгона, тогда как низкий шаг «упирается» и перестаёт ускорять, — зато на малых скоростях высокий шаг чаще срывается в стоп. Поэтому высокий шаг идёт в гонки, а фристайл и съёмка любят шаг пониже.

Низкий шаг:

• мягче к моторам, потребляет меньше тока, ощущается плавнее и эффективнее;
• меньше сопротивление, винт легче раскрутить — быстрее меняются обороты, отзывчивее управление и меньше propwash;
• перемещает меньше воздуха, а значит, ниже максимальная скорость.

Важно: сам по себе шаг не определяет поведение винта. Форма и площадь лопасти, диаметр, момент мотора и обороты значат не меньше, так что два винта с одинаковым заявленным шагом могут ощущаться совершенно по-разному.

Сколько лопастей#

Третье число — количество лопастей.

• Две лопасти — эффективность и низкое сопротивление, отличный выбор для дальних полётов: меньше ток, больше время в воздухе.
• Три лопасти — баланс тяги, манёвренности и эффективности, самый популярный вариант: больше «цепкости» в воздухе за счёт увеличенной площади.
• Четыре и больше — больше тяги и стабильности, но хуже эффективность; чаще всего это маленькие синевупы, которым нужно поднимать тяжёлую нагрузку в компактном габарите.

Добавление лопастей по сути увеличивает площадь — эффект похож на увеличение диаметра, но умещается в тот же диск. Плата — больший требуемый момент от моторов и заметно больший расход тока. Четырёхлопастные хвалят за работу на закрытых трассах и в поворотах, но они менее эффективны, чем трёхлопастные, и при той же мощности крутятся медленнее. Шестилопастные для обычных полётов не рекомендуются из-за крайней неэффективности — их удел микро-синевупы, где важна мощность в минимальном габарите.

Вес#

Вес винта сильно влияет на поведение дрона. Более лёгкие пропеллеры обычно лучше: ниже момент инерции, моторы быстрее меняют обороты, аппарат ощущается отзывчивее. Тяжёлые требуют более мощных моторов, нагружают их по моменту и могут ухудшить и отзывчивость, и эффективность. Лёгкие винты к тому же уживаются с более широким кругом моторов.

Распределение массы тоже имеет значение. Центр масс ближе к втулке — винт легче раскручивать и останавливать, отзывчивость выше, но кончик лопасти тоньше и чаще ломается в авариях. Масса ближе к кончику — больше сопротивление, разгон и торможение тяжелее, манёвренность ниже.

Направление вращения#

Пропеллеры обычно продаются по четыре: два по часовой стрелке (CW) и два против (CCW). Исключение — 3D-винты, которые крутятся в обе стороны, но применяются в очень узких сценариях.

На квадрокоптере два мотора вращаются по часовой, два против, поэтому винты обязательно подбираются под направление вращения мотора.

Почему именно так? Два винта создают момент по часовой стрелке, два — против, и эти моменты взаимно компенсируются. Без этого дрон бы неуправляемо вращался в сторону, противоположную вращению моторов, — как вертолёт с повреждённым хвостовым винтом. А разница этих моментов как раз и используется для управления по рысканью.

Определить нужное направление можно по кромкам лопасти: передняя кромка выше, задняя ниже. Та, что выше, и врезается в воздух, отбрасывая его вниз. Обычно рядом со втулкой есть маркировка CW или CCW; иногда пишут «R» — reverse, то есть CCW, а без буквы — CW. Но полагаться только на надпись не стоит: учитесь различать винты по передней кромке.

Поставите винт не в ту сторону — он погонит воздух в обратном направлении, и дрон либо не взлетит, либо перевернётся.

Типы крепления#

• Гайки (prop nuts) — самый распространённый способ на 5-дюймовых и более крупных аппаратах. Винт надевается на вал с резьбой M5 и фиксируется самоконтрящейся нейлоновой гайкой.
• T-Mount — винт притягивается к колоколу мотора двумя винтиками M2, а вал диаметром 1 или 1,5 мм служит центровкой. Лёгкое решение для небольших дронов, популярно на 2–4 дюймах.
• Press Fit — винт просто надевается на вал с натягом, держится трением. Ни винтов, ни гаек, меньше веса, менять легко. Но при высоких оборотах или в столкновении винт может слететь. Типично для toothpick-сборок и tiny whoop.

Перед покупкой убедитесь, какой тип крепления у ваших моторов.

Материал#

Обычно это прочный пластик, а конкретно поликарбонат: лёгкий, гибкий и живучий, лопасть скорее погнётся, чем сломается. Бывают винты из карбона и дерева — они жёстче и точнее, но применяются на самолётах и крупных мультироторах, которые не предполагается разбивать: дорого и хрупко.

Для FPV берите пластик — дёшево, легко заменить, подходит почти под любой стиль полёта.

Как ставить винты#

1. Проверьте направления вращения моторов. По умолчанию Betaflight ждёт определённых направлений (схема есть во вкладке Motors в конфигураторе):

• CW-винты — на передний левый и задний правый моторы;
• CCW-винты — на передний правый и задний левый.

Мнемоника: все передние винты крутятся в сторону FPV-камеры, все задние — в сторону хвоста.

2. Найдите верх и низ винта. Верхняя сторона обычно глянцевая, у втулки может быть выдавленный текст с моделью или размером; нижняя — матовая. Глянец и надписи должны смотреть вверх. Винт вверх ногами резко ухудшает характеристики, а на взлёте дрон может кувыркнуться.

3. Сопоставьте винты и моторы. CW-винты на CW-моторы, CCW — на CCW. Ошибка почти наверняка закончится переворотом при взлёте.

4. Затяните надёжно. Слетевший в полёте винт — это авария. Для гаек удобно пользоваться специальным ключом.

5. Перепроверьте. Прокрутите каждый винт рукой и убедитесь, что он гонит воздух вниз.

Props in и props out#

Дрон можно настроить в конфигурации props in или props out — в зависимости от направления вращения винтов. По умолчанию в Betaflight используется props in; если развернуть все четыре, получится props out. Это влияет на обтекание и на то, куда разлетается мусор из-под винтов.

Толкающая конфигурация#

Толкающая (pusher) конфигурация распространена в синевупах: моторы перевёрнуты, и винты «толкают» воздух вверх, а не тянут вниз. На правила установки это не влияет — CW- и CCW-винты по-прежнему подбираются под направление вращения мотора.

Тяга#

Тяга измеряется в граммах. Чтобы дрон висел, винты должны давать минимум 1 грамм тяги на каждый грамм массы. Для трюков, взлёта и полёта вперёд нужно больше.

Винт даёт больше тяги при более высоких оборотах — и меньше при низких. Влияет и скорость полёта: одни винты хороши в висении, но проседают на крейсере, другие наоборот. Ищите тот, что даёт приличную тягу в разных режимах.

Смотрите тесты тяги моторов, чтобы понять, какой размер винта подходит вашим моторам. Но держите в голове: на стенде и в реальном полёте винты ведут себя совсем по-разному. В полёте тяга часто заметно меньше, потому что набегающий поток меняет угол атаки лопастей. Корректно измерять такое нужно на скорости реального полёта, а аэродинамическая труба есть у единиц — так что к тестам относитесь с поправкой.

Плавность#

«Плавность» (smoothness) в хобби описывает субъективное качество мотора или винта — количественно её не померить. По опыту автора, винты с меньшим шагом ощущаются плавнее: мотору легче и быстрее менять обороты, дрон быстрее парирует ошибки, и propwash становится меньше.

Скорость#

Винт с большим шагом и большой тягой не обязательно делает дрон быстрее, чем винт с меньшим шагом и меньшей тягой. С ростом оборотов растёт и сопротивление, а значит, мотору нужен больший момент.

Теоретическая максимальная скорость считается так:

Максимальная скорость (дюймов в секунду) = максимальные обороты × шаг / 60

В жизни вмешиваются сопротивление воздуха, встречный ветер и угол атаки. Тяга влияет на ускорение и угол атаки, обороты — на максимальную скорость; нужен баланс.

Всегда ли большие винты лучше#

1. Отзывчивость. Больший винт — больший момент инерции и худшая отзывчивость. Особенно заметно на моторах под 5 дюймов вроде 2207: с 6- или 7-дюймовым винтом они хуже отрабатывают резкие команды. Компенсировать можно более крупными моторами, но это вес, более мощная батарея и электроника.
2. Эффективность. Крупные винты в паре с подходящим мотором обычно эффективнее на единицу массы. Потому дальнолёты — это 7 дюймов и больше, а не 2–3.
3. Вибрации. Чем крупнее винт, тем больше вибраций, и тем труднее настроить аппарат. Крупные и менее жёсткие рамы усугубляют.
4. Максимальная скорость и propwash. Крупные винты обычно медленнее по максимуму, но лучше справляются с propwash и эффективнее держат высокую скорость долго.

Угол атаки#

Угол атаки — под каким углом воздух набегает на лопасть в полёте. Он сильно влияет на эффективность в зависимости от положения и скорости дрона.

Висение и малые скорости. Поток в основном вертикальный, и тяга создаётся шагом лопасти. Здесь эффективнее винт с меньшим шагом: он перемещает воздух плавно и не требует большого момента. Если шаг слишком велик, винт начинает «шлёпать» по воздуху вместо того, чтобы его вытеснять, — энергия тратится впустую.

Полёт вперёд и крейсер. Когда дрон наклоняется, воздух набегает на лопасти под углом, и винты с большим шагом становятся эффективнее: за оборот они дают больше тяги. Если цель — покрыть расстояние, а не повисеть подольше, есть смысл попробовать винты с шагом побольше.

Нагрузка на диск#

Нагрузка на диск (disc loading) помогает понять, достаточен ли размер винта для массы аппарата.

Каждый винт при вращении заметает круг — площадь диска. Для одного винта это π × радиус², для квадрокоптера — эта площадь, умноженная на четыре. Дальше:

Нагрузка на диск = масса аппарата / суммарная площадь дисков

Метрика удобна тем, что на самом раннем этапе проектирования вы ещё не знаете ни мотора, ни KV, ни шага, ни батареи, — а отправную точку получить хочется.

• Низкая нагрузка — площади винтов много относительно массы: ниже газ в висении, больше запаса.
• Высокая нагрузка — площади мало, аппарату приходится работать больше, и даже на висение уходит больше газа.

Полной характеристикой это не является: точное соотношение тяги к весу нагрузка на диск не даёт. Вот примеры реальных аппаратов (кг/м²): Air65 — 8,4; Pavo20 Pro II — 15,5; Cinelog30 V3 — 13,7; Seeker3 — 13,4; Vapor D5 — 12,3; Seeker5 DC — 12,5.

Магического числа тут нет. Значения в районе 17–25 годятся как отправная точка для более крупных и тяжёлых аппаратов, но не как предел. У фристайл-квада, синевупа, дальнолёта и грузовика значения будут совершенно разными: синевуп при том же размере винтов тяжелее, чем открытая рама, и нагрузка у него выше — он всё равно летает, просто по-другому. Сравнивать полезно с уже существующими аппаратами того же класса.

И помните: шаг и количество лопастей в эту формулу не входят вовсе. Это не значит, что они не важны — просто нагрузка на диск сознательно их игнорирует, потому что отвечает лишь на вопрос «достаточен ли размер винта для этой массы». Шаг подбирают уже после.

Погода, высота, настройка и шум#

Холод. Мороз бьёт не только по батареям: в зависимости от материала винты дубеют и становятся хрупкими, а значит, чаще ломаются при столкновениях.

Высота над уровнем моря. Чем разреженнее воздух, тем меньше тяги при тех же оборотах. Дрон ощущается вялым — как будто вы поставили винты с меньшим шагом. В горах имеет смысл попробовать винты с чуть большим шагом.

Настройка. Смена винтов влияет на ПИД-коэффициенты и фильтры: другой размер, шаг, форма и число лопастей меняют обороты, линейность газа и вибрации. Заменить HQ 5×4.3×3 на Gemfan Hurricane 51466 можно и без перенастройки, но перфекционисту лучше настроиться под конкретный винт. При смене размера или числа лопастей разница ещё ощутимее: у двухлопастных сильнее вторая гармоника в полосе шума мотора, у трёхлопастных третья обычно выражена сильнее второй.

Шум. О нём часто забывают, а он сильно влияет на впечатление от полёта — особенно в городе и в помещении.

• Обороты. Выше обороты — выше частота и противнее визг. Некоторые синевупы ставят винты с большим числом лопастей, чтобы при той же тяге снизить обороты: тише, но менее эффективно.
• Форма винта. Ширина, шаг и площадь лопасти меняют характер звука: широкие и толстые лопасти звучат ниже, тонкие — выше. Тороидальные винты благодаря своей форме звучат мягче и приятнее для уха.
• Рама. Синевупы с их каналами шумят особенно сильно: воздух прогоняется через каналы на высоких оборотах. Открытые рамы тише.

Конкретные модели#

5 дюймов

• HQ 5×4.3×3 V2S — лучший универсал: линейный отклик на газ по всему диапазону, хорошо сбалансирован, мало вибраций.
• Gemfan Hurricane 51466 — для гонок: лёгкий, быстро меняет обороты, отлично тянет в верхней части газа и на удивление живуч (погнутую лопасть можно просто разогнуть).
• HQ 5.1×2.5×3 — для съёмки: низкий шаг, быстрые изменения оборотов, отличная работа с propwash.
• HQ R38 — позиционируется как гоночный, но на деле удивительно универсален: цепкий и отзывчивый, не перегружает моторы, ток держит в разумных пределах.

5 дюймов для sub250

• HQ T5x3 (две лопасти) — исключительно эффективен, но только под моторы с креплением T-mount (2004, 2104).
• Gemfan LR5126 (две лопасти) — под лёгкие дальнолёты до 250 граммов, тоже T-mount.

7 дюймов

• HQ DP 7×3.5×3 v1s — универсал: отзывчивый, малая вибрация, отличная тяга.
• Gemfan Cinelifter 7035 (три лопасти) — для синелифтеров и тяжёлых аппаратов.
• Gemfan LR 7035 (две лопасти) — под дальние полёты, хорошо работает с небольшими моторами вроде 2506.

3,5 дюйма

• Фристайл: EMAX AVAN Scimitar 3.5×2.8×3 (мощность и скорость) или Gemfan Hurricane 3525-3 (универсал).
• Синевупы: HQ DT90MMx3 (мощность и тяжёлая нагрузка) или Gemfan Hurricane 3525-3 (один из самых тихих, но послабее).

3 дюйма

• Фристайл: EMAX Scimitar 3×2.4×3 (мощность и скорость), HQ T3x3x3 (сбалансированный).
• Синевупы: Gemfan D76 (пять лопастей, для тяжёлых сборок), HQ T3x3x3 (очень тихий, для лёгких вупов без GoPro).

Итог#

Пропеллеры — самый дешёвый и простой способ поэкспериментировать с поведением дрона. Разобравшись с диаметром, шагом, числом лопастей и материалом, вы сможете подобрать винты под свой стиль полёта и конкретную сборку. Не бойтесь пробовать разные сочетания.

По теме на сайте: как найти потерянный FPV-дрон и провода и разъёмы в FPV-дронах.