Як підібрати сервопривід для БПЛА-крила за моментом і швидкістю: розрахунок під площу рулів і вагу

Сервопривід для крила підбирають за двома цифрами: моментом (кг·см) і швидкістю (с/60°). Момент рахують від площі руля, швидкості польоту і геометрії тяги, а потім додають запас ×2–3. Для легкого FPV-крила зазвичай вистачає 1,5–3 кг·см, для БПЛА розмахом 2–3 м потрібно вже 10–25 кг·см.

Бренд тут другорядний. Якщо моменту замало, елерон на швидкості не доходить до заданого кута, а серво гріється. Якщо він зайвий — ви возите зайві грами і струм. Нижче — простий розрахунок, який можна зробити на калькуляторі перед тим, як купити сервопривід.

Що впливає на навантаження руля

Аеродинамічна сила на рулі росте пропорційно квадрату швидкості. Крило, яке літає не 30, а 60 км/год, навантажує серво вчетверо сильніше. Другий фактор — площа і хорда елерона: чим ширший руль, тим далі від осі прикладена сила. Третій — максимальний кут відхилення і співвідношення плечей кабанчика і качалки.

Вага апарата діє опосередковано. Важче крило має вищу крейсерську і посадкову швидкість, більші рулі і частіше працює з великими кутами відхилення: на заході на посадку, у різкому розвороті, під час вирівнювання після пориву. Тому двом крилам однакового розмаху, але різної маси, можуть знадобитися різні серво.

Розрахунок на прикладі

Візьмемо елерон 50 × 4 см (0,02 м²) на крилі зі швидкістю 25 м/с (90 км/год).

1. Швидкісний напір: 0,5 × 1,225 × 25² ≈ 383 Па.
2. Сила на рулі при відхиленні близько 20° (коефіцієнт ≈ 0,5): 383 × 0,02 × 0,5 ≈ 3,8 Н.
3. Момент на осі руля (сила прикладена приблизно на 0,4 хорди, 16 мм): 3,8 × 0,016 ≈ 0,06 Н·м, тобто близько 0,6 кг·см.
4. Передатне число тяги: качалка 10 мм, кабанчик 15 мм → на серво треба 0,6 × 10/15 ≈ 0,4 кг·см.
5. Запас ×2–3 на пориви вітру, пікирування і тертя: підійде серво з моментом від 1,5–2 кг·см.

Схема розрахунку: площа руля і швидкість → швидкісний напір → сила на рулі → момент на осі руля → передатне число тяги → запас ×2–3 → момент серво.

Це оцінка, а не точний аеродинамічний розрахунок. Але вона добре показує порядок цифр і те, як геометрія тяги зменшує навантаження. Якщо перенести тягу у внутрішній отвір качалки або в зовнішній отвір кабанчика, момент на серво падає пропорційно співвідношенню плечей. Хід руля при цьому зменшиться, але його частково повертають збільшенням ходу серво в прошивці.

Орієнтовний момент за класом крила

Щоб не рахувати з нуля кожне крило, орієнтуйтеся на типові діапазони. Цифри нижче — для елеронів і елевонів, з уже врахованим запасом.

На БПЛА з розмахом 2–3 м, широкими елеронами і крейсерською швидкістю 80–120 км/год формула дає саме 10–20 кг·см. Тут ставлять стандартні цифрові серво з металевим редуктором, наприклад сервопривід RDS3225MG на 25 кг. Він йде з U-подібним кронштейном і має захист від вологи, що важливо для польотів у дощ чи туман. Рулі напряму, висоти і закрилки рахуйте окремо: у них інша площа і інші кути, тож серво на хвості не обов'язково має бути таким самим, як на елеронах.

Швидкість і напруга живлення

Швидкість вказують як час повороту на 60°. Для автопілота INAV чи ArduPilot на крилі достатньо 0,10–0,15 с/60°. Швидші серво потрібні на пілотажних апаратах, але вони споживають більше струму і вимагають надійного BEC.

У характеристиках момент і швидкість зазвичай дають для двох напруг, наприклад 4,8 і 6 В. На вищій напрузі серво сильніший і швидший, але й струм більший. Якщо ваш BEC дає 5 В, орієнтуйтеся на нижчу цифру з картки, а не на максимальну. Під навантаженням стандартний серво класу 25 кг може короткочасно брати кілька ампер. Мікросерво беруть менше, але чотири-п'ять штук на слабкому BEC польотного контролера — типова причина перезавантаження в польоті.

Типові помилки при виборі

• Дивляться на момент при 7,4 В, а живлять серво від 5 В — реальний момент помітно нижчий.
• Рахують без урахування плечей і беруть серво вдвічі важчий, ніж треба.
• Ставлять пластиковий редуктор на крило, яке сідає на пузо, — зубці зрізаються після кількох посадок.
• Економлять на тязі: люфт у 1–2° з'їдає точність будь-якого серво.
• Не міряють товщину профілю, і серво доводиться ставити з обтічником, що додає опір.

Що перевірити перед покупкою

• Розмір і монтаж: чи влазить серво в товщину крила.
• Напруга живлення: 5, 6 чи 7,4 В, і чи витягне її ваш BEC.
• Редуктор: метал для апаратів, які сідають у траву чи на пузо.
• Тип електроніки: цифровий серво точніше тримає позицію, але зазвичай споживає більше струму в утриманні.
• Довжина проводу: якщо серво далеко від контролера, одразу візьміть подовжувач, а для двох серво на одному каналі — Y-кабель 350 мм.
• Кабанчик і тяга без люфтів: підійде кабанчик 16×20 мм.

Часті запитання

Скільки кг·см потрібно сервоприводу для крила розмахом 1 метр?

Для пінопластового крила розмахом близько 1 м і швидкістю до 80 км/год зазвичай вистачає 1,5–2,5 кг·см на елерон. Якщо крило швидке, важке або з широкими рулями, перерахуйте за формулою з вашою швидкістю.

Чи варто брати серво з великим запасом моменту «про всяк випадок»?

Великий запас означає більшу вагу, більший струм і часто проблеми з монтажем у тонкому профілі. Розумний запас — ×2–3 від розрахункового моменту.

Що важливіше для автопілота: момент чи швидкість?

Спочатку момент: без нього руль не тримає кут на швидкості, і жодне налаштування PID цього не виправить. Швидкості 0,10–0,15 с/60° для INAV і ArduPilot достатньо.

Чи можна поставити на елерони і хвіст різні серво?

Можна і часто правильно. Навантаження на кожен руль різне, тому сервопривід для крила і серво для хвостового оперення підбирають окремо, а нейтраль і ходи вирівнюють у прошивці.

Усі моделі з моментом і швидкістю зібрані в категорії сервоприводи — там зручно порівняти характеристики і купити сервопривід під ваш розрахунок. А різницю між легкими і важкими моделями ми розібрали в статті «Сервопривід для FPV-крила».