Kada raspored lopatica menja zvuk: Zipline propeleri pod lupom (wishbone props)

Zašto su Zipline propeleri postali tema?

Kako se dronovi sve češće koriste za dostavu, medicinsku logistiku i operacije iznad naseljenih područja, buka se nameće kao jedno od ključnih ograničenja njihove šire prihvaćenosti. Iako su performanse dronova tokom poslednje decenije značajno unapređene, zvučni potpis multirotora ostao je izrazito prepoznatljiv i često neprijatan za okolinu. Upravo u tom kontekstu pažnju javnosti i inženjerske zajednice privukli su propeleri koje koristi kompanija Zipline.

Za razliku od toroidnih propelera, koji problem buke rešavaju zatvaranjem vrhova lopatica, Zipline je krenuo drugim putem: modifikacijom broja, rasporeda i međusobnog položaja lopatica oko ose rotacije. Rezultat je propeler koji na prvi pogled deluje neuobičajeno, pa čak i mehanički neuravnoteženo, ali u praksi proizvodi zvuk koji se percipira kao znatno tiši i prijatniji.

Uporedni prikaz toroidnog, zipline i klasičnog propelera

Ko je osmislio Zipline propeler i gde?

Zipline propeleri nisu proizvod akademskog istraživačkog projekta, već rezultat internog razvoja u kompaniji Zipline, američkoj firmi osnovanoj 2014. godine, poznatoj po autonomnim dronovima za medicinsku dostavu u Ruandi, Gani i drugim zemljama. Kompanija je sedište razvoja imala u Sjedinjenim Američkim Državama, dok su prvi sistemi testirani i operativno korišćeni u Africi.

Precizan datum i pojedinačni autor dizajna propelera nisu javno objavljeni u formi klasičnog patenta dostupnog široj javnosti. Međutim, poznato je da su propeleri u ovom obliku postali deo Zipline sistema druge generacije predstavljene 2021–2022. godine. Dizajn je razvijan sa vrlo jasnim ciljem: minimizacija percepcije buke kod ljudi na zemlji, čak i ako to znači određene kompromise u pogledu efikasnosti i maksimalnih performansi.

Po čemu su Zipline propeleri neobični?

Na prvi pogled, Zipline propeler odstupa od gotovo svih standardnih pravila dizajna elisa za dronove. Umesto simetričnog rasporeda lopatica pod jednakim uglovima, Zipline koristi nejednako raspoređene lopatice, pri čemu su aktivne lopatice grupisane na jednoj strani ose rotacije, dok se na suprotnoj strani nalazi protivteg.

Dodatno, lopatice nisu smeštene u istoj ravni. One su vertikalno razmaknute, čime se smanjuje njihova međusobna aerodinamička interakcija. Ovaj višeslojni raspored je ključan za razumevanje zašto Zipline propeleri imaju drugačiji zvučni potpis u odnosu na klasične elise.

Osnovi fizike zvuka kod propelera

Da bi se razumela prednost Zipline dizajna, neophodno je ukratko objasniti kako nastaje zvuk kod klasičnih propelera. Kada se propeler okreće, svaka lopatica prolazi pored fiksne tačke u prostoru i stvara periodičnu promenu pritiska. Ova periodičnost se naziva blade passage frequency - BPF i direktno zavisi od broja lopatica i brzine rotacije.

Kod klasičnih propelera, gde su lopatice ravnomerno raspoređene, zvuk je dominantno određen frekvencijom prolaska lopatica (BPF) i njenim harmonijskim komponentama. Upravo zbog toga se javlja karakteristično, oštro zujanje koje je lako uočljivo ljudskom uhu. Ljudsko uho je naročito osetljivo na ove frekvencije, zbog čega se dronovi često doživljavaju kao znatno bučniji nego što objektivna merenja u decibelima sugerišu.

Fizika Zipline propelera: zašto nejednak raspored smanjuje buku

Zipline propeleri i dalje rade na istom osnovnom aerodinamičkom principu kao i klasične elise: stvaranjem potiska usled razlike u pritisku između donje i gornje strane lopatice. U tom smislu, Zipline dizajn ne predstavlja revoluciju u načinu na koji se generiše uzgon ili potisak, već promenu u načinu na koji se taj proces vremenski i prostorno raspoređuje.

Kod klasičnih propelera sa ravnomerno raspoređenim lopaticama, prolazak svake lopatice pored određene tačke u prostoru dešava se u pravilnim vremenskim intervalima. To znači da se promene pritiska ponavljaju periodično i da je njihova frekvencija jasno definisana. Ova periodičnost dovodi do koncentracije akustične energije na jednoj osnovnoj frekvenciji – blade passage frequency – i njenim višim harmonijskim komponentama.

Zipline propeleri namerno razbijaju ovu pravilnost. Nejednak ugaoni razmak između lopatica znači da se impulsi pritiska više ne pojavljuju u pravilnim vremenskim razmacima. Sa stanovišta akustike, sistem prestaje da se ponaša kao izvor tonalnog šuma i sve više poprima karakteristike širokopojasnog izvora zvuka. Energija koja bi kod klasičnog propelera bila koncentrisana u uskom frekvencijskom opsegu sada se raspodeljuje na širi spektar nižih i srednjih frekvencija.

Dodatni efekat potiče od vertikalnog razdvajanja lopatica. Kada se više lopatica nalazi u istoj ravni, one prolaze kroz iste turbulentne strukture vazduha koje su prethodne lopatice već formirale. Time se pojačavaju fluktuacije pritiska i generiše dodatni širokopojasni šum. Kod Zipline dizajna, lopatice su postavljene na različitim visinama, čime se smanjuje njihova međusobna interakcija sa istim turbulentnim tragom.

Važno je istaći da Zipline propeler ne "utišava" dron u apsolutnom smislu. On menja način na koji se zvuk raspoređuje u vremenu i frekvenciji. Ljudsko uvo je znatno manje osetljivo na ovakav, difuzni zvuk, zbog čega se dron subjektivno doživljava kao tiši, iako merenja u decibelima često ne pokazuju drastične razlike.

Dinamika vrtloga i aerodinamička interakcija lopatica

Iako Zipline dizajn primarno cilja akustiku, on neizbežno utiče i na aerodinamiku strujanja vazduha iza propelera. Kod klasičnih elisa, svaka lopatica stvara svoj vrtložni trag koji se periodično ponavlja i relativno je koherentan. Ova koherentnost dodatno doprinosi tonalnom karakteru buke.

Kod Zipline propelera, nejednaka prostorna i vremenska raspodela lopatica dovodi do toga da se vrtlozi međusobno preklapaju na nepravilan način. Umesto jednog dominantnog obrasca strujanja, formira se kompleksniji i manje uređen vrtložni sistem. Iako to može povećati aerodinamičke gubitke, istovremeno doprinosi smanjenju akustičke koherentnosti izvora zvuka.

Ovaj efekat je naročito izražen pri režimima konstantnog potiska, kakvi su tipični za krstareći let dostavnih dronova. U tim uslovima, Zipline propeleri pokazuju najizraženiju prednost u perceptivnom smanjenju buke.

Akustički efekti u praksi

Eksperimentalna merenja i nezavisni testovi pokazali su da Zipline propeleri ne moraju nužno imati znatno niži ukupni nivo buke izražen u decibelima. Međutim, njihova prednost leži u spektralnoj raspodeli zvuka. Zvuk je nižeg tonaliteta, šireg spektra i znatno manje upadljiv.

Posebno je važno istaći da se ovaj efekat razlikuje u zavisnosti od položaja slušaoca. Zipline dizajn je optimizovan za situacije kada se dron nalazi iznad posmatrača, što je tipičan scenario za dostavne operacije.

Prednosti u odnosu na klasične propelere

Glavna prednost Zipline propelera je smanjena perceptivna buka, što omogućava operacije iznad naseljenih područja uz manji društveni otpor. Dodatno, nejednaka raspodela lopatica može doprineti stabilnijem letu u određenim režimima, jer se vibracije raspoređuju na širi frekvencijski opseg.

Ovakav dizajn se posebno dobro uklapa u Zipline filozofiju, gde je pouzdanost i prihvatljivost sistema važnija od maksimalne brzine ili agilnosti.

Mane i tehnička ograničenja

Cena smanjenja buke dolazi u vidu niže aerodinamičke efikasnosti. Nejednako raspoređene lopatice proizvode manji potisak po obrtaju, što zahteva veće brzine rotacije kako bi se postigao isti uzgon. To može dovesti do povećane potrošnje energije.

Takođe, asimetrična masa zahteva precizno balansiranje. Svako odstupanje može dovesti do povećanog habanja ležajeva i vibracija, što dodatno komplikuje proizvodnju i održavanje.

Zašto Zipline propeleri nisu ušli u široku upotrebu?

Zipline propeleri su dizajnirani za vrlo specifičnu primenu: dugotrajne, stabilne letove sa fokusom na tišinu i pouzdanost. Za većinu komercijalnih i hobi dronova, kompromisi koje ovaj dizajn zahteva nisu opravdani.

Klasični propeleri su jeftini, izuzetno optimizovani i nude odličan odnos potiska, mase i odziva. U poređenju sa njima, wishbone dizajn zahteva specijalizovanu proizvodnju, kontrolu kvaliteta i integraciju sa celokupnim pogonskim sistemom.

U teoriji, nejednako raspoređeni propeleri mogu biti montirani na različite platforme. U praksi, njihova primena ima smisla gotovo isključivo na velikim, sporijim dronovima namenjenim dostavi ili nadzoru.

Na FPV i agilnim multirotorima, sporiji odziv i niža efikasnost predstavljaju ozbiljan nedostatak.

Poređenje sa toroidnim propelerima

Iako se često pominju zajedno, Zipline i toroidni propeleri rešavaju problem buke na različite načine. Toroidni propeleri utiču na vrtloge i strujanje vazduha, dok Zipline dizajn primarno menja akustički spektar kroz nejednaku periodičnost prolaza lopatica.

Ova razlika čini Zipline propeler akustički efikasnim u specifičnim scenarijima, ali manje univerzalnim.

Budućnost wishbone koncepta

Wishbone propeleri verovatno neće postati standard u dron industriji. Njihova vrednost leži u demonstraciji koliko je percepcija zvuka važna u realnim primenama.

U budućnosti, elementi ovog dizajna mogu se pojaviti u hibridnim rešenjima, u kombinaciji sa drugim tehnikama za smanjenje buke.

Zipline propeleri predstavljaju primer inženjerskog pristupa koji problem ne rešava maksimalnim performansama, već optimizacijom za konkretan društveni i operativni kontekst. Iako nisu univerzalno rešenje, oni jasno pokazuju da akustika dronova može biti podjednako važna kao i aerodinamika.

Za dron industriju u celini, Zipline propeleri su podsetnik da budućnost ne mora nužno značiti brže i jače, već i tiše i prihvatljivije.

Za više informacija kako Zipline dostava i koncept funkcioniše - izvolite:

Pratite Dronografiju na Facebooku