Toroidni propeleri i dronovi: fizika, prednosti i realna ograničenja

Zašto se uopšte govori o toroidnim propelerima

Razvoj dron industrije u poslednjih desetak godina bio je izuzetno brz, ali neravnomeran. Dok su senzori, elektronika, sistemi stabilizacije i autonomije doživeli ogroman napredak, osnovni mehanički elementi letelica – pre svega propeleri – ostali su u velikoj meri oslonjeni na koncepte stare više od jednog veka. Klasična elisa sa otvorenim krajevima lopatica i dalje je dominantno rešenje u gotovo svim kategorijama bespilotnih letelica.

Međutim, kako se dronovi sve češće koriste u urbanim sredinama, u blizini ljudi i u kontekstu profesionalnih operacija, buka je postala jedan od ključnih ograničavajućih faktora. Regulativa, društvena prihvatljivost i praktični zahtevi tržišta sve više nameću potrebu za tišim letelicama. Upravo u tom kontekstu toroidni propeleri su ponovo došli u fokus – ne kao marketinški trik, već kao ozbiljan pokušaj da se problem buke sagleda iz temelja.

Poreklo ideje i istorijski kontekst

Savremeni koncept toroidnog propelera u vazduhoplovstvu vezuje se za istraživanja sprovedena u MIT Lincoln Laboratory u Sjedinjenim Američkim Državama. Ideju je razvio istraživački tim predvođen Tommyjem Sebastianom, a prvi funkcionalni prototipi nastali su oko 2019. godine. Primarni motiv istraživanja nije bio razvoj novog komercijalnog proizvoda, već potreba za referentnim poređenjem u okviru rada na eksperimentalnim sistemima jonske propulzije, koji su gotovo bešumni, ali imaju veoma ograničene performanse.

U potrazi za „tišim propelerom“, istraživači su se oslonili na istorijske aerodinamičke koncepte poput prstenastih krila i zatvorenih profila, koji su se povremeno pojavljivali još početkom 20. veka, ali nikada nisu našli širu primenu u vazduhoplovstvu. Ideja je bila da se geometrija lopatice zatvori u kontinualnu petlju, čime bi se eliminisao dominantni izvor buke kod klasičnih elisa – vršni vrtlozi.

Važno je naglasiti da slični koncepti već dugo postoje u pomorskoj industriji. Toroidni i prstenasti propeleri koriste se na specijalizovanim brodovima i podmornicama, gde imaju zadatak da smanje kavitaciju, vibracije i akustični potpis. Ipak, prelazak ovakvog koncepta iz fluida visoke gustine (vode) u vazduh predstavlja potpuno drugačiji inženjerski izazov.

Primer toroidnog dron propelera

Kako izgleda toroidni propeler

Toroidni propeler se na prvi pogled drastično razlikuje od klasične elise. Umesto dve ili tri odvojene lopatice sa jasno definisanim krajevima, toroidni propeler ima jednu ili više zatvorenih petlji koje formiraju kontinuiranu strukturu. Svaka petlja je zapravo aero-profil savijen u prstenasti oblik, često sa blagim uvrtanjem duž svoje dužine.

Postoje različite varijacije dizajna: sa jednom, dve, tri ili više petlji, kao i različitim odnosima debljine, zakrivljenosti i ugla napada. U praksi, broj petlji i njihova geometrija imaju direktan uticaj na masu, efikasnost i akustičke karakteristike propelera.

Za razliku od klasičnih propelera, gde se optimizacija često svodi na oblik vrha lopatice i njenog preseka, kod toroidnih propelera ceo oblik postaje predmet optimizacije, što značajno povećava složenost dizajna.

Osnovi fizike: kako uopšte propeler proizvodi potisak

Da bi se razumela razlika između klasičnih i toroidnih propelera, neophodno je ukratko objasniti osnovni princip rada propelera uopšte.

Svaka lopatica propelera je u suštini krilo koje se kreće kroz vazduh. Zbog svog oblika i ugla napada, lopatica stvara razliku u pritisku između gornje i donje strane. Na donjoj strani pritisak je veći, dok je na gornjoj strani manji. Rezultat ove razlike u pritisku je sila koja ima komponentu u pravcu ose rotacije – potisak.

Kod klasičnih propelera, problem nastaje na samom kraju lopatice. Vazduh visokog pritiska sa donje strane lopatice „beži“ ka zoni niskog pritiska na gornjoj strani, formirajući snažan vrtlog na vrhu lopatice. Ovi vršni vrtlozi su "energetski skupi", jer predstavljaju gubitak korisne energije, i ujedno su jedan od glavnih izvora buke.

Fizika toroidnog propelera: šta je drugačije

Toroidni propeler funkcioniše na istom osnovnom aerodinamičkom principu kao i klasičan propeler – i dalje se stvara razlika u pritisku i potisak. Razlika je u tome kako se upravlja strujanjem vazduha na krajevima aero-profila.

Kod zatvorene toroidne geometrije, ne postoji slobodan kraj lopatice. Vazduh visokog pritiska nema direktan put ka strani niskog pritiska, već je primoran da prati zakrivljenu geometriju profila. Umesto jednog dominantnog vršnog vrtloga, dolazi do stvaranja niza manjih vrtloga duž cele petlje.

Ovi vrtlozi su slabiji, ravnomernije raspoređeni i brže se disipiraju u okolnom vazduhu. Kao posledica, akustični potpis propelera se menja: umesto izraženih, visokofrekventnih tonova, javlja se širi, „mekši“ spektar zvuka koji ljudsko uvo percipira kao manje naporan.

Poređenje standardnih DJI propelera (a) i toroidnog dizajna propelera sa MIT-a (b), koje pokazuje značajno smanjenje buke u frekvencijskom opsegu koji je najprimetniji ljudskom sluhu.

Akustika: decibeli naspram percepcije

Jedan od najčešćih nesporazuma u vezi sa toroidnim propelerima odnosi se na pitanje buke. Merenja su pokazala da ukupni nivo zvučnog pritiska izražen u decibelima često nije drastično manji u odnosu na klasične propelere sličnih dimenzija. U nekim režimima rada, razlika je čak zanemarljiva.

Međutim, ljudska percepcija zvuka nije linearna. Visokofrekventni, uskopojasni tonovi – karakteristični za klasične elise – daleko su uočljiviji i iritantniji od šireg spektra nižih frekvencija. Toroidni propeleri upravo u tom segmentu prave razliku: zvuk koji proizvode više podseća na šum vetra nego na „zujanje“ ili „testerisanje“.

Ova razlika u karakteru zvuka posebno dolazi do izražaja na većim udaljenostima, gde se toroidni propeleri teže izdvajaju iz pozadinskog ambijentalnog šuma.

Performanse u praksi: potisak i efikasnost

Kada se pređe sa akustike na performanse, slika postaje znatno složenija. Nezavisna testiranja, uključujući i ona sprovedena u FPV zajednici, ukazuju da toroidni propeleri trenutno zaostaju za klasičnim elisama u pogledu maksimalnog potiska i efikasnosti.

Razlozi za to su višestruki. Prvo, toroidni propeleri su teži. Zatvorena petlja zahteva više materijala, što povećava masu rotirajućih delova. Drugo, složenija geometrija povećava aerodinamički otpor, naročito pri višim obrtajima.

Rezultat je niži odnos potiska po utrošenom vatu energije, kao i sporiji odziv na promene broja obrtaja.

Odziv i kontrola leta

Za dronove, naročito multirotore, brzina promene potiska je jednako važna kao i maksimalni potisak. Flight controller konstantno koriguje brzinu svakog motora kako bi održao stabilnost letelice.

Povećana masa i inercija toroidnih propelera znači da motoru treba više vremena da ubrza ili uspori propeler. To direktno utiče na preciznost kontrole, posebno kod agilnih platformi kao što su FPV dronovi.

U sporijim, stabilnijim platformama – poput dronova za snimanje ili inspekcije – ovaj nedostatak je manje izražen, ali i dalje predstavlja faktor koji se mora uzeti u obzir.

Toroidni propeler 3D model

Proizvodnja i materijali

Još jedan ključni razlog ograničene primene toroidnih propelera leži u proizvodnim procesima. Klasični propeleri se proizvode injekcionim brizganjem plastike u precizne kalupe, što omogućava nisku cenu, brzinu izrade i odličnu površinsku obradu.

Toroidni propeleri, zbog svoje složene geometrije, trenutno se najčešće proizvode 3D štampom. Iako aditivne tehnologije omogućavaju brzu iteraciju dizajna, one imaju ograničenja u pogledu mehaničke čvrstoće, površinske obrade i troškova pri velikim serijama.

Dok se ne razviju ekonomski isplativi kalupi i proizvodni procesi, masovna proizvodnja toroidnih propelera ostaje izazov.

Da li se mogu koristiti na svim dronovima

U teoriji, toroidni propeleri mogu biti montirani na različite tipove dronova. U praksi, njihova upotreba ima smisla samo u jasno definisanim scenarijima.

Dronovi za snimanje, nadzor i inspekcije, koji lete relativno sporo i u blizini ljudi, mogu imati koristi od smanjenog perceptivnog nivoa buke. Sa druge strane, trkački, FPV i drugi dronovi koji zahtevaju maksimalnu agilnost i brz odziv i dalje favorizuju klasične propelere.

Zašto toroidni propeleri nisu postali standard

Iako ideja deluje intuitivno privlačno, toroidni propeleri se suočavaju sa klasičnim problemom svake nove tehnologije: moraju da nadmaše ili makar izjednače postojeće rešenje u većini ključnih parametara.

U ovom trenutku, njihova glavna prednost je akustička prirode, dok u gotovo svim ostalim aspektima – masa, efikasnost, odziv i cena – klasični propeleri i dalje imaju prednost.

Budućnost i realna očekivanja

Toroidni propeleri verovatno neće zameniti klasične elise u skorije vreme. Ipak, njihova vrednost ne leži u tome da postanu univerzalno rešenje, već da otvore prostor za drugačije razmišljanje o aerodinamici i akustici malih vazduhoplovnih sistema.

Napredak u materijalima i proizvodnim tehnologijama može u budućnosti smanjiti neke od njihovih trenutnih nedostataka. Realniji scenario je da toroidni propeleri postanu specijalizovano rešenje za određene niše, a ne standard za sve.

Toroidni propeleri predstavljaju tehnički utemeljen i ozbiljno istražen pokušaj da se reši jedan od najupornijih problema savremene dron industrije – buka. Iako još uvek ne nude performanse potrebne za široku primenu, njihova važnost leži u demonstraciji da i naizgled „zrela“ tehnologija, poput propelera, može biti predmet inovacije.

Za dron industriju u celini, toroidni propeleri su podsetnik da budućnost ne mora nužno pripadati jednom univerzalnom rešenju, već kombinaciji specijalizovanih tehnologija prilagođenih konkretnim zadacima.

Pratite Dronografiju na Facebooku