Rekord: Ingenieur baut elektrischen Quadkopter mit ĂĽber 3,5 Stunden Flugzeit
Der SĂĽdafrikaner Luke Maximo Bell hat (inoffiziell) den Ausdauerrekord fĂĽr elektrische Quadkopter geknackt. Der Weg dahin war lang.
Die Drohne von Luke Maximo Bell bei dem Rekordversuch.
(Bild: Luke Maximo Bell/Screenshot)
Der sĂĽdafrikanische Ingenieur und YouTuber Luke Maximo Bell jagt neuen Rekorden hinterher. Bisher hatte er sich auf Rekorde im Bereich der Hochgeschwindigkeitsdrohnen konzentriert. Nun legt er einen neuen Schwerpunkt auf Ausdauer. Dazu hat er einen Quadkopter entwickelt, der mit einer Akkuladung ĂĽber 3,5 Stunden in der Luft bleiben kann. Bisher lag der Rekord bei SiFly Aviation mit 3 Stunden, 11 Minuten und 54 Sekunden, im Schwebeflug bei 2 Stunden und 14 Minuten. Der von Bell aufgestellte Rekord wurde im Schwebeflug erzielt, ist derzeit jedoch noch inoffiziell.
Leicht und effizient
Für den Bau des Quadkopters setzte Bell weitgehend auf Standardbauteile, die konsequent auf Leichtbau und Effizienz ausgerichtet sind, damit die Drohne eine möglichst lange Flugzeit erzielen kann. Nur wenige Teile sind selbst hergestellt und stammen aus dem 3D-Drucker.
Das Konzept von Bell basiert auf einer viermotorigen elektrischen Drohne, die von vier großen und damit langsam drehenden Rotoren angetrieben wird. Der Ingenieur wählte dazu große G40-Rotorblätter mit 40 Zoll Länge von T-Motor. Je größer die Rotorblätter, desto effizienter sind sie, bringt Bell es in seinem Projektvideo bei YouTube auf den Punkt.
Die Rotoren werden von vier Antigravity-Motoren des Typs MN105 V2 angetrieben. Die Brushless-Motoren haben einen kV-Wert von 90 (90 Umdrehungen pro Minute pro Volt im Leerlauf). Die Motoren sind besonders leicht, effizient und liefern im Verhältnis das sehr hohe Drehmoment. Um die optimale Batteriegröße für die bestmögliche Effizienz bei hohem Schub festzustellen, baute Bell einen Prüfstand. So konnte er den Schub pro Watt abbilden. Zusätzlich ermittelte er die erwartete Schwebeflugzeit im Verhältnis zur Batteriemasse.
Empfohlener redaktioneller Inhalt
Mit Ihrer Zustimmung wird hier ein externes YouTube-Video (Google Ireland Limited) geladen.
Ich bin damit einverstanden, dass mir externe Inhalte angezeigt werden. Damit können personenbezogene Daten an Drittplattformen (Google Ireland Limited) übermittelt werden. Mehr dazu in unserer Datenschutzerklärung.
Als Batterien wählte er zwei Tattu-Halbfestkörper-NMC-Lithium-Polymer-Akkus. Sie liefern 320 Wh pro Kilogramm und haben etwa die doppelte Energiedichte von Standard-Lithium-Polymer-Akkus. Durch die höhere Energiedichte erwartete Bell eine längere Flugzeit. Die Batterien haben eine Kapazität von 33.000 mAh bei 22,2 V. Das Gewicht der Batterien reduzierte er durch das Entfernen des Gehäuses. Zudem tauschte er die vorhandenen Steckverbinder gegen leichtere aus. Dadurch konnte er insgesamt 360 g Gewicht einsparen, was in etwa dem Gewicht des gesamten Drohnenkörpers (ohne Elektronik und Motoren) entspricht.
Als Electronic Speed Controller (ESC) verwendet Bell einen Holybro 4-in-1, den er aufgrund seiner Effizienz auch schon in einem anderen Projekt verwendet hatte.
Optimierter Drohnenkörper
Den Aufbau des Drohnenkörpers konstruierte Bell als einfaches Kreuz aus Kohlefaserrohren. In der Mitte sitzt eine Halterung, die die Elektronik aufnimmt. Bell simulierte den Aufbau mit OnShape. Dabei experimentierte der Ingenieur mit unterschiedlichen Längen und Abständen der Rotoren zueinander. In einer Simulation mit AirShape ermittelte er, wie die Luftströmungen der Propeller einander beeinflussen und optimierte die Länge der Rohre des Drohnenkörpers für maximale Effizienz. Die beste Rohrlänge lag bei 80 cm für jedes der vier Rohre. Den Verbinder für die Rohre sowie die Motorhalterungen designte Bell so leicht wie irgend möglich und druckte sie mit dem 3D-Drucker aus. Die zu erwartende Haltbarkeit überprüfte Bell ebenfalls mit einer OnShape-Simulation.
Bei der Verdrahtung der Motoren achtete Bell aus Gewichtsgründen darauf, die Kabel so kurz wie möglich und dick wie nötig zu halten, um auf die Länge gesehen möglichst wenig Spannung durch den Innenwiderstand der Kabel zu verlieren. Als bestes Verhältnis aus Masse und Innenwiderstand erwies sich ein letztlich 11 m langes Kupferkabel mit 18 AWG (American Wire Gauge) (etwa 1 mm² Leiterquerschnitt).
Videos by heise
Die Elektronik in Form des ESC, den TBS Lucid H7 Flugcontroller und das Matek GPS-Modul zur Ermittlung der Positionsdaten befestigte Bell in der Mitte des Quadkopters. Ein DJI-04-Air-Kameramodul positionierte er in einer 3D-gedruckten Halterung aus weichem Polymer. Die Akkus fixierte er in der Mitte unter der Drohne.
Der erste Flugtest fiel ernüchternd aus. Die Drohne erwies sich im Flug als instabil. Bell erweiterte die Drohne um ein Landefahrwerk und fixierte die Rohre, die sich im Flug verdreht und so die Motorposition verändert hatten. Die Motorposition konnte sich danach nicht mehr verändern. Zusätzlich optimierte er die Flugparameter und erhielt so einen konstanten Schwebeflug.
Rekordversuch
Bei dem Rekordversuch im Schwebeflug knackte Bells Quadkopter spielend die von SiFly aufgestellte Rekordmarke von 2 Stunden und 14 Minuten. Auch den von SiFly aufgestellten Flugrekord im Vorwärtsflug konnte die Drohne des Südafrikaners überbieten. Insgesamt blieb die Drohne 3 Stunden 31 Minuten und 6 Sekunden in der Luft. Bell geht davon aus, dass sie in Bewegung noch deutlich länger in der Luft bleiben kann. Dieses Projekt will Bell nun angehen und den Quadkopter dann autonom eine Strecke fliegen lassen.
Der Rekord ist derzeit inoffiziell. Den offiziellen Rekord will der Ingenieur nachholen, sobald er weitere Optimierungen an der Drohne vorgenommen hat.
(olb)
