تراست (Thrust) چیست؟ آشنایی با نیروی رانش و نحوه محاسبه آن در کوادکوپتر

تراست (Thrust) یکی از مهم‌ترین مفاهیم در سیستم‌های پیشرانشی و به‌ویژه کوادکوپترها و پهپادهای چندموتوره است. برای اینکه یک کوادکوپتر بتواند از زمین بلند شود، در ارتفاع مشخصی معلق بماند یا حرکت کند، باید نیرویی ایجاد شود که بتواند با وزن آن مقابله کند و در شرایط لازم باعث شتاب گرفتن آن شود.

در کوادکوپتر، سیستم پیشرانش شامل موتور، ملخ، ESC و منبع تغذیه است؛ اما از نظر آیرودینامیکی، تولید مستقیم نیروی تراست عمدتاً نتیجه برهم‌کنش ملخ و جریان هوا است. موتور با ایجاد گشتاور و توان مکانیکی، ملخ را می‌چرخاند و ملخ با تغییر وضعیت و مومنتوم جریان هوا (Airflow Momentum)، نیروی آیرودینامیکی ایجاد می‌کند.

به زبان ساده، در یک کوادکوپتر در حال هاور، ملخ‌ها هوا را عمدتاً به سمت پایین شتاب می‌دهند و در نتیجه نیروی آیرودینامیکی مخالف، دارای مؤلفه‌ای رو به بالا روی سیستم ملخ ایجاد می‌شود. این مؤلفه رو به بالا همان تراست است که به بلند شدن و ماندن کوادکوپتر در هوا کمک می‌کند.

مفاهیم Thrust و Lift ،Drag، Weight

برای درک نحوه پرواز و عملکرد کوادکوپتر، باید با چهار نیروی اصلی Thrust، Drag، Weight و Lift آشنا شوید. این نیروها بر حرکت، تعادل و توانایی کوادکوپتر برای بلند شدن و ماندن در هوا تأثیر می‌گذارند.

1. Thrust چیست؟

Thrust (نیروی پیشران یا تراست) نیرویی است که توسط موتور و ملخ کوادکوپتر ایجاد می‌شود. موتور، ملخ را می‌چرخاند و ملخ با شتاب دادن به هوا به سمت پایین، نیرویی در جهت مخالف ایجاد می‌کند که کوادکوپتر را به سمت بالا می‌راند.

در یک کوادکوپتر چهار موتوره، مجموع نیروی تولیدشده توسط چهار ملخ، Total Thrust یا تراست کل نامیده می‌شود. هرچه تراست تولیدشده بیشتر باشد، توانایی کوادکوپتر برای بلند شدن، صعود و حمل وزن بیشتر خواهد بود.

2. Weight چیست؟

Weight (وزن) نیرویی است که در اثر گرانش زمین به کوادکوپتر وارد می‌شود و همیشه در جهت پایین، یعنی به سمت زمین، عمل می‌کند.

وزن کوادکوپتر از رابطه زیر محاسبه می‌شود:

W = m × g

• W: وزن بر حسب نیوتن (N)
• m: جرم کوادکوپتر بر حسب کیلوگرم (kg)
• g: شتاب گرانش، تقریباً 9.81 متر بر مجذور ثانیه

برای مثال، اگر جرم یک کوادکوپتر 1 کیلوگرم باشد:

W = 1 × 9.81 = 9.81 N

بنابراین کوادکوپتر باید حداقل حدود 9.81 نیوتن تراست کل تولید کند تا بتواند در شرایط ایده‌آل در حالت شناور یا Hover باقی بماند.

3. Lift چیست؟

Lift (نیروی برآ) نیروی آیرودینامیکی است که در جهت مخالف وزن عمل می‌کند و باعث بالا ماندن یک وسیله پرنده در هوا می‌شود.

در هواپیما، Lift عمدتاً توسط بال‌ها ایجاد می‌شود؛ اما در کوادکوپتر، ملخ‌ها با حرکت دادن هوا نیروی رو به بالا ایجاد می‌کنند. به همین دلیل در محاسبات ساده کوادکوپتر، معمولاً تراست ملخ‌ها را به‌عنوان نیروی اصلی بالابرنده در نظر می‌گیرند.

بنابراین برای درک اولیه کوادکوپتر می‌توان گفت:

Thrust ≈ نیروی بالابرنده کوادکوپتر

4. Drag چیست؟

Drag (نیروی پسا) نیروی مقاومتی هواست که در برابر حرکت کوادکوپتر در هوا ایجاد می‌شود.

اگر کوادکوپتر به سمت جلو حرکت کند، Drag معمولاً در جهت مخالف حرکت آن یعنی به سمت عقب وارد می‌شود.مقدار Drag به عواملی مانند سرعت حرکت، شکل بدنه، سطح مقطع کوادکوپتر و شرایط جریان هوا بستگی دارد. با افزایش سرعت، معمولاً نیروی پسا نیز افزایش پیدا می‌کند.

تفاوت Thrust، Weight، Lift و Drag

نیرو	معنی	عامل ایجاد	نقش در کوادکوپتر
Thrust	نیروی پیشران	موتور و ملخ	بلند کردن و حرکت دادن کوادکوپتر
Weight	وزن	گرانش زمین	کشیدن کوادکوپتر به سمت پایین
Lift	نیروی برآ	نیروهای آیرودینامیکی	کمک به باقی ماندن وسیله پرنده در هوا
Drag	نیروی پسا	مقاومت هوا	مقاومت در برابر حرکت کوادکوپتر

رابطه Thrust و Weight در پرواز کوادکوپتر

برای حالت شناور یا Hover، تراست کل تولیدشده توسط چهار موتور تقریباً باید با وزن کوادکوپتر برابر باشد:

Total Thrust ≈ Weight

اگر:

• Total Thrust > Weight باشد، کوادکوپتر می‌تواند شتاب رو به بالا بگیرد.
• Total Thrust ≈ Weight باشد، کوادکوپتر می‌تواند در ارتفاع تقریباً ثابت شناور بماند.
• Total Thrust < Weight باشد، کوادکوپتر به سمت پایین حرکت می‌کند.

واحد تراست چیست؟

واحد استاندارد نیرو در سیستم SI، نیوتن (N) است. بنابراین واحد علمی تراست نیز نیوتن است.

با این حال، در مشخصات موتور و ملخ کوادکوپتر معمولاً تراست با واحدهایی مانند گرم‌نیرو (gf) یا کیلوگرم‌نیرو (kgf) نیز بیان می‌شود.

• 1 gf ≈ 0.00981 N
• 1 kgf ≈ 9.81 N
• 1000 gf ≈ 9.81 N

تراست چگونه در کوادکوپتر ایجاد می‌شود؟

موتور الکتریکی به‌تنهایی عامل مستقیم تولید تراست آیرودینامیکی نیست. موتور گشتاور ایجاد می‌کند و این گشتاور از طریق شفت به ملخ منتقل می‌شود.

ملخ با چرخش خود باعث ایجاد اختلاف فشار و تغییر مومنتوم جریان هوا می‌شود. نتیجه این فرایند ایجاد یک نیروی آیرودینامیکی در راستای محور ملخ است.

در حالت شناور یا Hover:

1. موتور، ملخ را می‌چرخاند.
   موتور گشتاور لازم برای چرخاندن ملخ را ایجاد می‌کند.
2. ملخ به هوا نیرو وارد می‌کند و هوا را به سمت پایین شتاب می‌دهد.
   ↓ جهت شتاب جریان هوا
3. هوا در واکنش، نیروی آیرودینامیکی به سمت بالا به ملخ وارد می‌کند.
   ↑ جهت نیروی هوا بر ملخ
4. این نیروی رو به بالا از طریق موتور و فریم کوادکوپتر به بدنه کوادکوپتر منتقل می‌شود.
5. مؤلفه محوری این نیروی آیرودینامیکی، تراست (Thrust) کوادکوپتر است.
   ↑ تراست
6. اگر تراست کل از وزن کوادکوپتر بیشتر شود، نیروی خالص رو به بالا ایجاد شده و کوادکوپتر شتاب می‌گیرد.

نیروهای اصلی وارد بر کوادکوپتر

اگر کل کوادکوپتر را به‌عنوان یک جسم واحد در نظر بگیریم، مهم‌ترین نیروهای خارجی در پرواز عبارت‌اند از:

• وزن: رو به پایین و ناشی از گرانش.
• تراست روتورها: در حالت شناور تقریباً در راستای عمودی و رو به بالا.
• نیروهای آیرودینامیکی ناشی از حرکت: مانند درگ که به شرایط پرواز و حرکت کوادکوپتر وابسته است.

نیروها در اجزای مختلف سیستم

• هوا:
  ملخ جریان هوا را شتاب می‌دهد و در حالت شناور جریان غالباً به سمت پایین رانده می‌شود.
• ملخ:
  هوا نیروی آیرودینامیکی بر ملخ وارد می‌کند. مؤلفه محوری این نیرو همان تراست است.
• موتور:
  موتور گشتاور لازم برای چرخاندن ملخ را فراهم می‌کند. در مقابل، ملخ نیز گشتاور مقاومی به موتور وارد می‌کند که در جهت مخالف چرخش است.
• فریم و بازوها:
  نیروهای واردشده از موتور و سیستم پیشرانش از طریق پایه موتور و بازوها به فریم منتقل می‌شوند.
• کل کوادکوپتر:
  اگر کل کوادکوپتر را یک سیستم واحد در نظر بگیریم، تراست چهار روتور و وزن کوادکوپتر مهم‌ترین نیروهای مورد بررسی برای تحلیل عمودی هستند.

تراست کل کوادکوپتر چگونه محاسبه می‌شود؟

اگر تراست چهار موتور به‌ترتیب T1، T2، T3 و T4 باشد:

T_total = T₁ + T₂ + T₃ + T₄

برای مثال، اگر هر موتور 5 نیوتن تراست تولید کند:

T_total = 5 + 5 + 5 + 5 = 20 N

تراست لازم برای شناور یا Hover:

در شناور ایده‌آل، تراست کل باید با وزن کوادکوپتر برابر باشد: T_total = W = mg

اگر تراست بیشتر از وزن باشد، نیروی خالص رو به بالا ایجاد می‌شود و کوادکوپتر می‌تواند شتاب عمودی بگیرد. اگر تراست کمتر از وزن باشد، نیروی خالص رو به پایین ایجاد خواهد شد.

نسبت تراست به وزن چیست؟

نسبت تراست به وزن یا Thrust-to-Weight Ratio از تقسیم حداکثر تراست کل بر وزن به دست می‌آید:

TWR = T_max / W

برای مثال، اگر وزن کوادکوپتر 9.81 نیوتن و حداکثر تراست کل 19.62 نیوتن باشد:

TWR = 19.62 / 9.81 = 2

بنابراین نسبت تراست به وزن برابر 2:1 است.

عدد مناسب TWR به نوع کوادکوپتر، وزن، کاربرد، مانور موردنظر، شرایط پرواز و حاشیه اطمینان طراحی بستگی دارد.

فرمول تئوری تراست ملخ

یکی از روابط رایج برای بیان تراست ملخ به‌صورت زیر است:

T = C_T ρ n² D⁴

• T: تراست
• C_T: ضریب تراست
• ρ: چگالی هوا
• n: سرعت چرخش ملخ بر حسب دور بر ثانیه
• D: قطر ملخ

این رابطه نشان می‌دهد که قطر ملخ و سرعت چرخش تأثیر مهمی بر تراست دارند. با این حال، مقدار واقعی تراست به هندسه ملخ، شرایط کاری، چگالی هوا، سرعت جریان و سایر عوامل وابسته است.

تراست استاتیک چیست؟

وقتی موتور و ملخ روی یک تست‌استند قرار می‌گیرند و در حالت ثابت تراست اندازه‌گیری می‌شود، مقدار به‌دست‌آمده معمولاً تراست استاتیک نامیده می‌شود.

این مقدار برای مقایسه موتور و ملخ بسیار مفید است، اما نباید تصور کرد که تراست استاتیک همیشه دقیقاً برابر با تراست در شرایط پرواز واقعی است؛ زیرا شرایط جریان هوا هنگام حرکت کوادکوپتر تغییر می‌کند.

تفاوت تراست و گشتاور

تراست یک نیرو است، در حالی که گشتاور یک اثر چرخاننده است.

ملخ هنگام چرخش تراست تولید می‌کند، اما هم‌زمان مقاومت آیرودینامیکی نیز ایجاد می‌شود که به شکل گشتاور مقاوم در برابر چرخش ظاهر می‌شود. موتور باید گشتاور کافی برای غلبه بر این مقاومت و حفظ سرعت چرخش ملخ تولید کند.

در کوادکوپتر معمولاً دو ملخ در یک جهت و دو ملخ در جهت مخالف می‌چرخند تا گشتاورهای واکنشی در حالت متعادل تا حد زیادی یکدیگر را خنثی کنند.

وقتی کوادکوپتر کج می‌شود چه اتفاقی برای تراست می‌افتد؟

وقتی کوادکوپتر برای حرکت افقی Roll یا Pitch می‌کند، محور تراست نیز نسبت به حالت عمودی متمایل می‌شود.

در این حالت، تراست را می‌توان به مؤلفه عمودی و افقی تقسیم کرد:

T_vertical = T cos(θ)

T_horizontal = T sin(θ)

اگر θ زاویه انحراف محور تراست نسبت به راستای عمودی باشد، مؤلفه افقی باعث ایجاد شتاب افقی می‌شود و مؤلفه عمودی باید همچنان برای مقابله با وزن کافی باشد.

جمع‌بندی

تراست یکی از اصلی‌ترین کمیت‌ها برای تحلیل و طراحی کوادکوپتر است. تراست در سیستم ملخ از برهم‌کنش آیرودینامیکی ملخ و جریان هوا ایجاد می‌شود و موتور انرژی مکانیکی لازم برای چرخاندن ملخ را فراهم می‌کند.

برای طراحی یک کوادکوپتر باید جرم کل، وزن، تراست موردنیاز برای شناور یا Hover، حداکثر تراست هر موتور و نسبت تراست به وزن بررسی شود. همچنین باید توجه داشت که مقادیر واقعی تراست به ترکیب موتور و ملخ و شرایط عملیاتی وابسته هستند.

برای ورود به مرحله طراحی عملی، باید بتوانیم با استفاده از جرم موردنظر، نوع ملخ، موتور، KV، ولتاژ باتری و داده‌های تست، تراست موردنیاز هر موتور را محاسبه و ترکیب مناسب موتور و ملخ را انتخاب کنیم.

در مقاله محاسبه تراست موتور کوادکوپتر به صورت مرحله‌به‌مرحله نحوه این محاسبه را آموزش دادیم، برای اطلاعات بیشتر کلیک کنید و مقاله را مطالعه کنید.