Piccolo esperimento sul volo di un drone.
Premessa

Tutti abbiamo almeno sentito parlare dei cosiddetti droni, oggetti in grado di volare grazie a eliche mosse da potenti motori elettrici e di essere pilotati mediante radiocomando.
Essi fino a qualche anno fa erano impiegati esclusivamente in ambito militare ma recentemente gli sviluppi tecnologici di questi apparecchi, uniti ad un drastico abbattimento dei costi dei loro componenti, ne ha reso oramai popolare l’uso.

Oggi sono disponibili sul mercato una gran varietà di modelli, dai più piccolini, capaci di stare nel palmo della mano, ad apparecchi di dimensioni maggiori, che sono in grado di poter sollevare qualche kg di peso e avere un raggio di azione di diversi km dal punto di partenza.
I modelli più piccoli ed economici sono destinati ad un utilizzo esclusivamente ludico, mentre i modelli più performanti sono impiegati per una molteplicità di scopi, come ad esempio rilievi topografici, ispezioni di manufatti, opere d’arte, riprese aeree e cinematografiche, protezione civile e così via. La tecnologia sofisticata dell’hardware unita a dei software estremamente versatili e potenti, rendono davvero infinite le possibilità di impiego di questi apparati.
Praticamente tutti, tranne i modelli più piccoli, sono dotati di videocamera che consente riprese durante il volo e, nei modelli più avanzati, la visione in tempo reale, consentendo così al pilota di governare il drone come se fosse realmente a bordo dello stesso.
Il principio di volo di questi oggetti  è piuttosto semplice:  essi sono spinti da quattro o più eliche montate orizzontalmente in veloce rotazione, mosse da altrettanti motori. La loro rotazione avviene in direzioni contrapposte a coppie in modo che le forze di contrasto si bilancino ed annullino: questo è il motivo per il quale il numero di motori è sempre pari. Sensori di prossimità, GPS, giroscopi elettronici, consentono un controllo completo del velivolo e facilitano di molto il pilotaggio.
Dal telecomando è possibile impostare la direzione in cui far volare il velivolo e la potenza ai motori in modo da gestirne la quota.

Lo scopo dell’esperimento che vado a descrivere è di misurare la pressione minima dell’aria necessaria per sostenere il volo di uno di questi apparati e quindi, di conseguenza, stimare la quota massima sul livello del mare a cui in teoria questi oggetti possono arrivare o meglio,  essere utilizzati.
Per fare questo ho messo un drone in un ambiente in cui è stato possibile controllare la pressione dell’aria in esso contenuta e ho determinato  per tentativi la “soglia di volo”.
 

Materiali utilizzati:

Mini drone, modello a sei eliche
Essiccatore (in questo caso esso ha funzione di camera da vuoto)
Pompa a vuoto meccanica con vacuometro


Descrizione dell’esperienza:

In un essiccatore di capienza generosa (ho usato il mio grande, da 300 mm di diametro, in occasione di una pulizia periodica dello stesso) al quale è stato rimosso l’agente disidratante, si posiziona il drone già acceso sulla piastra di porcellana.
Si chiude il coperchio e si collega al rubinetto il tubo della pompa a vuoto. Si accende la pompa e si fa il vuoto nell’essiccatore.
Al termine di questa fase il vacuometro segna una pressione inferiore ad un mbar. Agendo sul telecomando, le eliche del drone girano all’impazzata ma ovviamente esso resta immobile sul piatto di ceramica, dimostrazione che l’aria effettivamente serve per il volo :-D .
Agendo sul rubinetto di sfiato e facendo rientrare aria, si pressurizza lentamente l’essiccatore. Si procede a step di 100 mbar alla volta, allo scopo di individuare la “finestra” nella quale il volo diventa possibile.
Sperimentalmente si determina che mentre a  400 mbar il volo non è ancora possibile, a 500 il drone si solleva, anche se con la “manetta” al massimo. Rifacendo il vuoto e facendo altri tentativi per stingere la “finestra”, si riesce a determinare che la pressione minima affinché il volo possa avvenire si attesta sui 420 mbar.
Andando a controllare la corrispondenza tra pressione e quota di una atmosfera standard nelle tabelle disponibili in letteratura, si ricava che tale valore di pressione corrisponde ad una quota compresa tra i 6000 e i 6500 metri sul livello del mare.
 
Conclusioni:
Come era prevedibile esiste anche per questi oggetti un limite oltre il quale il loro volo diventa impossibile. La prova è stata fatta su un mini drone e sarebbe interessante poter fare una cosa analoga su un drone di dimensioni maggiori ma ciò richiederebbe attrezzature al di fuori della portata di un laboratorio domestico.  Per curiosità sono andato a leggere le caratteristiche tecniche del drone Phantom dj4, uno di quelli attualmente più diffusi e performanti nel mercato “consumer”: esso ha una quota massima di utilizzo di 6000 metri, un valore perfettamente paragonabile con quello ricavato sperimentalmente sul drone piccolino. Potrebbe essere lecito pensare quindi che questi droni, indipendentemente dal modello, abbiano esigenze analoghe in termini di “aria”.

In conclusione: il giorno che andrò sull’Everest, sarà inutile che mi porti dietro il piccolino per fargli fare un volo dalla vetta… :-D :-D :-D

Non allego foto, in quanto quelle fatte per memoria poco aggiungono a quanto detto, il setup del sistema di prova è veramente banale.

Un saluto
Luigi
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Peccato, avevo già immaginato un Rover marziano dotato di una squadriglia di minidroni  (già visto in un film lo so :-D  ) ma purtroppo 
al suolo su Marte ci sono  da 7 a 11 millibar di CO2  (95%) e anche se essa è più densa dell'aria e la gravità è circa la metà di quella terrestre
dubito che i tuoi minidroni cosi come sono possano svolazzare per le pianure marziane, anche considerando le temperature (-15 - 85°C) le
batterie durerebbero poco davvero.
Più che eliche dovrebbero essere dotati di turbine ad alta velocità e allora forse quel filo di atmosfera potrebbe essere utilizzata.

Se riesci a procurarti un essiccatore di 200-300 metri cubi lo riempi di CO2 e ricrei il vuoto marziano mi chiami cosi si procede all'esperimento 

ah ah ah  :-P

Roberto.
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Mario
Beh mi accontentavo della cima dell'Everest, Marte per ora lo avevo escluso.... ma nulla toglie che se progettato a dovere, possa essere possibile far sollevare qualcosa anche lassù, chissà...

Invece leggendo quello che scrivi, mi hai fatto venire in mente un altro esperimento interessante, questo si più fattibile: anzichè pressurizzare dal vuoto l'essiccatore con l'aria come ho fatto, potrei pressurizzarlo con argon ad esempio. Esso è circa 1,7 volte più denso dell'aria ed è interessante misurare a che pressione il drone si alza... così come posso provare con la CO2.... è la prossima cosa che proverò a fare, grazie dell'idea! :-)

Un saluto
Luigi
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arkypita




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