Ducted fans — oro srautas, efektyvumas ir kompromisai

Jul 13, 2026 · 6 min read · fpv aerodynamics duct whoops tinywhoop airflow efficiency blade-tip-vortex ·

Share on:

Duct'as (gaubtas) aplink propelerį pakeičia, kaip oras įteka ir išteka pro diską — ir stipriai pakeičia efektyvumą, traukos/dydžio santykį bei valdymą. Tiny whoop'ai (Mobula, BetaFPV Meteor — 1S, 65–75 mm) ir didesni ducted cinewhoop'ai (BetaFPV 2.2" Pavo20, 3S) duct'us naudoja pirmiausia propams apsaugoti, bet aerodinaminiai efektai yra realūs ir lemia, kaip šie rėmai skrenda, palyginus su analogiškais open-prop dizainais. (Ilgai maniau, kad duct'as — vien apsauga nuo sienų. Klydau.)

Ką duct'as daro oro srautui

Propeleris sukasi horizontalioje plokštumoje ir traukia orą žemyn pro diską. Ant atviro propo slėgio skirtumas tarp mentelės viršaus ir apačios prasiveržia aplink galą, susisukdamas į paskui tempiamą sūkurį, kuris nusisuka nuo krašto — jis sumažina efektyvų diską, švaisto energiją ir kelia triukšmą. Duct'as su ankštu galo tarpu tą nuotėkį užkerta: srautas lieka ašinis, galo nuostolis atgaunamas, o suapvalinta įėjimo lūpa pagreitina įtekantį orą lyg venturi.

Kairė (open): oras prasiveržia aplink mentelių galus ir susisuka į paskui tempiamus sūkurius (raudona), kurie nusisuka žemyn — švaistoma energija, o pėdsakas išsisklaido. Dešinė (ducted): sienelė sustabdo galo nuotėkį, tad srautas lieka ašinis ir išteka kaip greitesnė, sukolimuota srovė prie tos pačios galios.

Duct'as — tai ne prop guard

Lengva pamanyti, kad bet koks žiedas aplink propą yra duct'as. Nėra. Prop guard — tai atviras lankas, kurio vienintelis darbas neleisti mentelėms atsitrenkti į daiktus: jis stovi gerokai atokiau nuo galų, neturi formuotos įėjimo lūpos ir nėra ištisinė sienelė — tad aerodinamiškai jis nieko naudingo nedaro. Jis negali nei atgauti galo sūkurio, nei pagreitinti įtekančio oro. Tik sėdi pėdsake, pridėdamas pasipriešinimo ir svorio.

Duct'as savo vardą užsitarnauja per tris dalykus, kurių guard'as neturi: suapvalinta įėjimo lūpa, ištisinė sienelė ir sąmoningai ankštas galo tarpas. Būtent jie paverčia buferį aerodinaminiu paviršiumi — užkerta galo nuotėkį ir pagreitina įtekantį orą. Atleisk toleranciją — ir duct'as degraduoja atgal į brangų prop guard'ą: tarpas praleidžia, galo sūkurys atsikuria, o efektyvumo priedas išgaruoja (žr. tarpo grafiką žemiau).

	Prop guard	Duct
Galo tarpas	didelis, nekontroliuojamas	ankštas (siek <5% chord)
Įėjimo lūpa	nėra	suapvalinta / formuota
Sienelė	atviras lankas	ištisinis gaubtas
Aerodinaminis efektas	jokio — vien pasipriešinimas	galo nuostolio atgavimas + venturi
Paskirtis	apsauga per krašą	apsauga ir efektyvumas

Ir guard'as, ir duct'as prideda pasipriešinimo, palyginus su pliku open propu — tai ir yra kompromisas. Mainai maksimalų greitį ir šiek tiek svorio arba į apsaugą per krašą (guard), arba į hover efektyvumą plius apsaugą (duct).

Ducted propai — tai ne open propai

Mentelės sekcijos skirtinguose spinduliuose juda labai skirtingu greičiu — galas lekia daug greičiau nei šaknis (V = Ω·r), tad išorinė mentelės dalis atlieka daugiausiai darbo ir meta stipriausią sūkurį. Open propas priverstas nukrauti savo galą — susiaurinti chord ir sumažinti pitch prie pabaigos — kad suvaldytų tą sūkurį, jo nuostolius ir triukšmą.

Duct'e galo sūkurys nuslopintas, tad projektavimo apribojimas apsiverčia: ducted propas gali turėti platesnį, labiau apkrautą galą, nes už jį nebemoka sūkurio baudos. Tas papildomas galo plotas — tai dirbantis plotas, tad efektyvumas kyla dar labiau. Visas mentelės profilis — chord pasiskirstymas, pitch, galo forma — tikrai skiriasi nuo open propo, suderintas su gaubtu. Įmetęs open propą į duct'ą gausi tik dalį naudos; duct'ui pritaikytas propas duoda likusią.

flowchart LR
    T[Blade tip: fastest section<br/>V grows with radius] --> O[Open prop<br/>must unload the tip<br/>to tame the vortex]
    T --> D[Ducted prop<br/>vortex suppressed by wall<br/>can load a broad tip]
    D --> E[More working tip area<br/>higher hover efficiency]
    style D fill:#1a3a1a,stroke:#4a8a4a
    style E fill:#1a3a1a,stroke:#4a8a4a

Venturi efektas ties duct'o lūpa

Duct'o įėjimas projektuojamas su suapvalinta priekine briauna (lūpa). Ji pagreitina įtekantį orą tiesiai prieš rotoriaus diską — klasikinis venturi efektas: siaurėjantis skerspjūvis → didesnis greitis → mažesnis slėgis, kuris įtraukia orą. Rezultatas — didesnis efektyvus masės srautas nei atviro propo, esant tam pačiam skersmeniui ir tiems patiems RPM.

flowchart LR
    A[Ambient air] -->|approaches duct lip| B[Lip accelerates<br/>inflow — Bernoulli]
    B --> C[Rotor disk<br/>high pressure differential]
    C --> D[Collimated exit<br/>high velocity jet]
    D --> E[Thrust]
    style B fill:#1a3a1a,stroke:#4a8a4a
    style D fill:#1a3a1a,stroke:#4a8a4a

Efektyvumas vs open prop

Duct'o nauda kritiškai priklauso nuo tarpo (gap) dydžio — atstumo tarp mentelės galo ir duct'o sienelės. Kuo tarpas mažesnis, tuo labiau slopinamas galo nuostolis.

{
"type": "bar",
"data": {
"labels": ["Open prop", "Duct gap 5% chord", "Duct gap 2% chord", "Duct gap <1% chord"],
"datasets": [
{
"label": "Relative thrust per watt (hover)",
"data": [100, 105, 112, 118],
"backgroundColor": ["rgba(100,150,255,0.7)","rgba(80,200,120,0.5)","rgba(80,200,120,0.7)","rgba(80,220,120,0.9)"],
"borderColor": ["rgba(100,150,255,1)","rgba(80,200,120,1)","rgba(80,200,120,1)","rgba(80,220,120,1)"],
"borderWidth": 1.5
}
]
},
"options": {
"responsive": true,
"plugins": {
"title": { "display": true, "text": "Duct gap clearance vs relative hover efficiency (open = 100)" },
"legend": { "display": false }
},
"scales": {
"y": {
"min": 90,
"title": { "display": true, "text": "Relative efficiency (%)" }
}
}
}
}

Liejimo (injection-molded) whoop'ų duct'ai turi santykinai didelius tarpus (3–5% chord), nes gamybos tolerancija riboja galo tarpą. Custom 3D spausdinti ir carbon duct'ai gali būti gerokai ankštesni.

Kompromisai vs open props

Savybė	Open	Ducted
Hover efektyvumas (tas pats skersmuo, ta pati galia)	Bazinis	+5–18% priklausomai nuo tarpo
Maksimalus greitis	Didesnis — nėra duct'o pasipriešinimo greityje	Mažesnis — duct'as prideda pasipriešinimo skrendant į priekį
Propwash turbulencija	Reikšminga (platus išsklidimas)	Sumažinta — ištekėjimo srovė labiau nukreipta
Atsparumas smūgiams	Propai atviri	Propai apsaugoti
Svoris	Mažesnis	+duct'o rėmo masė
Triukšmas	Vidutinis	Dažnai tylesnis (sumažintas tip vortex)
Mastelio keitimas (scaling)	Gerai skaliuojasi	Nauda mažėja prie didelio skersmens

Hover'e gautas efektyvumo pranašumas apsiverčia skrendant greitai į priekį — tada duct'as tampa pasipriešinimo paviršiumi. Būtent todėl racing dronai visi yra open-prop: daugumą energijos jie leidžia greityje, o ne kabodami.

Ką tai reiškia ducted whoop'ams

Pavo20 Pro II ir panašūs 2.2" ducted cinewhoop'ai skrenda tokiame režime, kur hover efektyvumas svarbus — skrydis patalpose, proximity, lėta kinematografija. Duct'as taip pat laiko propus atokiau nuo kliūčių, o tai ir yra pagrindinis dizaino veiksnys šioje ~70–110 g klasėje.

Tačiau ta pati duct'o geometrija, kuri padeda hover'e, sukuria skirtingą skrydžio pojūtį, palyginus su open-prop dronais:

flowchart LR
    DG[Ducted whoop] --> H1[More efficient hover]
    DG --> H2[Slower top speed]
    DG --> H3[Less tip vortex turbulence<br/>in clean air]
    DG --> H4[Duct edge turbulence<br/>at high AoA / fast forward]
    H4 --> H5[Buffeting at high speed<br/>if duct inlet stalls]

Duct inlet stall (duct'o įėjimo srauto atplyšimas) įvyksta, kai dronas skrenda į priekį pakankamai greitai, kad duct'o priekinę briauną pasiektų didelis atakos kampas — lūpa nebesklandžiai greitina įtekantį orą, o vietoj to sukuria srauto atsiskyrimą. Tai paprastai jaučiama kaip staigus kilimo galios kritimas per greitus perėjimus skrendant į priekį.

Galo tarpas (tip clearance) nudėvėtuose whoop'uose

Mentelių galai po apkrova šiek tiek lankstosi. Propams senstant ir atsirandant mikroįtrūkimams, galo nukrypimas didėja. Jei galas kad ir trumpam paliečia duct'o sienelę, rezultatas — garsus trakštelėjimas, propo pažeidimas ir galimai krašas. Prieš skrydį patikrink propų galus ir vidines duct'o sieneles dėl nusidėvėjimo žymių — lengvas įbrėžimas normalu, gilios vagos reiškia, kad propus laikas keisti.

Susiję

Related Snippets

Propwash — apsivertęs srautas, mentės stall'as ir dynamic idle
Propeleris — tai besisukantis sparnas, ir kaip bet kuris sparnas jis gamina …