Capitolo 7 di 13
Prestazioni di volo e pianificazione (parte B)
Peso, batterie e pianificazione della missione. Sintesi divulgativa originale per la preparazione all'esame A2 (categoria Open). Non sostituisce la formazione ufficiale: verifica sempre la normativa vigente (Reg. UE 2019/947 e Regolamento UAS-IT/ENAC).
Peso, carico e baricentro
Più peso significa maggiore consumo e minore manovrabilità. Non superare mai la massa massima al decollo e distribuisci bene eventuali carichi per non spostare il baricentro: un drome sbilanciato e instabile e difficile da controllare.
Le batterie LiPo
Le batterie LiPo vanno trattate con cura: non scaricarle del tutto, non usarle se gonfie o danneggiate, conservarle alla carica di stoccaggio. In volo tieni sempre un margine di riserva per il rientro: non volare mai 'fino all'ultimo'.
Autonomia e margini
Calcola il tempo di volo tenendo conto di vento e temperatura, che riducono l'autonomia. Pianifica il rientro con ampio margine di batteria e conosci il comportamento della funzione 'return to home' (RTH) del tuo drone.
Pianificare la missione
Prima di decollare valuta luogo, ostacoli, persone presenti, spazio aereo e meteo. Una buona pianificazione previene la maggior parte degli incidenti: improvvisare e la causa più frequente dei problemi.
L'inviluppo di volo e le limitazioni
Ogni drone ha dei limiti operativi indicati dal costruttore: vento massimo, temperatura di esercizio, quota, peso massimo. L'insieme delle condizioni entro cui può volare in sicurezza è il suo 'inviluppo di volo'. Uscire da questi limiti (es. vento oltre il consentito o sovrappeso) significa rischiare la perdita di controllo: rispetta sempre le limitazioni del manuale.
Tipi di UAS: multirotore, ala fissa e ibridi
Multirotore (quadricottero, ecc.): decollo verticale, volo fermo (hovering), molto manovrabile, ma autonomia limitata; è il più diffuso in Open. Ala fissa: più efficiente e con maggiore autonomia, ma richiede spazio per decollo/atterraggio e non può restare fermo in aria. Ibridi/convertiplani (VTOL): decollano in verticale come un multirotore e poi volano come un'ala fissa, unendo i vantaggi dei due.
Le batterie: stoccaggio, ricarica e monitoraggio
Le batterie LiPo vanno conservate alla 'carica di stoccaggio' (circa metà carica), in luogo fresco e asciutto; ricaricate solo con il caricabatterie adatto e mai lasciate incustodite durante la carica. Non usare batterie gonfie o danneggiate. In volo monitora costantemente il livello e tieni una riserva per il rientro. Tenere un registro (log) dei cicli e dello stato aiuta a capire quando una batteria va sostituita.
Le batterie LiPo: celle, tensioni e capacita
Le batterie LiPo sono fatte di celle collegate in serie: la sigla 'S' indica il numero di celle (es. 3S = 3 celle). Ogni cella ha una tensione nominale di circa 3,7 V, arriva a 4,2 V a piena carica e NON va portata sotto circa 3,0-3,3 V, pena il danneggiamento. La capacita si misura in mAh (quanta energia contiene) e il 'C-rating' indica la corrente massima che puo erogare. Conoscere questi valori aiuta a capire autonomia e limiti del proprio drone.
Carica minima, riserva e monitoraggio in volo
Prima di decollare definisci un livello minimo di carica (non si parte con batterie quasi scariche). In volo monitora costantemente la percentuale e imposta una soglia di rientro automatico (RTH) con margine abbondante: il vento e il freddo riducono l'autonomia reale, quindi i conti vanno fatti per difetto. Tenere un registro (log) dei cicli e dello stato delle batterie aiuta a capire quando una sta perdendo capacita e va sostituita.
I sistemi di propulsione: elettrico e ibrido
La maggior parte dei droni usa una propulsione elettrica: la batteria alimenta motori 'brushless' regolati dagli ESC, che fanno girare le eliche. E semplice e silenziosa, ma con autonomia limitata dalla batteria. Esistono sistemi ibridi (un piccolo motore termico che ricarica/affianca quello elettrico) per ottenere autonomie maggiori, usati su droni piu grandi. In ogni caso, eliche e motori vanno tenuti efficienti e puliti.
Energia d'impatto: perche peso e velocita contano
Se un drone cade o colpisce qualcosa, il danno dipende dall'energia d'impatto, che cresce con il PESO e soprattutto con la VELOCITA. Per questo le regole limitano peso (classi) e impongono la modalita a bassa velocita quando ci si avvicina alle persone: meno velocita significa meno energia in caso di impatto. E anche il motivo per cui non si sorvolano le persone non coinvolte: si toglie loro di dosso il rischio.
Peso, bilanciamento e prestazioni
Non superare mai la massa massima al decollo (MTOM): un drone sovraccarico e meno manovrabile, consuma di piu e ha meno autonomia. Anche la distribuzione del peso conta: un carico mal posizionato sposta il baricentro e rende il volo instabile. Verifica sempre peso e bilanciamento prima del decollo, soprattutto se monti accessori o un carico.
L'effetto suolo (ground effect)
Quando il drone vola molto vicino al terreno (entro circa il diametro dei rotori), l'aria spinta in basso dalle eliche forma un 'cuscino' che aumenta la portanza. In hovering basso il drone tende a 'galleggiare' ed e meno stabile: rende piu difficile un pilotaggio preciso, soprattutto in decollo e atterraggio. Conoscere l'effetto suolo aiuta a gestire oscillazioni e a non toccare il terreno.
Il centro di gravita (CG): cos'e e come si trova
Il CG (centro di gravita o baricentro) e il punto in cui si concentra il peso del drone. NON e uguale per tutti i droni: dipende da struttura, posizione della batteria e del carico. Si individua, in teoria, dividendo la somma dei momenti (peso per distanza dal riferimento) per la somma dei pesi; in pratica e il punto di equilibrio del mezzo. Un CG fuori posizione rende il volo instabile: per questo si verifica sempre il bilanciamento.
Le limitazioni nel manuale di volo
Il manuale del costruttore riporta le limitazioni operative del drone: massa massima al decollo, vento e temperatura massimi, quota, e il modo corretto di fissare il payload. Sono i limiti entro cui il mezzo e sicuro e vanno SEMPRE rispettati. Le limitazioni di massa devono essere indicate nel manuale di volo, a prescindere dal fatto che il drone sia di serie o autocostruito.
Il bilanciamento e il fissaggio del payload
Prima di OGNI volo si controlla il corretto bilanciamento del drone: un carico mal posizionato sposta il CG e rende instabile il volo. Il payload (telecamera, sensori) va fissato saldamente e nel modo previsto dal costruttore nel manuale di volo, senza superare la massa massima al decollo.
Il decollo a freddo
Con batterie e motori freddi non si pretendono subito le massime prestazioni: conviene tenere il drone in hovering basso per qualche istante, a pochi metri da terra, per portarlo in temperatura e verificare la risposta dei comandi e la stabilita, prima di salire e allontanarsi. Le LiPo, al freddo, rendono meno e vanno 'svegliate' con dolcezza.
Le unita delle batterie: V, A, mAh, C, S
Imparare a leggere la batteria: V (Volt) = tensione; A (Ampere) = corrente; mAh = capacita, cioe quanta energia contiene; C = C-rating, la corrente massima di scarica; S = numero di celle in serie (es. 3S). Per esempio la 'V' indica i Volt, non le ricariche possibili. Conoscere questi simboli aiuta a scegliere e gestire correttamente le batterie.
I limiti (i 'contro') delle batterie LiPo
Le LiPo offrono molta energia in poco peso, ma hanno diversi 'contro': non sono economiche, possono incendiarsi se danneggiate o caricate male, lavorano male alle temperature molto rigide e si degradano con l'uso. Vanno trattate con cura: carica controllata e mai incustodita, conservazione alla carica di stoccaggio, e si scartano subito se gonfie o danneggiate (mai bucarle o usarle 'con attenzione').
Batteria scarica: cosa fare
Se durante il volo la carica si abbassa, NON si prosegue 'tranquillamente' la missione: si rientra e si atterra appena possibile, in sicurezza, sfruttando il margine di riserva. Mai scaricare del tutto una LiPo. Per questo si imposta una soglia di rientro (RTH) e si tiene sempre una riserva.
Il centraggio dei multirotori (motori pari e dispari)
Nei multirotori il baricentro (CG) coincide di norma con il centro geometrico del telaio. Con un numero PARI di motori (quadricottero, esacottero, ottocottero) lo si individua facilmente all'incrocio delle diagonali che uniscono le coppie di motori contrapposti. Con un numero DISPARI di motori (es. tricottero) questo metodo non funziona, perche non esistono coppie contrapposte: in quel caso si fa riferimento al MANUALE DI VOLO del costruttore, che indica la posizione corretta del baricentro. In ogni caso, batteria e carico vanno disposti in modo da rispettare il centraggio previsto.
Il centraggio dei droni ad ala fissa
Nei droni ad ala fissa il CG non e al centro del telaio ma e riferito all'ala, in particolare alla 'corda media aerodinamica' (CMA), cioe la lunghezza media delle corde alari. Tipicamente il baricentro corretto si trova intorno al 25-33% della CMA (spesso indicato circa il 30%), misurato dal bordo d'attacco. Un CG troppo avanzato rende l'aereo 'pesante di muso' e poco manovrabile; un CG troppo arretrato lo rende instabile e pericoloso. La posizione esatta e indicata dal costruttore nel manuale di volo.
Come vola un multirotore
Le eliche spingono l'aria verso il basso e, per reazione, il drone va verso l'alto (terza legge della dinamica). Meta rotori girano in senso orario e meta in senso antiorario, cosi le 'coppie' di rotazione si annullano e il drone non gira su se stesso. E un mezzo instabile per natura: a tenerlo stabile e l'elettronica (la centralina con i sensori) che regola i giri di ogni motore molte volte al secondo, agendo sugli ESC.
I movimenti del drone
In hovering (volo fermo) tutti i rotori spingono uguale e la spinta eguaglia il peso. Per salire o scendere si aumenta o si riduce il gas. Per girare su se stesso (imbardata), inclinarsi di lato (rollio) o avanti/indietro (beccheggio), la centralina da piu spinta ad alcuni rotori e meno ad altri.
Ridondanza dei motori
Un quadricottero (4 motori) se perde un motore precipita: non ha ridondanza. Un esacottero (6 motori) puo continuare a volare con un motore in avaria; un ottocottero (8 motori) anche con due. Piu motori significano piu sicurezza, ma anche piu peso.
Le eliche
Le eliche vanno tenute integre e bilanciate: un'elica sbilanciata o danneggiata provoca vibrazioni e perdita di controllo. In generale, eliche piu grandi sollevano piu peso e rendono il pilotaggio piu facile; eliche piu piccole sono piu agili ma piu nervose.
Stabilita statica e dinamica
Un drone e 'staticamente stabile' se dopo una raffica tende a tornare da solo nell'assetto di prima. La 'stabilita dinamica' riguarda le oscillazioni: se si smorzano fino a fermarsi e dinamicamente stabile; se invece crescono diventa incontrollabile. Nei multirotori questa stabilita la garantisce l'elettronica.
Lo stallo
Lo stallo e la perdita improvvisa di portanza: l'aria si stacca dall'ala perche l'angolo e troppo alto o la velocita troppo bassa. Riguarda soprattutto l'ala fissa (basse velocita, virate strette). Nei multirotori si rischia con discese troppo rapide: il drone perde quota e vibra. Si esce dallo stallo riprendendo velocita e riducendo l'angolo.
Failsafe e Return To Home
Il failsafe e la sicurezza automatica: se il drone perde il segnale del radiocomando (di norma per piu di 3 secondi) o ha la batteria scarica, rientra da solo al punto di partenza (RTH), memorizzato al decollo grazie al GPS. Molti droni hanno anche il 'command override': ignorano un comando del pilota se metterebbe a rischio la stabilita.
Batterie LiPo: serie, parallelo, cicli e sicurezza
Una cella LiPo ha 3,7 V nominali e arriva a 4,2 V a piena carica; si considera scarica a 2,7 V e non va MAI portata sotto circa 2,5 V. La 'S' indica le celle in serie (piu tensione: 3S vale circa 11,1 V), la 'P' quelle in parallelo (piu capacita). Una LiPo dura in media circa 500 cicli. Va usata tra circa -10 e +40 gradi, mai lasciata in carica incustodita ne usata se gonfia; a differenza delle vecchie batterie non ha 'effetto memoria'.
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