Wissen: Propeller für Drohnen – 6 Fragen einfach erklärt

Was das Rad für ein Auto ist, ist der Propeller für eine Drohne. Propeller sorgen für den nötigen Schub und sind maßgeblich an der Flugleistung einer Drohne beteiligt. Wir erklären dir, worauf es bei Drohnenpropellern ankommt.

Der Propeller einer Drohne sorgt dafür, dass die Drehbewegung des Motors in eine gerichteten Luftstrom umgewandelt wird, dessen Vorschub die Drohne in die Luft heben kann.

Propeller übernehmen dabei also eine essentielle Funktion, wenn wir von Drohnen sprechen. Natürlich gelten die gleichen Grundlagen in ähnlicher Weise auch für Helikopter oder Flugzeuge mit Propellerantrieb. In jedem Fall Grund genug, uns einmal genauer mit Propellern für Drohnen zu beschäftigen.

Wie genau funktioniert ein Propeller?

Ein Propeller funktioniert im Grunde ganz ähnlich wie ein Flugzeugflügel. Der Hauptunterschied besteht darin, dass ein Flügel horizontal durch die Luft bewegt wird, während sich ein Propeller rotierend um eine zentrische Achse bewegt. Im Deutschen wird statt Propeller auch oft von einer Luftschraube gesprochen.

Die Drehbewegung sorgt dafür, dass die Luft von den Propellerflügeln (auch Rotorblätter genannt) in eine definierte Richtung geschoben wird. Man spricht auch davon, dass ein Propeller Schub erzeugt. Dieser Schub wird oft in Gramm oder Kilogramm angegeben. Er bezeichnet, welches Gewicht der Antrieb (bestehen aus Motor und Propeller) in der Luft halten kann (wenn wir von einem horizontal ausgerichteten Rotor ausgehen). Der Antrieb kämpft in diesem Fall direkt gegen die Schwerkraft, die auf das Fluggerät einwirkt.

Was sind die wichtigsten technischen Kenndaten eines Propellers?

Entscheidend für den erzeugten Schub sind dabei vier Kerngrößen: Propellerdurchmesser, die Steigung des Propellers, die Anzahl der Propellerblätter und die Drehzahl des Motors. Im Folgenden gehen wir kurz auf alle vier Faktoren ein.

Durchmesser

Der Durchmesser von Drohnenpropellern wird dabei in der Regle in Zoll (Englisch Inch) angegeben. Ein Zoll entspricht 2,54 cm. Gängig Größen von Drohnenpropellern* reichen von 1 Zoll bis hin zu 20 Zoll und mehr.

Steigung

Die Steigung des Propellers bestimmt, wie viel Luft der Propellerflüge in eine bestimmt Schubrichtung befördert. Die Steigung wird ebenfalls in Zoll angegeben. Oft liest man beispielsweise „10×5“ als Bezeichnung für einen Propeller. Damit ist ein Durchmesser von 10 Zoll bei einer Steigung von 5 Zoll gemeint.

Die Steigung lässt sich einfach erklären: Wenn man sich vorstellt, der Propeller würde sich einem festen Material drehen, so gibt die Steigung die Strecke an, die der Propeller mit einer Umdrehung zurückgelegt hätte. Bei 5 Zoll Steigung also 5 Zoll pro Umdrehung. Man kann sich das Ganze analog auch am Beispiel einer Schraube vorstellen, die in einen Holzblock geschraubt wird: Je steiler das Gewinde der Schraube, desto tiefer dringt die Schraube mit einer Umdrehung in das Holz ein.

Je größer also die Steigung des Propellers, desto mehr Vorschub erzeugt dieser bei einer bestimmten Drehzahl und einem bestimmten Durchmesser. Es steigt aber auch die dafür benötigte Leistung an.

Anzahl der Propellerflügel

Die Anzahl der Propellerflügel ist ebenfalls maßgeblich dafür, wie viel Leistung ein Propeller bei gleichem Durchmesser übertragen kann. Generell sind Propeller mit weniger Flügeln jedoch effizienter, da die Luft nicht so stark vom vorhergehenden Propellerflügel bei der Einströmung verwirbelt ist. Je mehr Propellerflügel vorhanden sind, desto stärker treten diese störenden Verwirbelnden auf, da die Propellerblätter näher beinander stehen. Außerdem laufen Propeller mit mehr Flügen oft ruhiger.

Am meisten werden 2-Blatt-Luftschrauben verwendet. Im Drone Racing Bereich kommen aber auch 3-Blatt- und 4-Blatt-Propeller* zum Einsatz. Hier geht es darauf, große Leistungen umzusetzen. Effizienz in Form eines niedrigen Energieverbrauches ist bei dieser Anwendung zweitrangig.

Drehzahl des Motors

Nicht direkt abhängig vom Propeller, aber trotzdem maßgeblich: die Drehzahl des Motors. Je schneller sich der Motor dreht, desto größer wird der Schub des Propellers. Je größer der Schub, desto größer ist die benötigte elektrische Leistung des Drohnenmotors.

Das Ganze kann man sich vereinfach folgendermaßen vor Augen führen: Je schneller sich der Propeller dreht (mehr Umdrehungen pro Minute), desto mehr Strecke legt unser fiktiver Propeller in einem feste Material in der gleichen Zeit zurück. Dafür benötigt er mit steigender Drehzahl auch mehr Leistung.

Das erklärt auch, warum man bei einem bestehenden Motor nicht beliebig große Luftschrauben installieren kann: Der dann steigende Widerstand übersteigt irgendwann die maximale Leistung des Motors und überlastet diesen im schlimmsten Fall bis zur Zerstörung.

Weitere Faktoren

Natürlich spielen noch weitere Faktoren eine Rolle, wie sich ein bestimmter Propeller verhält. Dazu gehört unter anderem die Form der einzelnen Flügel (Neigung) und der sogenannte Skew eine Rolle. Das würde an dieser Stelle aber zu weit führen.

Wieso haben Drohnen verschiedene Propeller?

Mit dieser Frage wird in der Regel auf die verschiedenen Drehrichtungen der Propeller einer Drohne angespielt. Drohnen verwenden immer zwei Propeller mit verschiedener Drehrichtung, die trotzaltem Schub in dieselbe Richtung erzeugen.

Das ist notwendig, damit sich die Drehmomente der einzelnen Antriebe gegenseitig ausgleichen und die Drohne nicht im Kreis geschleudert wird (was mit vier identischen Propellern passieren würde).

Man spricht in hier oft von rechtsdrehenden oder linksdrehenden Propellern. Auch finden im Drohnekontext auch oft die Begriffe „Counter Clock Wise“ (CCW) und „Clock Wise“ (CW) Verwendung. Ein rechtsdrehender Propeller entspricht dabei dem CW-Propeller: Er dreht von unten betrachtet (d.h. der Schub zeigt auf den Betrachter) mit dem Uhrzeigersinn. Linksdrehende Luftschrauben entsprechen demnach CCW und drehen bei gleicher Betrachtung gegen den Uhrzeigersinn.

Die Drehrichtung eines Propellers ist im Regelfall an der Oberseite der Propellernabe eingeprägt. Auch sind im Normalfall alle Luftschrauben mit Größe und Steigung beschriftet.

Aus welchem Material werden Propeller hergestellt?

Zur Herstellung von modernen Drohnenpropellern kommt in der Regel glasfaserverstärkter Kunststoff zum Einsatz. Es ist dann auch von GFK-Propellern* die Rede. Dieser Materialverbund hat den großen Vorteil, sehr leicht und trotzdem stabil zu sein.

Es gibt aber auch Propeller aus Holz und Carbonfaser (CFK). Je steifer das Material ist, desto höher ist in der Regel der Wirkungsrad (also das Verhältnis von elektrischer Antriebsleistung zu erzeugtem Schub). Steife Luftschrauben werden jedoch schnell vollständig zerstört, wenn sie während des Betriebes mit einem Fremdkörper in Kontakt kommen.

Gibt es „leise“ Propeller?

Ja, die gibt es. Zumindest wenn man dem Marketing einiger Drohnenhersteller glauben mag. Da Propeller unweigerlich für Verwirbelungen in der Luft sorgen, die wir als Geräusche wahrnehmen, kann man mit einem bestimmten Design der Propellerflüge für weniger Verwirbelungen und damit für einen geringeren Geräuschpegel sorgen.

Wichtiger als die Verwirbelungsgeräusche an sich, ist jedoch zumeist die Art des Geräusches. Hier sind große Propellerdurchmesser subjektiv meist im Vorteil, weil ihr Drehgeräusch deutlich niederfrequenter und somit weniger aggressiv klingt. Kleine Propeller haben hingegen ein sehr hochfrequentes Geräusch, weil sie im Normalfall schneller drehen müssen, um den benötigten Schub zu erzeugen. Dieser hohe Ton wird oft als sehr aggressiv beschrieben und schnell mit einem Schwarm von Killer-Wespen verwechselt. ;)

DJI bietet beispielsweise für seine Mavic und Mavic 2 Drohnenserie* sogenannte „Low Noise“ Luftschrauben an, die besonders leise sein sollen (im Vergleich zudem Standard-Props).

Haben Propeller Einfluss auf die Flugzeit meiner Drohne?

Diese Frage lässt sich mit einem ganz klaren Ja beantworten. Zwar sind die Propeller von kauffertigen Drohnen meist optimal auf den Motor abgestimmt, bei Selbstbauten sieht das aber anders aus.

Hier musst du selbst entscheiden, mit welcher Kombination von Luftschraube und Motor du ins Rennen gehst. Je kleiner der Propeller, desto ineffizienter wird der Antrieb (in der Regel). Daher kommen mit steigendem Gewicht (AUW) der Drohne auch größere Propellerdurchmesser zum Einsatz.

Diese erzeugen mehr Schub bei gleicher Drehzahl. Mit steigendem Durchmesser sinkt somit auch meist die Drehzahl des Antriebs, die zum Abheben nötig ist. Damit einher geht oft eine Steigerung der Antriebsspannung, um den Antrieb durch niedrigere Ströme effizienter zu machen. Das wiederum erfordert Motore mit einer niedrigen kV (Umdrehung pro Volt). Diese Motoren drehen dann zwar langsamer, haben dafür aber ein höheres Drehmoment, welches an der großen Schraube in Leistung umgesetzt wird.

Wählt man nun eine ungünstige Kombination aus Motor (Drehzahl) und Propeller (Steigung und Durchmesser), kann der Motor in einem ungünstigen Drehzahlbereich arbeiten müssen, der nicht besonders effizient ist. Damit sinkt die Flugzeit erheblich gegenüber einem gut abgestimmten Antrieb.

Schlusswort

Wir hoffen, dir hat unser Guide zum Thema Luftschrauben für Drohnen gefallen und du weist nun bestens darüber Bescheid, wie genau ein Drohnenantrieb funktioniert und worauf du bei der Auslegung achten musst.

Sollte dies der Fall sein, freuen wir uns darüber, wenn du den Artikel teilst. Bei Fragen oder Anregungen hinterlasse gerne jederzeit einen Kommentar. Auch freuen wir uns darüber, wenn du für den Kauf einer neuen Drohne einen unserer Partnerlinks verwendest (mit * gekennzeichnet), so erhalten wir eine kleine Provision.

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