RCHeliClub.ru
Для новичков => Советы от профессионалов => Тема начата: DD от 16 Апрель, 2014, 10:44:56 am
-
"Происшедшее нарастание улыбок и чувств напоминало рукопись композитора Франца Листа, где на первой странице указано играть "быстро", на второй-"очень быстро", на третьей-"гораздо быстрее", на четвертой-"быстро как только возможно" и все-таки на пятой -- "еще быстрее"" - именно этой фразой из "Золотого Теленка" Ильфа и Петрова можно охарактеризовать любые скоростные рекорды и гоночные соревнования.
Радиовертолеты тоже конкурируют в скоростных полетах, но массовости эти соревнования пока не приобрели. А зря - класс очень интересный, конкурентный, достаточно эффектный и зрелищный, и имеет хорошую перспективу для массовости.
Меня давно привлекали скоростные вертолеты и соревнования по ним. Но в виду малой популярности, соревнования эти больше похожи на неформальные клубные полетушки, или наоборот - на крайне регламентированные полеты по установлению-фиксации рекордов.
В прошлом году на комиссии ФАИ я предложил стандартизовать и ввести новый класс - скоростные модели вертолетов. Не могу сказать, что предложение вызвало восторг (..ой, еще один класс вертолетах..ай, как когда, где проводить..эй, откуда бюджет..о, а зачем..), но худо-бедно договорились что я займусь подготовкой правил (на основе кодексов ФАИ) и организацией-проведением соревнований в течение 1-2-х сезонов, а потом снова вернемся к вопросу легализации класса в ФАИ.
Предварительные правила (эксперементальный класс Ф3/Ф5) были подготовлены к началу сезона, почитать их можно здесь http://helinext.eu/ru/rules-of-class-helinext-speed-cup/ (http://helinext.eu/ru/rules-of-class-helinext-speed-cup/) и http://helinext.eu/rules-of-class-helinext-speed-cup/ (http://helinext.eu/rules-of-class-helinext-speed-cup/) , и в этом году начнем испытывать правила, модели, и пилотов))
Параллельно с идеей соревнований, меня конечно интересовал вопрос - а какие модели подойдут для гонок, как проектировать или подбирать, комплектовать, настаивать?
Вопрос оказался очень и очень непростой. Пришлось и приходится изучать теорию и практику аэродинамики и вертолетостроения, модели, отчеты о полетах, обсуждения и т.д.
Как результат, написан (и совершенствуется) достаточно непростой математический аппарат, спроектировано (и проектируется и дорабатывается) построено несколько вариантов моделей, проводятся эксперименты и тесты, обрабатываются и осмысливаются результаты, и снова дополняются данные расчетов, проектируется, разрабатывается и далее и далее)))
В этой теме я немного расскажу о теории (без нее это танцы на граблях никуда!), практических наработках и советах, ходе тестов и результаты.
Далі буде - Продолжение следует.
П.С. О соревнованиях-правилах мы поговорим в других темах, здесь не отвлекаемся)))
-
Дмитрий, два вопроса:
- В зоне разгона вертолёт должен двигаться горизонтально, как оценить расстояние начала зоны разгона? (ведь на глаз 300м как то... :))
- Как предполагается проводить фиксацию времени пролёта, или измерение скорости? интересует методика.
-
еще раз: в теме буду писать и отвечать только по теории и практике скоростных полетов модели вертолетов. и обсуждаем только это.
остальное - в другие темы.
п.с. сегодня-завтра начну выкладывать свою теорию/практику. тогда и поговорим))
-
1. Силы и факторы полета скоростной модели вертолета
Определимся сразу, что мы считаем скоростной моделью вертолета. «Радиоуправляемый вертолет является моделью тяжелее воздуха, которая получает движущую силу для подъема и горизонтального движения от роторной системы, вращающейся вокруг номинально вертикальной оси (или осей). Разрешаются фиксированные горизонтальные поддерживающие поверхности до 4% площади охваченной несущим ротором (роторами). Разрешается фиксированный или регулируемый стабилизатор до 2% площади охваченной несущим ротором (роторами). Вертолетами не считаются аппараты на воздушной подушке, экранопланы, конвертопланы или самолеты, которые зависают в воздухе благодаря воздушным потокам от пропеллеров, отклоняющихся вниз».
Так же, нам важно определить параметры скоростного полета модели, как «горизонтальное движение модели на определенной высоте (коридоре) на определенном расстоянии (базе)».
Для полета вертолету необходимо создать вертикальную силу, поддерживающею его в висении (зависание), горизонтальную силу, позволяющую модели разгоняться (равноускоренный полет) и горизонтальную силу, позволяющую лететь ему с постоянной, а при разгоне – постоянно-мгновенной скоростью (равномерный полет). Кроме того необходимо создать силы, противодействующие моменту главного ротора (противовращение), силы стабилизирующие вертолет в полете (от сноса, осевого вращения и др.), силы противодействующие механическому сопротивлению трансмиссии и роторов.
Вертикальная сила зависания модели скоростного вертолета пропорциональна его весу, и потребляет примерно = 12..14% мощности
Горизонтальная сила разгона так же пропорциональна весу модели, и потребляет примерно = 30..50%
Горизонтальная сила равномерного полета пропорциональна скорости, проекции площади поперечного сечения вертолета (миделю), аэродинамическому коэффициенту обтекаемости вертолета (Сх), размеру и оборотам ротора и потребляет примерно = 50..30%
Остальные силы (противовращение, стабилизация и др.) потребляют примерно = 5..6%
Поскольку движетелем вертолета является его ротор, то от эффективности (кпд) ротора зависят характеристики полета модели (максимальная скорость и ускорение) и ее экономические (потребляемая мощность) показатели.
Эффективность ротора зависит от профиля, формы и размера лопастей, количества лопастей, шага лопастей и оборотов ротора.
Эффективность ротора скоростной модели вертолета составляет примерно = 52...64%
2. Пути оптимизации модели для скоростных полетов
(Скоро)
-
Если можно - уточнение... Если,к примеру, хвостовую балку одеть в обтекатель ( как на гоблине, но побольше)..То мы вполне получим несущее крыло, если вертолёт будет лететь "боком". А если носовой обтекатель чуть доработать - получим второе крыло.
-
именно так - сечение (по линии полета под определенным углом тангажа) фюзов скоростных вертолетов является симметричным аэродинамическим профилем.
но об этом будет дальше)
-
Немного дополнил предыдущий пост. Ну и продолжение:
Поскольку движителем вертолета является его ротор, то от создаваемой им силы тяги и эффективности (кпд) ротора зависят характеристики полета модели (максимальная скорость и ускорение) и ее экономические (потребляемая мощность) показатели.
Сила тяги ротора пропорциональна мощности двигательной установки, скорости полета (статическая/динамическая тяга) и зависит от профиля, формы и размера лопастей, количества лопастей, шага лопастей и оборотов ротора.
Сила тяги ротора (статическая) обычно относится к весу скоростной модели вертолета как = 1/4..1/6
Эффективность ротора зависит от профиля, формы и размера лопастей, количества лопастей, шага лопастей, оборотов ротора, скорости полета.
Эффективность ротора скоростной модели вертолета составляет примерно = 52...64%
2. Пути оптимизации модели для скоростных полетов
Мы видим, что для достижения максимальной скорости полета нам придется уменьшать вес, уменьшать мидель и Сх, увеличивать мощность и подбирать ротор.
Мощность.
С мощностью, надеюсь, все понятно. «Много мощности не бывает» - это как раз про любую гоночную технику! Думаю, не стоит повторяться, что высокая мощность и эффективность в «электричках» напрямую пропорциональна напряжению. 14, 15 и даже 16S – это практически уже стандарт для скоростных 700-к.
Вес.
Имея готовую заводскую раму и трансмиссию можно совсем чуть-чуть сэкономить вес на поборе электроники. А вот с аккумуляторами экономия веса получше – для тура скоростных полетов (6-10 пролетов в обе стороны базы – около 3 минут полета) для 700-ки достаточно легких батарей ёмкости 3600-3900 мАч (в комплектации 12S), но обязательно с высоким С-рейтингом.
Ротор.
Ротор вертолета, кроме создания полезной тяги, имеет и существенное ограничивающее влияние на скорость полета – это волновой кризис (резкое изменение условий обтекания и потеря тяги на скоростях, близких к скорости звука), и значительное увеличение сопротивления лопасти вместе с ростом скорости и/или оборотов ротора.
Для того, чтобы не столкнуться с волновым кризисом, который для наших лопастей обычно наступает выше Мкр=0,75 (примерная суммарная скорость на законцовке лопасти 250м/с) необходимо рассчитывать обороты на ожидаемых скоростях полетов. Для модели 700-го класса, которая рассчитана на полеты 220-240км/ч обороты не могут превышать 2150-2200 об/мин.
Для более высоких скоростей и оборотов необходимо использовать лопасти со специальным профилем и формой законцовки.
Шаг ротора так же ограничен значением ок. 15-16 градусов. Это связано с резким падением тяги и увеличением сопротивления ротора на шагах выше. Увеличить шаг и эффективность ротора могут помочь специальные лопасти с предварительной круткой.
Профиль и форма лопастей. Стандартные симметричные прямые лопасти не являются лучшим выбором для скоростных моделей. Асимметричный несущий профиль и трапецевидная (полностью или частично) форма лопасти сделают работу ротора более эффективной. В любом случае – подбор лопастей это процесс проб и ошибок.
Количество лопастей. С ростом количества лопастей растёт эффективность ротора, но так же растёт и интерференция лопастей (взаимное отрицательное влияние), сопротивление, вес, сложность конструкции. Экспериментально подобранный оптимальный коэффициент заполняемости ротора (суммарная площадь лопастей делённая на ометаемую площадь ротора) составляет 5..8%. В этом случае нам подойдут роторы с 2, 3 и 4-мя лопастями. 2 лопасти – самая распространенная и простая схема. 3 лопасти – сложнее, тяжелее и дороже, но при прочих равных примерно на 7-8% эффективнее двухлопастного ротора. 4 лопасти – еще сложнее, дороже и тяжелее, они эффективнее примерно на 2-3%, чем трехлопастной ротор.
О настройках ротора.
Устанавливаемые обороты и шаги зависят от возможностей силовой установки. Если мощности недостаточно, то предпочтение надо отдавать большему шагу при меньших оборотах.
Полезно, чтобы лопасти имели свободное машущее движение. Это поможет и самостабилизации модели, и окажет положительное влияние на тяговую характеристику ротора (ниже будет рассказано за счет чего). Для обеспечения свободного маха достаточно поставить мягкие демпферы.
-
про лопасти вопрос... Строго говоря, кусок лопасти от оси и где то до половины длины лопасти - вообще ничего, кроме вреда не приносит...А на скорости - он еще и тормозит. В авиационных пропеллерах есть крутка, которая чуть смягчает это проблему, но только в случае полета "по самолётному". А что можно предложить в нашей ситуации? Собственно вопрос - можно ли заменить крутку просто лопастью типа флайбарной- т.е. штанга+лопатка на конце?
-
штанга представляешь какая прочная должна быть? пропеллеры расчитывают на конкретные обороты чаще всего,и эта крутка позволяет сохранить шаг винта при разном радиусе по лопасти,а стало быть и расчетную тягу,а как ты собираешься это реализовать в вертолете,где лопасть за оборот несколько раз меняет циклический шаг,да плюс общий шаг и видимо это куда сложнее чем самолетный винт,тем более что в некоторые моменты лопасть(с круткой)будет попадать в отрицательный шаг периодически. :)
-
Так в чем идея - если посмотреть на ометаемую поверность, то видно, что "гребет" только кольцо от 0.5-0.7R и до R. Остальное (0 и до -0.5R)- нет....Поэтому плюнем на крутку, пусть будет плоская лопатка, но без балласта в виде половины лопасти. Лопасти работают на растяжение...Может быть можно заменить поллопасти парой карбоновых стержней? ( условно из лопасти вырезать кусок) или , к примеру, удлиннить цапфы?.
-
ротор работает по всей длине лопастей, т.к. кроме потока воздуха при вращении есть еще набегающий поток при горизонтальном полете.
например, на высокой скорости 250км/ч и оборотах 2150об/мин скорость потока от вращения распределяется от цента ротора к законцовке лопасти от 0 до 180м/с, а вот скорость от встречного потока распределяется равномерно по всей длине лопасти 70м/с.
-
Предположу, что сопротивление движению ротор в этой своей части (круг по центру) создаёт больше, чем обеспечивает подъемной силы и тяги...разве нет?
-
нет
-
Электрический двигатель ограничен максимальным (без нагрузки) напряжением 63В (класс моделей F5 Open)
Я правильно понял, что 16s силовые вне закона? Как так получилось? Ведь конкретно в этом типе соревнований она наиболее востребована.
-
по правилам и регламентам соревнований - вопросы-ответы-обсуждение здесь http://heli-spb.ru/forumheli/index.php?topic=12457.new#new (http://heli-spb.ru/forumheli/index.php?topic=12457.new#new)
-
и наконец последнее:
Центр тяжести и силы.
Как я говорил выше, на скоростную модель вертолета действует ряд сил и их моментов, которые определяют характеристики полета (схема 1).
В процессе разгона и полета, для создания максимальной горизонтальной тяги, ротор стремится к вертикальному положению (поперек потока), но при этом он должен обеспечивать и подъемную силу (вертикальная тяга) – то есть модель летит с наклоном вперед (тангажом) примерно на 25-70 градусов.
Такой наклон ротор делает вместе с корпусом модели, что увеличивает ее обдуваемую площадь (мидель) и соответственно увеличивает силу сопротивления. Большие свободные машущие движения лопастей позволяют циклично меняться углу между лопастью и главным валом, и обеспечивают наклон плоскости ротора относительно вала на 4-6 градусов. Благодаря этому наклон вперед корпуса модели будет на 4-6 градусов меньше, и соответственно меньше будет и ее обдуваемая площадь и сопротивление. Увеличить машущее движение лопасти можно установкой мягких демпферов.
Сопротивление в разгоне модели создают воздушная среда и масса модели (инерция). В равноускоренном полете Горизонтальная тяга = Сопротивление Воздуха + Сопротивление Разгону, а Вертикальная тяга = Сила тяжести модели. Кроме того, наклоняя модель вперед, сила горизонтальной тяги создает момент «клевка» относительно ЦТ, которому противодействуют момент силы воздушного сопротивления относительно ЦТ и момент силы вертикальной тяги относительно ЦТ.
При разгоне, наклон вперед модели (тангаж) зависит от тяги (мощности), веса, аэродинамического сопротивления, центра воздушного давления, расположения центра тяжести. Изменяя положение ЦТ, мы изменяем плечи и моменты сил Сопротивления Воздуха и Сопротивления Разгону, что позволяет относительно просто добиться большего угла тангажа и большей горизонтальной тяги ротора. Положение ЦТ для скоростной модели вертолета в подавляющем большинстве - это передняя-высокая центровка. Побор центровки заключается в том, чтобы модель в полете сама удерживала большой тангаж без дополнительной работы ручкой высоты (элеватором).
Аэродинамические силы.
Сила аэродинамического сопротивления зависит от аэродинамического коэффициента (Сх), площади обдуваемого в полете сечения (миделя), скорости.
Площадь сечения (миделя) это проекция модели и ротора в полете. О настройках ротора я говорил выше, рассмотрим уменьшение миделя фюзеляжа.
Для стандартной модели нужно убирать – прятать в «аэродинамическую тень» выступающие шасси, подкосы, другие элементы. Если есть возможность, надо поэкспериментировать с кабиной меньшей ширины и с более коротким носом.
У скоростной модели вертолета хвостовая балка опущена вниз, в этом случае ее проекция в миделе значительно уменьшается. Кроме того – узкие небольшие шасси, подкосы (если они есть) спрятаны под балку, кабина (или фюзеляж) узкая и гладкая.
Коэффициент аэродинамического сопротивления (Сх) зависит от обдуваемой формы модели. Например, у стандартной модели вертолета Сх ок. 0,35-0,45 , её кабина наряду с закругленным носом имеет грубую заднюю часть и зачастую отверстия и вырезы. Шасси, подкосы, элементы конструкции ничем не закрыты.
У спортивной модели вертолета с полузакрытой обтекаемой кабиной Сх ок. 0,22-0,27. Её узкая кабина имеет обдуваемое сечение близкое к аэродинамическому профилю. Шасси, подкосы, и другие элементы максимально спрятаны и «зализаны».
У спортивной модели вертолета с обтекаемым фюзеляжем Сх ок. 0,08-0,12. Обдуваемые сечения фюзеляжа имеют гладкий аэродинамический профиль, шасси очень малы и предназначены только для поддержки модели и крайне аккуратных взлетов и посадок.
На рисунке (схема 2) приведены эскизные примеры разных типов моделей, с изображением примеров сечений. На виде спереди моделей можно заметить разницу в миделе, а пример расчета рядом показывает, во сколько раз будет отличаться сила воздушного сопротивления для этих моделей.
Настройки и техника полетов.
Скоростная спортивная модель хоть и имеет мощное «вооружение», но для 3D пилотирования она не подойдет – мягкие демпферы, низкая балка, большая парусность могут позволить выполнять только размашистые плавные фигуры. F3C, F3N, F3/F5 – это разные классы, разные требования и разные модели. Не надо стараться делать что-то универсальное – результат будет одинаково невысок везде.
Модель должна управляться плавно и неагрессивно. Поэтому в ФБЛ системах выбираем Спортивный, может даже Базовый или «Копийный» пресет. После настроек ФБЛ можно ввести 18-30% экспоненты крена и тангажа. Скорость пируэта тоже не должна быть большой, на хвост тоже вводим экспоненты. Шаг можно настроить асимметрично, -6 0 +16 достаточно для уверенного разгона и хорошей мягкой авторотации.
В полетах одно из главных требований – безопасность. Большое, чистое поле без строений, деревьев в достижимых зонах. Надежная изоляция от посторонних. Полеты только в разрешенной зоне, на достаточном удалении от себя и не ниже 5 метров. Помните, на скорости 200км/ч модель за 1 секунду проходит 55 метров, успеть адекватно среагировать на опасность очень сложно.
Настроенная модель уверенно и стабильно летит прямолинейно и с постоянным тангажом. В полете достаточно совсем немного корректировать курс и высоту. При разгоне надо начинать с 50-70% шага, и с набором скорости увеличивать шаг до 100%. Это связано с тем, что эффективность шага ротора растет с его скоростью, и на низких скоростях полный шаг просто вызовет потери энергии и «затыкание» силовой установки.
Советую обратить внимание на развороты. Выход на горку, с разворотом 180 град и набором скорости не всегда подходит – во первых остановка и последующий разгон потребляют дополнительную энергию, во вторых судье будет сложно зафиксировать правильный вход в коридор высот (5-35м), в третьих при использовании логгеров скорости максимальный результат может быть достигнут на пикировании, что не соответствует правилам. Разворот хорошим, широким скоростным виражом не вызовет сильную потерю скорости и расход энергии, он не позволит выйти за максимальную высоту 35 метров, а со стороны скоростной полет с виражами выглядит очень эффектно и динамично.
Желаю успехов в новом классе!)))
-
Жесткость лопастей как-то влияет на макс. скорость?
-
влияет на критические обороты и шаги - флаттер и прочая хрень