18 февраля 2010 г.

Что такое плотность диска ротора и почему 3D пилоты используют лопасти с широкой хордой.

С каждым годом лопасти радиоуправляемых вертолетов становятся все шире и шире. На то есть причины, и, если вы спросите 3D-пилота, почему он предпочитает лопасти с широкой хордой, он, скорее всего, ответит, что такая лопасть способна на резкие подрывы и остановки и дает больше контроля по циклическому шагу.


Хорда лопасти

Если обратиться к реальным вертолетам, то среди них мы тоже обнаружим использование широких лопастей, например боевой вертолет Кобра UH-1 использует необычно широкие лопасти, в то время как лопасти гражданских вертолетов относительно узкие.


Кобра UH-1

В этой статье мы посмотрим, что дают лопасти разной ширины, а так же определим, что такое добротность и плотность диска ротора.

Полезная мощность

В идеале вертолет должен быть рассчитан на наименьшее потребление энергии. Чем меньше мощности требуется вертолету для полета, тем больший запас мощности двигателя у нас есть. Производители вертолетов по возможности стремятся использовать наиболее эффективные лопасти, имеющие наименьшее сопротивление вращению и не отбирающие излишнюю мощность от двигателя. Термин добротность ротора используется для классификации роторов по количеству энергии требуемой для поддержания полета. Чаще всего для сравнения используют режим висения, поскольку горизонтальный полет для сравнения намного сложнее.

Определение добротности ротора.

Добротность ротора ДР это отношение энергии, требуемой для работы идеальных лопастей к энергии, требуемой для работы реальных лопастей. Идеальные лопасти производят только подъемную силу(полезная работа ПР), реальные лопасти имеют еще и силу сопротивления вращению (сопротивление профиля СП).


Формула расчета добротности ротора

Поскольку идеальная лопасть подразумевает только полезную работу, то знаменатель всегда больше и потому ДР всегда меньше 1. Наибольшее значение добротности достигается в состоянии, когда ротор создает наибольшую тягу. В этом случае подъемная сила преобладает и в числителе и в знаменателе, в то время как сопротивление профиля относительно невелико. Такой результат можно получит на максимальных углах отклонения лопастей, когда еще не наступает срыв потока (stall, англ.) и лопасти вращаются как можно медленнее, но при этом продолжают создавать тягу, достаточную для висения. Увеличение сопротивления профиля всегда ведет к снижению добротности ротора. Полноразмерные вертолеты имеют добротность ротора от 0.6 до 0.82, радиоуправляемые модели с симметричными лопастями имеют добротность около 0.4-0.5.

Плотность ротора

Плотность ротора это отношение площади лопасти к площади диска ротора. Количество лопастей и ширина хорды влияют на результат. Диск с меньшей плотностью имеет меньшее сопротивление профиля и, как следствие, более высокую добротность.


6-ти лопастной ротор имеет высокую плотность.

Сопротивление профиля

К сожалению, сопротивление профиля неизбежно. Чем больше лопасть, тем выше сопротивление и тем больше энергии требуется для вращения. Длинные, широкие и толстые лопасти имеют более высокое сопротивление профиля. Сопротивление резко увеличивается, когда происходит срыв потока из-за чрезмерного угла атаки лопастей. В этом случае воздух не обтекает лопасть, а завихряется и не создает подъемную силу.


Срыв потока

Для получения высокой добротности конструкторы лопастей прибегают к помощи аэродинамики для уменьшения сопротивления вращению. Изощрения типа крутки лопастей, переменной геометрии по длине лопасти, скошенных концов, а так же тонкие лопасти, создают меньше сопротивления вращению.


Скошенный конец лопасти

Вы спросите, в чем тогда смысл применения широких лопастей? В том, что есть большая разница между добротностью при висении и добротностью при маневрах.

Висение и полет. Собираем все вместе.

На первый взгляд нелогично, что больший запас мощности будет у ротора с низкой плотностью, а 3D вертолеты используют высокую плотность ротора (широкие лопасти) оставляя меньший запас мощности для маневров. Ограничение низкой плотности ротора становится заметным, когда резкие подъемы совмещаются с работой по циклическому шагу. Узкие лопасти, которые хорошо работали на висении, на резких маневрах и больших углах атаки вызывают срыв потока. Сопротивление профиля резко растет, а добротность ротора падает.

В идеале, для маневрирования 3D вертолет требует как можно большие углы атаки лопастей. Устанавливая широкие лопасти, мы получаем больше тяги при тех же углах атаки и оборотах. Добротность ротора при висении снижается из-за возросшего сопротивления профиля, но с другой стороны больше тяги доступно для маневров. Получается, что невозможно сделать вертолет одинаково эффективный при любых маневрах. Если маневрирование более важно чем висение, то добротностью ротора придется пожертвовать.

Оптимизация настроек

Производители лопастей стремятся получить максимально возможную добротность ротора во всех полетных режимах. Форма самой лопасти и ее кончика проектируются из расчета наибольшей тяги при наименьшем сопротивлении, другими словами, улучшая поведение лопасти в разных полетных режимах. В следующий раз, настраивая вертолет, примите во внимание плотность ротора. Для простых полетов копийных моделей широкие лопасти не нужны и приведут только к повышенному расходу топлива, не оказав заметного влияния на поведение вертолета. Для экстремальных 3D полетов нужно учитывать что устанавливая широкие лопасти вы получите сокращение полетного времени и просадки двигателя на больших шагах при высоких оборотах ротора. Более продолжительное полетное время при адекватных 3D возможностях можно получить на роторе с более низкой плотностью, увеличив частоту вращения ротора и диапазон изменения шага, а так же используя более длинные лопасти.

Заключение

В настройках вертолета все взаимосвязано. Устанавливая широкие лопасти получаем большую отдачу от лопастей, но при этом увеличиваем расход топлива. Эксперименты и поиск оптимального варианта, это тоже часть нашего увлечения. Очень интересная часть.

До встречи на полях.

Автор: Арт Корал
Перевод: aarc
*RCHeli #34, Апрель 2009

2 комментария:

  1. Могу еще добавить, что более толстый профиль лопасти уменьшает срыв потока лопасти на больших углах атаки, тем самым повышается подъемная сила.Но возрастает нагрузка на двигатель.

    ОтветитьУдалить
  2. Да еще , в идеале центр тяжести ,центр давления и центр подъемной силы профиля должны совпадать.В противном случае образуются сила которая скручивает лопасть вдоль оси, образуются различные вибрации называемые флаттером, и вредно влияют на аэродинамику лопасти.Если такого равновесия профиль лопасти и центровка не предоставляют , то лопасть должна быть достаточно жесткая к кручению.А это толстый профиль и карбон.

    ОтветитьУдалить