Конвертоплан/СВВИП с гибридным приводом

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
На форуме не нашел обсуждения подобной схемы, поэтому решил создать для нее отдельную тему.

По сабжу ЛА с гибридным приводом. Механика сведена к минимуму.

Гибридная установка на ДВС, BLDC - генераторе и нескольких рабочих BLDC-электродвигателях.
Первоначально предпологалось 2 отдельных маршевых толкающих двигателя для самолетного лета и 2 или 4 для вертолетного, но из-за экономии веса придется оставить только вертолетные с механизмом поворота. Так что сабжевый ЛА все-таки конвертоплан.

Эскиз грубый - это ни в коем случае не прототип, просто иллюстрация.

Чтобы свести к минимуму повторения постараюсь в шапке темы указать критерии в пользу схемы ЛА и гибридной СУ для него. В ходе обсуждения можно будет ссылаться на них. Каждый вывод будет подкреплен кратким обоснованием. Я не делал никаких сложных расчетов с использованием специализированных формул - только школьный курс физики и подтвержденные факты. Доказательство - есть приведение неочевидного к очевидному. Поехали:

1. ОБ ЛА
1.1. Назначение: Индивидуальный 2-4 местный безаэродромный ЛА.
1.2. Может взлетать/садиться вертикально и висеть, может летать по-самолетному быстро и экономично.
1.3. Не имеет узлов и агрегатов, требующих дорогого регулярного обслуживания.
1.4. Силовая установка (СУ) - автомобильный ДВС, работающий на номинальных оборотах.
1.5. Трансмиссия - электрическая. Состоит из BLDC-генератора на ДВС, силового контроллера, балластной аккумуляторной батареи и рабочих BLDC-двигателей.
1.6. Управление - электронное. Полетный контроллер снабжен датчиками и отвечает за стабилизацию ЛА и преходные режимы, полностью управляет силовым контроллером. Пилот задает лишь направление и скорость.
1.7. Винты вертикального взлета (решено оставить 2 шт.) поворачиваются при переходе в горизонтальный режим полета
1.8. Маршевый винт толкающий расположен в хвостовой части ЛА (может быть 2 маршевых винта на крыльях) пункт упразднен.
1.9. Самолетная схема ЛА - летающее крыло
1.10. Корпус из композитных материалов, возможно даже без несущей рамы.
1.11. Предварительная максимальная взлетная масса 800 кг
1.12. Предварительная пустая масса ЛА устанавливается с вашей помощью.
1.13. Максимальная мощность ДВС 170 л.с. (125 кВт), номинальная - 136 л.с. (100 кВт)
1.14. При выходе из строя ДВС, ЛА может спланировать с любой высоты и приземлиться вертикально, используя заряд балластного аккумулятора.
1.15. Может быть оборудован эффективной парашютной спассистемой без опасности повреждения строп винтами.

2. Обоснования и доказательства.

2.1.  Обоснование массы.
2.1.1. Обоснование взлетной массы:
Вертолет «Беркут-ВЛ М» взлетная масса 830 кг при мощности СУ 150 л.с. (110 кВт) - 7.55 кг/кВт , Robinson R22 - 635 кг при СУ 130 л.с. (95 кВт) - 6,7 кг/кВт. Среднее значение 7,13 кг/кВт. Номинальная мощность нашего ДВС - 100 кВт, 100*7,13 = 713 кг, при максимальной мощности 125*7,13 =  891 кг.
Со всеми скидками оставляем пока 810 кг
2.1.2. Обоснование пустой массы:
2.1.2.1.  Масса СУ,  электротрансмиссии, топлива:
2.1.2.1.1. ДВС автомобильный Nissan SR16VE - мощность 175 л.с., исходный вес без облегчения 98 кг, примим 100 кг.
2.1.2.1.2. BLDC - электродвигатель удельная масса
http://www.en.net.ua/diaz/emotor/?var=motor5 - 0.74 кг/кВт
http://alienpowersystem.com/shop/brushless-motors/150100s-sensored-outrunner-brushless-motor-50kv-35000w/ -  35 кВт макс. мощность значит номинальная 18 кВт вес 7.16 кг - 0,4 кг/кВт среднее значение 0,57 кг/кВт
2.1.2.1.3. Генератор 125 кВт - 71 кг, двигатели - 71 кг;
2.1.2.1.4. Маршевый двигатель/двигатели: допустим у нас 2 маршевых винта диаметром 2 м каждый, для тяговооруженности 0,3  требуемая тяга 0,3*891=267 кг или по 134 кг на винт.  Из таблицы http://www.barque.ru/img/articles2/ris_3_zavisimost_tyagi_na_shvartovah_ot_moschnosti_na_valu_vinta.jpg получаем потребную мощность маршевых винтов 2х35 кВт. Их общая масса 70х0,57= 40 кг В новой редакции: Балластный аккумулятор Li-pol АКБ 0,2 кВт*ч/кг. Предварительно выберем емкость 2 кВт/ч вес - 10 кг (увеличим, если останется запас по весу)
2.1.2.1.5. Силовой контроллер http://www.en.net.ua/diaz/emotor/?var=motor5 0,09 кг/Квт
http://alienpowersystem.com/shop/airplane-esc/alien-450a-4-24s-sport2-72-mosfet-esc-hv/ 0,021 кг/кВт
Среднее значение 0,06 кг/кВт х (125 мощность двигателей) = 7,5 кг
2.1.2.1.6. Силовые кабели алюминиевые! (алюминиевый кабель сопротивлением равным медному весит 2.2. раза легче!!!) 7А/мм кв. при напряжении 100 В и мощности 125 кВт ток составит 1250А сечение кабеля 179 мм кв. длина кабеля 20 м = 20000 мм => объем 3580000 мм куб = 3580 см куб. Плотность алюминия 2,7 г/см куб. => вес кабеля около 10 кг.
2.1.2.1.7. Бак с топливом 40 кг (подобрано для ровной цифры)
2.1.2.1.8. Полная масса СУ + трансмиссия+бак с топливом = 100+71+71+10+7,5+10+40= 310 кг

2.1.2.2.  Масса фюзеляжа. ??? Взлетная масса 810кг - масса СУ, трансмиссии, топлива 310 кг = 500 кг.
Именно в эту массу 500 кг необходимо уместить полезную нагрузку и весь фюзеляж с винтами и механизмами поворота. Насколько это реально на данном этапе выяснить могу только с вашей помощью, т.к. никогда не проектировал фюзеляж ЛА и этим знаниям нужно еще набираться.


Эскиз грубый - это ни в коем случае не прототип, просто иллюстрация.
 

Вложения

RW4HFN

Я люблю строить самолеты!
В начале 90-х имел честь познакомиться с пилотом ГА (и дипломированным авиаконструктором в одном лице) из Омска, имеющим АС на аппарат вертикального взлёта. Изюмина - накопление энергии перед взлётом маховиками - вентиляторами в крыльях. Положительные заключения от бюро Антонова и Гулиа. Схема похожая.

Погуглил. Он! Пётр Глинников. http://oko-planet.su/politik/politikarm/92741-v-omske-razrabotan-bpla-s-vertikalnym-vzletom.html \\\ http://omskzdes.ru/society/7165.html
 

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
Ну вот, у дураков мысли сходятся не перевелись на Руси свободномыслящие инженеры!

Эта конструкция сама напрашивается. Мой путь был такой:

квадрокоптер - мультикоптер - конвертоплан - и наконец ЛА вышеуказанной концепции.

ЛА однозначно будет построен. Пока этап разработки BLDC двигателя собственной конструкции. Есть первые успехи.
Далее разработка контроллера, затем испытания в генераторном режиме и наконец контроллер гибридной установки с реализацией рекуперативного торможения винтов с использованием балластной батареи. Если потребуется ВИШ - поставим, если мощности двигателей будет достаточно для стабилизации (очень похоже, что будет достаточно) что ж  - еще проще.

После того, как работа над этими этапами завершится, постройка ЛА останется чисто техническим вопросом, т.к. все остальное изобретать не придется.
 

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
Всегда можно. Я пока шапку писать буду. Постараюсь изложить в ней все имеющиеся у меня обоснования по пунктам, будет проще ссылаться на пункты шапки, чем писать все по 100 раз, да и собеседникам удобнее.
 

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
@ henryk

Я был уверен, что не я один пришел к такой схеме. Рад, что уже есть летающая модель. Создание такого аппарата - историческая неизбежность, т.к. слишком много плюсов и очень легко (по сравнению с теми же вертолетами) реализовать. В "уравнении" намного меньше переменных.

И да, трехвинтовая схема вертикально взлета конечно! Я это понял, когда эскиз из шапки был уже выложен.
 

serg610

Я люблю СЛА
Откуда
Москва
было давно..... Но это СВВП (самолет вертикального взлета и посадки), у него не меняется положение винтов и фюзеляжа,  а никак не конвертоплан.
 

Вложения

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
Ближе всего к конвертоплану. Другого раздела нет. Как расшифровывается аббревиатура?

-там изюминка в маховиках=современные могут накопить энергии
больше,чем аккумуляторы 
Больше чем аккумуляторы, только не на много и их колбасить нельзя, т.к. если подшиплики навернутся этот маховик может на куски порвать любой ЛА при разбалансировке и биении.

Кроме того, вы сможете изготовить такой маховик в гаражных условиях? А вот BLDC двигатель - запросто!
 

henryk

Я люблю строить самолеты!
Откуда
Krakow
сможете изготовить такой маховик в гаражных условиях?
-трудно поверить,но можно=супермаховик= можно намотать на резиновом клею тонкую стальную ленту \а лучше=кевларовую\.

-маховик это накопитель кинетической энергии и если его сопрячь с пропеллером с помощью "супервариатора"=певращается в мотор.
 

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
-трудно поверить,но можно=супермаховик= можно намотать на резиновом клею тонкую стальную ленту \а лучше=кевларовую\.

-маховик это накопитель кинетической энергии и если его сопрячь с пропеллером с помощью "супервариатора"=певращается в мотор.
Все это понятно, только вот вы не удосужились сделать элементарный расчет, поэтому не знаете и требуемые обороты и что достаточно надежных подшипников под них и такую массу маховика нет в природе, а если и есть, то недоступны. Считайте для массы маховика 150 кг (для сабжа это масса ДВС+топливо) из плотности материала (попробуйте подобрать метериал!) получите объем. Чем более плоский маховик - тем больше момент инерции - выбирайте габариты - считайте момент инерции. Для сабжа энергозапас примерно 150 кВт*ч  - переводите в Дж = 540000000 Дж. В формулу кинетической энергии в Джоулях подставляете 540000000 и свой момент инерции в системе СИ - получаете обороты. Вы удивитесь в конце.

П.С. шапка темы оформлена, можете ознакомиться.
 

vert

Я строю вертолеты!
Откуда
Южный Урал
2.1.1. Обоснование взлетной массы:Вертолет «Беркут-ВЛ М» взлетная масса 830 кг при мощности СУ 150 л.с. (110 кВт) - 7.55 кг/кВт , Robinson R22 - 635 кг при СУ 130 л.с. (95 кВт) - 6,7 кг/кВт. Среднее значение 7,13 кг/кВт. Номинальная мощность нашего ДВС - 100 кВт, 100*7,13 = 713 кг, при максимальной мощности 125*7,13 =891 кг
Уточнение по этому пункту. Среднее значение 7,13 кг/кВт, соответствует среднему значению нагрузки на ометаемую площадь этих вертолетов  Р=16,5 кг/м[sup]2[/sup], т.к. удельная мощность жестко привязана к диаметру винта (нагрузке на ометаемую)
При весе 890кг ометаемая площадь составит  53,6 м[sup]2[/sup], т.е. три винта диаметром 4,77метра.
А теперь представьте себе крыло с тремя винтами внутри диаметром 4,77м :eek:
При уменьшении диаметра винтов естественно мощность СУ и вес вырастут.
 

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
Вопрос, если увеличивать обороты винта, не увеличивая ометаемую, тяга расти не будет?
 

henryk

Я люблю строить самолеты!
Откуда
Krakow
-акумулятор энергии \супермаховик\ только для взлёта,а дальше
работу делает ДВС!

-с маховика можем снять большую мощность,а и вероятность что "заглохнет" небольшая...

-проф.Нурбей Гуля специалист по таким гибридам.
 

vert

Я строю вертолеты!
Откуда
Южный Урал
Вопрос, если увеличивать обороты винта, не увеличивая ометаемую, тяга расти не будет?
При той же мощности - нет. Диаметр винта -главный параметр, чем он больше,  тем больше тяга. Для каждой окружной скорости, есть оптимальные параметры лопасти. Более высокая  тяга будет на меньших окружных скоростях (около 150 м/сек), но с большей хордой лопастей. Но при полете  на скорости - проблемы обратного обтекания и срыв с лопастей. Ищут оптимум.
 

questioner

Наверное все мы рождены летать...
Откуда
Оренбург
vert сказал(а):
Но при полете  на скорости - проблемы обратного обтекания и срыв с лопастей
А если использовать эти лопасти лишь для взлета/посадки и закрывать шторкой или жалюзи при полете на скорости? Я думал об этом и задавал вопрос на форуме, но внятного ответа, кроме "если так не делают значит не надо" не получил.

Может ЛА взлететь на таком?
 

Вложения

niksann

Старейший участник
Где-то в Ютюбе был фильм, в котором описывалась вся мировая история самолетов с вертикальным взлетом. К сожалению не смог найти. Сколько умов билось над этой проблемой, жуть.
 

vert

Я строю вертолеты!
Откуда
Южный Урал
А если использовать эти лопасти лишь для взлета/посадки и закрывать шторкой или жалюзи при полете на скорости?
Да, тогда можно поднять тягу на  винтах процентов на 10%, или уменьшить на 15% диаметр при той же тяге, но эти 15% мало изменят геометрию в вашей компоновке аппарата. Хорда лопастей будет обычная, а не как на фото вентилятора.
Такая форма вентилятора соответствует совсем малой окружной скорости (для снижения шума) и вследствие этого при малом диаметре, чтоб использовать всю мощность нужно  большое количество (10-20 с обычной хордой) лопастей, что по весу и стоимости невыгодно делать. А заменить эти 10-20 лопастей тремя широкими, как у бытового вентилятора, в авиации также невыгодно из-за низкого КПД, из-за малого удлинения такой широкой лопасти. Т.е. если заменить у бытового вентилятора три широких лопасти на 20 узких, тяга будет раза в два больше, и шум меньше.
 
Вверх