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

  • Bezymjannyj_180.png
    Bezymjannyj_180.png
    3,4 КБ · Просмотры: 461
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
 
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.
 
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.
 
@ 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.
 
было давно..... Но это СВВП (самолет вертикального взлета и посадки), у него не меняется положение винтов и фюзеляжа,  а никак не конвертоплан.
 

Вложения

  • svvp_002.jpg
    svvp_002.jpg
    65,7 КБ · Просмотры: 464
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!
 
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.
 
-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.
 
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 😱
При уменьшении диаметра винтов естественно мощность СУ и вес вырастут.
 
Вопрос, если увеличивать обороты винта, не увеличивая ометаемую, тяга расти не будет?
 

-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.
 
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.
 
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

  • Lopast__dlja_ventiljatora_001.jpg
    Lopast__dlja_ventiljatora_001.jpg
    18,3 КБ · Просмотры: 419
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.
 
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.
 
Назад
Вверх