Ранцевый вертолет с "огромными" лопастями

[DesertEagle]

Прорабатываю вопрос создания ранцевого вертолета с размахом 10-15 м и хордой лопастей около 2 м. Лопасти по технологии "вупи", то есть трубчатый лонжерон и одетое на него парапланерное крыло с принудительным наддувом (от электробурбинки или через воздухозаборники от пропеллеров привода). Масса аппарата предположительно около 15 кг.

Пилот должен быть подвешен в паре метров под крылом на растяжках, закрепленных по размаху лонжерона. Что по идее позволит использовать относительно тонкий и легкий лонжерон, вместо свободнонесущего как на вертолетах.

По расчету для такого диаметра и площади потребуется два авиамодельных моторчика с пропеллерами, мощностью каждый около 2 л.с., закрепленные на концах лопастей. Так как скорость вращения ротора очень низка, порядка 20 об/мин, то центробежные силы, действующие на двигатели, будут невелики, порядка нескольких килограмм (в отличие от классического пневмо/реактивного привода).

Понятно, что поступательной скорости у такого аппарата практически не будет. Но взлететь вертикально и медленно пробарражировать над окрестностями, по идее, удастся ).

Пока склоняюсь к авиамодельным электрическим моторчикам, размещенными вместе с аккумуляторами на концах лопастей и управляемых с обычного авиамодельного пульта.

Проблема с тем, как реализовать автомат перекоса: сервомашинками, отклоняющими закрылок на конце лопасти и тоже управляемых с пульта? Интерцепторами/тормозными щитками на верхней поверхности, поднимаемыми тоже сервомашинками? Механический автомат перекоса, который через тарелку/кольцо с помощью строп отклоняет заднюю кромку лопастей как клеванты у параплана? Или может какая-нибудь разновидность управления весом?

В случае сервомашинок нужен датчик угла поворота лопастей относительно пилота и возможность перепрошивки пульта на собственную программу. При механическом просто сложность в реализации.

Также не совсем ясно как управлять по курсу, ничего лучше отдельного моторчика с пропеллером позади пилота (как хвостовой винт вертолета), не приходит в голову.

С интересом выслушаю рекомендации и идеи по реализации управления в таком аппарате.

Для расчетов мною написана простенькая программка, в которой можно варьировать геометрию и количество лопастей, диаметр ротора и др. параметры. А также она рассчитывает необходимую тягу моторчиков при их известном положении на лопасти либо необходимое положение при известной тяге.

Скачать программу можно здесь: Paraplan_Vertolet_0.2.zip

И несколько скриншотов примеров расчета для разных случаев:

 

[Anatoliy]

С интересом выслушаю рекомендации и идеи по реализации управления в таком аппарате.

Что то у Вас с расчетами не все сходится.

Берём в помощники Ньтона.
Что бы получить в результате отбрасывания воздуха определенную силу реакции следует кое что посчитать.
Итак, пусть будет процесс создания подъёмной силы без потерь, то есть КПД = 100%. И еще сделаем одно допущение, что скорость воздуха при прохождении плоскости вращения несущего винта везде по сечению равная. В реальном случае это не так и картина будет заметно хуже. Это учитывается при помощи КПД винта.
Возьмем самый лучший вариант, когда диаметр несущего винта равен 15 метрам.
При этом максимальная ометаемая площадь будет равна 176 м[sup]2[/sup]. При скорости отбрасывания 2,26м/с воздуха с удельным весом 1,25 кг/м[sup]3[/sup] получается секундный объем отбрасываемого воздуха равеный 176*2,26 = 398 м[sup]3[/sup] (я сокращаю результат до целых чисел для удобства). При этом секундная масса отбрасываемого воздуха равняется 398*1,25 = 498 кг.
Если мы умножим секундную массу отбрасываемого воздуха на скорость отбрасывания, то получим силу реакции в Ньютонах. Считаем: 498*2,26=1125,5(Н)      или   1125,5 / 9,8 = 115 килограмм тяги. (у Вас 113,7 кг)
Теперь умножим тягу 1125,5 (Н) на  скорость отбрасывания 2,26(м/с)    и получим мощность в (Ваттах) потребную для создания этой тяги при 100% КПД.
Считаем: 1125,5*2,26=2544 (Вт)    У Вас 1,37 кВт при 50% КПД.
Смотрим, как испортит Ваш 50% КПД этот расчет.    2,544 кВт / 0,5=[highlight]3,088[/highlight] кВт. Ошибся в нажатии клавиши. Естественно 2,544 кВт / 0,5= 5,088 кВт.

ИТОГО надо взять двигателей на 5 - 5,5 кВт [highlight](исправил)[/highlight] общей мощности для несущего винта диаметром 15 метров.
При уменьшении диаметра несущего винта потребуется увеличивать существенно мощность двигателей.

Это для уточнения мощности привода НВ.

А управлять таким аппаратом можно просто балансирным методом без автомата перекоса. Проще не придумаешь, без всяких там моторчиков в заду как у Карлсона.

 

[henryk]

Или может какая-нибудь разновидность управления весом?

-именно!=

http://diydrones.com/profiles/blogs/most-dangerous-video-of-the

http://www.humanpoweredhelicopters.org/davinci/index.htm

=sila tjagi malyh propiellierov umnozhajetsia na katshiestvo bolshovo kryla\rotora\!

=v effiektie polutshajem bolshe 100 kG tjagi s 1 HP!!!

 

[ВВП]

Кстати, по критерию: - удельная тяга умнож. на корень из удельной нагрузки на ометаемую пл. (здесь 24,8 ) схема вполне работоспособна. Но, наверняка, аэр. качество следует занизить.

 

[дима043]

При большом диаметре винта балансирное управление весом человека будет очень неэффективно. Вспомните дальтапланы там размах много меньше 15 метров, нет гироскопического эффекта и все равно для получения преемлемой управляемости по крену делаются ухищрения всякие типа плавающей поперечины.

 

[mz]

На 4-х лопастях с меньшей хордой   мот устойчивее висеть будет ? 

 

[DesertEagle]

Что то у Вас с расчетами не все сходится.

ИТОГО надо взять двигателей на 3 - 3,5 кВт общей мощности

Очень даже сходится, мощность в программе указывается для одного двигателя (и указывается сколько штук по количеству лопастей), соответственно для двухлопастного ротора нужно два таких двигателя и суммарная мощность при двух 1.5-2 кВт получается 3-4 кВт. Так как в любом случае нужен запас, то меньше чем двухкиловаттные движки использовать нет смысла, имхо. Это вполне приемлимая мощность, потому что в массе своей авиамодельные движки объемом 40-50сс имеют как раз такую мощность и тягу в районе 5-7 кг на нужной скорости. Электрические 2 кВт тоже есть (я ориентируюсь на них, так как имел опыт работы с такими).

За альтернативный расчет спасибо, полезно для сравнения. Можно еще рассматривать такой ротор как парапланерное крыло с качеством 6-8 единиц и найти необходимую тягу через взлетный вес:

T = G/K = 115 кг / 8 = 19.2 кг = 192 H

А через среднюю скорость "полета" крыла (на самом деле вращения), скажем 10 м/с, можно определить потребляемую мощность: P = T*V = 192 H * 10 м/с = 1920 Вт = 1.92 кВт.

Если размещать двигатели на конце лопастей, то на воздушной скорости 60-80 км/час, кпд винтов будет около 60%, таким образом потребуется суммарная мощность 1.92/0.6 = 3.2 кВт. То есть два двигателя по 1.6 кВт каждый.

Все три подхода к расчету показывают примерно одинаковую потребную мощность для зависания, плюс минус лапоть в пределах погрешности мат. моделей. Что не может не радовать, если честно ).

Я использовал численный метод расчета: в программе разбил лопасти на множество маленьких участков. Для каждого нашел воздушную скорость и определил создаваемую подъемную силу и лобовое сопротивление с помощью типичных коэфф. Cy и Cx для угла атаки около 10 градусов (на таких углах работают эти крылья). А также затрачиваемую мощность на движение каждого участка, которая равна лобовое сопротивление * скорость участка. Проссумировав силы по всем участкам, получил общую подъемную силу ротора и потребляемую им мощность на свое вращение.

Разумеется, в таком алгоритме расчета есть свои недостатки. Например, коэфф. Cy и Cx могут не соответствовать реальному крылу (хотя я и взял похожие на те что должны быть), не учитывается изменение Cy по размаху и не учитывается индуктивное сопротивление, которое на такой скорости и таких углаха атаки может составлять до 50% от подъемной силы (согласно данным по исследованию парапланерных крыльев). Но зато этот метод рачета позволяет учитывать геометрию лопасти, например ее трапецевидность, площадь, получать обороты для создания необходимой подъемной силы, а также учитывает разную воздушную скорость отдельных участков крыла. Поэтому хорошо, что в целом результаты соответствуют более простым общим расчетам.

При уменьшении диаметра ротора либо при увеличении его частоты вращения, необходимая мощность согласно расчету растет. При размещении двигателей ближе к корную тоже растет, но уже по причине падения кпд винтов на маленькой воздушной скорости. Типичные авиамодельные пропеллеры на скорости 10 км/час (при размещении движков примерно на радиусе 1.5 м) имеют кпд порядка 13-20%. Но при скорости около 60 км/час (на конце лопасти), кпд уже порядка 60%. Поэтому согласно расчету по программе в первом посте, на радиусе 1.5 м каждый двигатель должен выдавать тягу около 20 кг на скорости 10 км/час, что потребует каждый двигатель мощностью около 6 л.с. (суммарная 12 л.с.). А на концах лопасти на скорости 60 км/час необходима тяга около 4.5 кг, а такую тягу на этой скорости создает двигатель мощностью около 2 л.с. (суммарная мощность 4-5 л.с.).

При большом диаметре винта балансирное управление весом человека будет очень неэффективно.

Верно, а тут ситуация дополнительно осложняется тем, что профиль на лопастях должен быть обязательно автостабильным, таков принцип этой конструкции. Парапланерное крыло никаким образом не крепится к лонжерону. Труба просто проходит через отверстия в нервюрах и все. Поэтому угол атаки крыла определяется положением лонжерона на хорде, а уже поддерживает его в полете само крыло за счет своего профиля. Поэтому например невозможно повернуть всю лопасть на лонжероне с помощью маленького закрылка. Часть лопасти изогнется благодаря гибкости надувного крыла, но остальная будет поддерживать свой угол атаки благодаря автостабильному профилю.

Поэтому в случае сервозакрылка это потребует отклонения довольно больших управляющих поверхностей. А при балансирном управлении, возможно, такая чрезмерная устойчивость ротора будет нивелировать воздействие пилота. Поэтому, возможно, стоит обратить внимание на альтернативные способы снижения подъемной силы лопасти, например с помощью интерцепторов или тормозных щитков.

Тут остается множество открытых вопросов. Но идея использовать для такого примерения вупи-крыла хороша, на мой взгляд ). Минимально возможный вес при максимально возможной площади лопастей, "встроенная" автостабильность лопастей, что не ограничивает диаметр ротора и т.д.

Но, наверняка, аэр. качество следует занизить. 

При качестве 6 единиц при диаметре ротора 15 м с хордой 2 м, при взлетном весе 111 кг для зависания согласно расчету потребуются два двигателя мощностью 2.3 л.с. каждый. Так что двух 2 кВт движков должно хватить. Хотя конечно лишняя мощность еще никому не повредила =). Даже два двигателя по 5 л.с. вполне приемлимо, имхо. Это не двигатели по 15-20 л.с., с которыми из-за массы, вибраций и прочих сложностей (в том числе цены) был бы совершенно другой уровень сложности аппарата.

Но по управлению таким ротором (диаметр 15 м, хорда 2 м) у меня так и нет однозначного мнения. Иначе можно было бы уже приступить к проектированию, заказу комплектующих и изготовлению.

Как считаете, а не стоит ли попробовать сделать для начала неуправляемый ротор? То есть два электродвигателя на концах лопастей, газ с авиамодельного пульта. Проверить зависание в абсолютный штиль. А дальше на готовом аппарате городить систему управления по обстоятельствам? Имеет ли право на жизнь такой подход?

 

[ingar]

Смотрим, как испортит Ваш 50% КПД этот расчет.2,544 кВт / 0,5=3,088 кВт.

5,088 кВт.

 

[Anatoliy]

Смотрим, как испортит Ваш 50% КПД этот расчет.2,544 кВт / 0,5=3,088 кВт.

5,088 кВт.

Спасибо за указание на опечатку. Исправил в своем посте. :-[

 

[henryk]

не стоит ли попробовать сделать для начала неуправляемый ротор?

-наверно есть смысл и управлять ним балансирно\подобно
перемещением нагрузки пилота параплана можно поварачивать без затягивания строп тормозов\...

при медленном вращении жироскопический момент не должен
мешаться.
масса мотора+батерейки будет в полёте разгружать лонжерон
\может быть гибким\.

 

[ВВП]

А я бы соорудил стенд с однолопастным ВВ в натуральную величину; думается, что и Д=10м хватит. И получил бы массу ценнейшего экспериментального материала.

 

[JohnDoe]

А я бы соорудил стенд с однолопастным ВВ в натуральную величину; думается, что и Д=10м хватит. И получил бы массу ценнейшего экспериментального материала.

Мне "фотоотчёт" с описанием подобного опыта не так давно Жорж присылал. Весьма впечатляет/отрезвляет. 🙁

 

[DesertEagle]

А я бы соорудил стенд с однолопастным ВВ в натуральную величину; думается, что и Д=10м хватит. И получил бы массу ценнейшего экспериментального материала. 

Нет, однолопастный такого диаметра наверно нет смысла делать, по крайней мере я не представляю как с ним потом работать - раскручивать и т.д. Тем более что для лопасти все равно потребуется противовес (да еще однорежимный если не двигать его по вертикали), поэтому на массе не выиграть.

Тут ключевой момент именно в технологии изготовления лопасти - труба-лонжерон и тканевая обшивка продольного кроя с наддувом. Что с примерно одинаковой трудоемкостью позволяет сделать что одну 3 м лопасть с хордой 30 см, что две 6 метровые с хордой 2 м. Ну и хотелось бы растяжки применить как на дельтатрапеции, а с однолопастным винтом это не получится.

В целом, мне вроде все стало понятно, думаю самым оптимальным вариантом будет механический автомат перекоса с помощью профильного кольца и скользящих по нему стропах. Если через него будут подсоединены все стропы подвеса, то получится управление весом. Если только по две, идущие к задней кромке, то управление закрылком. Дальше надо уже рисовать модель и считать нагрузки.

Штука может получиться интересной, хоть и бесполезной с практической точки зрения ). Надо подумать над целесообразностью такого аппарата...

Мне "фотоотчёт" с описанием подобного опыта не так давно Жорж присылал. Весьма впечатляет/отрезвляет. 

А можно тоже с ним ознакомиться? Опыт с вертолетным однолопастным винтом или просто с однолопастным с последующими разрушениями/травмами?

 

[Vladimir1950]

что то не получается редактировать программу . Все не активно. Что не так?

 

[JohnDoe]

А можно тоже с ним ознакомиться?

Я спрошу, ежели не против будут, то выложу.

Опыт с вертолетным однолопастным винтом или просто с однолопастным с последующими разрушениями/травмами?

"Стенд" из двухлопастного "винта" диаметром около 2 м. с электроимпеллерами на концах. По счастью никто не пострадал, кроме самого "винта", "стенда" и стен квартиры.

 

[DesertEagle]

что то не получается редактировать программу . Все не активно. Что не так? 

Это скрипт, его нужно открыть в Блокноте, изменить цифры (например диаметр ротора, хорду, обороты). После чего сохранить файл и запустить двойным кликом. Появится окошко с новыми результатами расчета. Ну и конечно учитывать, что это простенькая программка, поэтому точность расчета плюс минус лапоть. Но для предварительной оценки годится, имхо.

"Стенд" из двухлопастного "винта" диаметром около 2 м. с электроимпеллерами на концах.

Это да, Nagler в свое время не зря ставил движки ближе к корню, а не на концах лопастей ). Но в данном случае, если ограничить скорость кончиков лопастей, скажем, 15 м/с (больше все равно для тряпочной конструкции будет не полезно), то центробежные силы получаются совсем смешными по сравнению с обычными вертолетными. На уровне нескольких кг, что даже с учетом небольшого изламывающего рычага, так как центр масс движка не будет в точности совпадать с осью лонжерона, должно безболезненно переноситься подшипниками и прочим. Плюс масса авиамодельных движков такой мощности находится на уровне 1-1.5 кг (в электро-варианте еще дополнительно 2 кг аккумуляторы, которые можно закрепить вдоль лонжерона отдельно, а в бензо отдельно крепится блок зажигания), это насколько я понимаю, значительно меньше, чем было доступно во времена Nagler'а. Немного позже, как появится свободное время, я постараюсь нарисовать эскиз, там реально все получается настолько просто, и так и элегантно компонуется, что даже не верится, что все могло так удачно сложиться. А уважаемые форумчане, надеюсь, подскажут с какими подводными камнями можно в дальнейшем столкнуться при таком подходе. Я пока вижу только возможный недостаток мощи, так как при необходимой мощности движков более 3-5 л.с. каждый, затея потеряет смысл.

 

[potsulko]

...С интересом выслушаю рекомендации и идеи по реализации управления в таком аппарате....

Должно быть достаточно управляющих моментов за счет увеличения-уменьшения тяги двигателей в соответствующих секторах конуса винта.

 

[ВВП]

  Можно рассмотреть возможность использования одновременно и обдува части лопасти (консоли) несколькими, например, 4...5 ВМУ.

 

[JohnDoe]

@ DesertEagle
Вот, выложил в файловый архив форума ранее упоминавшийся фотоотчёт об опыте с моделью НВ с импеллерами на концах лопастей. Появилась одна мысль, позволяющая поднять тягу оных электрических девайсов, съэкономив немного в массе. Надо прикинуть, попозже озвучу, может пригодиться. 😉
ЗЫ. "Не прик`Гатилась" 🙁 Подумал, что у электронагреватлей должен быть КПД почти 100%. Подумал было устроить в импеллере за вентилятором нагревательный элемент, чтоб выходящий воздух грел от второго аккумулятора(вместо второго импеллера)= экономия веса(нагревательная сетка/решётка всяко меньше весит, чем целый импеллер). Горячий воздух должен иметь бОльшую скорость истечения= выше тяга. Прикинул на пальцах, оказался в проигрыше(при равных затратах эл.энергии) Может ошибся где? Кто идею проверит? :-/

 

[ВВП]

кто проверит, кто проверит? - автор!