Механика-ликбез

Механика дронов-----автор Книжников ВВ

доступный калькулятор по расчёту авиамоделей самолётов и коптеров----http://shop.dualsky.com/info/how-to-calculate-motor_i0019.html

Максимальная мощность на валу в ваттах---это произведение желаемой тяги на стопе в ньютонах на желаемую скорость полёта в метрах/секунду!

если тягу выразить через тяговооруженности Тст на стопе умноженную на силу тяжести,а скорость потока через коэф.запаса скоростей ла (Кск-- скорость макси горизонтальную делить на скорость сваливания) умноженную на скорость сваливания-----то произведение тяговооруженности на коэф. запаса скорости ла есть безразмерный коэффициент Кэв!

Этим Кэв очень удобно оперировать для определения необходимой удельной стартовой мощности ла, как соотношение максимальной механической мощности на валу к стартовой массе или заряженность---- например Кэв=1 эквивалентен полётной удельной мощности ла в 100 вт/кг!

например для полноразмерных ла на полном газу вмг----условно называется

1) слабозаряжен 60вт/кг или малый Кэв= Тст Кск =0.6=0.4х1.5 типичен для мотопарапланов ---

2) среднезаряжен 100 вт/кг или Кэв=1=0.5х2 для мотодельтиков и учебных сла ----

3) сильнозаряжен 160 вт/кг или Кэв=1.6=0.5х3.2 для многоместных и грузовых ла----

4) суперзаряженный 250вт/кг или Кэв=2.5=1.0х2.5 = 0.62х4 для пилотажных и гоночных ла!

механическую мощность легко посчитать как Рм(вт)=Кэв mg(н) Vсвал(м/с)!

Кстати из формулы Кэв=Тст Кск=0.3х3.3=1 можно быстро летать при небольшой мощности, но слабой тяговооруженности имея маленький скоростной винт с Ш/Д=1-1.2 что характерно для зализанных спортивных мотопланеров и бпла!

Так как минимальная тяговооруженность Тмин это обратная функция от аэродинамического качества, то минимальный коэф мощности при скорости планирования 1.25 сваливания Кэв=1.25Тмин=1.25/ АКмах очень маленький 0.1-0.2 для авиамоделей и 0.05-0.03 для пилотируемой авиации.

В режиме барожирования на минимальном крейсере при АКмах крылатых электро-бпла класса минидрон удельная мощность падает в 4- 5 раз и обычно около 25- 30 вт/кг или Кэв= 0.25- 0.3 с учетом КПДвмг=50%!

Коэффициент запаса мощности

соотношение пиковой мощности вмг к минимальной мощности полёта, когда крылья ещё держат у бпла самолётного типа или режим висения у коптера называется коэффициент запаса мощности! -----

Кмощ=Рмах/Рмин=(Fст Vмах)/(Fхмин Vсвал)=(Fст/Fхмин)(Vмах/Vсвал)=Kтяги Kск=(Tст AKмах) Kск!!! где Тст=Fст/(mg)--тяговооружённость

обычно оптимальный запас скорости у авиамоделей Кск=2.5 и запас по тяге Ктяги =6,

а у полноразмерной авиации Кск=3 и запас по тяге Ктяги =5

у разных типов беспилотников он сильно отличается----например

• 1) у самолетных типа классика это 13-15
• 2) у авиамоделей лк 10-12
• 3) у конвертопланов 5-6
• 4) у вертолетных и мультироторных 3-4

Запас мощности показывает на возможный прирост горизонтальной скорости в среде или возможный угла подъёма в горку.

смотри статью "динамика"

Правило площадей

в дозвуковой авиации существует правило площадей для миделя -----то есть соотношение миделя ла к общей несущей площади должно быть не более Кмн = Sмид / Sнес = 0.2 ! Тогда гарантированы высокие летные качества!

• 1) для парителей ----0.06-0.08
• 2) бпла-мотопланера----0.1-0.12
• 3) грузопассажирские лайнеры---0.14-0.16
• 4) пилотажный самолёты или поршневые истребителя---0.18-0.2
• 5) реактивные истребители---- 0.2
• 6) гидросамолёты----0.25
• 7) конвертопланы----0.35
• 8) коптер----1-2

например---- у ру модели экстра 300 размахом 1100 мм -----мидель крыльев 2х1.5дм2=3дм2, а сечение фюзеля с фонарём 1.2 дм2 плюс хвостовое оперение 0.3 дм2 и колесного шасси 0.1дм2 ---итого общий мидель 4.6дм2! при площади крыльев 2х11.5 дм2= 23дм2 соотношение Кмн=4.6дм2/23дм2=0.2-----тогда при удлинении крыла в 5 единиц получаем для модели АКмах=1.2х5=6 гарантированно! для модели биплана аэробайк при размахе 1600мм общий мидель 13дм2 и несущая 65дм2 ----тогда Кмн= 0.2 и АК=7.5! для пилотажного мотопланера при размахе 2000 мм мидель крыла равен 4 дм2 и остального 0.55+0.25=0.8дм2 -----итого 4.8дм2 при несущей 40дм2 получаем Кмн=0.12 ---- тогда при удлинении крыла в 10 раз, АКмах=14 гарантированно! также это соотношение называют аэродинамической пузатостью при соотношении более 0.2!!! к знаменитым пузатеньким самолётам относятся советский ишачок или И-16 , большинство самолётов первой мировой, гидроавиация, американский "беременный гуппи", космические челноки "буран" и "шатл",а также крылатые ракеты и другие ла!!! кстати все коптеры одновинтовые и многороторные имеют чрезмерного большую пузатость и поэтому низкий этс!

Лобовое сопротивление

1) У водоизмещающих надводных и подводных транспортных средств,а также у дирижаблей и ракет сила сопротивления движению пропорциональна квадрату скорости ,а поглощенная мощность в третьей степени от скорости плавания во всём диапазоне практических скоростей!

2) У крылатых летательных аппаратов типа гонка с симметричном профилем крыла в диапазоне от скорости сваливания и до 3-4 этих скоростей сила общего сопротивления растёт пропорционально скорости полёта, а мощность во второй степени !

Максимальная воздушная скорость горизонтального полёта Vгор=0.72Vо=0.9H Kхх Uакку, где скорость потока холостого хода нулевой тяги Vо=Hо fхх=1.25 Hгеом fхх !!!

Такая же закономерность у глиссирующих судов с переходного режима и до максимальной скорости плавания!

3) У крылатых ла с несущим профилем крыла типа плосковыпуклого сила общего сопротивления растёт в степени полтора от скорости полёта и Vгор=0.64Vо !

4) У катающихся на колёсах сухопутных транспортных средствах типа вездехода аэродинамическое сопротивление очень мало при их практичных скоростях и сила сопротивления равна силе трения качения колес плюс трение в трансмиссии можно сказать постоянна, а мощность пропорциональна скорости!

смотри статью "ЭТС-ликбез"

Силовые установки

Все СУ разных энергетических типов и конструкции при дросселировании имеют более низкий кпд или эффективность,чем на полном газу -----примерно в 1.2 раза на половине газа у двс, но при этом ресурс су многократно увеличивается!!!

Органические топлива

У всех типов двс есть простая закономерность полного сгорания углеводородов в кислороде воздуха, как соотношение массы воздуха к массе топлива 15 единиц норма ----при 14 считается смесь богатая или сладкая---при 16 смесь бедная или кислая! Удельная теплотворность бензина и керосина 42 000 000 дж/кг или 42 кдж/г-----тогда для воздушно-топливной смеси на уровне моря справедлива теплотворность 3 400 000 дж/м3 или 3.36 кдж/л!

Рабочий  объём цилиндров пд умноженный на частоту вращения для двухтактников это секундный расход в литрах----

например 0.17л х 112 об/с=19.1л/с, тогда тепловая мощность 19.1л/с х 3.36кдж/л =64 квт и на валу 17 лошадок или 12,8 квт и КПД=12.8квт/64квт=0.2=20%!

Поршневой ДВС

Нормальная литровая мощность поршневых двух-тактных авиамодельных двс 100 вт на 1 куб см для метанольных и 50 вт на куб см у бензиновых! Удельная мощность поршневых двс у метанольных около 2 квт/кг и у бензиновых 1 квт на кг массы мотора. Например у калильного 2.5 см3 объёма моща на валу при полном газе около 250 вт ---- масса современного мотора 125 грамм! У бензинового двухтактника 20 см3 типичная мощность 1 квт при массе около одного килограмма! При форсировании мощности за счет настроенной резанансовой выхлопной трубы литровую мощность можно поднять в два-три раза, но ресурс сразу падает в десятки раз от номинала, поэтому на дроны ставят наоборот дефорсированные поршневые двс желательно четырёхтактные и используют не более пол-газа на крейсере для гарантийного увеличения ресурса!

Особенность атмосферных карбюраторов модельных двигателей ---это фонтан-облако маленьких капель топлива над входным патрубком воздухозаборника,часть которых просто сдувается потоком от винта----чтобы поднять экономичность надо закрепить на входе диффузора сеточку с ячейками 0.5х0.5 мм из синтетики или медной проволки---она же защитный фильтр от крупного загрязнения!!!

У модельной кубатуры до 30 см3 кпд  двух-тактников не превышает всего 10-12% из-за фундаментальной зависимости потерь по правилу куб-квадрат!

ГТРД

Турбина---это разновидность ДВС непрерывного ламинарного горения с полностью симметричной балансировкой относительно оси вращения и поэтому там нет паразитных вибраций----при не правильном запуске возможно получить детонацию с обратным горением-помпаж с разрушением лопаток компрессора!!! Использование газотурбинных реактивных двигателей в бпла оправдано лишь при больших скоростях полёта ----более 0.6 маха или 200 метров в секунду и мощностях в 1000 квт и более и актуальна лишь для максидронов из за больших габаритов и высокой степени сжатия многоступенчатого осевого компрессора----тогда кпд турбины доходит до 25%! В модельных размерах наблюдается огромная прожорливость ----например авиамодельная турбина на одноступенчатом центробежном компрессоре при тяге всего в 200 ньютон (20 кг силы) кушает почти 600 мл жидкого топлива в минуту или 10 мл в сек ! Для сравнения при той же тяге от вмг в 200 н на поршневом бензиновом двс в 80-100 кубиков расход на порядок меньше или всего 1мл в сек при полном газу на стопе!

КПД модельных турбин не превышает 10%!!!

более подробно смотри статью "тепловые машины"

Дросселирование газом

На практике связка электро-вмг, регулятора хода и акку на номинальном напряжении или рекомендуемого производителем электромотора при полном линейном газу принятом за 100% обеспечивает максимум тяги пропеллера и механической мощности на валу!

При 50% процентах газа или в полгаза на обмотки электромотора драйвером эмулируется напряжение в 1.41 раза меньше от номинала и примерно на выходе получается тяга в 2 раза меньше---то есть расход газа напрямую связан с тягой---полгаза-полтяги, а при трети газа или 33% тяга в 3 раза меньше! Это хорошо видно по телеметрии на картинке по видео-онлайн!

Из за специфики работы регулятора хода трехфазного бк эд для авиамоделей по принципу шести шагов, где прямоугольные импульсы питают фазы по интегралу напряжения по времени эмулируя амплитуду питания с крутыми фронтами и бросками тока вместо классического аналогово напряжения синусоидальной формы , то наиболее высокую эффективность связка мотор регуль имеет лишь при полном газу , а вот при малом и среднем положении слишком короткие импульсы не полностью преобразуются в мощность и

кпд электромотора  при дросселировании просаживается на тепловые потери от скважности
в 1.1 раза в пол газа -----в 1.2 раза в треть газа----в 1.3 раза в четверть газа !!!

Выход такой ----

1) использовать для крейсера две трети газа при потери в 1.05 раза,

2) или применять силовой коммутатор на мощных полевых транзисторах включения обмоток с треугольника при старте на звезду при крейсере,

3) или последовательно- параллельное переключение аккумуляторов в батареи !

Ещё есть вариант использования дорогих рх для автомоделей, где уже заложен алгоритм по управлению мощности через размах напряжения правильной синусоидальной формы с датчиками положения магнитопровода по фазам!!!

смотри статью-ликбез "силовые электроприводы"

Расчёт ттх рм

Максимальный момент на управление аэродинамическим рулём считается на скорость в пикировании на полном газу под углом в 30 град к горизонту ! Для самолёта эту скорость можно принять как произведение геометрического шага винта и максимальной частоты вращения мотора без нагрузки-----например винт с шагом 6 дюйм или 0.15м при 11 вольт и кв электромотора 1200 или 20 гц на вольт---получаем скорость как 0.15м х 11в х 20 гц на в=33 метра в секунду! Далее по упрощённой формуле максимальной подъемной силы для элерона при отклонении в 15 гр считаем как половину плотности воздуха кг/м3 х площадь элерона в м2 х квадрат максимальной скорости ---- например 0.5 х 1.25кг/м3 х 0.02м2 х 33м/с х 33м/с=13 ньютон=1.3кг силы!

Принято считать центр давления пластины как 40% сах элерона или 0.4 ширины от оси вращения --- обычно относительная ширина элерона одна четверть-одна пятая сах крыла ----тогда при сах крыла в 20 см или 0.2 м ширина получается 5 см или 0.05м ----а момент сопротивления 13н х 0.4 х 0.05м=0.26н м или 2.6 кг см! внимание с учётом соотношения плеч качалок относительно осей вращения как один к трём например у машинки 10 мм и у руля 30 мм получаем ,что на входе серво будет всего 0.86 кг см------с учетом полутора-кратного запаса по моменту хватит 1.4 кг см типа 9 граммовой сервы !

На практике длина штанги-толкателя от кабанчика рулевой машинки до качалки аэроруля не более 100 мм -----так как этот элемент работает не только на растяжение, но и на сжатие и может потерять устойчивость!Качалка всегда крепится как можно ближе к оси вращения руля со сквозным крепежом!!!

Обычно диаметр отверстия  на качалке изначально рассчитан на данную силу толкания -----например 1мм это 1 кг силы----1.5мм уже 5 кг силы----2мм уже 10кг для стальной проволки типа велосипедной спицы!

смотри статью "Сервоприводы-ликбез"

Приводы манипулятора

Для исполнительных механизмов типа рука-манипулятор для захвата груза или буров в зависимости от силовой нагрузки используют различные виды механических мышц----например

• 1) в диапазоне 5-20 ньютон или до 2кг силы удобны легкие модельные аналоговые электро сервоприводы массой 10-30 грамм обычно на 5-6 вольт!!!
• 2) при нагрузке до 20 кг силы используют уже мощные цифровые рулевые машинки массой 50-300 грамм и напряжением 7-8 вольт!!!
• 3) до 50 кг силы начинают применять промышленные актуаторы массой 0.5-3 кг с напряжением 12-24 вольта!!!
• 4) при усилии до 100 кг силы выгодно применять пневмо усилители на сжатом воздухе от компрессора до 10 атмосфер!!!
• 5) при усилии свыше 200 кг уже оправдана полноценная гидравлика

Ресурсность сильно-нагруженных компонентов

для модельной размерности ресурс выработки компонента в часах ориентировачно равен----

• 1) одной массе бк электромотора в граммах на среднем газу---100г это 100 ч суммарной работы
• 2) удвоенной массе сервопривода в граммах при подруливании----2х50г это 100 ч
• 3) утроенной массе регулятора хода в граммах----3х33г это 100ч
• 4) четырем массам закрытого понижающего редуктора на крейсер в граммах---4х25г это 100ч
• 5) пяти массам видеопередатчика в граммах-----5х20г это 100ч
• 6) шесть масс пропеллера ----6х17г это 100ч
• 7) одна пятидесятая поршневого двс в грамм на среднем газу ---350г/50 это 7ч

Усталостный ресурс конструкции самого носителя класса минидрона от знакопеременных нагрузок 100-150ч! Кол-во двух часовых миссий всего 50 штук или один сезон работ! Реальная стоимость амортизации 2-3 тыс. руб/ч

Рекорды

рекорды нужны для подстёгивания научно-технической мысли!

все рекорды беспилотников по скорости, дальности, высоте или глубине основываются на пределе сопромата конструкций ---например

горный кинетический планер может развить скорость в вертикальном затяжном пикировании в 750 км/ч--- при выходе из пике перегрузка достигает 25же!

скорость на моторе в горизонте для электро-гонок 450 км/ч!

непрерывный полёт модели планера на ру трое суток!

высота подъёма у квадрокоптера 10км!

дальность полёта авиамодели на бензиновом ДВС 2500км!

дальность полёта авиамодели на электромоторе 400км!

дальность прямой видео картинки с борта на землю 150 км!

но при практическом каждодневном использовании дрона реальные характеристики на порядок(в 10раз!) меньше по причине ресурсности---потому что все рекорды дронов на грани износа и сразу списываются!