Редактирование: Механика-ликбез


механика дронов-----автор Книжников ВВ


 Максимальная механическая мощность на валу---это произведение желаемой тяги на стопе на желаемую скорость полёта!

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 энерговооруженности!
 
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 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=0.3х2.0 типичен для мотопарапланов ---

2) среднезаряжен 100 вт/кг или Кэв=1=0.5х2 =0.4х2.5 для мотодельтиков и учебных сла  ----

3) сильнозаряжен 160 вт/кг или Кэв=1.6=0.53х3=0.64х2.5=0.4х4  для многоместных ла----
 
4) суперзаряженный 250вт/кг или Кэв=2.5=1.0х2.5 =0.83х3= 0.5х5 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 Н/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  Кзармин=1.25Тмин=1.25/ АКмах  очень маленький 0.1-0.2 для моделей и 0.05-0.03 для авиации.

В режиме баражирования 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 15
*2) у авиамоделей лк 12
*3) у конвертопланов 6
*4) у вертолетных и мультиротарных 3
*5) у вездехода 10
*6) у лодки 20

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

этс---Задача дрона как можно дольше и дальше работать

В физике движения транспортных средств в вязкой среде  применяется понятие эффективности транспортной системы (ЭТС=ETS) как соотношение поглащенного импульса к потребляемой мощности----

ЭТС=полётная масса(кг) х скорость перемещения относительно вязкой среды (м / с) и делить на потребляемую мощность (вт)-----физический смысл это функция обратная ускорению торможения 1/(м / с2)всех потерь, чем ниже торможение тем выше этс!
 
 ЭТС=1/а=mV/Pпот=КПДвмг АКмах /(Кск)X g = mL/(3.6UСakky)

,где L--пройденный путь в километрах,U--напряжение аккумулятора в вольтах,С--ёмкость в ампер часах!!!

пример ЭТС=0.6кг х 30км/(3.6 х 11.1в х 2.7ач)=18/108=0.168 с2/м

Например у полноразмерных средствах передвижения с двс ЭТС---первое число на полном газу----второе число круиз в пол газа
*1)  у мультироторных коптеров больших размеров всего 0.07-0.1
*2)  у вертолёта  типа робинсон   0.09-0.15
*3)  у конвертоплана и автожира  0.3-0.5
*4)  у самолёта малой авиации 0.6-1-----у летающего крыла 0.4-0.65
*5)  у мотопланера  типа максидрона 0.75-1.2----- мегадрон 1-1.6
*6)  у глиссирующего катера 0.1-0.15 ----- у водоизмещающей лодки 0.2-0.3
*7)  у вездехода 0.5-0.6
*8)  у автомобиля 0.8-1

Для модельных размеров бпла с электро-вмг ЭТС----первое число на полном газу----второе число круиз в пол газа
*1) квадрокоптер 0.05-0.08
*2) вертолет 0.07-0.1
*3) самолет-моноплан 0.15-0.3
*4) лк-бесхвостка 0.1-0.2
*5) мотопланер 0.25-0.5
*6) конвертоплан и автожир 0.1-0.2

аэродинамическое качество планера

АК максимальное на прямую зависит от удлинения крыла, как соотношение несущей площади  к квадрату САХ или размаха к ширине прямоугольного крыла Как! 
эмпирически для классических самолётов с прямым крылом АКмах=Как х удлинение, где поправочный коэф.        Как=1-1.5 для авиамоделей, Как=1.5-2 для малой авиации, Как=2-2.5 для большой! Где первые цифры для самолётов  с неубираемым шасси и грузовым подвесом, вторые для зализанных планеров!

Поперечную перегрузку на самолёт в вираже на полном газе удобно расчитать как произведение тяговооруженности на максимальное АК -----

 Кперегруз=Тст АКмах-----например 0.7х10=7 единиц же!!!

У крылатых бпла  показательна характеристика как произведение полного кпд движителя на текущее Аэродинамическое Качество 

 Ка= КПДвинта  АК ---- эта функция напрямую связана с этс ла !
 
например---- у модели самолета кпд винта около  60%  или 0.6 и текущее АК= АКмах/(Кск)X, где АКмах приближенно равна удлинению крыла    и коэф. скорости равен 2 -----тогда Ка=0.6х6/2 =1.8!
для сравнения у полноразмерного максидрона  кпд винта 0.8 и АКмах=25  и тогда получаем Ка=20 при минимальной крейсерской скорости  и Ка=10 при максимальной скорости!
Если этот Ка разделить на ускорение свободного  падения примерно 10 м/сек2 ,то получим этс ла-----
1.8/10 =0.18 для модели самолёта и 10/10 =1.0 для дрона----тоесть полноразмерный максидрон почти в 5.55 раз совершенней  авиамодели бпла  на моторном режиме при высоком крейсере!
 
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=1.1х5=5.5 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 поглащенная мощность в третьей степени от скорости плавания во всём диапозоне практических скоростей!
 
*2) У крылатых летательных  аппаратов типа гонка с симметричном профилем крыла в диапозоне от скорости сваливания и до 4-5 этих скоростей сила общего сопротивления растёт пропорционально скорости полёта, а мощность во второй степени !

Максимальная воздушная скорость горизонтального полёта Vгор=0.7Vтеор, где  теоритическая скорость потока холостого  хода   Vтеор= Hвинт f хх=H Kхх Uакку!!!

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

У крылатых ла с несущим профилем крыла типа плосковыпуклого сила общего сопротивления растёт в степени полтора от скорости полёта  и Vгор=0.6Vтеор !!!

У ла с вогнутовыпуклым профилем типа птичьего лобовое сопротивление растёт в квадрате от скорости полёта
и Vгор=0.5Vтеор!!! 
 
*3) 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!

силовые установки

все су разных энергитических 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!!!

пд

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 резонансовой 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 воздухозаборнника,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

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%!!!

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 3.4 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 3.4кдж/л =65 квт и на валу 17 лошадок или 12,6 квт и КПД=12.6квт/65квт=0.19=19%!
 

эд

Максимальная потребляемая удельная мощность бесколлекторных электро-двигателей типа аутрайнер при нормальной долгой эксплуатации и хорошем охлаждении обычно 4-5 вт/г или 4-5 квт/кг ! При форсаже эд напряжением в 1.5-2 раза от номинала рекомендуемым производителем можно повысить пиковую удельную мощность до 7-10 вт/г при броске мощности на 2-3 секунды, но велика вероятность спалить мотор ,так как  выделяется много тепловой энергии омических потерь! 
Удельная тепловая мощность рассеивания мотора эквивалентна приращённой температуре Тпр(0.2вт/г=20грС-----0.5вт/г=50грС----1вт/г=100грС-----2вт/г =200грС) ----температура мотора это сумма температур воздуха и теплового приращения Тм=Тв+Тпр при среднем обдуве 15-20м/с----

омическое сопротивление мотора при тепловых потерях 1вт/г  увеличивается примерно в два раза при Тм=+120грС!!!
На практике при полезной загрузке  в 1вт/г  эд работает на дросселированном КПД=75-80% при модельной размерности----типичный  крейсер на дронах при 95% времени автожизни или щадящий режим эксплуатации электро-эму типа связки мотора, регулятора хода и аккумулятора и максимальном ресурсе.

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 полутократного запаса по моменту хватит 1.4 кг см типа 9 граммовой сервы !

На практике длина штанги от рулевой машинки до руля не более 100 мм -----так как этот элемент работает не только на растяжение, но и на сжатие и может потерять устойчивость!
 Обычно диаметр отверстия  на качалке изначально расчитан на данную силу толкания -----например 1мм это 1 кг силы----1.5мм уже 5 кг силы----2мм уже 16кг для стальной проволки типа велосипедной спицы!

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 диапозоне 1-10 ньютон или до 1кг силы удобны легкие модельные аналоговые электро сервоприводы массой 10-30 грамм обычно на 5-6 вольт!!!  
*2) при нагрузке до 10 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) удвоеной массе сервопривода в граммах при подруливании----2х50г это 100 ч
*3) утроеной 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 седьмая поршневого двс в грамм на среднем газу ---350г/7 это 50ч 
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 беспилотиков по скорости,дальности,высоте или глубине основываются на пределе сопромата конструкций ---например


горный кинетический планер может развить скорость в вертикальном пикировании в 750 км/ч--- при выходе из пике перегрузка достигает 40же!!!

скорость на моторе в горизонте для электрогонок 450 км/ч!!!

непрерывный полёт модели планера на ру трое суток!!!

высота подъёма коптера 8км!

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 меньше по причине ресурсности---потому что все рекорды дронов на грани износа и сразу списываются!!!