Механика-ликбез

механика бпла самолётного типа.

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

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

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

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

1) слабозаряжен 60вт/кг или малый Кзар=Т х Кскор=0.6 =0.4х1.5=0.3х2.0 типичен для мотопарапланов ---

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

3) сильнозаряжен 160 вт/кг или Кзар=1.6=0.53х3=0.64х2.5=0.4х4 для многоместных ла----

4) суперзаряженный 250вт/кг или Кзар=2.5=1.0х2.5 =0.83х3= 0.5х5 для пилотажных и гоночных ла!

механическую мощность легко посчитать как Рм(вт)=Кзар х вес(н) х скорость сваливания(м/с)!

Кстати из формулы Кзар=Т х Кск=0.3х3.3=1 можно быстро летать при небольшой мощности, но слабой тяговооруженности имея маленький скоростной винт с Н к 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 Кзар= 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 Kскор=(T AKмах) Kскор!!! где Т=Fст/(mg)--тяговооружённость

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

а у полноразмерной авиации Кскор=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 в с) и делить на потребляемую мощность (вт)-----физический смысл это функция обратная ускорению торможения 1/(м в с2)всех потерь, чем ниже торможение тем выше этс!

ЭТС=1/а=mv/Pпот=КПДвмг АКмах /(Кскор)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

• 1) у мультироторных коптеров больших размеров всего 0.1-0.15
• 2) у вертолёта типа робинсон 0.15-0.2
• 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

• 1) квадрокоптер 0.05-0.07
• 2) вертолет 0.07-0.1
• 3) самолет-моноплан 0.15-0.25
• 4) лк-бесхвостка 0.1-0.15
• 5) мотопланер 0.25-0.35
• 6) конвертоплан и автожир 0.1-0.15

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!

Перегрузку на самолёт в вираже удобно расчитать как произведение тяговооруженности на максимальное АК -----Кперегруз=Ктяг хАКмах-----например 0.7х10=7 единиц же!!!

У крылатых бпла показательна характеристика как произведение полного кпд движителя на текущее Аэродинамическое Качество Ка= КПД х АК ---- эта функция напрямую связана с этс ла ! например---- у модели самолета кпд винта около 60% или 0.6 и текущее АК=1.25 АКмах/Кскор, где АКмах приближенно равна удлинению крыла и относительный запас скоростей равен 2.5 -----тогда Ка=0.6х1.25х6/2.5 =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 гуффи, 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!

сопротивление движению в среде

• 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 планирования на максимальном аэрокачестве и до 3.5-4 этих скоростей сила общего сопротивления растёт пропорционально скорости полёта

Kск=Vполёт/Vпланир, а моща во второй степени ! Максимальная воздушная скорость горизонтального полёта Vгор=0.73Vтеор, где  теоритическая скорость потока холостого  хода   Vтеор= Hвинт х f хх=HKххUакку!!!

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  Kск=(Vполёт/Vпланир)1.5  и Vгор=0.62Vтеор !!!

У ла с вогнутовыпуклым профилем типа птичьего лобовое сопротивление растёт в квадрате от скорости полёта Kск=(Vполёт/Vпланир)2 и Vгор=0.51Vтеор!!!

• 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! У модельной кубатуры до 30 см3 кпд двух-тактников не превышает всего 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 ! КПД модельных турбин не превышает 10%. 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!

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 безколлекторных 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 (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 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 0.6кг/м3 х 0.02м2 х 33м/с х 33м/с=12 ньютон=1.2кг 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 12н х 0.4 х 0.05м=0.24н м или 2.4 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 0.8 кг см------с учетом двухкратного запаса по моменту хватит 1.6 кг см типа 10 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 3 кг силы----2мм уже 8кг для стальной проволки!

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 ---1/7х350г 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