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 энерговооружённости 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 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
• 5) у вездехода 8-10
• 6) у лодки 20-25

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

Аэродинамическое качество планера

АК максимальное на прямую зависит от удлинения крыла, как соотношение несущей площади к квадрату САХ или размаха к ширине прямоугольного крыла! эмпирически для классических самолётов с прямым крылом АКмах=Как Куд, 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 не убираемым шасси и грузовым подвесом, вторые для зализанных планеров!

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

Кперегруз=Тст АКмах=Ктяги-----он же запас тяги, 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----то есть полноразмерный максидрон почти в 5.55 раз совершенней авиамодели бпла на моторном режиме при крейсере!

смотри статью "ЭТС-ликбез"

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 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 4-5 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!

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

У ла с вогнутовыпуклым профилем типа птичьего лобовое сопротивление растёт в квадрате от скорости полёта и Vгор=0.51Vо!!!

• 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 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 3.4 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%!

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 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 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 обратное горение-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"

Эд

Максимальная потребляемая удельная мощность бесколлекторных электро-двигателей типа аутрайнер при нормальной долгой эксплуатации и хорошем охлаждении обычно 3-4 вт/г или 3-4 квт/кг ! При форсаже эд напряжением в 1.5-2 раза от номинала рекомендуемым производителем можно повысить пиковую удельную мощность до 6-8 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 полтора раза при температуре обмоток +120грС!!!

На практике при полезной загрузке удельной мощности в 1вт/г эд работает на дросселированном КПД=75-80% при модельной размерности и мощностью тепловых потерь всего 0.2вт/г----типичный крейсер на дронах при 95% времени автожизни или щадящий режим эксплуатации электро-эму типа связки мотора, регулятора хода и аккумулятора и максимальном ресурсе.

более подробно смотри статью "предел электро ЭМУ"

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!

мой личный рекорд это полёт по видео-онлайн на пенопластовом лк размахом всего 690мм и массой 400г на удаление в 5км при высоте 500м над центром города!

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!!!

смотри статью "ЭТС"