CC BY
1
УДК 621.548
ПРОДОЛЬНАЯ УСТОЙЧИВОСТЬ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА С ЦИЛИНДРИЧЕСКИМ КРЫЛЬЧАТО-ВИХРЕВЫМ ДВИЖЕТЕЛЕМ
Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31
E-mail: bogdan.spotkav@mail.ru
В данной статье рассматривается продольный расчёт устойчивости беспилотного летательного аппарата с цилиндрическим крыльчато-вихревым движетелем
Ключевые слова: крыльчатый движитель, продольная устойчивость, БПЛА, лопатка, ротор.
In this article, the longitudinal calculation of the stability of an unmanned aerial vehicle with a cylindrical wing-vortex mover is considered.
Key words: vane mover, longitudinal stability, UAV, blade, rotor.
Введение. В настоящее время появились большие перспективы применения беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) для гражданских целей и многие страны мира стали активно заниматься разработкой и совершенствованием беспилотного транспорта. БПЛА - это беспилотный летательный аппарат, управляемый дистанционно. В нашей ранней работе был дан обзор применения БПЛА, в том числе для использования в сельском хозяйстве[1]. В данной работе рассматривается вопрос использования БПЛА с цилиндрическим крыльчато-вихревым движителем (ЦКВД).
Разработкой цилиндрических крыльчатых движителей занимались ещё в начале XX века, но данное направление не получило массового развития.[2]. Свое новое развитие летательные аппараты с цилиндрическим вихревым движителем получили в начале 2000г. [3]. На рис.1 представлены примеры прототипов летательных аппаратов с ЦКВД.
Б. В. Споткай*, М. А. Андреев, М.Г. Елизарева Научный руководитель - Г. Д. Коваленко
LONGITUDINAL STABILITY OF AN UNMANNED AERIAL VEHICLE WITH A CYLINDRICAL IMPELLER-VORTEX PROPULSION
B. V. Spotkay*, M. A. Andreev, M. G. Elizareva Scientific Supervisor - G. D. Kovalenko
Reshetnev Siberian State University of Science and Technology 31, Krasnoyarskii rabochii prospekt, Krasnoyarsk, 660037, Russian Federation E-mail: bogdan.spotkay@mail.ru
Рис. 1. Примеры прототипов ЛА с ЦКВД
Актуальные проблемы авиации и космонавтики - 2022. Том 2
1. В данной работе предлагается расчёт продольной устойчивости БПЛА с
цилиндрическим крыльчато-вихревым движителем массой 9,1 кг, разрабатываемый в
учебно-исследовательском центре «АИСТ» на базе института гражданской авиации и таможенного дела. На рис.2 представлена компоновочная схема БПЛА с ЦКВД.
Рис. 2. Компоновочная схема БПЛА с ЦКВД. 1 - рама, 2 - бак, 3 - система управления, 4 - ротор
Аэродинамические исследования движителя с ЦКВД предполагают обтекание потоком со скоростью 10 м/с, которое создаются на испытательном стенде карусельного типа. Схема стенда представлена на рис.3.
Рис. 3. Схема стенда карусельного типа: 1 - макет БПЛА, 2 - каретка, 3 - балка с тензометрическим
датчиком, 4 - стойка, 5 - противовес
Исходные данные для расчета продольной устойчивости сведены в таб.1.
Таблица 1
Исходные данные для расчета центробежной силы на стенде _
диаметр стенда Б 3 м масса стабилизатора т5 0,4 кг
радиус стенда Я 1,5 м масса бака т6 4 кг
масса макета БПЛА т1 9,1 кг число оборотов п 1,1 об/сек
масса системы управления т2 2 кг скорость обтекания V 10,362 м\сек
масса рамы т3 0,6 кг угловая скорость вращения стенда ю 6,9 рад\сек
масса ротора т4 2,5 кг масса лопаток т7 0,6 кг
радиус центра масс лопаток г 0,14 м площадь лопаток 8 0,045 м2м
мд = 1—;
2. Расчёт ЦБ силы.
F = mRoo2 = 9,1 х 1,5 х 6,92 = 64,9H
Расчёт осуществляется для определения продольной устойчивости на стенде.
Рассчитываем статический момент[4].
Строим координатную плоскость. Рассчитываем моменты относительно ротора.
M = mX,
где m- масса объекта, X - координата относительно оси ротора до объекта.
Мбак = m6*x = 40x0,22 = 8,8 Нм,
Мсу= m2*x = 20x0,18=3,6 Нм;
М стаб= m5*x = 4x0,22=0,88 Нм
Рассчитываем сумму моментов:
М бака+Мсу+Мстаб+М ротора=8,8+3,6+0,88+0=13,28 Н*М
Найдём координату центра масс относительно оси ротора из формулы:
2 M (всех моментов) = £ т*Хцм
Хцм=М^
Хцм=13,28\(40+20+4+25) = 0,149
Реактивный момент вращения Мд - действует только при движении и направлен всегда против движения.
dw dt
т /- л dw i1\
где J - момент инерции (м), — — угловое ускорение I —).
J = m7r2 = 0,012 кг*м2- момент инерции всех вращающихся масс (m7 - масса лопаток ротора, r - радиус центра масс лопаток).
Реактивный момент вращения Мд= 1,3Н/м
Для расчета аэродинамического момента Ма воспользуемся следующей формулой:
pv^
Ма = — CxSr = 0,11 Н/м; где, v - скорость вращения ротора, S - площадь лопатки, r -
центр масс лопаток.
Рассчитываем сумму моментов: Мд + Ма = 1,41 Н/м
Вывод: Динамический момент меньше, чем статический. Во время расчётов продольной устойчивости было установлено, что статический момент больше, чем динамический более чем в 10 раз. Решение данной проблемы - подгонка стабилизатора для уравновешивания моментов в процессе экспериментальных испытаний.
Библиографические ссылки
1. Гарцева Е. П., Елизарьева М. Г., Споткай Б. В. Анализ эксплуатационных параметров циклолета, применительно в сельском хозяйстве// Актуальные проблемы авиации и космонавтики [Электронный ресурс] : сб. материалов VII Междунар. науч.-практ. конф., посвящ. Дню космонавтики (12-16) апреля 2021 г., Красноярск): в 3 т. Т. 2.
2. https://sudoremont.blogspot.com/2014/08/krilchatie-dviiitely.html (дата обращения: 27.03.2022).
3. https://building-tech.org/Транспорт/cyclotech-pokazal-perviy-polet-svoego-prototypa-uny-kalnogo-letatelnogo-apparata-vertykalnogo-vzletposadka-evtol (дата обращения: 01.04.2022).
4. Межецкий Г.Д. Сопротивление материалов: Учебник / Г.Д. Межецкий, Г.Г. Загребин, Н.Н. Решетник; под общ. Ред. Г. Д. Межецкого, Г.Г. Загребина.- 5-е изд., - М. 2016.- 432с.
© Споткай Б. В., Андреев М. А., М.Г. Елизарева., 2022
