ГлавнаяРегистрацияВход МАХОЛЁТ (ОРНИТОПТЕР) Пятница, 14.12.2018, 14:18
  ГЛАВА IV АЭРОГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ МАШУЩЕГО КРЫЛА (часть V) Приветствую Вас Гость | RSS

 
 

4.9 Возможность висячего полёта для махолёта.

 

По другому висячий активный полёт называют зависанием в воздухе, трепещущим. У животных – машущих летунов: насекомых, перепончатокрылых, птиц – это проявление качеств высшего пилотажа.

Для начала проанализируем схему обращения лопасти по круговой траектории с подчинением целям зависания системы. Перебор различных вариантов положения лопасти на траектории, применительно к маневру зависания, приводит к более – менее целесообразной схеме, см. рис. 4.38.

Условная хорда омахиваемой кривой располагается горизонтально ε=ε;          О – центр обращения лопасти; р – подъёмная сила действующая на систему.

При внимательном рассмотрении схемы замечаем, что в точках расположенных по бокам траектории (т. т. 3 и 9), подъёмная сила будет равна нулю, т.к. угол атаки равен нулю.

 

Рис. 4.38 Схема действующих на лопасти сил в момент обращения по круговой траектории при зависании.

 

Максимальной она будет на пронирующей лопасти в т. о и на супинирующей в т. 6.

Параллелограммы разложения сил показывают векторную направленность возникающих усилий при работающем движителе: здесь G – вес сиcтемы;                Y – подъёмная сила действующая на лопасти; X – сила лобового сопротивления движущийся лопасти; она уравновешивается силой тяги – Т; R – реакция от работающей лопасти.

Так как значительные участки траектории по данной схеме остаются «не обеспеченными» подъёмной силой, то, надо признать, что она не работоспособна. Схема может оказаться пригодной для аппарата тяжелее воздуха при условии многолопастного исполнения. А это – крыльчатый движитель. Как представляется, в этом случае крыльчатым движителем можно осуществлять маневр зависания неподвижно в точке, а так же маневры перемещения по четырём различным направлениям: вверх, вниз, вперёд и назад, см. рис. 4.39 а,б,в,г,д.

 

Рис. 4.39 а,б,в,г,д Работа крыльчатого движителя при осуществлении маневров перемещения системы и разложение действующих сил – векторов: Q – сила тяжести; P – сила упора лопастей; T – сила тяги; ON – эксцентриситет; N – полюс;      О – центр вращения.

 

а – эксцентриситет полюса N =0, при этом реакция сил упора от крылышек Р=0. Система, находящаяся в воздухе получит ускорение под действием силы тяжести Q вниз. Работа вхолостую;

б – эксцентриситет ON=1. сила упора Р создаваемая работающими лопастями больше силы тяжести Q системы. При Q=1, а P>1 получим ускорение вертикально вверх. При Q=1 и Р=1, т.е. при Q=P получим режим зависания в воздухе неподвижно в одной точке;

в – эксцентриситет ON=1. Сила упора Р – отрицательна, Р=1. При этом сила тяжести и сила упора складываются, т.е. N+P=2. Система, находящаяся в воздухе получит ускорение при падении вниз, т.е. момент может быть использован при экстренном снижении аппарата.

г – эксцентриситет полюса N=1. Сила упора Р=1 и направление вверх и вперёд. Сила тяги Т направлена вперёд (влево). Система получит движение вперёд с поддержанием её на весу.

д – эксцентриситет полюса N=1. Сила упора Р=1 и направлена вверх и назад (вправо). Сила тяги Т направлена вправо. Система получит движение назад с поддержанием её на весу.

В варианте с крыльчатым движителем круговая траектория с успехом может быть использована для целей зависания. Важно лишь чтобы число лопастей на одном плече было не менее двух. (См. рис. 1.3. Приводное устройство лопастей модели махолёта Панкевича).

Любопытно взглянуть на свойства вытянутой омахиваемой кривой на условие зависания. Берём произвольно кривую II группы – эллипс. Если такую кривую расположить хордой горизонтально, то при соответствующей ориентации омахивающей лопасти достигается весьма равномерное абсолютное значение подъёмной силы как по верхней, так и по нижней ветви омахиваемой траектории.

На рис. 4.40 представлены два варианта омахивания в режиме висячего полёта. По схеме рис. 4.40а на верхнем участке кривой лопасть работает на создание подъёмной силы – (Р) брюшком (пронирующая лопасть). Циклический угол перекладки лопасти на противоположных ветвях кривой и на противоположных вершинах очень большой ≈180˚.

 

Рис. 4.40 а,б Две схемы омахивания эллипса в режиме висячего полёта: а – передней кромкой лопасти только вперёд по периметру; б – половина периметра омахивается передней кромкой вперёд, другая половина задней кромкой лопасти вперёд.

На нижнем участке эллипса лопасть работает спинкой (супинирующая лопасть). При этом качество крыла упадёт. В вершинах эллипса (т.т. 0 и 4) будет наблюдаться падение абсолютной величины подъёмной силы до нуля, т.к. здесь не создаётся вертикальной подъёмной силы.

По схеме рис. 4.40 б вся кривая омахивается пронирующей лопастью: верхняя ветвь носиком вперёд, а нижняя хвостиком профиля вперёд. Максимальный циклический угол перекладки лопасти здесь находится в пределах 60˚. Эта схема выгоднее отличается от предыдущей ещё и отсутствием провальных участков подъёмной силы в зонах вершин (т.т. 0 и 4). Таким образом, эта схема более приемлема для режима висячего полёта.

К сожалению, только что высказанная уверенность тут же опрокидывается при рассмотрении эпюр моментов сил возникающих от сил упора работающей одиночной лопасти (m0 и m1). Возникновение в системе положительных крутильных моментов нами уже рассматривалось в параграфе 4.6 этой же главы (см. рис 4.29). Там же отмечалось, что величина кабрирующего момента будет тем больше, чем больше миделево сечение кривой. В рассматриваемом случае миделево сечение эллипса приходится на место большой оси симметрии (ε – ε, т.т. 0 и 4).

При условии расположения центра тяжести впереди машущих лопастей, моменты m0 и m1 будут периодически сообщать импульсы моментов, стремящихся развернуть аппарат снизу вверх. Ритмичная периодичность раскачки очень быстро приведёт к кабрированию и полной потере устойчивости системы в воздухе.

Следует добавить, что к трудностям аэродинамического характера добавятся трудности конструктивные. Здесь проблема в механизме переориентации установочного угла атаки лопасти.

В тупиковой ситуации приходится искать другие пути осуществления идеи. Неминуемо свой взор обращаем к природе: «подскажи», «научи»!

В тропических лесах водится крошечная птичка, питающаяся нектаром цветков. В своё время она привлекла к себе внимание биоников своим особым, отличным от других птиц, способом махания во время зависания над цветком. Омахиваемая траектория у этой пичужки – кривая четвёртой группы, лемниската – 1 с дифферентом на горизонтальное положение. Сохранять равновесие тела в режиме висячего полёта птичке, надо предполагать, помогает гироскопический эффект, если учесть, что она совершает до 70 взмахов в секунду. К этому добавим: отогнутый вниз хвост. На хвост направляется струя потока воздуха от работающих крыльев. Ситуация устойчивости создаётся: с одной стороны – это подъёмная сила крыльев, а с другой – это сила реакции отбрасываемой хвостом струи, рис. 4.41.

Полный цикл махания у колибри, в момент зависания, складывается из двух тактов – такта пронации и такта супинации. В вершине траектории, впереди происходит перекладка лопасти на 180˚. Благодаря чему крыло по траектории постоянно движется передней кромкой вперёд. Потерю качества крыла птичка, видимо, компенсирует за счёт увеличения угла атаки на супинирующей лопасти.

Рис 4.41 Положение омахиваемой траектории и лопасти правого крыла относительно тела птички колибри в момент зависания.

 

Проанализируем ещё раз режим работы лопасти при разных вариантах обращения для основной кривой IV группы – лемнискаты – 1.

На рис. 4.42 приведены две целесообразные схемы работы лопасти в режиме висячего полёта.

 

Рис. 4.42 а,б Две схемы омахивания лемнискаты – 1 в режиме висячего полёта: а – движение лопасти по траектории постоянно передней кромкой вперёд; б - один такт полного цикла омахивания осуществляется движением передней кромки вперёд, а другой такт – движением задней кромки вперёд.

 

По схеме рис. 4.42 а лопасть начинает движение с супинации (т.т. 1,2,3), затем после перекладки на другой циклический угол атаки в т.4 наступает пронация. Угол перекладки превышает 180˚.

На схеме рис. 4.42 б лопасть работает при сплошной пронации. Циклический угол перекладки по этой схеме не превышает 90˚.

Схема 4.42 б могла бы быть предпочтительной для махолёта, если бы отсутствовали положительные крутильные моменты, см. эпюры m0 m1. В то же время схема не приемлема для птицы хотя бы по той причине, что привела бы к взлохмачиванию оперения крыльев, т.к. часть траектории проходится задней кромкой крыла вперёд.

Видимо не случайно, замеченные недостатки не позволили многим видам летунов освоить рассмотренный способ зависания в воздухе с помощью машущих крыльев.

Даже такие мелкие птицы как семейство воробьиных пользуются другим способом зависания с помощью трепещущих крыльев. Особенно хорошо освоен такой способ у хищных птиц, т.к. им часто приходится высматривать добычу с воздуха.

Упомянутый способ основан на переводе машущих крыльев на режим трепетания с малой амплитудой, рис .4.43.

В безветрие птица обязательно подгибает хвост под углом до 1/2π рад относительно горизонта, рис. 4.43 а.

В ветреную погоду птица предварительно маневрирует, ориентируясь головой на ветер, не подгибая хвоста, начинает трепетать крыльями, рис. 4.43б.

Последний способ наиболее подходящь для махолёта. В нём отсутствует «миграция центра давления» на крыле, в отличие от горизонтально расположенной хорды омахиваемой траектории.

 

Рис. 4.43 а,б Два случая зависания в воздухе озёрной чайки: а – зависание с помощью трепещущих крыльев в безветрие; б – зависание с помощью трепещущих крыльев при ветре.

 

Можно привести ещё ряд примеров из живой природы и, в частности, среди летунов насекомых встречаются подлинные виртуозы. Не имея хвоста, не меняя дифферент хорды омахиваемой траектории они успешно зависают в безветренную погоду. Вызывает интерес висячий полёт у четырёхкрылых насекомых – стрекоз. У них он  отличается устойчивостью и лёгкостью достижения за счёт интерференции воздушного потока.

К сожалению, наука не поставила нам сведений из аэромеханики полёта насекомых и птиц в достаточном объёме.

4.1 – ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Висячий полет можно осуществить за счет отражения отходящего от крыльев потока вниз хвостовым оперением.

4.20 – ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: В ветреную погоду висячий полет можно осуществить без подгибания хвостового оперения, подбором и регулировкой «угла атаки» крыла.

При этом аппарат ориентируют предварительно головой против ветра.

4.21 – ОРГАНИЗУЮЩИЙ ПРИНЦИП: Висячий полет возможно осуществить за счет интерференции (взаимодействия) волн потока переднего и заднего крыла у четырехкрылого аппарата.

 

4.10 Геометрические параметры машущего движителя.

 

 Геометрические параметры движителя складываются из:

1.     Характеристик крыла в плане.

2.     Характеристик крыла во фронт.

3.     Характеристик крыла в профиль.

4.     Характеристик махания на старте для моноплана.

5.     Характеристик махания на старте для полипланов.

6.     Фронтальных геометрических характеристик махания для моноплана.

7.     Полётных геометрических характеристик махания.

Характеристики крыла условно разделяются на геометрические и аэродинамические.

К геометрическим характеристикам относятся: форма крыла в плане, его площадь, размах, удлинение, углы атаки, сужение, стреловидность.

 

1. Характеристики крыла в плане.

 

Рис. 4.44 Схема для характеристик крыла в плане: размах крыла L – расстояние между концами крыла. Удлинение крыла λ – определяется для крыльев любой формы в плане выражением λ=L2/S, где S - площадь крыла, характеризующая несущую способность крыла. Для прямоугольного крыла λ=L/b. Сужение крыла η – отношение корневой хорды b0 к концевой bk, т.е. η=b0/bk. Продольная стреловидность крыла. Её измеряют в плане по линии четвертей хорд χ или по передней кромке χпер. На рисунке изображена положительная стреловидность по отношению к направлению полёта, НП.

ФОРМА КРЫЛА В ПЛАНЕ

Рис. 4.45 Семь вариантов правого крыла в плане: а – трапециевидное;

б – эллиптическое; в – с полуэллиптической задней кромкой и с отрицательной стреловидностью; г – с полуэллиптической передней кромкой с положительной стреловидностью; д – эллиптическое с изломом стреловидности, или с двойной стреловидностью; е – эллиптическое с лепестковой оконцовкой или с рассечением в вершине; ж – треугольное каркасное.

 

Конструктивно – технологические соображения могут определять другие варианты формы.

При наличии продольной изменяемой стреловидности изменяется отношение толщины профиля к величине хорды, построенной по направлению воздушного потока. Возникают так же аэродинамические проблемы балансировки, связанные с изменением положения крыла.

 

2. ХАРАКТЕРИСТИКИ КРЫЛА ВО ФРОНТ.

Рис. 4.46 Схема для характеристик крыла во фронт:

 

 Поперечная стреловидность крыла. Её измеряют на фронтальной проекции углом φ между фронтальной хордой крыла и линией горизонта. Если угол располагается над линией горизонта, то он положительный φ>0, если под линией горизонта, то – отрицательный φ<0.

Кривизна на размахе крыла. Её измеряют на фронтальной проекции «стрелой прогиба» - fp; расстоянием между наиболее удалёнными точками между фронтальной хордой крыла и средней линией толщины лопасти. Расположенная над хордой кривизна принимается положительной fp>0, если же под хордой – кривизна отрицательна fp<0.

Положение кривизны на размахе крыла. Её отмеряют от оси симметрии размаха крыла до места максимальной кривизны Lf.

Если стреловидность по размаху крыла не одинакова, то вводят понятие положение стреловидности на размахе крыла Lφ. Её отмеряют также от оси симметрии размаха крыла до вершины угла φ.

 

ФОРМА КРЫЛА ВО ФРОНТ

 

На фронтальной проекции крыло может отличаться формой. Характеризуется поперечной стреловидностью, её величиной, знаком числовой величины и положением на размахе лопасти. С применением плавно изогнутых форм вводится понятие как кривизна на размахе и положение кривизны на размахе.

 

Рис. 4.47 Семь вариантов формы левого крыла во фронт: а – прямое по размаху крыло с нулевой или с постоянной стреловидностью; б – основная часть крыла (около 80%) не имеет стреловидности, а концевая имеет положительную стреловидность; в – крыло с двойной поперечной стреловидностью, оба угла положительны;   г – крыло с двойной поперечной стреловидностью, где основная часть имеет положительный угол, а концевая – отрицательный угол стреловидности; д – изогнутая в корневой части с положительной кривизной и стреловидностью; е – фронтальная форма с двойным изгибом имеющая положительную кривизну и отрицательную стреловидность в вершине; ж – фронтальная форма двоякой кривизны, из которых одна положительна, а другая – отрицательна. Кроме того, крыло имеет положительную стреловидность, разумеется поперечную.

 
 
Форма входа

Календарь новостей
«  Декабрь 2018  »
ПнВтСрЧтПтСбВс
     12
3456789
10111213141516
17181920212223
24252627282930
31

Мини-чат

Наш опрос
Оцените мой сайт
Всего ответов: 39

Поиск

Друзья сайта



----------------- SEO services - site-submit.com.ua $$$ для web-мастеров

Статистика

Онлайн всего: 1
Гостей: 1
Пользователей: 0
 

© Zemlyanov.kz
Сайт управляется системой uCoz