Орнитоптер. Ответы на вопросы

в 10:22, , рубрики: мультикоптеры, орнитоптер, ответы на вопросы, транспорт будущего, метки: ,

Первые две статьи вызвали большое количество вопросов и скептических замечаний на которые я отвечу в этой. Все данные используемые в данной статье являются итогом анализа испытаний и выкладками общей теории полета махолета.

1. Зачем он нужен? Эффективен ли он?

Эффективность любого транспортного средства можно оценить только в условиях схожей задачи, близких характеристиках, и только сравнительно.

Например, если взять характеристики нашей модели и сравнить с одноклассниками по взлетному весу (вертолет «Ворон 333» и «Дозор-50»), то даже не сравнивая транспортную задачу очевидно, что она в сравнении не эффективна, просто из-за малой полезной нагрузки которую способна нести (5 кг). Поэтому, да, приведенная на видео модель не эффективна, и скажу больше, она проектировалась исключительно, как экспериментальный стенд предназначенный для демонстрации реализации машущего полета и изучения его особенностей, поэтому ожидать от нее качественных показателей — наивно.

Возможно ли сделать эффективный махолет? Для ответа на этот вопрос следует рассмотреть то, что мы уже наработали.

  • Механика и инерция. Махолет с кривошипно-шатунным приводом не возможно создать массой более 40 кг. Это легко доказать: дело в том, что передача усилий на крыло в случае кривошипно-шатунного механизма такова, что в крайних точках траектории крыло обладает огромной энергией которая гасится деформацией корпуса и крыла. Перегрузка на кончике крыла при этом достигает 20g. Все это сказывается на ресурсе и прочности, а значит весе. При этом инерциальные нагрузки растут пропорционально четвертой степени линейного размера, прочность пропорционально второй, а это значит, что эти кривые имеют точку пересечения после которой махолет просто невозможно построить. Т.е. кривошипно-шатунный привод совсем не подходит для махолетов, следовательно нужно искать другие способы осуществления машущих движений более энергоэффективные, это мы и постараемся реализовать на новой модели. Реализация нового привода позволит оценить на сколько эффективен может быть махолет с энергетической точки зрения, т.е. каков КПД данного вида привода и может ли это быть интересно с точки зрения коммерческой эксплуатации. Второй задачей нового привода является доказательство того, что можно снять барьеры связанные с негативными инерциальными эффектами, а именно сделать пилотируемый махолет. И третья задача это минимизация вибраций и колебаний, т.е. будут ли махолеты комфортны для людей.
  • Аэродинамика и динамика. Вот тут все намного сложнее. Чтобы разобраться, как повысить аэродинамическую эффективность нужно хорошо разобраться в том, как именно создаются аэродинамические силы крылом махолета, а в отсутствие аэродинамических труб, дымовых стендов и тензодатчиков это весьма не просто, поэтому на новой модели предусмотрена возможность менять большое количество параметров маха для подбора углов и частот для каждого режима полета. Но уже сейчас следует говорить, что у махолета не плохие аэродинамические характеристики: качество К=10-12, Сy достигает 4-х на больших углах атаки.

Т.е. потенциально махолет можно сделать достаточно эффективным, если удастся сделать энергоэффективный надежный привод и максимально использовать особенности аэродинамики машущего крыла. Этим мы и займемся на новой модели.

2. Где старая модель, можно ли ее посмотреть и что это за история с проф. Киселевым?
Коротенько расскажу полную историю того, как мы строили махолет.

Свой первый махолет я построил в 12 лет. К 16 я придумал схему с которую с консолями двигающимися в противофазе. Как выяснил позже эту схему использовали и Киселев В.А. и Топоров В.М.

В 2004-м я поступил в МАИ, где судьба меня свела с уважаемым профессором Киселевым В.А., который занимался махолетами. Я начал работать на него по сбору модели в 22кг, так как эта тема меня очень интересовала, к тому же я был неплохим моделистом.

Работы над моделью велись с 2005 по 2010 разными командами, в одни я входил, в другие -нет. Но результат всех попыток был один — модель совершала пробежки, но не показывала и намеков на полет. А еще она ломалась с катастрофическим постоянством. Узлов хватало максимум на 2-3 пробежки. При этом всем, руководитель проекта не вносил в модель ни каких изменений.

В 2011м Валентин Афанасьевич находит очередного спонсора и он нанимает меня и Шуваова Д.Г. для работ над проектом. Мы еще год занимались тем же, что последние 5 лет. В итоге спонсор принял решение отказаться от работ по данному проекту. Он забирает построенную на его деньги модель. После некоторых размышлений мы решили предложить спонсору за минимальный гонорар сделать модель так, как нам виделось правильным. В итоге через пол года мы совершаем первый неуверенный полет — модель плохо управляется и не набирает высоту. В силу своей неопытности мы решаем, что дело в аэродинамике и переходим к созданию секционных крыльев.

Самое удивительное, что нам удалось реализовать работу секционных крыльев с достаточно высокой надежностью, однако мы столкнулись с тем, что привод ни как не справлялся. Сначала мы грешили на аэродинамические нагрузки. Но позже, по характеру деформаций кривошипов мы выяснили, что все дело в инерции. Т.е. мы долгое время базировались на теории проф. Киселева (доказанной между прочим), что максимумы аэродинамических и инерциальных сил находятся в разных точках траектории крыла и не суммируются — это оказалось в корне не верно — они суммируются и еще как.

В связи с этим мы пересмотрели конструкцию крыльев и привода и постарались минимизировать инерциальные нагрузки. В итоге мы вернулись в исходную точку. Аппарат отрывался, но не управлялся и не хотел набирать высоту. После нескольких испытаний с разными углами и частотами нам удалось выяснить в чем причина — в динамике, а точнее в аэродинамическом фокусе крыла махолета. Он оказался не там, где должен был быть по предположению. Отсюда и отсутствие управляемости. В итоге мы доработали модель согласно нашим расчетам и нам наконец-то удалось реализовать полет. Т.е. большинство теорий проф. Киселева оказались не верными. Начиная от оптимальных углов полета и заканчивая динамикой. Тем не менее теории профессора дали базис, хоть и не верный, от которого мы смогли оттолкнутся, за что ему огромная благодарность и уважение.

По итогам испытаний мы уверяли спонсора, что требуются глубокие исследования аэродинамики, динамики и механики полета, чтобы двигаться дальше однако ему хотелось сразу перейти к постройке пилотируемого аппарата. Безусловно мы отказались от участия в этом безумии. В итоге модель осталась у него, а у нас остался опыт.

В течении двух лет я пытался разрешить те проблемы, которые выявились в проектировании махолета и параллельно собирал коллектив инженеров для реализации разных проектов.
В итоге, как мне кажется, мне удалось найти решение всех противоречий. Для постройки модели была проведена компания на Бумстартере, но она не дала ни каких результатов.

В итоге нашей командой было принято решение о самостоятельной разработке модели с минимальным привлечением сторонних средств. Что мы сейчас и реализуем.

3. Что я делаю в сообществе Гиков?

Сразу скажу — нет желания пиариться. Есть желание найти людей желающих поучаствовать в проекте или всерьез позаниматься темой.

Так же очень нужны хорошие фрезеровщики и токари. Не откажусь если кто-то попробует сделать продувки махолета с помощью МКЭ в FLUENT или любой другой программе. В двойне буду рад если кто-то возьмется разобраться в аэродинамике, моих выкладках и теориях — используйте материалы для написания кандидатских и дипломов — не жалко.

Я конструктор, а не аэродинамик, не динамик, не экономист — все эти отрасли мне нужны только для того, чтобы разобраться имеет ли махолет право на существование или это не более чем игрушка. Поэтому уровень моей квалификации в этих отраслях ровно такой, чтобы понимать основы и принципы.

4. Как он летает?

На этот вопрос проще всего ответить так:
Представьте траекторию винта — это спираль. Так как винт тянет за собой самолет, то его спираль более сжата, чем полный шаг винта.

Орнитоптер. Ответы на вопросы - 1

Теперь давайте возьмем и развернем спираль и сложим ее так, чтобы она представляла собой гармонику.

Орнитоптер. Ответы на вопросы - 2

Тогда получается, что с помощью плоскости мы способны создавать и тянущее усилие и подъемную силу в любой момент траектории, но с разными абсолютными значениями. Например при подъеме вверх крыло больше создает подъемную силу, а при опускании вниз — тягу.

Орнитоптер. Ответы на вопросы - 3

Т.е. идеальное крыло махолета должно в каждом сечении иметь к потоку оптимальный угол или хотя бы находится в зоне стационарного обтекания. Но в случае с жесткими крыльями, только небольшая зона в зависимости от скорости аппарата находится в зоне стационарного обтекания большая же часть крыла находится в зоне срыва потока. И теперь если мы рассчитаем показатели подъемной силы и тяги для жесткого крыла движущегося по гармонике, окажется, что сопротивления такие взмахи создают больше, чем тяги, т.е. согласно классической аэродинамике наша модель не может лететь. Она должна большую часть энергии тратить на бесполезное создание вихрей. Однако она летает. Поэтому мы сделали предположение, что в следствии неравномерности движения крыла возникает эффект локального повышения вязкости воздуха и срыв задерживается до углов в 40-50 градусов достигая Cy =5-7. Однако это только гипотеза. Дальнейшее исследование может показать на сколько она верна.

Теперь к критическим замечаниям.

«Зачем этим заниматься и так ясно, что это полная ерунда.»

Тут ответ прост — тема не паханная, вдруг в ней зарыто, то чего ни кто не ожидает.

Видите ли нестационарная аэродинамика весьма не предсказуема, а наши данные показывают, что крыло махолета практически целиком находится в нестационарном потоке, без признаков ламинарного обдувания, при этом размер вихрей очень различен по размаху. При этом махолет летает и не сказать, что совсем ужасно. Возможно в аэродинамике махолета кроется ключ к улучшению аэродинамики всех летательных средств. В любом случае, как любая мало изученная тема, машущий полет очень интересен.

«Нужно все сделать по другому»

Если вы способны не просто родить идею «как нужно», а математически ее описать, рассчитать и показать ее состоятельность базируюсь на известных законах — мы будем очень рады и готовы воплотить ваши задумки.

«Это не наука, это игрушка»

Мы не претендуем на звание ученых, поэтому пусть это будет просто наше хобби — махолетостроение.

Спасибо всем, кто остался не равнодушен к теме, как только у нас будут данные по новой модели — обязательно поделимся. Если кто-то хочет присоединится к проекту — пишите в личку.

Автор: Ayasmarsa

Источник

Поделиться

* - обязательные к заполнению поля