Search in topic

Аэродинамика летающих крыльев

В новой версии программа XFLR5 v6 стала очень хорошим инструментом для анализа и изучения динамической устойчивости моделей. В коротком руководстве автора есть описание настройки (балансировка) модели и описание видов неустойчивости, таких как голландский шаг и спиральная неустойчивость.

Анализ устойчивости с использованием программы XFLR5 v6.
About stability analysis using XFLR5. Andre Depperrois

1. Три ключевые точки которые нужно отличать друг от друга.

ЦТ – (в программе XCmRef) центр тяжести. Центр относительно которого действуют моменты. Зависит только от распределения масс (не зависит от аэродинамики).
ЦД – (CP centre of pressure) центр давления. Точка приложения результирующей аэродинамической силы. Зависит от аэродинамики модели и угла атаки. (Нужно различать ЦД модели и ЦД отдельного крыла).
Фокус – (NP neutral point) условная точка, для которой момент тангажа не зависит от угла атаки. Предельно граничное положение для ЦТ (при более заднем положении ЦТ ЛА становится неустойчивым , если не используется электронная система стабилизации).

1. Устойчивость.

Механическая устойчивость.

Аэродинамическая устойчивость

1. Как найти положение фокуса модели в XFLR5.

Методом проб и ошибок подобрать положение ЦТ при котором график Cm горизонтален, Координата ЦТ равна координате Фокуса модели (Xcg=Xnp).

1. Запас устойчивости STM ststic margin.

STM = (Xnp – Xcg)/MACwing (где MAC – САХ средняя аэродинамическая хорда).

•      Положительный STM  – синоним устойчивости (обязательное условие).  
  

•      Чем больше STM тем больше устойчивость ЛА.
  

В статье не рекомендуются определенные значения STM –довольно много публикаций на эту тему. Каждый может иметь свои предпочтения в этом вопросе.

•      При известной координате фокуса (NP), значение ЦТ можно получить по формуле: Xcg=Xnp-STM\*MAC.
  

•      Положительное значение запаса устойчивости STM не гарантирует наличие подъемной силы и оптимизацию ЛА по эффективности (качеству).
  

1. Как выбрать положение ЦТ:

Способ №1: (самый практичный – работает всегда).

• забыть о программе XFLR5 ;
• разместить ЦТ в 30-35% САХ (MAC );
• проверяя бросанием рукой в высокую траву, смещать ЦТ назад до требуемого поведения модели на планировании.
  Для моделей ЛК:
• начать с положениея ЦТ 15% САХ (найти при помощи графического метода или программы);
• отклонить элевоны вверх на 5-10град;
• смещая ЦТ назад подбирать положение элевонов;
• закончить настройку проверкой в пикировании – Dive test (подробно описан дальше).

Способ №2: Доверять программе XFLR5.

• перечитать внимательно руководство к программе;
• найти положение фокуса модели (NP) – как описано выше;
• выбрать значение запаса устойчивости STM – положение ЦТ, в зависимости от желаемого результата в сравнении с характеристиками модели (наклон графика Cm=f(α)), устойчивость которой вас устраивает.
• Установить ЦТ немного вперед от желаемого и дальше настраивать его положение по Спосбу №1.

6. Проверка условий устойчивости с использованием графиков XFLR5.

7. Следствия различного установочного угла стабилизатора (для ЛК соответствует величине угла крутки и отклонения элевонов вверх).

• Для получения подъемной силы крыло должно иметь некоторый, обычно не нулевой, угол атаки;

• Требуемый угол получается балансировкой моментов подъемных сил крыла и горизонтального стабилизатора относительно ЦТ;

• Возможны три варианта балансировки:

  1. Отрицательный угол стабилизатора (отрицательная подъемная сила на стабилизаторе).
  2. Нейтральное положение стабилизатора (нулевая подъемная сила на стабилизаторе).
  3. Положительный угол установки стабилизатора (положительная подъемная сила стабилизатора).

В следующей части продолжение о динамической устойчивости в программе XFLR5.

Анализ устойчивости и управляемости в XFLR****5.
Кроме настройки модели по балансировке в целях устойчивого полета с высоким качеством, необходимо чтобы модель была динамически устойчивой и хорошо управляемой.

• Устойчивость это характеристика поведения модели в свободном полете.
• Управляемость это степень реакции модели на команды пилота.
  В XFLR5 v6 добавлена опция для оценки этих характеристик модели.

Статическая и динамическая устойчивость.

Устойчивость ЛА.

• устойчивое состояние для ЛА может быть определено как: постоянная скорость, угол атаки, угол крена, угол тангажа, направление полета и высота;
• трудно представить все это в комплексе;
• случайные порывы ветра или управляющие воздействия пилота выводят ЛА из устойчивого состояния.
• цель анализа устойчивости и управляемости в том, чтобы оценить динамику во времени поведения ЛА после таких «возмущающих» воздействий.
  Естественные динамические режимы ЛА.
• После того как ЛА подвергся «возмущающему» воздействию, выводящему его из устойчивого полета, ЛА имеет тенденцию при возвращении в устойчивое состояние «отвечать» затухающими колебаниями в соответствии с его естественными динамическими режимами.
  Естественные режимы на примере камертона.

Естественные режимы в аэродинамике.
Пример: фугоид.

• Если модель имеет излишне переднюю центровку она склонна при отклонении от горизонтального полета к движению по «синусоиде».

Восемь аэродинамических режимов.
Продольная устойчивость - Longitudinal

•      Фугоид (два симметричных режима);  
  

•      Короткопериодические режимы (два симметричных режима).  
  

Боковая устойчивость - Lateral

•      Спиральный;  
  

•      Голландский шаг (два симметричных режима);  
  

•      Демпфирование по грену.  
  

Три из этих режимов хорошо известны:

•      Голландский шаг, спиральная неустойчивость и длиннопериодический фугоид.  
  

•      Остальные режимы обычно хорошо демпфированы и малозаметны.
  

Фугоид – режим медленного движения ЛА по «синусоиде» с обменом энергии между кинетичекой (скорость) и потенциальной (высота).
Имеет малую частоту, слабо демпфирован, может быть стабильным или не стабильным.

Механика фугоида.

При движении по траектории модель повторяет в цикле следующие этапы:
Снижение -> Разгон -> Увеличение подъемной силы -> Подъем ->Торможение -> Уменьшение подъемной силы -> Снижение
В движении по траектории фугоида, кажущееся направление потока воздуха изменяет направление. С точки зрения ЛА это изменение – внешнее воздействие. ЛА реагирует на это воздействие изменяя свое движение вдоль траектории фугоида. Это происходит потому, наклон кривой Cm=f(α) достаточно большой (передняя центровка) и ЛА не имеет большой инерционности по тангажу.

Dive test

Как это связано с ранее сказанным?
При слишком передней центровке :
-ЛА входит в режим фугоида;
-ЛА имеет высокую устойчивость;

• ЛА в фугоиде следует с постоянным углом атаки - как колесница (тележка) сохраняет свое положение по отношению к склону.
  При заднем положении ЦТ:
• ЛА менее стабилен (по отношению к порывам ветра);
• угол атаки в фугоиде не постоянен;
• режим фугоид исчезает;
• не известно как ЛА поведет себя в тесте на пикирование.

Спиральная неустойчивость.

• Не колебательный, медленный, плохо демпфированный режим.
  Вертикальный стабилизатор реагируя на изменение по крену или скольжение, отклоняет хвостовую балку вызывая постепенно увеличивающееся скольжение и крен, переходящее в спираль со снижением, заканчивающееся на земле.
  Требует вмешательства пилота или системы стабилизации, для предотвращения развития. (ЛК не подвержены или подвержены в меньшей степени).

Голландский шаг.
Комбинация характерного колебательного движения по крену – рысканию, со смещением фазы на Пи/2, слабо демпфированная.

В течение полета, воздействие в виде порывов ветра или управления от пилота вызывают комплексный ответ по всем режимам.

• Короткопериодические режимы и крен хорошо демпфированы и исчезают сразу.
• Фугоид и голландский шаг хорошо заметны для глаз.
• Спиральная неустойчивость требует периодической корректировки от пилота.
  Логично предположить, что продольная (longitudinal) и боковая (lateral) динамика не зависимы и их можно рассматривать по отдельности.

Переменные
Продольная - longitudinal устойчивость:
u = dx/dt –U0 изменение осевой скорости;
w = dz/dt вертикальная скорость;
q = dθ/dt скорость изменения угла тангажа;
θ (theta) угол тангажа.
Боковая – lateral устойчивость:
v = dy/dt изменение скорости полета;
p = dφ/dt изменение угла крена;
r = dψ/dt изменение угла рыскания;
ψ (phi) угол рыскания (направление).

Фактор демпфирования
ζ – (зета) безразмерный коэффициент.

ζ =1 критическое значение коэффициента демпфирования, при таком значении ЛА без раскачивания возвращается к стабильному состоянию.
ζ <1 слабое демпфирование,
ζ>1 ЛА возвращается к стабильному состоянию медленнее чем при ζ =1
При ζ <<1 частота динамического режима очень близка к натуральной частоте без демпфирования.
(на графике перепутаны цвета, в тексте правильно).
Локус Граф

Этот график есть визуальное представление частоты и демпфирования.
λ =σ1+iωN
ωN - натуральная круговая частота;
ωN/2π – натуральная частота;

σ1- константа демпфирования

Типичный Локус Граф.

Анализ в XFLR****5.
Для получения графиков «ответов» модели на возмущающие воздействия необходимо выполнить следующие шаги:

1. Создать или загрузить геометрию модели и рассчитать поляры используемых профилей;
2. Заполнить данные по инерционности:
   Вес крыла, фюзеляжа и других элементов,
   внести данные по дополнительным сосредоточенным весам: двигатель, аккумулятор, сервомеханизмы, балласт и т.д.
   проконтролировать получившееся положение ЦТ и массу модели.
3. Создать новый анализ устойчивости (аналогично как создается анализ поляры модели);
4. Произвести анализ для одного угла атаки;
5. Если нет критических ошибок, получить результаты в виде:

• 3D представления и анимации,
• Локус графа,
• Графиков динамических режимов ответов модели на заданные возмущения.

Оригинал статьи: …sourceforge.net/…/XFLR5_and_Stability_analysis.pd…

а есть ли инфа о крыльях с обратной стреловидностью имеется в виду модели. будем благодарны…

Есть еще незакрытая тема по стреловидным - управляющие поверхности и механизация. И хотелось бы сделать обзор по известным моделям стреловидных ЛК.
И на этом закончить на время сезона:) Хочу “вырезать” себе ЛК 1800 размахом, шаблоны для резки уже заготовил. Профиль PW75.

Хочу “вырезать” себе ЛК 1800 размахом, шаблоны для резки уже заготовил. Профиль PW75.

Сергей если не секрет, с каким профилем на законцовке? PW51?

• с какой хордой по длине?
  Вы будете использовать стандартную толщину для PW75 или будете модифицировать?
  спасибо!

с каким профилем на законцовке?

Мне нравится вариант с равномерной круткой и одним профилем разной толщины. PW75 как компромисс по меньшей минимальной скорости и лучшей устойчивости, в общем с учетом фюза и винглетов ухудшение качества по сравнению например с MH64 не существенное.
Крыло под FPV.

А еще одно не вырежете если попросить? 😃

Себе режу из строительного пенопласта под обтяжку бумагой и стеклом. Кинул информацию в личку.

Кинул информацию в личку.

был-бы признателен если и мне кинете в личку 😃

Поздравляю с Днем Победы! 9 мая сегодня.

В дневнике можно будет посмотреть, по FPV ЛК, если интересно.

Поздравляю с Днем Победы! 9 мая сегодня.

В дневнике можно будет посмотреть, по FPV ЛК, если интересно.

Посмотрел на крылья, вам просто позарез необходим пенорез с управлением от ПК
И вас поздравляю с днем Победы!

Сергей, выкладываю оцифрованный чертеж вашего показанного ЛК в формате DXF с указанием размеров в масштабе 1:1, а так же рекомендованный Вами профиль PW75 в формате DAT(1000 точек для всех 3-х файлов) для желающих построить ЛК при помощи ЧПУ пенорезки.
Постарался максимально удержать тот масштаб, который показан в топологическом эскизе выше, с учетом всех данных таблицы эскиза.
Большое спасибо Вам за все!Реально, очень признателен!Люблю быстрые крылья:)Этот как видно будет летать за 100км/ч.
У меня ВМГ будет спереди путем удлинения гондолы.
Конструкция шайб и размерность остается за автором ЛК народ!
Я могу предложить свой вариант в оцифрованном состоянии при таком запросе.

LK 1800mm.rar

Модель 1800мм ЛК для FXLR5 v6. К сожалению в старой версии файл не открывается.

wing_1800mm_00pw75_1.zip

в инете появляется всё больше моделей где винглет крепится не на крыле а за крылом. начинается с задней кромки. получается в этом случае винглет не препятствует перетеканию потока на крыле. а если добавим сюда срыв потока или завихрения с конца крыла то получается винглет стоит в мёртвой зоне. или здесь действуют другие силы…

Не путайте ВИНГЛЕДЫ (Шайбы ВИТКОМБА) с вертикальным оперением. Вингледы РАБОТАЮТ только будучи продолжением крыла, при этом должны иметь определенную геометрию, на вингледах нельзя устанавливать управляемые поверхности. Ваш пример описывает обычное вертикальное оперение, отодвинутое назад с целью увеличения эффективности.

Прочел все изложенное GreenGo, огромный труд, очень квалифицированно, много информации “между строк”, спасибо огромное.
Если разговор продолжите в технологической плоскости, с удовольствием присоединюсь. СПАСИБО.

очень квалифицированно, много информации “между строк”, спасибо огромное.

В общем то, я не автор всех статей. В основном, переводчик, хотя переводил конечно осмысленно, и иногда добавлял, что то от себя.

По продолжению, предлагаю теорию оставить здесь в “чистом” виде. Может кому то захочется, что то добавить, уточнить, задать вопрос.
Было бы интересно пообсуждать профили для ЛК. Кто какие использует и какие результаты. По конструкциям и технологиям ЛК можно создать еще одну тему. Мне пока еще особо нечем поделится в этом плане, сам бы почитал и поучился:)

Было бы интересно пообсуждать профили для ЛК.

Летающие крылья, настолько ТОНКАЯ штука, что обсуждения могут превратиться в безконечную полемику. В нашем клубе делают разнообразные крылья. По одним чертежам выполненные крылья. не всегда идентичны в полете (речь о парителях), анализ показал, что причин - большое число. Простые крыльья, для забавы, все летают сносно. Парители эффективнее с моторным взлетом. На леере требуют больших килей, хотя в полете кили не очень нужны. Настоящие вингледы тоже проблематичны на ЛК, причина - нелинейный и не пропорциональный рост сопротивления на концах крыльев при разворотах, связанный с непараллельностью “ушек”. При больших радиусах и развороту “по шарику” - вингледы не так критичны.

Летающие крылья, настолько ТОНКАЯ штука, что обсуждения могут превратиться в безконечную полемику.

Наверно Вы правы:) С Вашей точки зрения, это правильное направление, при выборе профиля для ЛК мотопланера (не парителя): максимальное качество на рабочем коэффициенте подъемной силы, близкий к нулю момент и минимальное сопротивление, за счет небольшой толщины профиля? Или, что то нужно добавить?

при выборе профиля для ЛК мотопланера (не парителя)

Мое мнение, также, субективное. Определившись с назначением ЛА (что он должен уметь), определяю параметры исходя из наличной полезной нагрузки. Зная приблизительную геометрию и удельную нагрузку, можно определиться с прочностью крыла. Для ЛК, особенно стреловидного, это важно, сохранение геометрии при эволюциях с возможными перегрузками. Отсюда и выявляется профиль, материалы, конструкция. Во втором приближении делаются более точные прикидки.(Описываю проектные мытарства, в соответствии с Вашим переводом). Есть еще способы проб и ошибок и слепого копирования. Небольшая толщина профиля не всегда оправдана. В конечном итоге качество ЛА определяется соотношением подъемной силы к сопротивлению (Су/Сх), компромис между этим критерием и прочностью дает максимальный результат.

Спасибо. Хорошо, что при уменьшении размеров и веса необходимая прочность уменьшается пропорционально и для 2м размаха, обеспечение прочности уже не сложная проблема (можно обойтись сосновым лонжероном), а для 1 метра достаточно одной потолочной плитки.

что народ скажет про форму такого крыла ,хозяин сказал что в сравнении с простым крылом имеет ряд преимуществ.

На фото есть еще оч интересное крыло - красное на заднем плане.Вот его бы посмотреть !!!