Aerodynamika lotu - podstawy.pdf - Dokumenty o homo - klaudiusz.2

PODSTAWY AERODYNAMIKI

Aby lepiej zrozumieæ jakie si³y i zjawiska dzia³aj¹ na model w czasie lotu musimy zapoznaæ siê z podstawowymi

prawami aerodynamiki i mechaniki lotu.

Na ka¿dy model poruszaj¹cy siê w powietrzu dzia³aj¹ pewne

si³y fizyczne, które decyduj¹ o jego zdolnoœci do lotu, aby

model lata³ poprawnie (statecznie) musz¹ siê wzajemnie

równowa¿yæ.

si³a noœna

obszar podciœnienia

Strugi powietrza

op³ywaj¹ce skrzyd³o

Si³y dzia³aj¹ce na model w czasie lotu

obszar nadciœnienia

zjawisko powstawania si³y noœnej

SI£A NOŒNA - pojawia siê w wyniku powstania ró¿nicy ciœnieñ nad i pod skrzyd³em poruszaj¹cym siê w powietrzu,

nad skrzyd³em powstaje podciœnienie (mniejsze ciœnienie) , natomiast pod skrzyd³em nadciœnienie (wiêksze ciœnienie).

Si³a noœna skrzyd³a pozwala na utrzymanie siê modelu w powietrzu.

Wielkoœæ si³y noœnej zale¿y od nastêpuj¹cych czynników :

Prêdkoœæ lotu - si³a noœna roœnie do kwadratu prêdkoœci z jak¹ porusza siê model, oznacza to ¿e jeœli model bêdzie siê

porusza³ dwa razy szybciej, to na skrzyd³ach powstanie cztery razy wiêksza si³a noœna.

Powierzchnia noœna - powierzchnia skrzyde³ , od jej wielkoœci zale¿y

prêdkoœæ modelu. Modele o du¿ej powierzchni noœnej mog¹ lataæ powoli,

natomiast modele o ma³ej powierzchni aby uzyskaæ odpowiedni¹ wartoœæ

si³y noœnej musz¹ poruszaæ siê z wiêksz¹ prêdkoœci¹. stosunek ciê¿aru

modelu do powierzchni skrzyd³a nazywa siê obci¹¿eniem powierzchni i

decyduje o minimalnej prêdkoœci modelu.

Profil skrzyd³a - Jest to przekrój poprzeczny skrzyd³a, od jego kszta³tu

oraz od jakoœci powierzchni skrzyd³a zale¿y w du¿ej mierze wielkoœæ si³y

noœnej. Profile skrzyde³ s¹ opracowywane w instytutach aerodynamiki. W

zale¿noœci od tego z jak¹ prêdkoœci¹ ma siê poruszaæ model lub samolot

stosowane s¹ ró¿ne profile skrzyde³, od p³askiej p³ytki, stosowanej w

najprostszych modelach lataj¹cych i latawcach, do wyrafinowanych profili

laminarnych, stosowanych w nowoczesnych samolotach.

P³aska p³ytka - profil stosowany w usterzeniach modeli.

Wygiêta p³ytka - profil stosowany w skrzyd³ach najprostszych modeli lataj¹cych, poruszaj¹cych

siê w zakresie bardzo ma³ych prêdkoœci lotu.

Profil “ptasi” - stosowany w modelach swobodnie lataj¹cych w zakresie ma³ych prêdkoœci,

dawniej u¿ywany by³ w pionierskich konstrukcjach lotniczych.

Profil p³asko wypuk³y - powszechnie stosowany zarówno w modelach lataj¹cych jak i w prostych

konstrukcjach lotniczych poruszaj¹cych siê zakresie ma³ych i œrednich prêdkoœci. Ze wzglêdu na

prost¹ konstrukcje skrzyd³a czêsto stosowany w modelach szkolno treningowych.

Wspó³czesny profil “laminarny” - obecnie stosowany zarówno w lotnictwie jak i w wyczynowych

modelach szybowców i samolotów zdalnie sterowanych

Laminarny profil do du¿ych prêdkoœci - stosowany w samolotach poruszaj¹cych siê w zakresie

prêdkoœci ponad dŸwiêkowych

SI£A OPORU- to si³a, która hamuje ruch modelu. Im mniejszy jest opór modelu tym lepsze s¹ jego w³aœciwoœci lotne.

Opór modelu zale¿y od nastêpuj¹cych czynników:

Kszta³t modelu- im bardziej op³ywowy (aerodynamiczny) kszta³t modelu tym mniejszy jest jego opór i lepsze w³aœciwoœci

lotne.Wszelkie wystaj¹ce czêœci modelu (podwozie, os³ona silnika , zastrza³y itp.) Powoduj¹ wzrost oporu modelu a przez to

znacz¹ce pogorszenie jego w³aœciwoœci lotnych. Przyk³ady modeli o du¿ym oraz ma³ym wspó³czynniku oporu prezentuj¹

zdjêcia poni¿ej.

Jakoœæ powierzchni - opór modelu zale¿y w du¿ej mierze od g³adkoœci jego powierzchni. Im bardziej szorstka powierzchnia tym

wiêksze jest tarcie op³ywaj¹cego powietrza o strukturê modelu. Jakoœæ powierzchni ma wiêksze znaczenie dla modeli

poruszaj¹cych siê z du¿¹ prêdkoœci¹ (obszar prêdkoœci nad krytycznych), przy wiêkszych prêdkoœciach aby uzyskaæ op³yw

laminarny (bez odrywania siê strug powietrza) nale¿y d¹¿yæ do maksymalnie g³adkich powierzchni. Dotyczy to modeli silnikowych

R.C. , du¿ych modeli szybowców (rozpiêtoœæ ponad 1,5 m) itp.

Inaczej jest z modelami poruszaj¹cymi siê w zakresie ma³ych prêdkoœci (prêdkoœci podkrytyczne) tutaj niewielka chropowatoœæ

nie ma wiêkszego wp³ywu na opór modelu. Dotyczy to modeli swobodnie lataj¹cych, modeli typu slow fly, ma³ych szybowców R.C.

itp. Przy takich modelach czêsto sztucznie zaburza siê op³yw skrzyd³a w celu uzyskania wiêkszej si³y noœnej i zmniejszenia oporu

skrzyde³. Elementy sztucznie zaburzaj¹ce op³yw skrzyde³ nazywaj¹ siê turbulatorami, i s¹ bardzo czêsto stosowane w

wyczynowych konstrukcjach modeli swobodnie lataj¹cych.

K/L

Z lewej strony pokazujê orientacyjny wykres dopuszczalnej

chropowatoœci skrzyd³a ( K ) w funkcji liczby Reynoldsa

Liczba Reynoldsa ( Re ) okreœla podobieñstwo op³ywu skrzyd³a w

funkcji prêdkoœci lotu i ciêciwy skrzyd³a. W przybli¿eniu mo¿na j¹

wyraziæ wzorem : Re = 70 x V x L

V - prêdkoœæ lotu w m/s

L - ciêciwa skrzyd³a w mm.

Dla przyk³adu podam wyliczenie chropowatoœci skrzyd³a dla

modelu slow - fly : Re = 70 x 4 x 180

Re = 50400 , z wykresu odczytujemy L/K = ok. 0,00141

Dla ciêciwy (L) 180 mm. K = 0.00141 x 180 = 0,2538 mm.

Dla tego typu modelu nierównoœci powierzchni poni¿ej 0,25mm

nie maj¹ wp³ywu na w³aœciwoœci lotne. Inaczej jest z du¿ymi

modelami, lataj¹cymi w wy¿szym przedziale Re , tutaj

maksymalna chropowatoœæ powierzchni nie powinna przekraczaæ

tysiêcznych czêœci mm, co w warunkach modelarskich jest bardzo

trudne do osi¹gniêcia.

0,002

0.0018

0,0016

0,0014

0,0012

0,001

0,008

0,006

0,005

100

110

120

130

140 Re x 1000

Op³yw skrzyd³a w zakresie

podkrytycznych wartoœci Re

Op³yw skrzyd³a przy ma³ych liczbach Re (prêdkoœæ podkrytyczna)

charakteryzuje siê znacznym oderwaniem strug op³ywaj¹cych

skrzyd³o, dzieje siê tak na skutek ma³ej energii op³ywu powietrza,

objawia siê to znacznym obni¿eniem doskona³oœci skrzyd³a

(wzrost oporu i zmniejszenie si³y noœnej) przyk³ad pokazuje rys. z

lewej strony.

W takim przypadku celowe mo¿e byæ zastosowanie turbulatora lub

zwiêkszenie chropowatoœci powierzchni w okolicach krawêdzi

natarcia skrzyd³a. Turbulator poch³ania co prawda czêœæ energii,

ale powoduj¹c zaburzenia warstwy przyœciennej “przysysa” strugi

powietrza op³ywaj¹ce skrzyd³o. Powoduje to znaczne

zmniejszenie oporu skrzyd³a i zwiêkszenie si³y noœnej.

Wielkoœæ turbulatora i jego umiejscowienie nale¿y dobraæ

eksperymentalnie. W praktyce dok³adnie trymujemy model do lotu

w linii prostej i naklejamy turbulator na prawym skrzydle, jeœli po

takim zabiegu zaobserwujemy ¿e model ma sk³onnoœæ do skrêtu w

lewo to znaczy ¿e zastosowanie turbulatora przynios³o pozytywny

efekt, wówczas przyklejamy turbulator na lewym skrzydle.

Tendencja modelu do skrêtu w lewo powinna zanikn¹æ. Dobór

turbulatora wymaga przeprowadzenia wielu eksperymentów,

najczêœciej stosuje siê nitkê o przekroju 0,5-0,8mm przyklejon¹ w

odleg³oœci 3-10 % ciêciwy skrzyd³a.

Op³yw skrzyd³a w zakresie

podkrytycznych liczb Re

z zastosowaniem turbulatora

Wyd³u¿enie skrzyd³a - ma wp³yw na opór modelu ze wzglêdu na wystêpowanie wirów brzegowych. Wiry brzegowe tworz¹ siê na

skutek przep³ywu powietrza z obszaru nadciœnienia (pod skrzyd³em ) do obszaru podciœnienia (nad skrzyd³em) i mog¹ poch³aniaæ

znaczn¹ czêœæ energii modelu. Im wiêksze jest wyd³u¿enie skrzyd³a tym mniejsze jest znaczenie wirów brzegowych,(wiêksza

doskona³œæ ). W praktyce aby zmniejszyæ opory spowodowane wirem brzegowym stosujemy wiêksze wyd³u¿enia skrzyde³, zbierzne

skrzyd³a lub jego koñcówki, ewentualnie rozpraszacze wirów . Kszta³t i k¹t zaklinowania rozpraszaczy dobiera siê eksperymentalnie.

Rozpraszacz wirów

brzegowych

Ok 6 O

Prêdkoœæ modelu - podobnie jak si³a noœna opór modelu roœnie do kwadratu prêdkoœci, co oznacza ¿e przy zwiêkszeniu

prêdkoœci modelu dwa razy opór zwiêkszy siê czterokrotnie.

CI¥G ŒMIG£A - Jest to si³a która musi pokonaæ opór aerodynamiczny modelu, oraz przeciwstawiæ siê wlocie wznosz¹cym

sk³adowej ciê¿aru modelu.

Rozk³ad si³ dzia³aj¹cych

na model w czasie lotu

wznosz¹cego

Rozk³ad si³ dzia³aj¹cych

na model w czasie lotu

na sta³ej wysokoœci

Rozk³ad si³ dzia³aj¹cych

na model w czasie lotu

bez napêdu

Rysunki powy¿ej przedstawiaj¹ rozk³ad si³ dzia³aj¹cych na model w poszczególnych fazach lotu.

1- Lot na sta³ej wysokoœci, ci¹g œmig³a (T) musi pokonaæ opory aerodynamiczne modelu (Px), natomiast ciê¿ar modelu (Q)

równowa¿ony jest przez si³ê noœn¹ skrzyd³a(Pz).

2- Lot wznosz¹cy , ci¹g œmig³a oprócz oporów modelu (Px) musi pokonaæ sk³adow¹ ciê¿aru (Qx). Im wiêkszym ci¹gciem

œmig³a dysponuje model tym wiêkszy mo¿e byæ k¹t wznoszenia modelu.

3- Lot bez napêdu (œlizgowy), opory modelu równowa¿one s¹ sk³adow¹ ciê¿aru, (Qx) odbywa siê to kosztem utraty

wysokoœci, im mniejsze s¹ opory modelu tym mniejszy jest k¹t pod którym model szybuje ( wiêksza doskona³oœæ).

Ci¹g œmig³a zale¿y od nastêpuj¹cych czynników:

Moc silnika - roœnie do trzeciej potêgi prêdkoœci modelu, czyli przy dwukrotnym zwiêkszeniu prêdkoœci modelu zapotrzebowanie

mocy wzroœnie oœmiokrotnie.

Sprawnoœæ œmig³a - aby moc silnika przekszta³ciæ w si³ê poruszaj¹c¹ model muœmy dobraæ odpowiednio sprawne œmig³o.

Teoretyczny dobór œmig³a do mocy i obrotów silnika w przypadku

konkretnego modelu jest doœæ skomplikowany, poza tym musieli byœmy

dysponowaæ charakterystyk¹ œmig³a wyznaczon¹ w tunelu

aerodynamicznym dla ró¿nych prêdkoœci obrotowych i zakresów prêdkoœci

lotu, oraz dok³adn¹ charakterystyk¹ aerodynamiczn¹ modelu. W warunkach

modelarskich ¿aden z producentów nie podaje charakterystyk œmigie³, nie

mamy te¿ mo¿liwoœci przeprowadzenia badañ tunelowych modelu.

Pozostaje nam dobór œmig³a na drodze eksperymentu. Aby jednak tego

dokonaæ musimy znaæ kilka podstawowych parametrów :

Œrednicê œmig³a i jego skok, oraz zakres prêdkoœci lotu modelu i prêdkoœæ

obrotow¹ œmig³a.

W praktyce œrednicê œmig³a dobiera siê do jego prêdkoœci obrotowej,

natomiast przy doborze skoku œmig³a nale¿y braæ pod uwagê prêdkoœæ lotu

modelu. Rozró¿niamy dwa rodzaje skoku œmig³a skok geometryczny

(podawany przez producenta œmig³a ) i skok rzeczywisty, który zale¿y od

prêdkoœci lotu modelu. Skok rzeczywisty, jest to droga któr¹ pokona

p³aszczyzna œmig³a w czasie jednego obrotu. (Obrazuje to zdjêcie z lewej

strony) W praktyce z du¿ym przybli¿eniem mo¿emy przyj¹æ ¿e skok

rzeczywisty przy optymalnej prêdkoœci modelu ma wynosiæ ok 0,75 skoku

geometrycznego.

Zwi¹zek pomiêdzy prêdkoœci¹ obrotow¹ œmig³a, skokiem geometrycznym i prêdkoœci¹ lotu modelu obrazuje wykres poni¿ej.

Przyk³ad - Model park fly o ciê¿arze ok. 350 g napêdzany silnikiem 280 z przek³adni¹ 3 :1. Prêdkoœæ lotu takiego modelu wynosi ok

6 m/s (20km/h) silnik 280 pod obci¹¿eniem ma prêdkoœæ obrotow¹ ok 10000 obr/ min. Przy zastosowaniu przek³adni 3:1 prêdkoœæ

obrotowa œmig³a bêdzie wynosiæ 10000 : 3 = 3333 obr/min , na wykresie szukamy miejsca przeciêcia prêdkoœci obrotowej z

Prêdkoœci¹ modelu i odczytujemy

wartoœæ skoku œmig³a, dla tego

przyk³adu minimalny skok œmig³a

wynosiæ bêdzie 150 mm (6”), w

przypadku zastosowania œmig³a o

mniejszym skoku model nie bêdzie

wstanie osi¹gn¹æ wymaganej

prêdkoœci , Jeœli zwiêkszymy ciê¿ar

modelu na przyk³ad. Do 450g. To

prêdkoœæ modelu zwiêszy siê do ok

8m/s (26 km/h) z wykresu odczytujemy

wartoœæ skoku œmig³a, która w tym

przypadku wyniesie ok 200mm (8”)

Oczywiœcie otrzymane wyniki s¹ bardzo

przybli¿one w praktyce trudno jest

dok³adnie okreœliæ zarówno prêdkoœæ

modelu jak prêdkoœæ obrotow¹ œmig³a w

czasie lotu, Daj¹ jednak punkt wyjœcia

do dalszych eksperymentów.

X1000 obr/min

2”

3’’

50mm

75mm

4”

100mm

6”

150mm

8”

200mm

10 m/s

10,8

14,4

21,6

25,2

26,8

32,4

36 km/h

Na sprawnoœæ œmig³a znacz¹cy wp³yw maj¹ równie¿ : kszta³t ³opaty i jej profil, oraz liczba ³opat.

W zwi¹zku z tym ¿e ³opatê œmig³a nale¿y traktowaæ jak skrzyd³o na jego koñcówkach wystêpuj¹ wiry brzegowe dlatego nale¿y

wybieraæ œmig³a o smuk³ych ³opatach, niektóre firmy produkuj¹ce œmig³a stosuj¹ zakoñczenia œmigie³ rozpraszaj¹ce wiry brzegowe

(np œmig³a Cam-Prop firmy Graupner)

Profil œmig³a zale¿y od zakresu prêdkoœci ³opaty (liczby Re), dla œmigie³ wolnoobrotowych (napêdy z przek³adni¹) stosuje siê profile

wklês³o - wypuk³e (ptasie), natomiast w œmig³ach szybko - obrotowych (napêd bezpoœredni) najczêœciej stosowany jest profil p³asko

- wypuk³y.

Liczba ³opat - w zakresie zastosowañ modelarskich najczêœciej stosuje siê œmig³a dwu ³opatowe, im mniejsza liczba ³opat tym

mniejszy wp³yw wirów brzegowych, idealne by³o by œmig³o jedno³opatowe, ale trudno wyobraziæ sobie wywa¿enie takiego œmig³a

(œmig³a jedno³opatowe stosowane s¹ w modelach prêdkich i wyœcigowych na uwiêzi). Œmig³a trój i cztero ³opatowe stosowane s¹ w

modelach ze wzglêdów estetycznych.

Prêdkoœæ obrotowa i œrednica œmig³a - œmig³a wolnoobrotowe o du¿ej œrednicy maj¹ znacznie wy¿sz¹ sprawnoœæ, dlatego op³aca

siê zastosowaæ przek³adniê zmniejszaj¹c¹ obroty. W przypadku œmigie³ wolnoobrotowych szczególn¹ uwagê nale¿y zwróciæ na

dobór skoku œmig³a z uwzglêdnieniem prêdkoœci lotu modelu ( wykres doboru skoku).

Kierunek dzia³ania

momentu obrotowego

Moment obrotowy œmig³a - jest to si³a skierowana w przeciwnym

kierunku do obrotów œmig³a, usi³uj¹ca obróciæ model wzd³u¿ osi

œmig³a obrazuje to rysunek z lewej strony

Moment obrotowy œmig³a zale¿y od œrednicy œmig³a i jego

prêdkoœci obrotowej.

Dzia³anie momentu obrotowego powoduje tendencjê do skrêtu

modelu w kierunku przeciwnym do obrotów œmig³a. Aby temu

zapobiec stosujemy kompensacjê poprzez wychylenie osi œmig³a

w bok.

Dla ma³ych œmigie³ ( napêd bezpoœredni ) stosujemy wychylenie

osi œmig³a w granicach 0,5 - 1,5 stopnia, natomiast w przypadku

du¿ych œmigie³ wolnoobrotowych wychylenie osi œmig³a powinno

wynosiæ ok. 1 - 3 stopni.

Przy du¿ych œmig³ach moment obrotowy powoduje ¿e model

chêtniej skrêca w kierunku przeciwnym do obrotów œmig³a

natomiast skrêt modelu w kierunku obrotów œmig³a wymaga

wiêkszych wychyleñ sterów..

Kierunek obrotów

œmig³a

Kierunek lotu

Masa œmig³a - nie ma wp³ywu na w³asnoœci aerodynamiczne , natomiast w niektórych przypadkach mo¿e mieæ istotny wp³yw

na sterownoœæ modelu. Obracaj¹ce siê œmig³o ma w³aœciwoœci ¿yroskopu im wiêksza jest jego masa tym wiêkszy moment

¿yroskopowy. W przypadku bardzo lekkich modeli slow fly zastosowanie ciê¿kiego œmig³a mo¿e znacznie utrudniaæ pilota¿

modelu, objawia siê to znacznym opóŸnieniem reakcji modelu na stery.

Doskona³oœæ modelu

Uniwersalnym wskaŸnikiem obrazuj¹cym jakoœæ aerodynamiczn¹ modelu jest jego doskona³oœæ.

Doskona³oœæ modelu (samolotu) jest to odleg³oœæ któr¹ pokona model (samolot) w locie œlizgowym trac¹c jeden metr

wysokoœci

Tor lotu œlizgowego

Doskona³oœæ modelu

Doskona³oœæ modeli typu park - slow fly mieœci siê w granicach 4- dla modeli 3D z profilem skrzyd³a w postaci p³askiej p³ytki

do 15- starannie opracowane modele motoszybowców ze sk³adanym œmig³em.

Dla porównania modele szybowców termicznych klasy F3J uzyskuj¹ doskona³oœæ powy¿ej 20, natomiast wspó³czesne

szybowce wyczynowe klasy otwartej uzyskuj¹ doskona³oœci powy¿ej 50.

Powy¿szy artyku³ nie wyczerpuje zagadnienia aerodynamiki a jedynie sygnalizuje wystêpowanie podstawowych jej zjawisk z

po³o¿eniem nacisku na problemy wystêpuj¹ce przy budowie i eksploatacji modeli slow & park fly. (depronowce)

Opracowanie: S.A.U. Mariusz Wrona

Aerodynamika lotu - podstawy.pdf

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: