Мотокальк, часть вторая
Нет, я не написал ничего нового, это просто старую запись разбил на две части, чтоб под стандарты блога подходила.
Итак:
Расчёт путём ввода данных
Все данные, необходимые для расчёта энерговооруженности вводятся в главном окне Main Window, разделённом на шесть окон:
Мотор Motor
Батарея Battery
Привод Drive System
Регулятор Speed Control
Планер Airframe
Фильтр Filter
В каждом окне имеются кнопки Новый/New, Открыть/Open, Сохранить/Save.
При нажатии кнопки Новый/New в соответствующем окне очищаются все поля для ввода новых данных. При нажатии кнопки Сохранить/Save новый компонент или изменения в имеющемся компоненте будут сохранены.
При нажатии кнопки Открыть/Open открывается новое окно в котором имеется возможность выбора из базы данных мотора, батареи и т.д. в зависимости от окна. Также в этом новом окне имеются возможность сортировки по всем полям и подбор “похожих” Similar компонентов. Рассмотрим подбор похожих компонентов на следующем примере: У нас есть мотоустановка с редуктором GWS GW/EPS-300C, и мы ищем подходящую по основным показателям замену мотору.
В меню Мотор/Motor жмём кнопку Открыть/Open
в открывшемся окне вводим в графе Поиск/Find GWS, находим GW/EPS-300C и убедившись, что он в фокусе выбора (синяя полоса) нажимаем кнопку Похожие/Similar
Теперь моторы отсортированны по степени соответствия основных параметров к параметрам GW/EPS-300C. При этом не нужно забывать, что подбор похожих компонентов идёт только по параметрам, которые выделены жирным шрифтом, из-за чего среди “легковесов” затесался Plettenberg, который почти в десять раз тяжелее.Естественно нет никакой гарантии, что при похожих электрических параметрах, эти моторы подойдут к крепёжным отверстиям в редукторе.
Рассмотрим теперь примерный расчёт мотоустановки на примере Me-109e из статьи Юрия Александрова/Pumper.
Мотор
Поскольку в статье уже было указано, что 280-й слабоват, остановимся пока на Speed 300, который часто используется в лёгких моделях таких размеров. Кстати сам автор статьи впоследствии установил на “Мессера” Speed 300 6V и редуктор 5:1 с винтом APC SF 9Х6.
В окне Мотор/Motor нажимаем Открыть/Open и в графе Поиск/Find вводим Graupner (или Gra или g), выбираем Speed 300 6V
щёлкаем ОК - мотор выбран.
Батарея
Здесь наверное каждый будет вводить элементы, которые или уже есть в наличии или имеются в продаже.
Поскольку энерговооруженность модели сильно зависит от внутреннего сопротивления элементов в батарее, стоит критично подойти к их выбору в программе. Если имеющиеся элементы не находятся в базе данных Мотокалька, имеет смысл найти сопротивление экспериментальным путём. Для этого разрядив батарею примерно наполовину измеряем напряжение и силу тока при двух различных потребителях (например? три и шесть ламп накаливания от автомобиля). По формуле
R=(V1-V2) / (I1-I2)
где
R - полное сопротивление батареи
(V1-V2) - разница напряжений при нагрузках 1 и 2
(I1-I2) - разница замерянных токов при нагрузках 1 и 2 Поделив полученное сопротивление R на количество элементов в батарее, получаем примерное (из-за погрешностей в измерениях), но всё-же более верное, чем взятое “от фонаря” сопротивление элемента. Профессионалы (и богатенькие Буратины) используют для селектирования элементов специальное оборудование
Продолжаем ввод данных - для нашего примера выбираем Kan650
Процедура аналогичная выбору мотора: нажимаем Открыть/Open и выбираем нужный компонент. Сортировка по названию CellType, сопротивлению Impedance, весу Weight или ёмкости Capacity производится нажатием на поле с соответствующей надписью .
Количество банок в батарее Series Cells выбираем в первом окошке 6 минимум и 8 в следующем как максимальное количество элементов в батарее.
Привод Drive System
С этим окном приходится работать чаще всего, т.к. обычно мотор и аккумуляторная батарея уже имеются в наличии, остаётся найти подходящий винт/редуктор.
Для начала попытаемся “объять необъятное” и зададим очень широкий спектр параметров.
Нажимаем Новый/New для создания нового привода
В графе Описание/Description вводим имя под которым этот опус будет сохранён, например Styro300.
В графе Редуктор/Gear Ratio вводим в первом окошке 1,5 для наименьшего передаточного числа 1,5:1 во втором 7,5 для наибольшего передаточного числа редуктора 7,5:1 и в третьем 0,5 для шага подбора в 0,5:1. Кому этот шаг подбора кажется большим, тот может выбрать меньший.
Передаточное число имеющегося в наличии редуктора заносится в первое окошко в форме: 4,6 для 4,6:1.
В следующем окне Эффективность редуктора/Gearbox Effic. имеется выбор между:
Редуктором с пластиковой ведомой шестернёй/Plastic Output Gear
Редуктором с пластиковыми шкивами ременной передачи/Plastic-toothed Belt Drive
Редуктором с металлической ведомой шестернёй/Metal Output Gear
Редуктором с металлическими шкивами ременной передачи/Metal-toothed Belt Drive
Планетарным редуктором с пластиковыми шестернями/Plastic Planetary
Прецизионным редуктором/High Quality Inner-driven
Планетарным редуктором с металлическими шестернями/Metal Planetary
Тип редуктора с пластиковой ведомой шестернёй показался мне самым распространённым, поэтому он и был выбран.
В графе Диаметр пропеллера/Propeller Diam вводим 6 для минимального диаметра 6 дюймов, 12 в следующем окне для максимального диаметра 12 дюймов, и в третьем окне 1 для шага увеличения в 1 дюйм.
Следующую графу заполняем соответственно 4, 6, 0,5.
В окнах P.Const и T.Const был выбран производитель APC.
Количество лопастей/Num Blades оставляем незаполненным для двухлопастных винтов. Так-же поступаем с графами Количество Винтов/Num Props, Моторов последовательно/Series Motors и Моторов паралелльно/Parallel Motors.
Регулятор Speed Control
Выбор регулятора делается из базы данных Мотокалька или задаются данные из техпаспорта или с сайта производителя:
Сопротивление/Resistance
Mахимальный Ток/Max Current
Вес/Weight
High-Rate/Высокочастотный
В графе High-Rate/Высокочастотный галочку можно ставить практически для всех современных контроллеров. В графе Множество/Multiple выставляется количество контроллеров для многомоторных моделей.
Для расчёта был выбран первый попавшийся регулятор на 12 Ампер
Планер Airframe
Это окно немного отличается от других, что обусловлено множеством параметров, которые влияют на характеристики планера.
С точки зрения разработчиков Мотокалька качества планера не напрямую влияют на выбор мотоустановки, т.к. многие параметры, такие как статическая тяга, КПД мотоустановки и т.д. не имеют никакого отношения к аэродинамическим свойствам ЛА. Для расчёта же, например, скорости сваливания, необходима информация о форме и толщине профиля и о нагрузке на крыло.
Как и в других окнах, у нас есть возможность выбора уже имеющегося в базе данных ЛА или ввода параметров вручную.
Второе подходит нам больше, т.к. из имеющихся в базе данных 50-и с небольшим самолётов я ни одного не видел вживую.
Если же модель строится с нуля, то и все данные о модели мы можем ввести сами.
Ввод данных в графах Имя/Name, Размах/Wing Span, площадь крыла/Wing Area, а также вес без мотора, батареи и контроллера/Empty Weight, не должен представлять затруднений
Нажав на кнопку Coeff. переходим в окно расчёта коэффициентов сопротивления и подъёмной силы. В правой части окна Lift and Drag Coefficient Estimator находятся четыре окна:
1.Сечение Фюзеляжа/Fuselage Cross Section с возможностью выбора:
Круглое или Овальное/Circular or Elliptikal
С закруглёнными углами/Rounded Corners
Прямоугольное/Rectangular
- Oтделка поверхности/Surface Finish с возможностью выбора:
Гладкая(Плёнка)/Smooth
Средняя(Ткань)/Average
Шероховатая(непокрытое дерево)/Rough
- Шасси/Landing Gear с возможностью выбора:
Oтсутствуют или складываются/None or Retractable
Жёсткие с обтекателями, концевые поплавки/Fixed w/pants, tip floats
Жёсткие/Fixed
Поплавки на всю длину/Full-length Floats
- Торчащие/Выдающиеся детали/Protrusions с возможностью выбора:
Отсутствуют или мало/None or few
Присутствуют (Копия)/Some
Много (Расчалки, Стойки)/Many
Для нашего примера выбираем овальное сечение фюзеляжа, обшивка тканью, шасси нет, торчащие детали присутствуют.
В левой нижней части окна выбираем профиль, нажав Выбрать/Choose From List и найдя нужный подтверждаем кнопкой ОК. К сожалению применённый в Bf-109e NACA2315 в базе данных мотокалька отсутствует, поэтому задаём Толщину профиля/Thickness 15%, Изгиб профиля/Camber 2% и Угол атаки/Angle of Attack 2°.
Угол атаки у оригинала 1,75°, но эту величину ввести в программу невозможно, поэтому 2°.
Во время ввода данных Мотокальк сразу производит расчёт коэффициентов
CL, CLmax, CLopt и т.д., которые будут применяться в расчётах.
Подтверждаем наш выбор нажатием ОК и, задав имя конфигурации, нажимаем Сохранить/Save в окне Планер/Airframe.
Фильтр Filter
Без фильтра обычно можно обойтись, но поскольку мы задали очень большое количество вариантов, то было бы неплохо попытаться отсортировать заведомо негодные.
Нажимаем Новый/New, вводим имя/Name фильтра, под которым он будет сохранён для потомков.
Затем вводим:
Ограничение по току/Maximum Current -12A
Максимальные потери в Ваттах/Maximum Loss - оставляем пустым
Минимальную эффективность мотора/Min Motor Efficiency -40%
Максимальные обороты мотора/Max Motor RPM - оставляем пустым
Минимальную статическую тягу/Minimum Thust -200грамм
Минимальную и максимальную скорости потока/Min Pitch Speed, Max Pitch Speed оставляем так-же пустыми как и максимальное соотношение Шага винта к его Диаметру/ Maximum Pitch Ratio
Вводим в графу Минимальное время на полном газу/Minimum Run Time -180 секунд
и нажимаем кнопку Сохранить/Save.
Анализ результатов статического расчёта
Ввод данных наконец-то закончен и мы нажимаем кнопку Произвести Расчёт/Compute Report. Несмотря на фильтровку результатов, наша попытка объять необъятное провела к получению километровой таблицы.
Теперь попытаемся определиться.
У нас имеется таблица, в которой данные могут быть отсортированы по возрастающей или убывающей по всем параметрам. Имеются следующие параметры:
Количество элементов в батарее/NC
Передаточное число редуктора/Gear Ratio
Диаметр винта в Дюймах/Diam (in)
Шаг винта в Дюймах/Pitch (in)
Полный вес модели в граммах/Weight (g)
Ток на батарее в Амперах/Batt Amps
Ток на моторе(-ах) в Амперах/Motor Amps
Напряжение на моторе(-ах) в Вольтах/Motor Volts
Мощность на моторе (-ах) в Ваттах/Input (W)
Удельная мощность в Ватт/кг/InPLd (W/kg)
Потери в Ваттах/Loss (W)
Мощность на валу/MGbOut (W)
Удельная мощность на валу/OutPLd (W/kg)
КПД Мотора/Редуктора/МotGB Ef (%) - отношение полученной мотором мощности к мощности на валу
Общий КПД/Shaft Ef (%)
Обороты мотора/Motor RPM
Обороты пропеллера/Prop RPM
Статическая тяга/Thrust (g)
Скорость потока воздуха от винта/PSpd (m/s)
Максимальная скороподъёмность/RofC (m/s)
Продолжительность полёта на 100% газа/Time (m:s)
Наилучшим показателем энерговооруженности является скороподъёмность - сортируем все результаты расчётов по скороподъёмности нажав на надпись RofC (Смотреть результат).Осторожно! Большой (440 kB-) файл! Результаты теперь отсортированы по возрастающей скороподъёмности, причём первая треть обладает ортицательной скороподъёмностью, естественно, далеко с такой мотоустановкой не улетишь.
Переходим в самую нижнюю часть таблицы, где находятся варианты с наилучшими показателями по скороподъёмности
Красным цветом выделены результаты, в которых шаг винта не соответствует скорости полёта, т.е. винт работает не эффективно при низких скоростях, что затрудняет старт с земли; эти результаты пока не будут приниматься во внимание.
Следующими параметрами, величины которых должны быть приняты во внимание являются статическая тяга/Thrust, Скорость потока воздуха от винта/PSpd и продолжительность полёта на 100% газа Time.
Одним из наилучших вариантов с наибольшей скороподъёмностью, наибольшей скоростью потока и продолжительностью полёта мне показался предпоследний в таблице
Последний в этой таблице результат имеет меньший КПД и меньшую скорость потока.
Имеет смысл так-же попробовать найти самую экономичную летающую конфигурацию, отсортировав результаты по КПД и выискивая высокую скороподъёмность среди результатов с высоким КПД.
Того-же результата можно добиться более профессионально - введя более жёсткие условия в окне Фильтр/Filter для минимальной эффективности мотора - 50% и для минимальной статической тяги 300 грамм. Добавив ограничение по минимальной скорости потока (Min Pitch Speed) в 14 метров в секунду и нажав Произвести Расчёт/Compute Report получаем четвёрку победителей (Смотреть результат). Из них самая уравновешенная по параметрам конфигурация с редуктором 5:1 APC 9х6 и батареей из восьми элементов .
Подбор новых более жестких условий для фильтра был произведен частично путём анализа полученных параметров, например, максимальный полученный КПД был около 59%, берём для фильтра Min Motor Eff 50%) частично подставлением желаемых величин (например, скорость сваливания ЛА Stall Speed была рассчитана Мотокальком около 7 м/с. Для стабильного полёта желательна скорость потока Min Pitch Speed как минимум вдвое превышающая Stall Speed, отсюда получаем 14 м/с для фильтра).
Анализ результатов полётного расчёта
Окно полётного расчёта открывается, если на результат статического расчёта дважды щёлкнуть мышкой, или-же маркировать и нажать кнопку in-flight
На примере рассмотрим поведение модели в зависимости от скорости полёта (Результаты изначально отсортированы по возрастающей скорости. Эту сортировку можно, но не целесообразно изменять).
Красным цветом выделена скорость, при которой винт работает не эффективно при недостаточной скорости набегающего потока воздуха. В этом случае старт с места затруднён.
Жёлтым цветом помечены параметры для скоростей меньших скорости сваливания - горизонтальный полёт невозможен.
Голубым цветом выделена наименьшая скорость горизонтального полёта с “ручкой на себя” для получения оптимального коэффициента подъёмной силы. В окне Сравнение/Comparison в разделе полётный прогноз/Flight Predictions она обозначена как оптимальная скорость полёта/Optimal Flight Speed.
Зелёным цветом выделена минимальная скорость полёта с рулями в нейтральном положении.
Для нашей модели она составляет 13 метров в секунду = 48,6 км/ч!
Увеличив угол атаки крыла например до 3,5° можно эту величину уменьшить до 11 м/с, дальше - больше, но необходимо помнить, что черезмерно большой угол атаки приведёт к большему сопротивлению и более раннему срыву потока.
Уменьшение скорости сваливания и оптимальной скорости можно так-же наблюдать при увеличении относительной толщины профиля и/или увеличении кривизны профиля. Изначально расчёт производится для положения ручки газа 100%, что впоследствии можно изменять передвижением полозка в окне Газ/Throttle.
При этом можно видеть как меняются различные величины и полётное время /Time в зависимости от положения ручки газа.
При нажатии кнопки Сравнить/Compare помеченная конфигурация добавляется в окно Сравнение/Comparison, в котором могут быть сравнены до десяти различных конфигураций (Смотреть результат)
В окне Сравнить/Comparison находятся кроме разделов с информацией о моторе/Motor, батарее/Battery, Регуляторе/Speed Control, приводе/Drive System и планере/Airframe, где данные были выбраны или заданы пользователем так-же и разделы статический прогноз/Static Predictions и полётный прогноз/Flight Predictions, в которых внесены результаты расчётов. В разделе статический прогноз/Static Predictions могут быть сравнены величины:
Максимальный Ток/Current (A)
Напряжение на моторе/Motor Voltage (V)
Потреблённая мощность/Input Power
Удельная мощность/Input Power Loading (W/kg)
Потери в Ваттах/Power Loss (W)
Мощность на валу/Motor/Gearbox Output (W)
Удельная мощность на валу/Output Power Loading (W/kg)
КПД Мотора/Редуктора/Motor/Gearbox Efficiency (%) - отношение полученной мотором мощности к мощности на валу
Общий КПД/Shaft Efficiency (%)
Обороты мотора/Motor RPM
Обороты винта/Propeller RPM
Статическая тяга/Static Thrust (g)
Скорость потока воздуха от винта/Pitch Speed (m/s)
Продолжительность полёта на 100% газа/Run Time (min:sec)
В разделе полётный прогноз/Flight Predictions могут быть сравнены величины:
Скорость сваливания/Stall Speed (m/s)
Оптимальная скорость полёта/Optimal Flight Speed (m/s)
Ручка газа при оптимальной скорости полёта/Throttle for Optimal (%)
Продолжительность полёта при оптимальной скорости/Duration at Optimal (m:s)
Температура мотора при оптимальной скорости/Motor Temp at Optimal (°C)
Скорость для старта с рук/Hands-off Speed (m/s)
Ручка газа при старте с рук/Throttle for Hands-off (%)
Продолжительность полёта при скорости для старта с рук/Duration Hands-off (m:s)
Температура мотора при скорости для старта с рук/Motor Temp Hands-off (°C)
Ма ксимальная скороподьёмность/Best Rate of Climb (m/s)
Скорость безмоторного полёта/Rate of Sink (m/s)
Предполагаемые характеристики модели Opinion. Предполагаемые характеристики модели открываются в новом окне при нажатии кнопки Opinion и являются попыткой связать все рассчитанные величины для примерного анализа полётных качеств модели. При этом учитываются соотношения скорости сваливания к скорости потока, диаметра винте к его шагу, веса модели к тяге статической и полётной и т.д.
К сожалению, на данный момент эту важную оценку будущей модели невозможно получить сразу на русском языке. Приходится использовать Макро Opinion для Ворда, который в версии 1.0 должен переводить любой Opinion-Текст.
Для перевода текста при помощи макро:
Копируем сам текст нажатием кнопки Скопировать/Copy в окне Opinion.
Открываем в Ворде документ Opinion.doc, разрешив использование макро
Вносим скопированный текст в Opinion.doc нажатием Ctrl+V
Нажатием Alt+F8 или Сервис-Макросы вызываем список макросов
Выбираем Opinion и нажимаем Выполнить.
Макро заменяет фразы по английски на русский перевод.