Search in topic

Вопрос по автомату перекоса

Вертикальной авторотации на реальном аппарате не возможно. Ротор затухает а не раскручивается при положительном шаге. Как ни крути

Большинство источников говорят обратное, а именно - можно ротировать с положительным шагом. И я думаю, что вся “магия” скрыта в профиле лопасти (крыла). Планер ведь как то летает с положительным шагом и при этом еще и набирает скорость.

Потому если хочется разобраться почему ротор с положительным шагом входит в авторотацию, а планер набирает скорость, то нужно изучать именно профили лопастей.

Вот например здесь можно изучить поляры профилей. Я выбрал эти два:

• асимметричный CLARK Y AIRFOIL - airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=clarky-il…
• симметричный WORTMANN FX 76-120 - airfoiltools.com/airfoil/details?airfoil=fx76120-i…

Числа Рейнольдса подобраны для воздуха 20С, скорости 60м/с и ширины хорды 65мм (калькулятор есть на том сайте).

Если сравнить поляры аэродинамического качества Cl/Cd v Alpha, то из них следует, что асимметричный профиль имеет максимальное качество в 100 единиц при угле атаки ~3 градуса, а симметричный максимальное качество 70 единиц пре угле аж 7 градусов.

Теперь можно представить, что если два ротора с разными профилями и установленными в ноль углами шага вращяются в пространстве со скоростью 1000об/мин (числа Рейнольдса на полярах подобраны именно для этих скоростей), то что бы роторы начали увеличивать обороты (читай вошли в авторотацию) их нужно двигать вниз с такой скоростью, что бы угол атаки для первого составлял ~3 градуса, а для второго ~7 градусов. При этих скоростях оба ротора будут работать при максимальных для их профилей аэродинамических качествах и иметь подъёмную силу, а так как подъемная сила перпендикулярна потоку, а поток воздуха находится под углом атаки наклоненным вниз, то только ротор у которого вектор суммы всех сил наклонен вперед (TAF на картинке) будет авторотировать.

Тут думаю не надо объяснять, что второй ротор для достижения угла атаки в 7 градусов двигаться должен намного быстрее первого, а это значит, что энергии (потенциальной вертолета, либо тяги маршевого мотора автожира) для этого требуется больше.

Чисто теоретически, я думаю существуют такие обороты и скорость снижения, когда и симметричный профиль начнет авторотировать при нулевом шаге, но это чисто теоретически, а вот асимметричный авторотирует даже при положительном шаге и никакие законы физики этот процесс не нарушает.

Вы опять ошибаетесь. То что вы указали зеленой линией это ось вращения хаба, а не ротора. В анимации все верно указано.

Предлагаю сверить наше понимание терминов и определений.
В моем понимании ротор - это тоже самое, что и несущий винт (по нашему). То есть, то, что вращается.

Определение из википедии. Несущий (основной) винт — воздушный винт с вертикальной осью вращения, обеспечивающий подъёмную силу винтокрылому летательному аппарату (как правило, вертолётам), позволяющий выполнять управляемый горизонтальный полёт и совершать посадку. Основная функция такого винта — «нести» летательный аппарат, что и отражено в названии[1]. Также его весьма часто называют просто ротором.

А хаб - это то, на чем закреплены лопасти.

В зарубежной литературе и руководствах к эксплуатации, ротором называется сборка состоящая из двух лопастей соединенных между собой стержнем хаба. Ротор в свою очередь устанавливается на подвижном шарнире в наклонную голову или наклонный хаб (встречал оба названия).

Мне такая терминология кажется более уместной так как приводится и в мануалах к модельным вертолетам, где осью хаба называется то к чему крепятся цапфы, а хабом то куда ось вставляется.

Но в мануале к робинсону хабом почему то называется то к чему крепятся лопасти и в их варианте получается, что ротор это сборка двух лопастей с хабом.

Продолжу теорию авторотации. Математика говорит, что ротор с симметричным профилем лопастей может авторотировать с нулевым и даже положительным углом установки и достаточно хорошо, но что бы он это делал должны быть соблюдены определенные условия. В потоке воздуха обычного домашнего вентилятора данный эффект увидеть не получится.

Итак. В качестве модели я взял параметры RAW Nitro:

• вес 4.8 кг
• диаметр ротора 1.53м
• длина рабочего участка лопасти 0.6м
• хорда 0.06мм
• площадь лопасти 0.036м^2
• обороты на которых мы будем входить в авторотацию 1000об/мин. Входить будем отвесно. Ветер 0м/с
• линейная скорость лопасти 60м/с. Для упрощения взята точка на удалении 70% от начала рабочего участка
• профиль лопасти симметричный WORTMANN FX 76-120 - airfoiltools.com/airfoil/deta...6120-il#polars
• шаг 0 градусов

С помощью формулы находим такой коэффициент Cl при котором подъемная сила будет достаточна, что бы компенсировать вес летательного аппарата. Для нашей модели это 0.29

0.5 * 0.072(площадь лопастей) * 1.2754(плотность воздуха) * 0.29(Cl) * 60.0^2(площадь лопасти) = 47.9346N(4.8879kgf)

Теперь мы идем в справочник профиля и находим угол атаки и коэффициент сопротивления при котором лопасть имеет Cl=~0.29

Alpha = 2.75
Cd = 0.00806
Cl/Cd = 36.5136

Угол атаки нам здесь нужен лишь для того чтобы посчитать скорость снижения, которая к дальнейшим расчетам не имеет никакого отношения 😃 и она будет равна:
60 * tg(2.75) = ~2.9м/с

Теперь нам нужно найти полное аэродинамическое сопротивление для данного угла атаки используя Cl/Cd коэфициент. Именно эта сила останавливает наш ротор:
4.8(подъемная сила) / 36.5136 = 0.1315kgf

И силу которая заставляет наш ротор вращаться:
4.8(подъемная сила) * sin(2.75) = 0.23kgf

Ответ: ротор будет авторотировать, потому что 0.23kgf > 0.1315kgf, но только если это прямолинейно летящий планер 😃.

Что бы получить точный ответ для практического применения нужно провести те же расчеты по всей длине лопасти с шагом хотя бы 10мм учитывая разные углы атаки, потом каким то образом те результирующие моменты сил сложить учитывая их удаленность от центра вращения. Вот только тогда можно будет точно ответить на вопрос - будет ли данный профиль ротировать при 0 шаге или нет.

P.S. Попробую в экселе таблицу сделать, но пока мне непонятно как складывать моменты вдоль лопасти.

Сделал в экселе расчет с разбиением лопасти на сегменты длиной 10мм. Математика говорит, что ротор ротировать должен, но при определенных условиях конечно.

Ниже линк на расчет. Можно скачать и менять параметры выделенные только жирным шрифтом. Результат - зеленым это подъемная сила ротора, а красным крутящий момент в авторотации.

docs.google.com/spreadsheets/d/…/edit?usp=sharing&…

Остальные параметры, которые жирным шрифтом не выделены это чисто информация о модели и на расчет не влияют, но например вес нужно учитывать, чтоб подъемная сила не превышала его при заданной скорости снижения иначе будет нарушен закон сохранения энергии.

Результат такой: на оборотах 800, ротор диаметром 1.53м с симметричным профилем упомянутым выше, с длиной хорды профиля 0.06м, шаге 0.1 градус и скорости снижения 0.35 м/с должен ротировать и довольно бодро, а именно создавать 0.7кгс/м момент на валу. Много это или мало я не знаю. В расчетах не учтены потери в трансмиссии величина которых мне не известна.

Допускаю, что в расчете могут быть ошибки, расчет может не соответствовать реальным условиям, неверно подобрано число Re, турбулентность, неверно расчитано сопротивление, но я по польшей части это делал для себя, чтоб разобраться, а если данная информация еще кому то пригодиться для понимания принципа авторотации, то я буду рад что помог.

Что в расчете учтено:

• изменяющийся угол атаки вдоль всей рабочей поверхности лопасти
• скорость набегающего потока на лопасть, а именно корень суммы квадратов векторов линейной скорости лопасти и скорости снижения
• проекция подъемной силы на плоскость вращения ротора
• сила сопротивления считается для всей площади сегмента, а не результат деления подъемной силы на Cl/Cd как в посте выше
• результирующий крутящий момент на роторе как сумма момента каждого отдельно взятого сегмента умноженого на радиус приложения силы
• для каждого угла атаки, с шагом 0.25 градусов, выбираются коэффициенты Cl и Cd из соседних XFOIL_# таблиц

В предыдущей версии расчета были допущены грубейшие ошибки, а именно отсутствовала конвертация ньютонов в килограмм силу и радианов в градусы 😃 После исправления результаты стали выглядеть более правдеподобно.

docs.google.com/spreadsheets/d/…/edit?usp=sharing&…

На снижении со скоростью 3.31m/s, шаге 0 и оборотах 800, крутящий момент на валу ОР создаваемый силой авторотации составляет 0.11kgf*m

Так же учтен срыв потока для поляра XFOIL_2 если угол атаки выходит за пределы таблицы. Расчет теперь бесконечно не ротирует при снижении оборотов.

Если тот же расчет применить к асимметричному профилю XFOIL_4, то можно подобрать такие обороты при которых момент на валу будет в 1.83 раза выше при той же скорости снижения и шаге.

С теорией вроде бы разобрался. А как на практике? Я поднял логи от 01.11.2021, когда делал видео авторотаций и внезапно для себя обнаружил, что я ротирую с положительным шагом 😃

На картинке лог второй по счету авторотации которая ниже на видео.

Лог:

• желтый (SE) это холд (если внизу то мотор работает на ХХ);
• красный (RPM) это обороты мотора;
• зеленый (Thr) это шаг с разрешением ±1024.

Тут линк на лог в нормальном разрешении.
drive.google.com/file/d/…/view?usp=sharing

При приближении графика во вьювере шаг в авторотации составляет 50-90 единиц, что в переводе на углы 12/1024*50…80 равно +0.6 - +0.9 градусов. Можно конечно придраться мол механика криво настроена, но у меня с этим строго. 0 на передатчике соответствует нулю механической установки лопастей, а ±0.1 градуса дают люфты в сервах.

Увы высотомер установлен на другом вертолете потому скорость снижения неизвестна, а обороты судя по раскадровке ~900rpm. Ветер присутствует, вертолет на видео (вторая ротация) ротирует с ~4-5м/с поступательной скоростью и +0.6 - +0.9 шагом.

Хорошая погода была сегодня. Безветрие. А меня интересовал вопрос - с каким максимальным положительным шагом модель может отвесно авторотировать.

Войдя в устойчивую авторотацию я поборол страх и начал постепенно увеличивать шаг, пока как мне показалось я начал видеть отдельно вращающиеся лопасти. Дальше увеличивать я не осмелился 😃 По ощущениям обороты ротора были 600-700об/мин. Верт не падал, а плавно авторотировал отвесно к земле с шагом +2 градуса в течении 12 секунд, как потом показали логи. Но сажать с такими оборотами я не рискнул по понятным причинам.

Потом я проверил еще один момент, а именно - как влияет поступательная скорость на шаг, то есть насколько нужно увеличивать шаг для поддержания постоянных оборотов при разгоне вертолета.

Снова устоявшаяся авторотация, я наклоняю циклику вперед, верт начинает разгоняться, скорость снижения тоже увеличивается, а обороты ротора растут. Я увеличиваю шаг и верт горизонтально ускоряется еще сильнее, а вертикальная скорость падает и так далее. При таких условиях, имея горизонтальную скорость, аппарат я посадил используя кинетическую энергию поступательного движения для поддержания оборотов ротора у земли. Из логов было видно шаг +2.8 градусов.

Теория говорит, а практика подтверждает, что отвесная авторотация с положительным шагом возможна даже у ротора с симметричным профилем лопасти.

Хорошая погода была сегодня. Безветрие. .

У нас погода не летная совсем.
Однако, тоже заморочился. Сделал макетик ротора автожира с лопастями несимметричного профиля и нулевым углом установки. Покрутил дрелью. Убедился, что качельный подвес ротора участвует в управлении (отклонении ротора). Очень “легко” следует за осью вращения дрели. При блокировании подвеса, ротор уже не так охотно наклоняеьтся. Начинает упираться при попытках его накнона.
Кроме того, несимметричный профиль (спрофилированный “наглаз”) при нулевом шаге создает достаточно ощутимую тягу.
Что и требовалось доказать.

Однако. Хорошая конструкция. Извиняюсь, что дерзил в #43 😃

Однако. Хорошая конструкция. Извиняюсь, что дерзил в #43 😃

Это мне у Вас надо просить прощения за излишнюю самоуверенность. Спасибо, что помогли разобраться.
Выходит, судя по автожирному форуму, мужики, действительно не знают (не все конечно), хотя и летают.😃

В результате споров в этой теме родился такой “хвост”. Tail rotor

Мне ход мыслей нравится 😃 но вижу здесь два но.

1. Компенсируя момент гироскопической прецессии таким способом, у вас получился ХР с переменным вектором тяги изменяемом в пределах 10-20 градусов. Если без компенсации момент от прецессии ХР через балку и раму передавался на массивный ОР и там успешно подавлялся, то с компенсацией, например в пируете, ХР будет толкать верт в перед или тянуть назад, что должно будет быть заметно, потому что момент инерции вертолета вдоль хвоста в разы меньше чем момент центростремительного ускорения основного ротора.

2. Кстати интересно как будет работать пирокомпенсация с таким ротором. Пока нет таких FBL где модель ХР была бы с автоматом перекоса 😃

Можно назвать - ХР “с отстающим” вектором тяги:) Тоже об этом думал. Но пока не взлетим, не узнаем. Потому, ждем летной погоды.

Мне ход мыслей нравится 😃 но вижу здесь два но.

В продолжении темы, сделал хаб с “наклонной осью качания”. По аналогии в большими вертолетами. Что думаете?

В продолжении темы, сделал хаб с “наклонной осью качания”. По аналогии в большими вертолетами. Что думаете?

Интересно назначение такой конструкции. Чем больше “наклон” тем больше качание влияет на шаг лопастей и если оси наклона лопастей и эта ось в крайнем положении совпадут то ротор уже не будет качаться, а будут менять шаг лопасти. В реальных конструкциях наверняка нет свободного качания, а есть только демпфирование хвостового ротора? Свободное качание хвостового ротора добавит разнонаправленных сил с непонятными последствиями скорее всего. Пробовать надо аккуратно, уменьшив свободу или добавив демпфирование.

Думаю для начала надо разобраться почему ось качания смещена относительно маховой оси, а потом уже можно делать выводы.

Полужестким (на качальном подвесе) хвостовой ротор делается по той же причине, что и основной ротор, а именно для компенсации ассиметрии подъемной силы, а не гироскопической прецессии возникающей при ролле и рыскании. Без компенсации хвост вертолета закручивало бы по/против часовой стрелке при наборе горизонтальной скорости, что требовало бы от пилота коррекции по руддеру.

Ось качания со смещением называется Delta-3. Основное ее преимущество - это меньшая маховая амплитуда, что позволяет разместить ХР ближе к балке. Угол смещения берется не от балды, а экспериментально подбирается, что бы получить нужный отклик. Чем меньше угол между осью качания и осью шага тем острее коррекция асимметрии, но и тем больше силы требуется приложить к лопасти что бы изменить ее шаг.

Принцип работы описан в ответе на вопрос здесь. …stackexchange.com/…/how-does-a-delta-3-hinge-on-a…

Нужна ли эта система в наше время на over стабилизированном RC вертолете? Я думаю нет, не нужна потому что лишь усложнит конструкцию. В свое время от флайбаров отказались из-за сложности конструкции и лучших качеств электронных стабилизаций.

Раньше, я был уверен, что все эти шарниры, в том числе общий горизонтальный, введены в конструкцию ротора для уравновешивания подъемных сил набегающей и отстающей лопастей. И угол смещения, действительно, берется не от балды, а таким образом, чтоб обеспечить необходимый коэффициент компенсатора взмаха. Продублирую картинку из книжки. При этом шарниры управления на поводках лопастей находятся на оси качания. На сегодняшний день, благодаря Вам Максим, подобные конструкции рассматриваю еще и с учетом “прямого управления” ротором. Естественно, хаб с “наклонной осью качания”, установил на хвост и раскрутил. По ощущениям, особой разницы, по сравнению с просто “качельным” хвостом не заметил. Однако, надо отметить, что прямое управление продолжает работать. Даже, показалось, что отклик на наклоны стал более острым и резким. Ведение демпферов в “качельный” шарнир делает его поведение при наклонах ротора еще более приятным (если можно так выразится) В итоге, буду продолжать испытания с первой, прямой, версией “качельного” хвоста.]

Еще надо научиться и привыкнуть управлять вертолетом без хвостового гироскопа 😃 или с минимально настроеным усилением, что бы почувствовать разницу. Например, в Normal Rate при быстром полете вперед верт летит слегка боком из-за ассиметрии подъемной силы ХР, а с механической компенсацией должен лететь ровно.

Иначе я не представляю как вы будете оценивать влияние механической компенсации на управление.