Search in topic

Парусник на подводных крыльях - версия №2

Вот еще нашел необычное решение, как люди решают проблему центровки на hydrofoil моделях. А именно - на подводные крылья внизу добавляются вертикальные отрезки, кили дополнительные. Их длину можно регулировать прямо в процессе, устанавливать/снимать во время испытаний.

Надо будет взять себе на заметку (это - как частичный ответ на мой вопрос, заданный в предыдущем сообщении).

Источник: www.stephan-brunker.de/…/hydrofoils.html

Внес в модель следующие доработки:

• уменьшил площадь переднего подводного крыла/киля (-20 мм по высоте)
• увеличил площадь задних подводных крыльев/килей (+30 мм по высоте каждый)
• установил стаксель
• добавил съемные кили (см. подробности ниже)

Съемные кили - это небольшие отрезки металла, которые можно будет быстро установить/убрать с модели при испытаниях (в случае, если величины бокового сопротивления окажется недостаточно для обеспечения прямолинейного движения):

Испытал текущую версию модели. Ветер был примерно 3-5 м/с.

Из “+” - баланс найти удалось, модель идет по ветру и против ветра.

Из “-” - при курсе бакштаг модель переворачивается. Площадь парусов (и создаваемое ветром давление) выше, нежели устойчивость модели.

Насколько я подумал, это “лечится”:

• добавлением грузов на подветренную сторону
• уменьшение площади парусов
• изменением количества (расположения) опор об водную поверхность

Из самого простого - это грузики прицепить на подветренную сторону.

Треугольным парус делайте и будет движение…)

Поразмышлял над проделанным ранее. Поделал некоторые расчеты с подъемной силой крыла (в водной среде) и тягой паруса - с помощью ИИ, конечно. Выводы такие сделал:

1. Для создания модели, которая будет устойчиво “лететь” над водой на подводных крыльях требуется максимально снижать общую массу модели.
2. При этом - повышать ее тяговое усилие (что создает парус).
3. Так же необходимо делать модель максимально настраиваемой и регулируемой (чтобы была возможность менять соотношение ЦП и ЦБС).
4. Подводные крылья нужны очень небольшие по площади (относительно тех, которые создавал я выше).

Вдумчивое чтение специализированной литературы и прикидки вариантов компоновок + обсуждение всего этого с ИИ экономят массу времени и усилий.

Вот здесь автор сделал идеальные саморегулируемые подводные крылья: Will It Foil? Building a R/C Hydrofoil Sailboat

Далее он пытается поднять модель на режим планирования за счет тяги паруса. Но результат у него получился отрицательный. Даже после выхода на режим планирования за счет тяги пропеллеров модель погружалась назад в воду (после их выключения). Как я понимаю - у него переутяжеленная модель (за счет массы моторов, винтов и аккумуляторов) + несовершенный парус и редко когда бывает максимально сильный ветер.

Задал ИИ вот такой вот вопрос:

Что более просто: построить парусный катамаран на подводных крыльях для низких скоростей движения (большая парусность, большая общая масса, большая площадь подводных крыльев) или - для высоких скоростей (малая парусность, малая общая масса, малая площадь подводных крыльев)?

Получил вот такой вот ответ:

Если речь именно о простоте постройки и получения устойчивого полёта на подводных крыльях, то существенно проще второй вариант:

малая масса + небольшая парусность + высокая скорость + небольшая площадь крыльев.

Причина фундаментальная: подъёмная сила крыла пропорциональна квадрату скорости:

$$ L=\frac12\rho V^2SC_L $$

Поэтому при увеличении скорости в 2 раза необходимая площадь крыла уменьшается примерно в 4 раза.

### Сравнение

Допустим, нужно поднять модель массой 500 г.

• Для одинаковых (C_L) и остальных условий.

### Почему низкоскоростной вариант оказывается обманчиво сложным

На первый взгляд кажется:

«Сделаем огромные крылья — и катамаран будет лететь медленно».

Но появляются сразу несколько проблем.

1. Огромная площадь крыла создаёт большое сопротивление.

А значит, большой парус должен обеспечить не только подъёмную силу, но и тягу для преодоления сопротивления.

2. Большие крылья требуют больших рычагов и жёсткости.

При широкой системе крыльев возникают значительные изгибающие моменты.

3. Очень низкая скорость ухудшает устойчивость.

Например, при снижении скорости с 2 до 1 м/с динамическое давление падает в:

$$ \left(\frac{1}{2}\right)^2=\frac14 $$

Чтобы сохранить тот же подъём, нужно в четыре раза увеличить площадь крыла или (C_L).

4. Парус становится непропорционально большим.

Большая парусность увеличивает кренящий момент:

$$ M_{heel}=F_{sail}h $$

И в итоге получается парадокс: ты увеличиваешь крыло, чтобы лететь медленнее, но одновременно увеличиваешь парус, который создаёт большую нагрузку на систему стабилизации.

# Но есть важное исключение

Если под «высокой скоростью» ты имеешь в виду, например, 15–20 м/с, то это уже не обязательно проще.

Для маленькой парусной модели разумнее искать золотую середину.

Для твоей модели я бы ориентировался не на экстремально низкую скорость 1 м/с и не на экстремальные 10+ м/с, а примерно на: 3–5 м/с скорости катамарана относительно воды.

Это всего: 11–18 км/ч

При такой скорости площадь крыльев остаётся вполне умеренной, а аэродинамическая нагрузка на парус ещё управляемой.

## И здесь возникает очень интересный момент именно для твоего проекта

Твои исходные 300 г / 638 см² паруса / 500 × 400 мм — на самом деле уже находятся довольно близко к хорошему компромиссу.

Я бы даже рассматривал два проекта:

### А. «Медленный фойл»

• 300–500 г
• парус 700–1000 см²
• скорость выхода на крыло ~1,5–2 м/с
• подводные крылья ~40–70 см²
• большая площадь стабилизаторов
• сильная борьба с креном

### Б. «Быстрый фойл»

• 200–300 г
• парус 400–600 см²
• скорость выхода ~2,5–3,5 м/с
• подводные крылья ~15–30 см²
• значительно меньшее сопротивление
• проще удерживать высоту
• меньше нагрузка на конструкцию

Второй вариант я считаю существенно более перспективным для самодельного прототипа.

Но есть одна тонкость: быстрый вариант труднее заставить вообще выйти на крыло, потому что нужно сначала разогнать его до 2,5–3,5 м/с. После выхода на крыло он, наоборот, становится проще.

То есть:

Низкоскоростной фойл проще запустить, но сложнее сделать хорошо. Высокоскоростной фойл сложнее запустить, но проще сделать устойчивым и эффективным.

Если цель — построить первую работающую модель с минимальным количеством экспериментов, я бы выбрал промежуточный вариант: скорость фойлирования около 3 м/с, масса 250–350 г и площадь крыльев около 25–30 см². Это, на мой взгляд, наиболее «прощающее ошибки» сочетание.