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 !!!

Если б вы не обратили на него внимания то я б тоже такое чудо упустил бы, афигеть какое ж оно огромное…!

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

А каков был результат, после соревнований? Переменная стреловидность -большая головная боль при обеспечении прочности.

А каков был результат, после соревнований? Переменная стреловидность -большая головная боль при обеспечении прочности.

соревнований не было. лк относятся к класу эксперементальных ,для души так сказать (каждый извращается как может 😁) для показа своего ноу хау. мужик был с женой и с сабакой и быстро смылся .поэтому о крыле информации никакой
только краем уха слышал что его он хвалил. по этому был задан вопрос теоретикам

только краем уха слышал что его он хвалил. по этому был задан вопрос теоретикам

Так и не полетав?