Мечта 2700 | Бесхвостая сказка

Те, кто еще не сделал этого, могут захотеть прочитать первую часть этой серии , а затем продолжить эту статью — прим.

Во второй части путешествия я расскажу вам об основных проблемах аэродинамического дизайна бесхвостого планера. В настоящее время любителям доступно несколько инструментов расчета, и, приложив некоторые усилия, можно провести предварительную проверку концепции, сводя к минимуму риск крушения первого полета. Инструменты вычислительной гидродинамики (CFD) сегодня намного проще в использовании, а домашняя рабочая станция может обеспечить удобные и качественные результаты. Однако это требует много времени и самоотверженности. Я провел бесконечные ночи, обновляя свои знания о CFD и тонко настраивая расчетные модели, но это хорошо окупилось, когда вы можете увидеть, как ваш проект «летает» в виртуальной среде.

Оптимизация конструкции крыла в XFLR5

Большая часть аэродинамического дизайна крыла была выполнена с использованием XFLR5 (см. Ресурсы ниже). Это замечательный инструмент для опробования различных конфигураций и проведения сравнений. Моя первая попытка проектирования была сосредоточена на том, чтобы максимально приблизиться к эллиптическому распределению подъемной силы, поскольку я хотел оптимизировать эффективность. В этой конфигурации крылышки были размещены на законцовках крыла для дальнейшей оптимизации крыла и придания поперечной устойчивости.

Выбор профиля сечения крыла потребовал многих итераций. Решение должно быть основано на нескольких факторах: это должно быть хорошее сечение для низкого числа Рейнольдса (которое для этой конструкции варьируется от 50 000 до 400 000), должен иметь достойный максимальный C l и низкий коэффициент момента ( C m ) . . Более высокая C m потребует большей крутки крыла для достижения желаемой устойчивости. Число Рейнольдса (Re) безразмерно и может быть описано как отношение между силами инерции и силами вязкости. Чем ниже Re, тем выше вязкостное действие воздуха. Низкое Re обычно приводит к более высокому риску отрывных потоков и ламинарных пузырьков. Это может привести к плохим аэродинамическим характеристикам.

Окончательный выбор пал на секцию TL-54 , разработанную Торстеном Лутцем . Эта секция крыла имеет хорошее максимальное C l , довольно низкое C d и низкий коэффициент нулевого подъемного момента ( C m0 ).

XFLR5 широко использовался на этом этапе для оптимизации крутки крыла и формы в плане. Этот инструмент позволяет тестировать различные конфигурации и сравнивать их, изменяя несколько параметров. Я не буду вдаваться во все подробности расчетов XFLR5 , так как они уже были опубликованы в устаревшем RCSD в различных замечательных статьях. Были оптимизированы все параметры аэродинамики, включая грубый расчет устойчивости.

На этом этапе я был вполне доволен конструкцией крыла и был готов приступить к строительным чертежам.

Распределение подъемной силы в форме колокола

Когда я был близок к тому, чтобы заморозить дизайн, я узнал об Альбионе Бауэрсе и его экспериментах с Prandtl -D.дизайн. В двух словах, исследования Альбиона показывают, что для данной полезной нагрузки распределение подъемной силы, обеспечивающее меньшее индуктивное сопротивление и меньший вес конструкции, является колоколообразным. И, не следует пренебрегать, такое распределение подъемной силы дает преимущество скоординированного движения по крену и рысканью, решая одну из самых больших проблем, которые всегда были у нас на летающих крыльях, неблагоприятное сцепление по крену и рысканию. Чтобы лучше объяснить это, крен элерона влево сначала создаст момент рыскания вправо, делая маневр разворота несколько нескоординированным. Я был так взволнован этим исследованием, что решил соответствующим образом модифицировать свое крыло и попробовать. С некоторыми предложениями, исходящими от Albion Bowers, с некоторой поддержкой, исходящей от Марко Стаменовича, группы Horten Flying Wing Believers в Facebook (см. Ресурсыссылки на все это) и снова длинная серия симуляций XFLR5 , я представил свой окончательный дизайн крыла!

На картинке ниже вы можете увидеть эволюцию дизайна.

А это локальное распределение подъемной силы, которое я получил в урезанных условиях:

Я влюбился в этот дизайн по нескольким причинам:

• Больше нет причин внедрять винглеты. Они очень хороши, но их расположение на законцовках крыла создает большие нагрузки на крыло и увеличивает риск флаттера.
• Вертикальные плавники расположены там, где находится ядро ​​свертывания нисходящего вихря. Теоретически летающему крылу с BSLD не нужны стабилизаторы для устойчивости. Тем не менее, если вам нужен хороший боковой контроль, вам нужен какой-то руль направления. На самом деле это не обязательно для масштабной радиоуправляемой модели, но если вы хотите построить полномасштабную модель, подумайте об управлении рысканием во время взлета и посадки.
• Законцовки крыла разгружены, что позволяет сделать конструкцию крыла легче.

Еще одна особенность, которую я хотел попробовать, - это закрылки с нейтральным тангажем: если выпуск закрылков правильно расположен относительно нейтральной точки крыла (NP), мы должны быть в состоянии получить момент без тангажа, когда закрылки выпущены.

Оптимизация конструкции отсека фюзеляжа

Как вы могли понять из первой статьи, поперечное сечение фюзеляжа довольно велико по сравнению с тем, что действительно требуется для радиоуправляемой модели. Это связано с тем, что я хотел разместить настоящего пилота на полноразмерном самолете, оставив при этом достаточно места для электродвигателя и аккумуляторов, убирающегося шасси и различных аксессуаров. Поэтому я решил начертить взрыватель в натуральную величину, а затем уменьшить до масштаба 1:5.

С точки зрения полномасштабного планера необходимо учитывать больше требований:

• Пересечение лонжерона крыла с фюзеляжем: нужно достаточно места для размещения опор пилота, лонжерона крыла и систем управления
• Законцовки крыла должны находиться достаточно высоко над землей, чтобы не касаться земли при взлете и посадке (помните, что у нас стреловидное крыло)
• Фюзеляж должен быть обтекаемым с учетом угла дифферента крыла, чтобы свести к минимуму отрыв потока.
• Соединение фюзеляж/крыло должно быть оптимизировано для уменьшения интерференционного сопротивления и потенциального разделения.
• Обзор пилота не должен сильно ограничиваться крылом.
• Достаточно места для выдвижных шестерен
• Поскольку планер с электродвигателем, нам нужно место для аккумуляторного отсека.

Во время разработки мне удалось запустить CFD-симуляцию, которая позволила мне оптимизировать смешивание крыла с фюзеляжем. Запустив его на домашней рабочей станции, чудес ждать не приходится, но тем не менее было очень интересно выделить некоторые потенциальные недочеты в дизайне.

Когда дело доходит до аэродинамического сопротивления, одним из злейших врагов является неблагоприятный градиент давления. Обычно проблем не возникает, пока поток воздуха на поверхности не ускоряется: это создает стабильный и потенциально ламинарный поток. На этой масштабной модели, учитывая дифферентную скорость около 10 м/с, мы получаем Re = 300 000 на фюзеляже. При таком низком Re и при достаточно гладкой поверхности возможно ламинарное течение, что хорошо, но в то же время выше риск образования ламинарного отрывного пузыря, что плохо. Наоборот, более высокое число Re вызовет меньше проблем с разделением, но, скорее всего, приведет к турбулентному потоку.

На Dream 2700 похоже, что у нас есть потенциальная проблема разделения в задней части фюзеляжа. Позвольте мне объяснить физику с помощью нескольких картинок:

В области, выделенной синим цветом, скорость потока близка к нулю, что является явным признаком отрыва потока, выделенного также хаотичностью течения в этом районе. Это происходит из-за плохого восстановления давления, вызванного резким изменением поперечного сечения в этой области. Кроме того, как видно на следующем рисунке, крыло создает сильный энергетический поток сверху вниз и от внешнего края к внутреннему. Сильная кривизна в нижней части фюзеляжа создает поток низкой энергии с небольшим количеством возможностей удерживать его на поверхности. Практически я сконструировал совершенный «диффузорный вихревой генератор». Одна из причин связана с необходимостью располагать воздушный винт далеко от земли при взлете и посадке: это основная причина того, что кривизна взрывателя очень незначительна в верхней части и очень выражена в нижней части.

К сожалению, эти результаты были доступны только после того, как фюзеляж уже был изготовлен, так что мне придется остановиться на этом. Во время летных испытаний я попытаюсь запустить несколько экспериментальных визуализаций потока, чтобы подтвердить это явление.

В любом случае, я вполне доволен совмещением крыла и фюзеляжа, где анализ CFD не выявил особых проблем.

Очень интересное явление выделено на фотографиях ниже. Стреловидные крылья характеризуются поперечным потоком, составляющая воздушного потока, идущая от корня к кончику. Это происходит на верхней поверхности крыла, вызывая ухудшение пограничного слоя по направлению к законцовкам крыла. В этой конкретной конструкции поперечный поток более заметен до того, как мы достигнем вертикальных ребер, и менее заметен от ребер к кончикам: вертикальные ребра действуют как ограждения крыльев, уменьшая поперечный поток на концах. Негативное скручивание на концах противодействует поперечному потоку, а также на ребрах.

На последней картинке есть что-то смешное. Вы когда-нибудь задумывались, откуда берутся подъемная сила и сопротивление? Что ж, анализ CFD помогает визуализировать подъемную силу и сопротивление очень интуитивно понятным способом. На следующих изображениях красные области представляют объемы высокого давления, а синие области представляют объемы низкого давления.

И это подводит меня к концу второй части сказки о Бесхвосте. Следующая часть, которая появится в следующем месяце в New RCSD , будет посвящена строительству, где я поделюсь всеми этапами процесса с фотографиями и видео.

Позвольте мне завершить рендеринг полного Dream 2700 с окончательной цветовой схемой, которую я буду использовать.

© 2022 Доменико Боско

Ресурсы

• XFLR5: Мощный инструмент для предварительного проектирования , Франческо Мескиа. — «XFLR5 — это инструмент для анализа аэродинамических профилей, крыльев и самолетов, работающих при низких числах Рейнольдса…»
• Альбион Бауэрс и др . «Крылья с минимальным индуктивным сопротивлением: последствия нагрузки на пролет для самолетов и птиц »: «В течение почти столетия теория подъемной линии Людвига Прандтля остается стандартным инструментом для понимания и анализа крыльев самолетов. Инструмент, по словам Прандтля, изначально указывает на эллиптическую размаховую нагрузку как на наиболее эффективный выбор крыла…»
• Дизайнер летающего крыла: инструмент для создания собственной модели летающего крыла Марко Стаменовича. — «Это для тех, кто хочет сделать летающую радиоуправляемую модель и уже немного разбирается в летающих крыльях…»
• Horten Flying Wings Believers на Facebook. — Эта группа — хороший источник вдохновения: «Разместите здесь свою работу Horten и расскажите о положительном рыскании вместо отрицательного. Расскажи о легкости лонжерона, расскажи о прекрасном внешнем виде, расскажи о проведенных испытаниях…»
• AeroDesign.de Хартмута Зигманна. — «Аэродинамика, дизайн, компоновка, конструкция, конструкция, доработка и оптимизация обычных летных моделей и летающих крыльев — это действительно интересная вещь…»