אווירודינמיקה רב-תכליתית: אפיון דחף על הקסאקופטר

מולטי-קופטרים הם כלי טיס קטנים עם מספר רוטורים, בניגוד למסוקים מסורתיים עם רוטור ראשי אחד. לרוטור מסוק מסורתי יש גובה משתנה, המאפשר לטייס לשלוט בהרמה ובהיגוי. עם זאת, מולטי-קופטרים מסתמכים על רוטורים בעלי גובה קבוע. חלקם מסתובבים עם כיוון השעון, וחלקם מסתובבים נגד כיוון השעון. הטיסה נשלטת על ידי שינוי המהירות של רוטור אחד או יותר. לדוגמה, בהקסקופטר זה, כל המדחפים פועלים באותה מהירות. זה מייצר את אותו דחף כדי שהוא ירחף.

בדומה למטוסי כנף קבועה, יחס הקסקופטר מתואר על שלושה צירים: ציר הגובה, ציר הגלגול וציר הסבסוב. ניתן לשלוט על ההקסקופטר סביב ציר הגובה על ידי הגדלת מהירות המדחפים בצד אחד של ציר הגובה והפחתת המהירויות של אלה בצד השני. זה יוצר הפרש דחף בין שני הצדדים. אם הדחף מוגבר במדחפים האחוריים ויורד במדחפים הקדמיים, ההקסקופטר נוטה קדימה.

באופן דומה, ניתן לשלוט על הקסקופטר על ציר הגלגול באותו אופן. זה גורם לתנועה מצד לצד. זה נעשה על ידי הגדלת מהירות המדחפים בצד אחד והפחתת מהירות המדחפים בצד השני.

בקרת הסבסוב, המשנה את זווית הכיוון, מושגת על ידי איזון מומנטי הסיבוב של המדחף בכיוון השעון עם מומנטי הסיבוב של המדחף נגד כיוון השעון. על ידי סיבוב המדחפים נגד כיוון השעון מהר יותר מהמדחפים עם כיוון השעון, תגובת הרשת ההפוכה גורמת לסיבוב עם כיוון השעון סביב ציר הסבסוב.

אנו יכולים לחשב את הדחף והמומנט של כל יחידת מדחף באמצעות המשוואות המוצגות. כאשר T הוא הדחף שנוצר, CT הוא מקדם הדחף, טאו הוא המומנט, CQ הוא מקדם המומנט ואומגה היא מהירות הסיבוב בסל"ד. ניתן לחשב גם את כניסת הכוח החשמלי וגם את תפוקת הכוח המכני באמצעות המשוואות הבאות. לאחר מכן משתמשים בכוח החשמלי והמכני כדי לקבוע את היעילות של מנוע המדחף. שני המקדמים, יחד עם ההספק החשמלי והמכני, מחושבים באמצעות נתונים שהתקבלו מניסויים.

במעבדה זו נדגים כיצד לחשב כוחות אווירודינמיים ודחף על הקסקופטר באמצעות תא עומס המותקן על עמדת בדיקה. לאחר מכן, נאפיין וננתח עילוי וגרר בטווח מהירויות אוויר באמצעות מנהרת רוח.

כדי להתחיל בניסוי זה, נשתמש בדינמומטר כדי למדוד ולחשב פרמטרים של מדחף אחד. ראשית, השג דינמומטר עם מערכת רכישת נתונים מובנית. הפעל את ממשק המשתמש הגרפי המצורף למערכת הדינמומטר. התקן את המנוע על מעמד הבדיקה של הדינמומטר וחבר את כל חוטי המכשיר. לאחר מכן, כייל את המערכת על ידי ביצוע ההוראות שעל המסך, באמצעות משקולות וזרוע הידית הידועה כאשר תתבקש לעשות זאת.

לאחר השלמת הכיול, חבר את המדחף במושך? תצורה. לפני ביצוע הניסויים, ודא שהדינמומטר מאובטח היטב לשולחן העבודה באמצעות מהדקי C, ושהוא ממוקם מאחורי קיר הגנה פרספקס.

כעת חבר את הסוללה לדינמומטר. הפעל את תוכנית קלט הצעדים, המניעה את מנועי DC באמצעות אות פועם. התוכנית תתעד את הדחף הנמדד, המומנט, סל"ד המנוע, זרם המנוע והדופק עם פקודת מצערת אפנון.

בחלק זה של הניסוי, נמדוד את הדחף מההקסקופטר באמצעות תא עומס מחוץ למנהרת הרוח כדי למנוע הפרעות מדפנות מנהרת הרוח.

ראשית, הדק את הקסקופטר על מעמד הבדיקה של תא העומס באמצעות ברגי הרכבה. לאחר מכן, פתח את מערכת רכישת הנתונים והפעל את תוכנית ההטיה של מד המתח של תא העומס כדי להסיר את כל ערכי תאי העומס של ההטיה. חבר את בקר הטיסה של הקסקופטר למחשב באמצעות כבל מיקרו USB, וחבר את ספק הכוח להקסקופטר.

לאחר מכן, פתח את תוכנית תחנת בקר הקרקע. תחת לשונית התצורה, קשר את כל המנועים על ידי לחיצה על סימן הביקורת בצד ימין. הזז את מחוון ערוץ הפלט לפקודת המצערת הרצויה ב-1,300 מיקרו-שניות. תן למערכת להתייצב למספר שניות ולאחר מכן הפעל את התוכנית לאיסוף נתונים מתא העומס.

בסיום התוכנית, עצור את המנועים על ידי הזזת מחווני ערוץ הפלט שמאלה בתחנת בקר הקרקע. חזור על הבדיקה עם פקודות מצערת של 1,500 ו-1,700 מיקרו-שניות. לאחר מכן עצור את המנועים והעביר את כל הנתונים לכונן הבזק שישמש כבסיס למדידות מנהרת הרוח במבחן הבא.

בחלק הבא של הניסוי נערוך את אותה בדיקה, אלא שהיא תיעשה בתוך מנהרת הרוח עם זרימת אוויר. כדי להתחיל, התקן את הקסקופטר על מעמד הבדיקה של תא העומס. לאחר מכן, חבר את תא העומס למחשב רכישת הנתונים, וחבר את הקסקופטר לתחנת הבקרה הקרקעית. אבטח את עמדת הבדיקה לבסיס מנהרת הרוח באמצעות מהדקי C, וודא שההקסקופטר נקי מדפנות מנהרת הרוח, הרצפה והתקרה כדי למזער את הפרעות זרימת הזרם החופשי.

לאחר מכן, הרכיבו שני צינורות פיטו בתוך מנהרת הרוח באמצעות סרט תעשייתי, והקפידו למקם אותם במרחק של כמה מטרים מההקסקופטר כדי לדגום את זרימת האוויר ללא הפרעה. כעת, הגדר את זווית הגובה של הקסקופטר ל-0? על ידי כוונון מפרק הציר של מעמד הבדיקה. לאחר מכן, סגור את מנהרת הרוח.

חבר את חיישני צינור הפיטו למערכת רכישת הנתונים. לאחר מכן, הפעל את תוכנית ההטיה כדי לקבוע את הטיות המתח של תא העומס. לאחר מכן, אתחל את מנהרת הרוח והגדר את מהירות הרוח לכ-430 רגל לדקה, או 2. 2 מ' לשנייה. לאחר שמהירות זרימת הזרם החופשי מתייצבת לערך הרצוי, אסוף את העילוי הבסיסי וגרור קריאות מתא העומס כשמנועי ההקסקופטר כבויים.

כעת, הפעל את מנועי ההקסקופטר על ידי אתחול פקודת המצערת ל-1,300 מיקרו-שניות. תן למהירות האוויר במנהרת הרוח להתייצב ולאחר מכן אסוף את הקריאות מתא העומס ומצינורות הפיטו. לאחר מכן, חזור על הבדיקה שוב עבור שלוש הגדרות פקודת המצערת בזוויות גובה הקסקופטר מגוונות ומהירויות אוויר במנהרת הרוח. כדי להפחית את המורכבות, נשמרה זווית אפס סבסוב בכל עת.

עכשיו בואו נפרש את התוצאות. ראשית, שרטט את נתוני הדחף לעומת הסל"ד והמומנט לעומת הסל"ד שנאספו מניסוי הדינמומטר.

כאן, אנו מציגים את הנתונים עבור מנוע אחד. העלילות ממחישות כי עלייה בסל"ד המנוע מביאה לעלייה במומנט ובדחף. כעת, התאם עקומה ריבועית לנתונים בצורה של המשוואות הבאות. באמצעות הקשר הריבועי, אנו יכולים לקבוע את מקדם הדחף, CT, ואת מקדם המומנט, CQ.

לאחר מכן, התווה סל"ד מנוע קלט, כוח חשמלי ופקודת מצערת בתרשים תלת מימדי. מכיוון שאין משוב ישיר של חיישן סל"ד על ההקסקופטר שלנו, התאמנו משטח פולינומי לנתונים כדי להשיג את הסל"ד בפועל כפונקציה של כוח חשמלי ופקודת מצערת.

כעת, לאחר שבדקנו את תוצאות הדינמומטר, בואו נסתכל על ניסויי מנהרת הרוח שנערכו באמצעות הפרמטרים המפורטים כאן. הווריאציה של גרר והרמה משורטטת כנגד זוויות הגובה השונות שנבדקו. שתי העלילות מראות כי הגדלת פקודת המצערת מביאה לעלייה משמעותית בהרמה, או בדחף המנוע, כמו גם לעלייה בגרר. עלייה במהירות האוויר של מנהרת הרוח אינה מגדילה משמעותית את העילוי. עם זאת, מהירות אוויר גבוהה יותר הביאה לעלייה משמעותית בכוח הגרר הפועל על ההקסקופטר.

לסיכום, למדנו כיצד כוחות אווירודינמיים שולטים במעופם של מולטי-קופטרים. לאחר מכן בדקנו הקסקופטר במנהרת רוח וניתחנו את כוחות העילוי והגרר המיוצרים בטווח מהירויות אוויר.