Аэродинамика малых скоростей на примере малого беспилотного летательного аппарата

УДК

АЭРОДИНАМИКА МАЛЫХ СКОРОСТЕЙ

НА ПРИМЕРЕ МАЛОГО БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА

Сёмин Н.А.

semin_nik@mail.ru

Научный руководитель: Н.М. Файзуллина, к. т. н.

(Казанский национальный исследовательский технический университет им.А.Н.Туполева –КАИ, г. Казань)

В статье рассматриваются особенности аэродинамики полета малых беспилотных летательных аппаратов.  Указывается проблема проектирования малых беспилотных летательных аппаратов из-за неразработанности теории вопроса и методов расчетов.  Приводится метод измерений Ф.Шмитца, согласно которому при фиксированном угле атаки изменяется скорость потока. Проведен расчет профиля МБПЛА в виртуальной аэродинамической трубе XLFR5.

Тема аэродинамики малых скоростей представляет особую актуальность для проектирования малого беспилотного летального аппарата, так как без знания процессов обтекания и теории полета моделей невозможно достичь высоких аэродинамических характеристик. Теория полета малого беспилотного летательного аппарата значительно сложнее теории полета большого самолета. Это обусловлено, прежде всего, тем, что малые беспилотные летательные аппараты летают в так называемой критической области чисел Рейнольдса. 

В этой критической области полет малого беспилотного летального аппарата аналогичен полету полноразмерного самолета при скорости звука, т.е. аэродинамические характеристики претерпевают резкие скачки. Поляра перестаёт быть постоянной, и традиционные теории аэродинамики полноразмерных самолетов становятся неприменимы к МБПЛА:

-неуместен прием лианеризации характеристик для МБПЛА;

-не выражено разделение колебаний на коротко- и длиннопериодические, в связи с принципиальной разницей в инерционных и массовых величинах.

Проблема заключается в том, что при проектировании МБПЛА осложнено определение аэродинамических характеристик маневренности и устойчивости из-за существенных пробелов в теории полета и методах расчета данных ЛА. Опыт проектирования полноразмерных ЛА, стандартные аналитические модели и методы не могут описать модель поведения ЛА, а также живых существ.

Главные особенности МБПЛ, при рассмотрении средствами традиционной аэромеханики:

1. Эксперимент, проведенный при малых скоростях и малых размерах МБПЛА в аэродинамических трубах без модернизации, является не достоверным. При таких параметрах эксперимента аэродинамическая труба будет иметь не устойчивый поток. Также необходимо высокоточная аппаратура для снятия показания действующих сил на объект исследования, так как они будут малы.
2. Также, как и в природе, хорошие летные качества МБПЛА можно получить только путем использования специальных профилей и создания искусственной управляемой турбулентности для образования закритического состояния обтекания.
3. Воздействие внешних возмущающих факторов преимущественно превосходят основные аэродинамические силы.

В проведенном эксперименте В.С.Брусовым, В.П.Петручиком [1] были выполнены исследования нестационарных аэродинамических характеристик крыла МБПЛА по методу измерения Ф. Шмитца [2], согласно которому при фиксированном угле атаки изменяется скорость потока. Было установлено, что «с увеличением скорости до критического режима (Re≈140000) коэффициент подъемной силы плавно возрастает, затем происходит скачкообразное увеличение . Последующие увеличение скорости приводит лишь к незначительному увеличению . С уменьшением скорости наблюдается также скачкообразное возвращение коэффициента подъемной силы к своему докритическому значению, но не при Re≈140000, а при Re≈80000. Образуется так называемая «петля гистерезиса».[pic 1][pic 2]