Косушкин Константин Геннадьевич, начальник сектора научно-исследовательского отделения
г. Жуковский
Konstantin G. Kosushkin, Head of TsAGI Scientific-Research Secto
Zhukovsky
Крицкий Борис Сергеевич, доктор технических наук, профессор, главный научный сотрудник ЦАГИ, профессор кафедры физики полета МФТИ
г. Жуковский
Boris S. Kritsky, Doctor of Technical Sciences, Professor, Chief Researcher, Central Aerohydrodynamic Institute, Zhukovsky, Professor of Flight Physics Chair, Moscow Institute of Physics andTechnology
Миргазов Руслан Миннхатович, кандидат технических наук, заместитель начальника научно-исследовательского отделения
г. Жуковский
Ruslan M. Mirgazov, Candidate of Technical Sciences, Deputy Head of Scientific-Research Department
Zhukovsky
В статье представлены результаты расчетных исследований аэродинамических характеристик несущих систем беспилотных мультикоптеров различных компоновок, выявлены особенности обтекания винтов, проведена оценка взаимовлияния винтов друг на друга. Расчеты основывались на нелинейной лопастной вихревой теории винта в нестационарной постановке. Рассмотрены комбинации из четырех, восьми (четыре соосных) и четырнадцати двухлопастных винтов при скоростях полета V = 100, 150, 200 км/ч. Для каждой комбинации винтов и скорости полета полуэмпирическими методами выбираются: углы атаки винтов, частота вращения, углы установки лопастей и геометрические параметры под заданную взлетную массу аппарата. Расчеты показали, что для несущей системы из четырех винтов (квадрокоптер) два винта, расположенные ниже по потоку, в зависимости от скорости из-за взаимовлияния имеют значения коэффициентов тяги меньше ≈10–20 %, чем винты, находящиеся выше по потоку. Для соосной четырехвинтовой системы влияние верхнего переднего винта на верхний задний винт аналогично влиянию передних винтов на задние в четырехвинтовой несущей системе. Влияние верхнего переднего винта на нижний задний винт по средней величине тяги не меняется, а изменения имеют только локальный характер. Взаимовлияние других винтов друг на друга имеет аналогичный с четырехвинтовым вариантом характер. У мультикоптера с четырнадцативинтовой несущей системой формируется сложная картина течения, которая порождает нерегулярность в изменении коэффициентов тяги по времени. В зависимости от режима и расположения винта значение среднего коэффициента тяги винта может изменяться приблизительно в два раза. Расчеты показали, что при одинаковых геометрических и кинематических параметрах тяга винтов может существенно отличаться, что без дополнительных управляющих воздействий вызывает значительные дестабилизирующие моменты. Пульсации тяги и, соответственно, вибрации возрастают с увеличением скорости полета. Вероятно, что при правильно выбранной конфигурации винтов и системе автоматического управления можно парировать всплески тяги так называемой подборкой «фазировки» – выбором начального угла по азимуту для каждого винта.
The article presents the results of computational studies of aerodynamic characteristics for unmanned lift-generating multi-rotor drones of various configurations. The distinctive features of rotors flow were characterized. The rotor interaction was evaluated. The computations were based on the nonlinear rotor blade vortex theory in a non-stationary arrangement. The combinations of four, eight (four coaxial) and fourteen two-bladed rotors at velocity V = 100, 150, 200 km/h were considered. Semi-empirical methods were employed to select the rotor angles of attack, rotation speed, blade installation angles and geometric parameters at the given take-off weight for each combination of rotors and flight airspeed. The computations showed that for a four-rotor lift-generating design (quad-rotor), two rotors installed downstream, depending on the velocity due to the mutual effect, have values of the thrust coefficients ≈10...20% less than those of the rotors located upstream. For a coaxial quad-copter, the effect of the upper front rotor on the upper rear rotor is similar to the effect of the front rotors on the rear ones in a four-rotor lift-generating design. The effect of the upper front rotor on the lower rear rotor does not vary in terms of the average thrust value, and variations are only local in nature. The interaction of other rotors is identical to that of the four-rotor version. A fourteen-rotor lift-generating multi-rotor drone has a complex flow pattern, which generates deviance in the thrust coefficients variation with respect to time. Depending on the mode and rotors location, the average rotor thrust coefficient can vary approximately twice. The computations showed that with the similar geometric parameters and kinematics characteristics, rotors thrust is substantially subject to variation, which causes destabilizing moments to a significant degree without additional control input. Thrust pulsations and, respectively, vibrations grow in intensity as the flight airspeed increases. Probably, the right choice of the rotor configuration and the automatic control system can counterbalance thrust surge by so-called "phasing", i.e. selecting an initial azimuth angle for each rotor.
The authors declare that there are no conflicts of interest present.