Расчетные исследования аэродинамических характеристик винтов мультикоптеров

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.

1. Корнилов Т.В. БПЛА – вам взлет! // Защита и карантин растений. 2017. № 5. C. 37‒39.

2. Хальясмаа А.И., Близнюк Д.И., Романов А.М. Диагностический комплекс для оценки состояния воздушных линий электропередачи // Вестник ЮУрГУ. Серия Энергетика. 2015. Т. 15, № 4. С. 46‒53. DOI: 10.14529/power150407

3. Тихонов А.А., Акматов Д.Ж. Актуальность применения мультикоптеров на производстве // Горный информационно-аналитический бюллетень. 2019. № 1. С. 55–62. DOI: 10.25018/0236-1493-2019-01-0-55-62

4. Янц А.И., Вяльцев А.В., Павлов М.М. Применение мультикоптеров как пожарноспасательной техники // Инновационная наука. 2017. № 1–2. С. 108‒110.

5. Radiansyah S., Kusrini M.D., Prasetyo L.B. Quadcopter applications for wildlife monitoring [Электронный ресурс] // IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, 2017. Vol. 54. ID: 012066. DOI: 10.1088/1755-1315/54/1/01206 (дата обращения: 17.06.2021).

6. Desmond K. Electric airplanes and drones: a history. McFarland & Company, Inc., 2018. 314 p.

7. Quan Q. Introduction to multicopter design and control. Springer Nature Singapore Pte Ltd, 2017. 392 p.

8. Белоцерковский С.М., Локтев Б.Е., Ништ М.И. Исследование на ЭВМ аэродинамических и упругих характеристик винтов вертолета. М.: Машиностроение, 1992. 220 с.

9. Крицкий Б.С. Математическая модель аэродинамики винтокрылого летательного аппарата // Труды ЦАГИ. 2002. Вып. 2655. С. 50–56.

10. Игнаткин Ю.М. Расчетные исследования режимов крутого снижения несущего винта на базе нелинейной лопастной вихревой модели / Ю.М. Игнаткин, П.В. Макеев, В.И. Шайдаков, А.И. Шомов // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2019. № 2. С. 68–77.

11. Игнаткин Ю.М. Численное моделирование обтекания несущего винта на режиме косой обдувки на базе нелинейной вихревой модели и методом RANS с моделью турбулентности SPALART-ALLMARAS / Ю.М. Игнаткин, С.Г. Константинов, П.В. Макеев, А.И. Шомов // Полет. Общероссийский научно-технический журнал. 2018. № 5. С. 48–60.

12. Гарипова Л.И. Определение аэродинамических характеристик модели несущего винта на режиме осевого обтекания / Л.И. Гарипова, А.С. Батраков, А.Н. Кусюмов, С.А. Михайлов, Дж. Баракос // Известия высших учебных заведений. Авиационная техника. 2014. № 3. С. 7–13.

13. Вершков В.А. Сравнение результатов численного моделирования обтекания несущего винта в различных пакетах программ / В.А. Вершков, Б.С. Крицкий, М.С. Махнев, Р.М. Миргазов, Т.В. Требунских [Электронный ресурс] // Труды МАИ. 2016. № 89. 17 с. URL: http://trudymai.ru/upload/iblock/085/vershkov_kritskiy_makhnev_mirgazov_trebunskikh_rus.pdf?lang=ru&issue=89 (дата обращения: 17.06.2021).

14. Игнаткин Ю.М. Нелинейная лопастная вихревая теория винта и ее приложения для расчета аэродинамических характеристик несущих и рулевых винтов вертолета / Ю.М. Игнат- Том 24, № 05, 2021 Научный Вестник МГТУ ГА кин, П.В. Макеев, Б.С. Гревцов, А.И. Шомов // Вестник Московского авиационного института. 2009. Т. 16, № 5. С. 24–31.

15. Миргазов Р.М., Крицкий Б.С. Программа расчета многовинтовых систем винтокрылых летательных аппаратов различной конфигурации (MultiRotor VTOL). Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020660091 от 27.08.2020.

16. Косушкин К.Г., Маврицкий В.И. Разработка концепции многовинтовой платформы с распределенной силовой установкой // Материалы XXVIII научно-технической конференции по аэродинамике им. П. Володарского, 20–21 апреля 2017 г. Центральный аэрогидродинамический институт им. проф. Н.Е. Жуковского. 2017. С. 149–150.

17. Юрьев Б.Н. Избранные труды. Т. 1. Воздушные винты. Вертолеты. М.: Издательство Академии наук СССР, 1961. 552 c. 18. Вильдгрубе Л.С. Вертолеты. Расчет интегральных аэродинамических характеристик и летно-технических данных. М.: Машиностроение, 1977. 152 c.

18. Вильдгрубе Л.С. Вертолеты. Расчет интегральных аэродинамических характеристик и летно-технических данных. М.: Машиностроение, 1977. 152 c.