Два дрона одинаковой массы и с одинаковым запасом энергии могут показать совершенно разные характеристики только из-за геометрии. У одного — большие тихоходные винты с низкой нагрузкой на диск, у другого маленькие быстро вращающиеся пропеллеры. Один самолет получил длинное узкое крыло, другой короткое и широкое. Уже этих отличий достаточно, чтобы заметно изменить необходимую мощность, скорость и поведение аппарата.
Поэтому форма беспилотника складывается не только из требований к компоновке. Диаметр винтов определяет, какой объем воздуха они могут захватить. Размах и площадь крыла влияют на подъемную силу и сопротивление. Даже расположение аккумулятора меняет центровку, а вместе с ней характеристики устойчивости.
Главные различия между мультиротором и самолетом начинаются не с числа двигателей, а с того, как большая часть конструкции взаимодействует с воздухом.
Почему большой винт может быть выгоднее маленького
Для ротора важна не только мощность двигателя, но и площадь диска, который описывают вращающиеся лопасти. Чем больше диаметр винта, тем больше воздуха проходит через этот диск.
Здесь появляется один из основных параметров винтокрылой аэродинамики: нагрузка на диск. Ее получают, разделив тягу или вес аппарата на суммарную площадь несущих роторов. Один и тот же аппарат можно удерживать в воздухе маленькими винтами с высокой нагрузкой на диск или более крупными винтами с меньшей нагрузкой.
Разница хорошо видна по потоку воздуха. Для получения определенной тяги небольшой ротор должен сильнее разгонять относительно небольшую массу воздуха. Большой ротор может создать ту же тягу, сообщая меньшую дополнительную скорость гораздо большему объему воздуха.
Из теории импульса для ротора следует, что при прочих равных уменьшение нагрузки на диск снижает идеальную мощность, необходимую для висения. Именно поэтому у вертолетов огромный несущий винт, а не несколько крошечных пропеллеров с тем же суммарным количеством лопастей. Тот же принцип работает и у мультироторов.
Однако увеличивать диаметр бесконечно нельзя. Большим винтам требуется место, растут размеры рамы, масса лопастей и нагрузки на конструкцию. Увеличивается и окружная скорость концов лопастей при тех же оборотах, поэтому большой пропеллер обычно работает при меньшей частоте вращения.
Число роторов тоже само по себе не определяет эффективность. Квадрокоптер с четырьмя крупными винтами и октокоптер с восемью маленькими могут иметь очень разную суммарную площадь дисков. Поэтому простое правило «больше моторов — больше расход» не описывает аэродинамику аппарата.
Куда на самом деле уходит энергия мультиротора
Электродвигатель не превращает всю энергию аккумулятора непосредственно в полезную тягу. Часть теряется в обмотках, регуляторах и проводке, часть уходит на вращение винта и преодоление сопротивления его лопастей. Еще одна важная часть связана с созданием нисходящего потока воздуха.
Такой поток называют индуцированным. Ротор создает тягу, ускоряя воздух через свой диск вниз. Чем выше требуемая тяга относительно площади диска, тем выше необходимая скорость этого потока и тем больше индуцированная мощность.
Есть и профильные потери. Каждая лопасть сама движется через воздух и испытывает аэродинамическое сопротивление. Увеличение оборотов повышает скорость лопасти, а сопротивление при этом быстро растет. Поэтому подбор диаметра, шага, ширины лопасти и оборотов непосредственно влияет на расход энергии.
На эффективность также влияет взаимодействие потоков. Винты мультиротора находятся рядом с рамой, корпусом и соседними роторами. Воздух может попадать на балки, оборудование и другие элементы, а реальные потоки становятся значительно сложнее идеальной модели отдельного винта.
NASA проводило испытания серийных мультикоптеров в аэродинамической трубе и измеряло силы, моменты и электрическую мощность при разных скоростях потока, оборотах роторов и углах корпуса. Такие исследования показывают, почему расход энергии нельзя надежно определить только по мощности моторов или емкости аккумулятора.
Есть даже заметный эффект от поверхности земли. Когда ротор работает достаточно близко к ней, нисходящему потоку сложнее свободно расширяться. В результате при одинаковой мощности ротор способен создавать несколько большую тягу, чем вне зоны влияния земли. В вертолетной аэродинамике явление известно как экранный эффект.
Почему длина и ширина крыла важнее его внешнего вида
У самолетного беспилотника одна из ключевых величин называется нагрузкой на крыло. Она показывает, какая масса или вес приходится на единицу площади крыла. При прочих равных большое крыло означает меньшую нагрузку, маленькое крыло при той же массе означает большую.
Связь хорошо видна на малых скоростях. Чтобы удерживать самолет, крыло должно создать достаточную подъемную силу. Она зависит от плотности воздуха, площади крыла, коэффициента подъемной силы и квадрата воздушной скорости. Если площадь меньше, недостающую подъемную силу приходится получать за счет других параметров, в том числе большей скорости.
Поэтому высокая нагрузка на крыло обычно сопровождается более высокой минимальной скоростью при одинаковых аэродинамических условиях. NASA приводит эту зависимость через формулу минимальной скорости: она растет пропорционально квадратному корню из нагрузки на крыло.
Но одной площади недостаточно. Крылья площадью один квадратный метр могут выглядеть совершенно по-разному: одно короткое и широкое, другое длинное и узкое. Для описания этой геометрии используют удлинение крыла, aspect ratio.
Для прямоугольного крыла удлинение можно приблизительно представить как отношение размаха к хорде, то есть к его ширине в направлении полета. Чем крыло длиннее и уже, тем выше удлинение.
Такая геометрия уменьшает индуктивное сопротивление. У законцовок крыла воздух перетекает из области повышенного давления под крылом в область пониженного давления сверху и формирует вихри. На создание этих вихрей уходит энергия, а возникающий компонент сопротивления как раз называют индуктивным.
NASA Glenn Research Center указывает, что при одинаковой площади крылья с большим удлинением имеют меньшее индуктивное сопротивление. Отсюда характерные длинные узкие крылья планеров и многих аппаратов, рассчитанных на продолжительный полет.
Плата за большой размах появляется в конструкции. Длинное крыло работает как консоль и испытывает изгибающие нагрузки. Его нужно сделать достаточно жестким и прочным, а увеличение размаха также усложняет хранение, транспортировку и наземное обращение.
| Параметр формы | Что меняется | Какое ограничение появляется |
|---|---|---|
| Больший диаметр роторов | Снижается нагрузка на диск | Растут габариты и требования к конструкции |
| Большая площадь крыла | Снижается нагрузка на крыло | Увеличиваются размеры и площадь поверхности |
| Большое удлинение крыла | Снижается индуктивное сопротивление | Растут изгибающие нагрузки на крыло |
| Большая лобовая площадь | Увеличивается сопротивление формы | Для той же скорости требуется больше тяги |
| Изменение положения оборудования | Смещается центр тяжести | Меняются балансировка и запас устойчивости |
Из чего складывается сопротивление самолетного дрона
Фраза «обтекаемая форма» сильно упрощает аэродинамику. У самолета нет одного общего сопротивления, возникающего по одной причине. Несколько его составляющих ведут себя по-разному.
Часть сопротивления связана с формой корпуса, трением воздуха о поверхность и выступающими элементами. В авиации эти составляющие обычно относят к паразитному сопротивлению. Антенны, стойки, неубранные провода, подвесы и резкие переходы формы могут увеличивать его.
По формуле аэродинамического сопротивления скорость входит в квадрате. Если геометрия и остальные условия не меняются, при увеличении скорости в два раза соответствующая аэродинамическая сила возрастает примерно в четыре раза.
Но у крыла есть еще индуктивное сопротивление, непосредственно связанное с созданием подъемной силы. Его особенно хорошо заметно на малой скорости, когда крылу приходится работать с высоким коэффициентом подъемной силы. С ростом скорости требуемый коэффициент для поддержания того же веса уменьшается, поэтому снижается и индуктивная составляющая.
В результате у самолетного аппарата нет одной скорости, при которой все виды сопротивления одновременно минимальны. На небольших скоростях значительную роль играет индуктивное сопротивление, на высоких все сильнее растет паразитное. Их сумма образует характерную кривую с областью минимального общего сопротивления.
С этим связано аэродинамическое качество L/D, отношение подъемной силы к сопротивлению. Чем больше подъемной силы крыло получает при меньшем сопротивлении, тем выше аэродинамическое качество. NASA использует L/D как один из основных показателей аэродинамической эффективности самолета.
Поэтому два внешне похожих самолетных беспилотника могут заметно различаться по характеристикам. Значение имеют не только масса и мощность мотора, но и профиль крыла, его удлинение, качество поверхности, размеры фюзеляжа и даже форма мест соединения деталей.
Почему маленький дрон нельзя просто считать уменьшенным самолетом
Одна из менее очевидных особенностей беспилотников связана с масштабом. Если уменьшить самолет в несколько раз, воздух поведёт себя для него иначе.
Для описания режима обтекания используют число Рейнольдса. Оно зависит от скорости, характерного размера объекта, плотности и вязкости воздуха. Для крыла таким размером обычно служит хорда.
У небольшого БПЛА хорда крыла намного меньше, чем у пилотируемого самолета. Скорость тоже часто ниже. В результате многие малые беспилотники работают при существенно меньших числах Рейнольдса.
NASA в исследованиях малых летательных аппаратов указывает, что роторы, пропеллеры и крылья небольших UAV часто работают при числах Рейнольдса ниже 500 000. В таком диапазоне привычный профиль, хорошо работающий на большом самолете, может показать заметно худшее отношение подъемной силы к сопротивлению.
Причина связана с пограничным слоем, тонкой областью воздуха непосредственно у поверхности. На малых числах Рейнольдса поток легче отделяется от поверхности. Может появляться ламинарный отрыв, который ухудшает аэродинамические характеристики крыла или лопасти.
Поэтому уменьшение готовой аэродинамической формы не гарантирует сохранения ее свойств. Для небольших беспилотников создают специальные профили, рассчитанные именно на низкие числа Рейнольдса. В некоторых режимах простые тонкие или изогнутые пластины даже могут работать эффективнее классического толстого авиационного профиля.
Масштаб влияет и на пропеллеры. Маленькая лопасть тоже работает при небольшом числе Рейнольдса, поэтому геометрия, которая показывает хорошую эффективность на крупном винте, не обязательно даст такой же результат после пропорционального уменьшения.
Как геометрия помогает самолету сохранять устойчивость
Устойчивость самолетного дрона закладывается еще до настройки автопилота. Один из главных параметров здесь не виден снаружи: положение центра тяжести.
Центр тяжести показывает точку, относительно которой можно рассматривать действие веса всего аппарата. Его положение зависит от распределения батарей, двигателя, камеры, электроники и остальных деталей внутри корпуса.
У обычной устойчивой самолетной компоновки центр тяжести находится в заданном диапазоне относительно аэродинамических сил крыла и оперения. Горизонтальное оперение создает момент, который помогает планеру возвращаться к установившемуся режиму после небольших отклонений.
Смещение тяжелого аккумулятора даже на несколько сантиметров у небольшого БПЛА способно заметно изменить центровку. Слишком заднее положение центра тяжести уменьшает запас продольной устойчивости. Слишком переднее требует большего балансировочного момента от оперения и может увеличить необходимое отклонение руля высоты и сопротивление.
На поперечную устойчивость влияет геометрия крыла. Например, поперечный V крыла, когда консоли немного подняты вверх относительно корня, может создавать восстанавливающий момент при боковом скольжении. Вертикальное оперение выполняет похожую работу вокруг вертикальной оси и помогает самолету ориентироваться по набегающему потоку.
У мультиротора геометрия работает иначе. Расстояние от двигателя до центра аппарата задает плечо, через которое изменение тяги создает момент крена или тангажа. Чем дальше мотор от центра при одинаковом изменении тяги, тем больше создаваемый момент. Одновременно длинные лучи увеличивают размеры рамы и ее момент инерции.
Поэтому даже у двух квадрокоптеров одинаковой массы реакция на команды может заметно различаться. Компактная машина с небольшой массой, сосредоточенной возле центра, легче меняет угловую скорость. Крупная рама с тяжелыми моторами далеко от центра имеет больший момент инерции и медленнее меняет вращение при том же управляющем моменте.
Именно здесь форма начинает связывать практически все характеристики аппарата между собой. Большие роторы уменьшают нагрузку на диск, но увеличивают размеры. Длинное крыло снижает часть аэродинамических потерь, но повышает требования к прочности. Маленькое крыло уменьшает габариты, но повышает нагрузку на площадь. Даже простое перемещение батареи меняет не только компоновку, но и балансировку всего аппарата.
Вопросы и ответы
Что такое нагрузка на диск у дрона?
Нагрузка на диск показывает, какая тяга или вес приходится на суммарную площадь, охватываемую несущими роторами.
Почему большие винты могут расходовать меньше энергии?
Больший диск позволяет создать необходимую тягу, ускоряя большую массу воздуха на меньшую величину, что снижает идеальную индуцированную мощность.
Что такое нагрузка на крыло?
Нагрузка на крыло показывает, какой вес аппарата приходится на единицу площади крыла. Она связана с требуемой скоростью и режимами полета.
Зачем беспилотнику длинное узкое крыло?
Большое удлинение крыла уменьшает индуктивное сопротивление, которое возникает при создании подъемной силы.
Что такое аэродинамическое качество дрона?
Аэродинамическое качество L/D представляет отношение подъемной силы к сопротивлению и характеризует эффективность самолетного планера.
Почему аэродинамика маленького дрона отличается от большого самолета?
Малые размеры и скорости приводят к меньшим числам Рейнольдса, при которых меняются свойства пограничного слоя, отрыв потока и эффективность профиля.
Как центр тяжести влияет на самолетный дрон?
Положение центра тяжести влияет на продольную устойчивость, балансировку и необходимую работу горизонтального оперения.
