Визначення критичної швидкості та механізму деградації пропелерних систем БПЛА
DOI:
https://doi.org/10.20535/0203-3771502025347794Ключові слова:
обтічник, критична швидкість, високошвидкісні БПЛА, мультикоптер, аеродинамічна ефективність, CFD моделювання, кінцеві вихори, оптимальний діапазонАнотація
Безпілотні літальні апарати (БПЛА) стають критичним елементом сучасної логістики, промислового моніторингу та спеціальних застосувань. Традиційні мультикоптерні БПЛА з відкритими пропелерами ефективні до 50-70 км/год, однак, при підвищенні швидкості виникають критичні проблеми. При високих обертах пропелера на кінцях лопатей досягаються швидкості близькі до звукових (0,4-0,8 Ма), що призводить до падіння ККД до 50-60% та утворення шумів 100-120дБ.
Стаття присвячена комплексному дослідженню відкритих та закритих пропелерних систем для високошвидкісних БПЛА, розрахованих на роботу у діапазоні швидкостей 0-300 км/год. На прикладі пропелерної системи з гвинтом APC 7x11E при частоті обертання 25000 об/хв розглянуто 5 швидкісних режимів для закритого та відкритого типів систем. Проведено розрахунки та CFD аналіз, результати яких представлені. Підтверджена модель CFD показала, що у випадку закритої конфігурації має місце деградація, що викликана не пропелером, а обтічником, який створює значний лобовий опір. Результати вказують на необхідність змінної геометрії або багатолопатевих конфігурацій для отримання ефективності при швидкості вищої за 200 км/год. Визначено оптимальний діапазон застосування систем та розроблено інженерні рекомендації щодо вибору типу пропелерної групи залежно від крейсерської швидкості БПЛА.
Посилання
M. R. Mendenhall and S. B. Spangler, "Theoretical Study of Ducted Fan Performance". NASA Contractor Report CR-1494, Nielsen Engineering & Research, Inc., Mountain View, California, January, 1970.
Available: https://ntrs.nasa.gov/citations/19700006092.
M. R. Mendenhall and S. B. Spangler, "A Computer Program for the Prediction of Ducted Fan Performance", NASA Contractor Report CR-1495, 1970. Available: https://doi.org/10.2514/6.2010-1052.
D. Kuchemann, J. Weber, Aerodynamics of Propulsion, McGraw-Hill Publications in Aeronautical Science, McGraw-Hill Book Сompany, New York, 1953.
P. B. Martin and C. Tung "Performance and Flow field Measurements on a 10-inch Ducted Rotor VTOL UAV". NASA Contractor Report, 2004.
Available: https://ntrs.nasa.gov/citations/20050009943.
J. L. Pereira, “Hover and wind-tunnel testing of shrouded rotors for improved micro air vehicle design” Ph.D. dissertation, University of Maryland, 2008.
S. Yilmaz, "Effects of duct shape on ducted propeller performance", Proceedings of the 51st AIAA Aerospace Sciences Meeting including the New Horizons Forum and Aerospace Exposition, January 2013, S Yilmaz, D. Erdem, M. S. Kavsaoglu, 2013. pp. 1-9. Available: https://doi.org/10.2514/6.2013-803.
Carlson J. J., Johnston J. P., Sagi C. J. "Effects of wall shape on flow regimes and performance in straight, two-dimensional diffusers", Asme Paper No. 66-Fe-13, 1966.
Ohanian, O. J., Gelhausen, P. A.; Inman, D. J. "Nondimensional Modeling of Ducted-Fan Aerodynamics", J. Aircr., vol. 49, pp. 126–140, 2012. Available: https://doi.org/10.2514/1.C031389.
##submission.downloads##
Опубліковано
Номер
Розділ
Ліцензія
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
1. Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY-NC-ND , котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
2. Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
3. Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
