STACJONARNE I NIESTACJONARNE BADANIA MIKROSAMOLOTU W PŁASZCZYZNACH POCHYLENIA, PRZECHYLENIA I ODCHYLENIA Z WYKORZYSTANIEM TUNELU WODNEGO

Transkrypt

1 MODELOWANIE INŻYNIERSKIE ISSN X 44, s. 6-73, Gliwie 212 STAJONARNE I NIESTAJONARNE BADANIA MIKROSAMOLOTU W PŁASZZYZNAH POHYLENIA, PRZEHYLENIA I ODHYLENIA Z WYKORZYSTANIEM TUNELU WODNEGO MIHAŁ GARBOWSKI, KRZYSZTOF SIBILSKI Załad Inżynierii Lotnizej, Politehnia Wroławsa mihal.garbowsi@pwr.wro.pl, rzysztof.sibilsi@pwr.wro.pl Streszzenie. W artyule przedstawiono przebieg esperymentu mająego na elu wyonanie badań zarówno stajonarnyh ja i niestajonarnyh mirosamolotu względem ątów nataria, ślizgu i pohylenia. Omówiony jest el i zares przeprowadzonyh badań, przedstawione są taże wynii badań w dziedzinie zasu oraz położenia ątowego mirosamolotu. 1. NOMENKLATURA N - współzynni zmierzonej siły normalnej LM - współzynni zmierzonego momentu pohylająego a - średnia ięiwa aerodynamizna x - odległość wetora sił od puntu referenyjnego wagi x ref - odległość środa iężośi samolotu od puntu referenyjnego wagi z - współzynni siły nośnej w 2% a x - współzynni siły oporu w 2% a m - współzynni momentu pohylająego w 2% a Y - współzynni zmierzonej siły boznej LN - współzynni zmierzonego momentu odhylająego y - współzynni siły boznej w 2% a n - współzynni momentu odhylająego w 2% a LL - współzynni zmierzonego momentu przehylająego l - współzynni momentu przehylająego w 2% a,, - ąty położenia przestrzennego samolotu p,q,r - prędośi ątowyh przemieszzeń samolotu - zęstotliwość zreduowana Sr - lizba Strouhala Re - lizba Reynoldsa - prędość przepływu wody - lepość inematyzna wody - średnia śmigła f - zęstotliwość obrotu śmigła - prędość ątowa ruhu osylayjnego

2 66 M. GARBOWSKI, K. SIBILSKI 2. TŁO I GENEZA PROBLEMU Projet ma na elu wyonanie mirosamolotu zdolnego wyonać lot po zadanej trasie w sposób ałowiie autonomizny mająy ehować się zdolnośią do reagowania na nagłe i niespodziewane zmiany warunów lotu, przede wszystim powinien on ehować się odpornośią na występowanie podmuhów i samozynnie orygować parametry lotu w przypadu wystąpienia załóeń. W tym elu przeprowadzono szereg badań, zarówno w warunah ustalonyh ja i nieustalonyh. Ze względu na zabudowanie uładu napędowego ze śmigłami przeiwbieżnymi zabudowanymi wewnątrz strutury płata, tóry to uład w znaząy sposób wpływa na harater opływu płata, a przez to na haraterystyi aerodynamizne, przeprowadzono taże badania haraterysty aerodynamiznyh z praująym uładem napędowym. 3. IDEA EKSPERYMENTU Ze względu na prędość przepływu wody w tunelu wyznazono dwie lizby Reynoldsa (28; ), z olei ze względu na zastosowanie napędu praująego z masymalną prędośią obrotową wyznazono dwie lizby Strouhala (1,37; 2) o daje ombinaję ztereh yli pomiarowyh - dla obu Re przeprowadzono badania w onfiguraji gładiej, z wyłązonym napędem i śmigłami wpisanymi w obrys płata oraz z praująym zespołem napędowym. Re f Sr a (1) (2) Kolejnym ryterium podobieństwa, dotyząym testów niestajonarnyh, jest zęstotliwość zreduowana ruhu osylayjnego wyonywanego przez model w traie pomiaru. Testy dla obu Re wyonywane były dla pięiu prędośi ątowyh, identyznyh dla obu yli, o dało szereg pięiu zęstotliwośi zreduowanyh, różnyh dla obu Re. Zares ątów nataria dla testów stajonarnyh wynosił = (-1818), z olei dla testów niestajonarnyh przeprowadzono szereg testów, w tóryh model wyonywał ruhy osylayjne względem średniego ąta nataria (, 1, 2...) o amplitudzie ruhu wynosząej, o dało ałowity zares ątów nataria dla testów niestajonarnyh = (6). (3) a Z olei w testah po ąie ślizgu zares ątowy odhyleń dla testów stajonarnyh wynosił = (-22), natomiast dla testów niestajonarnyh wartośi średnih ątów ślizgu wynosiły -1; -7,; 7,; 1, a amplituda ruhu wynosiła 1. Tabela 1. Wartośi zęstotliwośi zreduowanyh dla obu Re [rad/s] dla Re= dla Re=

3 STAJONARNE I NIESTAJONARNE BADANIA MIKROSAMOLOTU 67 Pomiary sił i momentów w funji ąta ślizgu wyonano dla szeregu ątów nataria w zaresie = (6) z roiem o 1. Analogiznie, pomiary momentu przehylająego (ze względu na budowę wagi tensometryznej w płaszzyźnie przehylenia mierzony jest tylo moment) wyonano serie pomiarów przy ustalonym ąie przehylenia = o amplitudzie ruhu wynosząej. Ustalone wartośi ątów nataria były identyzne z tymi dla testów w płaszzyźnie odhylenia. Główne wymiary badanego modelu to rozpiętość l=33mm i średnia ięiwa aerodynamizna a =173mm. 4. METODOLOGIA Badania tunelowe wyonano z użyiem tunelu wodnego firmy Rolling Hills Researh orporation, Model 2436 [1] Rys.1. Shemat tunelu wodnego RHR Model 2436 [1] Jest to tunel o zamniętym obiegu iezy robozej, w tórym przestrzeń omory pomiarowej posiada przerój zołowy o wymiarah 61x91mm. Przepływ wody rozpozyna się od seji (3), do tórej woda w sposób nieuporządowany dostarzana jest rurą zza pompy (1) poprzez ylindryzny wlot wyonany z perforowanej blahy (2). Następnie przehodzi przez ustawione w poprze przepływu seje ustalająe (4). Pierwsza z nih o onstruji plastra miodu zgrubnie uierunowuje ruh ząsteze płynu. Kolejne seje wyonane są z blahy z gęsto nawieronymi otworami. Za seją ustalazy znajduje się dysza zbieżna zmieniająa szeroość pola przeroju anału z 8 mm do szeroośi seji pomiarowej (). Długość tej seji (7) wynosi 183 mm. Na wejśiu do seji pomiarowej uzysany przepływ jest laminarny i utrzymuje ten stan na ałej długośi tej seji. Ostatnią seją anału przepływowego jest seja z dwoma pionowymi anałami o przeroju ołowym (9), w tóryh następuje rozproszenie strumienia przepływu na dwa mniejsze strumienie, a następnie sierowanie do ruroiągu powrotnego (1), tóry podaje zynni robozy na pompę. W ten sposób następuje zamnięie obiegu. Tunel ponadto wyposażony jest w suport (8) zapewniająy ruh badanego modelu w trzeh płaszzyznah, a taże w instalaję doprowadzająą barwnii do modelu (6), umożliwiająą wyonanie badań wizualizayjnyh opływu badanego obietu, a taże system filtrująy (11). Elementem pomiarowym wyorzystanym do badań jest pięiosładniowa waga tensometryzna. W seji pomiarowej wagi o przeroju orągłym wyonanyh jest pięć podięć, w tóryh przylejone są piezoeletryzne tensometry o rezystanji własnej 1Ω,

4 68 M. GARBOWSKI, K. SIBILSKI a ih współzynni wzmonienia wynosi 14. Pierwsza (YM1) i piąta (YM2) seja odpowiada za pomiar siły i momentu odhylająego, druga (PM1) i zwarta (PM2) za pomiar siły i momentu pohylająego, seja środowa (RM) odpowiada za pomiar momentu przehylająego. Rys. 2. Shemat seji pomiarowej pięiosładniowej wagi tensometryznej [1] Bezpośrednio mierzoną wartośią jest napięie prądu w tensometrah. Zares zmian napięia wynosi 1V. W sejah YM1, PM1, PM 2 i YM2 nalejone są po dwa tensometry, w seji RM znajdują się ztery tensometry. Zmiany napięć przeazywane są na pełne mosti Wheatstone a. Każdy anał wyposażony jest w osobny wzmaniaz z mostiem Whitestone a i przeazuje on dalej zmierzony sygnał do arty awizyji danyh, zabudowanej w omputerze P. Ruh modelu w przestrzeni pomiarowej umożliwia onstruja supportu zapewniająa swobodę ruhu w zaresie ątów nataria -8 32º, ątów ślizgu ±2º i ątów przehylenia ±4º. Rys. 3. Shemat supportu modelu w tunelu wodnym [1]

5 STAJONARNE I NIESTAJONARNE BADANIA MIKROSAMOLOTU 69 Konstruja ramienia, do tórego moowana jest waga tensometryzna z zamontowanym modelem, pozwala na wstępne zamoowanie modelu z ątem zalinowania w zaresie 6º, o przy możliwośi zamoowania modelu w dwóh pozyjah ( i 18º ąta przehylenia) daje możliwość wyonania badań tunelowyh w zaresie ąta nataria ±92º. Zmiany ątów położenia przestrzennego modelu wyonywane są przy użyiu silniów roowyh. Umożliwia to płynną zmianę położenia modelu i zapewnia doładność oreślenia położenia ątowego na poziomie 1º. Badany model reprezentuje jedną z wześniejszyh onepji MAV Pszzoła [2] Średnia ięiwa aerodynamizna badanego modelu wynosi a = 17.28m. Wyposażony jest w nieotunelowany uład napędowy, z dwoma prziwbieżnymi śmigłami. Obrys płata oraz zastosowany profil aerodynamizny jest identyzny z rzezywistym statiem powietrznym. Taże ształt płyt brzegowyh na ońah płata, ształt powierzhni sterowyh oraz zares ih ruhu oraz obrys i wymiary szzeliny na śmigło jest doładnym przesalowaniem tyh elementów z rzezywistego samolotu. Model pozbawiony jest tylnej zęśi adłuba, za rawędzią spływu sterolote, w elu umożliwienia zamoowania modelu do wagi tensometryznej. Montaż odbywa się za pomoą dwóh śrub M3; moowanie znajduje się w modelu za uładem napędowym zabudowanym wewnątrz modelu w elu zbadania wpływu strumienia zaśmigłowego na zmianę haraterysty aerodynamiznyh samolotu. Rys. 4. Badany model MAV Pszzoła. WYNIKI EKSPERYMENTU W traie pomiarów punt referenyjny wagi znajdował się w o. 8% a. W elu wyznazenia wartośi współzynniów sił i momentów aerodynamiznyh w 2% a posłużono się następująymi zależnośiami: z x m N os N sin N gdzie : M x N x x a a ref (4) Wynii badań stajonarnyh w zaresie ąta nataria = (-1818) przedstawione są na poniższyh wyresah. Przebieg zmian współzynniów siły nośnej na obu wyresah

6 7 M. GARBOWSKI, K. SIBILSKI oznazono olorem zarnym, siły oporu olorem zerwonym a momentu pohylająego olorem niebiesim. Widać wyraźny wpływ pray zespołu napędowego na poprawę własnośi lotnyh samolotu w porównaniu z onfigurają gładą, a taże statezność statyzną na zarytyznyh ątah nataria wyniająą z zastosowania srzydła pasmowego. z,x,m=f(α) z,x,m=f(α) 4, z, x, m z x m z, x, m z x m , Rys.. haraterystyi stajonarne w płaszzyźnie pohylenia, Re = 28 bez napędu (lewy), z napędem (prawy) Zaobserwować można wzrost wartośi z max przy jednozesnym zwięszeniu wartośi r. harater przebiegu m w obu przypadah jest zbliżony. Wynii pomiarów niestajonarnyh przedstawiono zbiorzo na tle haraterysty stajonarnyh [3]. Poniżej przedstawione są haraterystyi dla dwóh pierwszyh zęstotliwośi zreduowanyh dla Re=28. Rys. 6 przedstawia haraterystyi dla testów z napędem oraz bez napędu dla pierwszej zęstotliwośi zreduowanej, z olei rys. 7 przedstawia haraterystyi dla drugiej zęstotliwośi zreduowanej. z=f(α) 99 z=f(α) 99 z z Rys. 6. haraterystyi niestajonarne z dla Re=28, =.99, bez napędu (lewy), z napędem (prawy)

7 STAJONARNE I NIESTAJONARNE BADANIA MIKROSAMOLOTU 71 z=f(α) 148 z=f(α) 148 z z Rys. 7. haraterystyi niestajonarne z dla Re=28, =148, bez napędu (lewy), z napędem (prawy) Rysuni 8 i 9 przedstawiają haraterystyi momentu pohylająego w funji ąta nataria dla dwóh olejnyh zęstotliwośi zreduowanyh o wartośiah identyznyh ja na powyższyh rysunah. m=f(α) 99 m=f(α) 99 m m Rys. 8. haraterystyi niestajonarne m dla Re=28, =.99, bez napędu (lewy), z napędem (prawy) m=f(α) 148 m=f(α) 148 m m Rys. 9. haraterystyi niestajonarne m dla Re=28, =.148, bez napędu (lewy), z napędem (prawy) 6

8 72 M. GARBOWSKI, K. SIBILSKI Wynii pomiarów w płaszzyźnie przehylenia przedstawione są zbiorzo dla ustalonyh ątów nataria (, 2, 4, 6 ). Poniżej przedstawione są wynii dla pomiarów bez napędu, gdyż nie zaobserwowano wpływu uładu napędowego na wartość współzynniów momentu przehylająego. l 99, alfa = 2st l 99, alfa = st,4,4,3,3,2,2 99, , l , , ,2 -,2 -,3 -,3 -,4 -,4 - d - Rys. 1. haraterystyi niestajonarne l dla Re=28, bez napędu, dla = (lewy) i =2 (prawy) Analizują przedstawione na rysunah 1 i 11 wyresy, można stwierdzić, iż badany samolot zahowuje statezność podłużną w ałym zaresie prędośi ątowyh przemieszzeń, taże na zarytyznyh ątah nataria. l 99, alfa = 4st l 99, alfa = 6st,4,4,3,3,2, ,1, , g g , , ,2 -,3 -,3 -,4 -,4 - - f Rys. 11. haraterystyi niestajonarne l dla Re=28, bez napędu, dla a=4 (lewy) i a=6 (prawy) Taże w płaszzyźnie odhylenia nie zaobserwowano zmiany haraterysty aerodynamiznyh związanyh z wpływem pray zespołu napędowego. W ałym zaresie ątów nataria badany samolot zahowuje statezność ierunową.

9 STAJONARNE I NIESTAJONARNE BADANIA MIKROSAMOLOTU 73 y, n Re = 28, S -, alfa = st y, n Re = 28, S -, alfa = 4st,4,4,3,3,2,2,1,1 y, n y,n -, ,1 -,2 -,2 -,3 -,3 -,4 -,4 - - beta beta Rys. 12. Przyładowe haraterystyi niestajonarne y i n dla Re=28, bez napędu, dla a= (lewy) i a=4 (prawy) 6. WNIOSKI Badania modelu MAV Pszzoła w tunelu wodnym wyazały dobre haraterystyi aerodynamizne w szeroim zaresie położeń ątowyh, taże na zarytyznyh ątah nataria. Zastosowanie srzydła pasmowego wpływa na dużą odporność mirosamolotu na nagłe podmuhy wiatru, sprzyja też wysoiej manewrowośi badanego obietu. Zastosowanie uładu napędowego w postai śmigieł wpisanyh w obrys płata wpływa orzystnie na poprawę haraterysty aerodynamiznyh w płaszzyźnie pohylenia, zwięszają jednoześnie wartość współzynnia siły nośnej oraz rytyznego ąta nataria. W płaszzyznah odhylenia i pohylenia nie zaobserwowano wpływu napędu na haraterystyi aerodynamizne. Przedstawiony esperyment przeprowadzono w ramah projetu rozwojowego: Autonomizny, zintegrowany system rozpoznawzy wyorzystująy autonomizne platformy lasy miro nr 9/R/T/28/6. LITERATURA 1. Fie-omponent balane and omputer ontrolled model support system for water tunnel appliations. RHR, El Segundo, A, Galińsi.: Kluzowe problemy w projetowaniu mirosamolotów i entomopterów. Warszawa: Ofi.Wyd. Pol. Warsz., Klein V., Noderer K.D.: Modeling of airraft unsteady aerodynami harateristis. P.1: postulated models. Hampton, VA, STEADY AND UNSTEADY RESEARH DATA FOR PITH, YAW AND ROLL MIRO UAV MOTION WITH USING OF WATER TUNNEL Summary. Paper ontains researh data for pith, yaw and roll moement of miro UAV. The field and the goal of experiment is shown with its results both in time and angular position field.