ANALiZA WYBRANYCH STANÓW LOTU WiATRAKOWCA W OPARCiU O OBLiCZENiOWE CHARAKTERYSTYKi AERODYNAMiCZNE JEGO KOMPONENTÓW

Transkrypt

1 PRACE instytutu LOTNiCTWA 219, s , Warszawa 2011 ANALiZA WYBRANYCH STANÓW LOTU WiATRAKOWCA W OPARCiU O OBLiCZENiOWE CHARAKTERYSTYKi AERODYNAMiCZNE JEGO KOMPONENTÓW WIeńczySłaW StaleWSkI, WIeSłaW zalewski Instytut Lotnictwa Streszczenie W pracy przedstawiono wyniki prac badawczych dotyczących obliczeniowych analiz wybranych stanów lotu wiatrakowca. Omówiono następujące zagadnienia: Wyznaczenie prędkości maksymalnej wiatrakowca w konfiguracji z wysuniętym i ze schowanym podwoziem przednim. Wyznaczenie maksymalnych przeciążeń możliwych do uzyskania w trakcie kontrolowanego lotu wiatrakowca. Ocena możliwości bezpiecznego wylądowania wiatrakowca w przypadku awarii śmigła napędowego. SPIS OzNaczeń a a max F A g H 0 R T R T P V v v 0 v e v He v max v min W x e α przyśpieszenie wiatrakowca maksymalne przyśpieszenie normalne wiatrakowca siła aerodynamicznej działającej na kadłub przyśpieszenie ziemskie początkowa wysokość lotu wiatrakowca trajektoria wiatrakowca siły ciągu wirnika nośnego siły ciągu śmigła napędowego wektor chwilowej prędkości lotu moduł wektora prędkości lotu prędkość początkowa w locie ślizgowym prędkości lotu w chwili zetknięcia się z ziemią prędkości opadania w chwili zetknięcia się z ziemią prędkość maksymalna prędkość minimalna siła ciężkości długości lotu ślizgowego kąt natarcia

2 analiza WybraNych StaNóW lotu WIatrakOWca W OParcIu O OblIczeNIOWe θ 0 φ R φ A kąt skoku łopat wirnika kąt pochylania wirnika kąt pochylenia kadłuba względem ziemi 1. WStĘP W procesie projektowania nowego wiatrakowca konieczne było wykonanie szeregu analiz dotyczących przewidywanego zachowania się budowanego statku powietrznego w różnych stanach lotu. część z tych analiz wiązała się bezpośrednio z własnościami aerodynamicznymi projektowanego wiatrakowca. W pracy zostanie przedstawiona metodyka i wyniki takich analiz wykonane w oparciu o uproszczony model lotu statku powietrznego typu wiatrakowiec. Wszystkie przedstawione analizy bazowały na wyznaczonych uprzednio na drodze obliczeniowej aerodynamicznych charakterystykach poszczególnych komponentów wiatrakowca. 2. MetOdyka OblIczeń Generalnie, omówione w referacie obliczeniowe analizy lotu wiatrakowca zostały wykonane za pomocą uproszczonej metodyki opartej na bilansie sił działających na wiatrakowiec, przedstawionych na rysunku 1. rys. 1. układ sił działających na wiatrakowiec Są to następujące siły: siła ciężkości (W), siła aerodynamiczna działającej na kadłub (F A ), siła ciągu wirnika nośnego (T R ), siła ciągu śmigła napędowego (T P ). do wyznaczenia tych sił wykorzystano dane masowe oraz charakterystyki aerodynamiczne podstawowych komponentów wiatrakowca: kadłuba z usterzeniem, w konfiguracji z wysuniętym i ze schowanym podwoziem przednim, wirnika nośnego obracającego się w stanie autorotacji, śmigła napędowego. charakterystyki aerodynamiczne tych komponentów zostały wyznaczone na drodze obliczeniowej [3, 4], przy użyciu programu FlueNt [1]. W przypadku wirnika nośnego i śmigła napędowego w obliczeniach wykorzystano dodatkowo moduł Virtual blade Model [2], który na potrzeby symulacji pracy wirnika wiatrakowca, pracującego w stanie autorotacji został

3 282 WIeńczySłaW StaleWSkI, WIeSłaW zalewski istotnie zmodyfikowany i rozbudowany. Stworzona na podstawie tych obliczeń baza danych zawierała stabelaryzowane składowe wektora siły aerodynamicznej generowanej przez poszczególne komponenty wiatrakowca w funkcji kąta natarcia i prędkości lotu. W celu wykonania części analiz lotu wiatrakowca opracowano specjalny program obliczeniowy, którego planszę roboczą pokazano na rysunku 2. Wszystkie przedstawione w referacie symulacje wybranych stanów lotu wiatrakowca wykonano analizując jedynie bilans sił działających na wiatrakowiec, pomijając bilans momentów sił. to uproszczenie bazowało na fakcie, że wykonane analizy dotyczyły jedynie oszacowania potencjalnych osiągów wiatrakowca a nie badania jego stateczności i sterowności. Podstawowym równaniem, na bazie którego analizowano wybrane stany lotu wiatrakowca, było równanie zachowania pędu: gdzie: V wektor chwilowej prędkości lotu, g przyśpieszenie ziemskie., (1) rys. 2. Program do symulacji lądowania wiatrakowca w przypadku awarii śmigła napędowego 3. WyNIkI WykONaNych analiz 3.1. Prędkość maksymalna wiatrakowca do wyznaczenia prędkości maksymalnej analizowano ustalony lot wiatrakowca, przy założeniu, że siła nośna wirnika nośnego równoważy przyjęty ciężar całego wiatrakowca. Poszukiwano prędkości lotu, przy której całkowita siła oporu wiatrakowca i siła ciągu śmigła zrównoważą się. W takim przypadku równanie zachowania pędu (1) wyrażono w postaci:. (2) W powyższym równaniu niewiadomymi były: prędkość maksymalna v max oraz kąt pochylania wirnika φ R. Natomiast ustalonymi parametrami były: kąt natarcia α 0 = 0 oraz kąt skoku łopat wirnika θ 0. Obliczenia przeprowadzono dla dwóch konfiguracji wiatrakowca: ze schowanym

4 analiza WybraNych StaNóW lotu WIatrakOWca W OParcIu O OblIczeNIOWe i z wysuniętym podwoziem oraz dla dwóch kątów skoku ogólnego łopat: θ 0 = 2, 4. Prędkości maksymalne (v max ) oszacowane dla rozpatrywanego, modelowego wiatrakowca wyniosły: dla wiatrakowca z wysuniętym podwoziem: v max = 240 km/h dla θ 0 = 2, v max = 243 km/h dla θ 0 = 4 ; dla wiatrakowca ze schowanym podwoziem: v max = 265 km/h dla θ 0 = 2, v max = 270 km/h dla θ 0 = Maksymalne przeciążenie wiatrakowca dla rozpatrywanego, modelowego wiatrakowca dokonano uproszczonego oszacowania maksymalnych przeciążeń wiatrakowca osiągalnych w locie ustalonym. zastosowana metodyka bazowała na założeniu, że dla danej prędkości lotu maksymalne przeciążenie może być uzyskane gdy całkowity opór wiatrakowca jest niewiększy od maksymalnej dostępnej (dla danej prędkości) siły ciągu śmigła. W rozpatrywanym przypadku równanie zachowania pędu (1) w kierunku pionowym przedstawiono w postaci:, (3) zaś w kierunku poziomym w postaci:. (4) W takim przypadku, w zakresie prędkości lotu v min v v max należało wyznaczyć kąt pochylania wirnika φ R, dla którego osiągane jest ekstremum (3) przy warunku (4). Wyniki rozwiązania tak postawionego zagadnienia przedstawiono na rysunku 3. rys. 3. Wartości wyznaczonych maksymalnych przyśpieszeń w kierunku pionowym (a max ) w funkcji prędkości lotu (v)

5 284 WIeńczySłaW StaleWSkI, WIeSłaW zalewski bazując na tych wynikach ostatecznie wyznaczono wartości maksymalnych osiągalnych przyśpieszeń w kierunku pionowym wynoszące odpowiednio: 2,0 g dla wirnika z kątem skoku ogólnego łopat θ 0 = 2, 2,2 g dla wirnika z kątem skoku ogólnego łopat θ 0 = 4. W obu przypadkach największe przyśpieszenia uzyskano przy prędkości lotu wynoszącej około 150 km/h. Na podstawie analizy przepływu na łopatach wirnika nośnego stwierdzono także, że istnieje znikome ryzyko, aby w stanach lotu, w których mogą być osiągnięte powyższe maksymalne przeciążenia, wystąpiło zjawisko buffetingu łopat Lądowanie wiatrakowca przy wyłączonym śmigle napędowym analizowano lot ślizgowy modelowego wiatrakowca bez pracującego śmigła napędowego. dzięki tym analizom możliwa była ocena zachowania się wiatrakowca w różnych awaryjnych stanach lotu w zależności od warunków początkowych, w których mogłaby wystąpić awaria zespołu napędowego śmigło-silnik. W trakcie analizowania takich przypadków starano się również opracować wstępną strategię postępowania pilota, która pozwoliłaby mu na utrzymanie pełnej kontroli nad lotem oraz bezpieczne lądowanie. W przypadku stanów awaryjnych lotu wiatrakowca głównym celem jest niedopuszczenie do spadku prędkości obrotowej wirnika nośnego i utrzymanie lotu postępowego z odpowiednim kątem napływu powietrza na wirnik nośny. W trakcie rozpatrywanego lotu ślizgowego, na wiatrakowiec działają siły tak jak to pokazano na rysunku 4. rys. 4. układ sił działających na wiatrakowiec w locie ślizgowym, bez pracującego śmigła napędowego lot ślizgowy wiatrakowca opisano następującymi równaniami: równanie trajektorii: równanie zachowania pędu:. (5). (6)

6 analiza WybraNych StaNóW lotu WIatrakOWca W OParcIu O OblIczeNIOWe W powyższym układzie stałymi parametrami były: φ R kąt pochylenia wirnika wzgl. kadłuba, φ A kąt pochylenia kadłuba wzgl. ziemi, θ 0 = 2 skok ogólny łopat wirnika. układ równań (5) + (6) rozwiązywany był przy następujących warunkach początkowych:. (7) Na podstawie powyższych równań opracowano model matematyczny opisujący ruch wiatrakowca w przypadku braku siły ciągu śmigła napędowego. W połączeniu z obliczonymi charakterystykami aerodynamicznymi kadłuba wiatrakowca z usterzeniem i podwoziem oraz charakterystykami aerodynamicznymi izolowanego wirnika nośnego model matematyczny ruchu pozwala na wyznaczenie przybliżonych parametrów lotu ślizgowego takich jak: trajektoria lotu, prędkości lotu i opadania, kąty natarcia, prędkości obrotowe wirnika itp. Przy wykorzystaniu opisanej metodyki analizowano szereg przypadków lądowania awaryjnego bez pracującego napędu śmigłowego. Na rysunku 5 przedstawiono przykładowe wyniki symulacji lądowania z wysokości 15 m przy prędkości lotu 60 km/h dla założonej masy wiatrakowca modelowego wynoszącej 600 kg. rysunek przedstawia trajektorie lotu wiatrakowca, przy założonym kącie pochylenia wirnika nośnego względem kadłuba wynoszącym 0,dla trzech kątów pochylenia wiatrakowca względem ziemi: (a) φ A = 0, (b) φ A = +6, (c) φ A = -12. W przypadku (c) nastąpiło znaczne skrócenie dystansu lądowania oraz znaczne zwiększenie prędkości opadania w stosunku do przypadków (a) i (b). z punktu widzenia bezpieczeństwa lotu najkorzystniejszy okazał się przypadek (a). rys. 5. trajektoria lotu wiatrakowca w czasie lądowania awaryjnego bez napędu śmigłowego z wysokości 15 m przy początkowej prędkości lotu 60 km/h. kąt pochylenia kadłuba względem ziemi: (a) φ A = 0, (b) φ A = +6, (c) φ A = -12

7 286 WIeńczySłaW StaleWSkI, WIeSłaW zalewski Na rysunkach 6, 7, 8 przedstawiono charakterystyki obrazujące przebieg wybranych parametrów lotu w zależności od kąta pochylenia wiatrakowca w locie ślizgowym. W tym przypadku obliczenia były wykonywane dla następujących warunków: ciężar wiatrakowca W = 600 kg, wysokości początkowa H 0 = 15 m, prędkość początkowa v 0 = 60 km/h, kąt pochylenia wirnika względem kadłuba (w locie ślizgowym) φ R = 0. Wykresy przedstawiają dla zmieniającego się kąta pochylenia kadłuba względem ziemi (φ A ) przebiegi następujących parametrów: długości lotu ślizgowego (x e ) rysunek 6, prędkości lotu w chwili zetknięcia się z ziemią (v e ) rysunek 7, prędkości opadania w chwili zetknięcia się z ziemią (v He ) rysunek 8. rys. 6. długość lotu ślizgowego w funkcji kąta pochylenia wiatrakowca. H 0 = 15 m, v 0 = 60 km/h, W = 600 kg, φ r = 0 rys. 7. Prędkość lotu w chwili zetknięcia się z ziemią w funkcji kąta pochylenia wiatrakowca. H 0 = 15 m, v 0 = 60 km/h, W = 600 kg, φ R =0

8 analiza WybraNych StaNóW lotu WIatrakOWca W OParcIu O OblIczeNIOWe rys. 8. Prędkość opadania w chwili zetknięcia się z ziemią w funkcji kąta pochylenia wiatrakowca. H 0 = 15 m, v 0 = 60 km/h, W = 600 kg, φ R = 0 4. WNIOSkI Przedstawiono przykłady zastosowania uproszczonej metodyki symulacji lotu wiropłata do analiz wybranych stanów lotu wiatrakowca. Metodyka oparta jest na bilansie wszystkich podstawowych sił działających na wiatrakowiec, do wyznaczenia których wykorzystano dane masowe oraz uzyskane na drodze obliczeniowej charakterystyki aerodynamiczne podstawowych komponentów wiatrakowca. zaprezentowane wyniki dotyczyły problemów obliczenia maksymalnych osiągalnych prędkości lotu i przeciążeń wiatrakowca, a także oceny bezpieczeństwa wykonania awaryjnego lądowania bez pracującego napędu śmigłowego. chociaż przeprowadzone analizy mają charakter uproszczony, to jednak znalazły zastosowanie przy opracowywaniu i weryfikacji koncepcji aerodynamicznej nowoprojektowanego wiatrakowca. bibliografia [1] FLUENT 6.1 User s Guide, Fluent Inc., February [2] Simpson b.: Virtual Blade Model, PdF Presentation, FlueNt_uGM05/uGM05_Virtual_blade_Model_VbM.pdf. [3] Stalewski W., zalewski W.: Analiza własności aerodynamicznych wirnika nośnego o średnicy 9,4 m i zakresu maksymalnych osiągalnych przeciążeń w eksploatacyjnych warunkach lotu wiatrakowca, raport nr r13003_bba2-038/11. [4] Sznajder J., dziubiński a.: Obliczeniowe stacjonarne charakterystyki aerodynamiczne kadłuba wiatrakowca, raport nr r13003_ba2-026/10.

9 288 WIeńczySłaW StaleWSkI, WIeSłaW zalewski WIeńczySłaW StaleWSkI, WIeSłaW zalewski ANALYSiS OF SELECTED STATES OF GYROPLANE FLiGHT BASED ON COMPUTATiONAL AERODYNAMiC CHARACTERiSTiCS OF its COMPONENTS Abstract The paper presents results of research work concerning computational analyses of selected states of gyroplane flight. The following issues have been discussed: Evaluation of maximal speed of the gyroplane for both configurations: with and without landing gear. Evaluation of the maximal normal overload, that is possible to obtain during the controlled flight of the gyroplane. Analysis of the possibility of a safe landing in case of damage of gyroplane propeller. All conducted analyses were based on the Equation of Conservation of Momentum of flying gyroplane. Aerodynamic forces acting on gyroplane were evaluated using the data base of aerodynamic characteristics of gyroplane components.