Curiouser and curiouser

Ну, мы же собираемся взять коптер, поднимающий 10 кг, приделать к нему несущий ротор, поднимающий 90 кг и получить аппарат, поднимающий 100 кг. Или я тебя неправильно понял?
Относительно "обычного" коптера с моторами той же мощности аппарат, которым надо будет управлять, будет на порядок тяжелее. С большими моментами инерции по осям. С большими аэродинамическими нагрузками.
Вот я и пытаюсь понять, сколько можно на коптер налепить дополнительной "невесомой" массы, чтобы он ещё нормально управлялся и сохранял стабильность при горизонтальном полёте с существенно отличной от нуля скоростью. Я подозреваю, что установка с соосными винтами будет не до конца симметричной при обтекании набегающим потоком, даже если её в кольцевую насадку засунуть.
Классике справиться с дисбалансировкой проще, потому как там большой ротор (нам бы поменьше сделать) с автоматом перекоса. Который потенциально на балансировку как бы не половину мощности двигателя может потратить.
А почему это плохо? Потому что накладывает ограничения на компоновку. В данном случае у нас наблюдается конфликт: несущий винт должен располагаться над центром тяжести. Нагрузка и топливо должны располагаться в районе центра тяжести. Значит нагрузка должна располагаться в потоке от несущего винта. А это ведь нехорошо, согласись. Ещё нехорошее располагать её над несущим винтом, как делали некоторы, не будем показывать пальцем.
Вот, внести в смету то, внести в смету сё, как раз, и означает увеличение мощности электропривода и мне интересно, на сколько :)

From:

ОК, дошло.

Нет, постой. Почему мы должны избегать большого ротора? Это же прямая выгода схемы, зачем её терять? Это выгода даже по сравнению с классикой - там автомат перекоса лопастями дёргает, ограничения на жёсткость и т.п., но у нас-то - вообще кайф для большой и узкой лопасти, мечты аэродинамика. Винт просто крутится на оптимальных оборотах. Конечно, из этого нужно выжимать плюшки, а не раскидываться ими. Главный Несущий Винт должен быть больше, чем у классики.
Откуда следует опять же очевидное: нагрузка у нас по центру винта. По центру винта большого диаметра у нас обычно провал потока (если не мудрить уж очень с числом и формой лопастей. И чем больше ГНВ, чем меньшую долю потока мы перекрываем нагрузкой в любом случае.

From:

Маленький ротор выгоден из компоновочных соображений. Мы же лёгкое компактное транспортное средство проектируем?

Опять же, при большом удлиннении и той же толщине профиля уменьшается строительная высота лопасти. В общем, ограничения на жёсткость тут у нас будут не сильно меньше, чем у классики, потому как основная нагрузка там не столько с торсионными нагрузками от автомата перекоса, сколько от неравномерности потока как в пространстве так и во времени. На сколько я понимаю.

С другой стороны, если мы переходим на винт постоянного шага, смотри какая интересная штука вырисовывается: увеличиваем диаметр ступицы до невообразимых размеров, натурально половину диаметра винта в центре закрываем ступицей. Как роторы в ГТД делают. Тяги теряем мало, потому что центральная часть ротора мало работает. Получаем массу потенциально полезного объёма там, где надо. Снижаем, точнее распределяем, нагрузку на подшипник. Делаем в середине корпус, создающий при горизонтальном полёте подъёмную силу. Да и на висении за счёт создания разряжения над корпусом.

From:

Компактность? Нам нужно поднять и переместить человека. Совсем уж компактным такое средство не будет в силу сохранения импульса и требований к массе отталкиваемого потока.
Не, ну в принципе-то, можно и джет-пак (см. тему) рассмотреть - оно компактно. Но непрактично. Без компактного мезоядерного реактора оно обречено быть игрушкой, а по делу летают и грузы таскают вертолётом.
Откуда взялось такое ТЗ? Снизу (по массе и дальности) в своей нише сидят всякого рода (электро)квадрокоптеры. Сидят настолько плотно и удобно, что травить их оттуда просто незачем. Сверху - есть классические вертолёты. С турбинами, основательные, экономичные, с совершенно другими раскладами по цене и возможными требованиями к пилоту (если 5 человек в кабине, то тут уж можно и пилота напрячь на предмет особо поучиться).
А в середине есть для "моей" схемы ниша: тяжёлых/дальнодействующих БПЛА и пилотируемых СЛА вертикального взлёта. Где электроквадрокоптеры уже не тянут, а "взрослая" авиация с её перечнем общепринятых решений - слишком дорогая. Отсюда желание сделать нечто относительно дешёвое, относительно надёжное, простое в управлении, но тем не менее способное решать задачи, посильные сейчас только "взрослой" и дорогой авиации. Решать надёжно, _практично_ , на уровне "взрослых" и даже выше, но по сниженой цене. Игрушки уже есть, игрушки можно сделать и на чистом электричестве.

Компактность тут - постольку постольку. Основное - простота, надёжность, цена, экономичность.

Такая идеология.
___

Автомат перекоса - сам по себе тот ещё фактор "неравномерности потока в пространстве и времени". :)
Не, ну серьёзно, если ты дёргаешь лопастью, изменяя угол атаки, то и "атакуемый" воздух дёргает лопасть по всем фронтам. На этом фоне всякие там воздушные течения и турбулентности в пределах размеров винта - это смешно. Ну может и не очень смешно... но разок "хи-хи" точно хватит. :)

Ты имел в виду винт переменного шага? Потому что если винт постоянного шага - это именно моё видение. Да, именно: центральную часть винта просто закрыть, правда, не уверен, что ступицу нужно увеличивать "до невообразимых величин", достаточно закрыть ей основную часть подвешенной ПН - той же кабины с двигателем.

From:

Ну, компактность понятие относительное.
Классический вертолёт для перемещения двух человеков имеет размер восемь метров. Мне кажется, этот размер можно уменьшить без больших потерь. Я так понимаю, мы примерно об аппарате на двух индивидуумов с барахлом рассуждаем?

Автомат перекоса по сравнению с набегающим потоком, как мне кажется, совсем маленький фактор знакопеременных нагрузок. Там диапазон изменения углов небольшой. А вот скорость меняется огого.

Я имел в виду подшипник с большим отверстием посредине, в котором сидят аэронавты. Терзают меня смутные сомннеия, но эсли удастся организовать равномерное движение наружного кольца по внутреннему, можно извлечь определённые выгоды.
Хотя, наверняка окажется, что на практике оно всё будет или слишком тяжёлым или быстро развалится.

From:

Диапазон ПН, в котором я вижу выигрыш, - от трёх десятков до трёх сотен кил (причём, с требованием длительности полёта от часа и выше). "2 человека + барахло" - это уже в верхней зоне ниши, там уже "классика" может быть выгодней уже тупо в силу наличия и отработанности.
"Мёртвая зона" нагрузок, которая очень плохо покрыта техникой - человек. Один. И радиус действия до сотни км, ну или чуть более (время полёта час-два).

Об автомате перекоса я заговорил в смысле нагрузок на лопасть. Неравномерных. Знакопеременных. И вот когда он туда-сюда лопасть торсионно-знакопеременно дрыгает, лопасть неравномерно и знакопеременно бьёт набегающим потоком вдоль и поперёк.

Я не очень понимаю, какие выгоды можно извлечь из большого _подшипника,_ кроме того, что его легко перекосить и заклинить. ИМХО, размер подшипника/периметр качения должен быть таким, что нагрузки подшипник не мучают, но не более. ПРи всём прочем идеальном, зачем увеличивать трение?

From:

Я не уверен, что машина на одного человека будет сильно востребованной.
Мне кажется, что двухместная, в основном экспуатируемая с одним водителем (резво и экономично) и способная более или менее нормально лететь с двумя лицами будет более востребована. В конце концов, на базе двухместной сделать одноместный оспортивленный вариант проще. Это, так сказать, rationale стоящий за status quo.

Я не специалист по вертолётным лопастям, но мне кажется, что торсионно-знакопеременное имеет место быть, но знакопеременный бьёт вдоль и поперёк более тяжкая нагрузка. Первоначальный спич был о том, позволит ли отказ от управляемого угла атаки НВ существенно снизить требования к жёсткости лопасти.

Из большого подшипника можно извлечь только пользу дырки о бублика. В которой можно что-то разместить.
Ладно, забей.

From:

Я говорил не о маркетинге, а из чисто технических соображений: диапазон нагрузок какой-то такой. Логика тут такая: нельзя сильно увеличивать управляющие винты - момент инерции замучает, управляемость потеряется. Значит, на большой машине нужно увеличивать количество управляющих винтов (или делать их поворотными), но и это лишь чуть расширяет нишу, и опять же пропадает одно из сильных преимуществ мультикоптера - простота и надёжность. Цена же мультикоптера с увеличением размеров быстро догоняет классику.
Большая машина выгоднее с автоматом перекоса. Поэтому есть разумный верхний предел - ну полтонны вот прям от силы (да и то уже сомнительно).

Ну да. Так вот с автоматом перекоса мало того, что у тебя поток меняется дважды на оборот, у тебя дважды на оборот меняется ещё и угол атаки. Что явно хуже, чем просто изменение скорости потока. (И вообще, с фиксированым шагом можно пробовать Х-образный винт, причём, с соединением лопастей на "свободном" конце. Для жёсткости. И подавить целый класс колебаний/резонансов в лопасти).

From:

C фиксированным шагом можно даже попробовать соединить все законцовки лопастей кольцом.
Хотя, опять же, тяжёлое получится.

From:

Треугольники из каждой пары лопастей Х-винта уже жёсткая конструкция.
"Закольцевание" уже мало что даст после этого.

From:

Если вопрос только в жёсткости, то нужно соединять свободные концы лопастей натянутыми тросами. Так будет легче, чем городить полноценный ducted fan такого большого диаметра. Аэродинамических возмущений от натянутого троса довольно мало.

From:

Тросы не совсем канают, потому что работают только на растяжение. Кроме того, мысль (скорее всего дурацкая в принципе) была в том, чтоб компенсировать потери аэродинамики тем, что рёбра жесткости сделать винглетами, снизив концевые потери.
Винглеты на вертолётных лопастях в целом аэродинамически невыгодны (и так - длинное, и так - узкое), но если уж терять на ребре жёсткости, то грех не отбить хоть чуток обратно.

Вообще же, фигня на вертолётных лопастях влияет на общий пропульсивный КПД весьма сильно... если обозревать чужой опыт с дивано это - очень чувствительное место системы.

From:

Тросы работают на растяжение, это правда. Т.е. в зависимости от цели их нужно будет натягивать в разных местах. Для компенсации вибраций - по многоугольнику, между соседними свободными концами лопастей. Для компенсации конуса - радиально под каждой лопастью к корпусу машины.

Кстати, винглеты, оказывается, ставят и на некоторые вертолёты (Sikorsky S-92, например). Для меня немного неожиданно, что они загибаются вниз, а не вверх. Возможно, это попытка аэродинамически подавить конус?

From:

Не, много тросов - это уже совсем не рулез, и единичное-то ребро обходится дорого.
Кроме того, против тросов - чтобы работать на растяжение, они обязаны быть прямыми. То есть - помимо увеличения обтекаемой площади иметь ненулевое лобовое сопротивление там и настолько, где и насколько хорда отличается от дуги.

По сути не так важно, в какую сторону загиб, смысл - исключить переток давления снизу наверх (виртуально удлиннить лопасть).

From:

По поводу оригинальной идеи я не понял, где (на каком расстоянии от главного фиксированного и на оптимальных оборотах вращающегося винта) ты собираешься размещать управляющие винты?

Поскольку они всё-таки управляющие и им нужен рычаг, кажется, что разумнее их выносить как можно дальше от центра, правда? И при этом не хочется попасть в downwash основного винта. Следовательно...

From:

Именно так - за потоком основного винта.
4 управляющих винта вынесены за проекцию основного.

Но что тут плохого? "Все так живут"(с)

From:

Плохого тут - необходимость городить устойчивую к управляющим нагрузкам ферму довольно большого размера. Размер - это лишний вес. Лишний вес летающей машины - не хорошо.

Ты прав, классический вертолёт болен тем же самым. Надо подумать, как это вылечить.

From:

А если в цифрах?
Допустим, тяга НВ - 300кгс, тяга управления тогда - порядка 15 кгс на единичный винт. 15кгс, да на 2 метра (спотолочный радиус винта) с двухкратным запасом держат углепластиковые трубки общей массой грамм так 200. Есть ли тут вообще за что бороться?

From:

Не понимаю, как это считать без конкретной схемы фермы, и без учёта того, что несколько включенных двигателей одновременно могут непосредственно создавать разрушающие нагрузки на ферму.

* * *

Вчера мы лезли в гору и нас пару раз облетел спасательный вертолёт классической схемы. Несмотря на ненадёжный автомат перекоса, летал он замечательно :-)

From: