И так, наш махолет является самым большим подобным аппаратом на планете. Ближайший полноценно летающий аппарат весит в 3 раза меньше. Как же двум молодым инженерам удалось создать аппарат, который многие считают невозможным? Для этого существует определенный алгоритм, который является компиляцией из классической инженерии, ТРИЗа и личного опыта.
1. Постановка задачи.
Большинство инженеров, занимающихся этой задачей, стремились повторить полет птиц или насекомых, либо изобретали некие совершенно невероятные конструкции, весьма далекие от принципов аэродинамики. Первый подход заведомо обречен на провал, так как создать адаптивное крыло подобное птичьему или насекомого крайне сложная инженерная задача, не решаемая на данном этапе развития техники. Второй подход примитивен, так как большинство предлагаемых способов создания аэродинамических сил не имеют ничего общего с законами среды.
В связи с этим мы упростили задачу и свели ее к следующему: как создавать необходимые для полета аэродинамические силы на основании существующей аэродинамической теории. Именно отталкиваясь от классической теории, глубоко ее изучив можно придумать что-то новое. Базируясь на законах дозвуковой аэродинамики нам удалось вывести уравнение полета махолета, которое описывает поле возможных скоростей и масс в которых может существовать подобный аппарат. Это позволило перейти к следующему этапу — моделированию.
Сх, Су, Схf — коэффициенты сопротивления, подъемной силы сопротивления трения соответственно (у махолета Cх — отрицательный, так как это тяга)
коэф. А — это коэффициент аэродинамического совершенства крыла (туда входят удлинение, САХ и форма законцовок)
vo — соотношение скорости полета и скорости маха на 0,75 размаха консоли.
dalta_alfa и alfa_A — это разностный и амплитудный углы крыла (динамические углы атаки)
2. Информационно-энергетическая модель.
Для перехода от общей теории полета к проектированию конкретного аппарата нам предстояло создать математическую модель движения сегмента крыла — бесконечного размаха по гармонической траектории. Звучит сложно, но если упростить, то идея в том, чтобы попытаться смоделировать, какими именно параметрами должно обладать крыло, чтобы создать потребные для полета силы. И тут мы использовали 2 модели:
— модель идеального крыла (это модель крыла, где каждое сечение соответствует заданным параметрам)
— модель жесткого или реального крыла.
Эти две модели стали базисом для определения поля возможных сочетаний параметров, тем самым снизив степень неопределенности решения задачи во много раз.
Сама по себе модель, это не набор формул написанных на бумажке, это математический алгоритм с широкими возможностями, который позволяет оценить диапазон используемых параметров, откорректировать существующие предположения согласно полученным экспериментальным данным.
По факту эта модель имеет следующую структуру:
— энергетическая модель – это модель взаимодействия искомых характеристик с параметрами среды
— информационная модель – модель взаимосвязи параметров друг с другом.
Такие модели были созданы не только для аэродинамики, но динамики и конструкции.
Фактически это своеобразная «машина времени», которая позволяет пребывать одновременно на всех стадиях проекта. Тем самым вся задача сводится к тому, то через совершенствование модели вы начинаете совершать предсказания по поведению реальной модели-прототипа.
Чем больше вы получаете экспериментальных данных тем точнее и лучше предсказание. Подобная динамическая модель и позволила нам довести модель полета.
3. Опыт и аналитика.
Самой большой загадкой махолета является его аэродинамика. Так как в ходе опыта мы выявили значительные расхождения между классической теорией и результатами испытаний.
Аэродинамика махолета крайне сложная для понимания и описания вещь. Проще говоря — не понятно, как он вообще летает.
И вот в чем дело:
Если мы с вами рассмотрим идеальное крыло (крыло птицы, как эталон), то оно способно в каждом своем сечении обладать своими оптимальными характеристиками, что им и позволяет весьма эффективно расходовать энергию.
Но если мы возьмем жесткие крылья, как на нашей модели, то вот тут начинается веселье. Большая часть крыла находится в зоне срыва потока, что с энергетической точки зрения крайне не выгодно (высокое сопротивление и малая подъемная сила), но если мы посмотрим на реальные характеристики полета (прямые замеры тяги и подъемной силы), то окажется что средние по времени показатели подъемной силы и тяги весьма приемлемы (аэродинамическое качество 10-12). Отчего так?
Вот тут начинается совсем другая аэродинамика. Видите ли, вся современная авиационная наука стоит на базисе, что аэродинамическая плоскость находится в равноускоренном или равномерном потоке и значения аэродинамических коэффициентов весьма стабильны. Но вот если теперь мы возьмем не равноускоренное движение, то воздух начинает проявлять себя совсем иначе, проявляется эффект присоединенных масс. Что это за эффект? Присоединенные массы это условные массы присваиваемые движущемуся объекту, что бы скорректировать его динамические свойства при движении в вязкой среде. Однако мне кажется, что данное явление можно рассматривать и иначе, что воздух, как и вода способны проявлять свойства условного повышения вязкости при ускоренном движении. Т.е. воздух ведет себя как неньютоновская жидкость, только она не становится «твердой», а становится более упругой.
Данное явление может нам раскрыть совсем другое направление аэродинамики, которое на текущий момент мало изучено (только в области маха лопасти вертолета). В нем могут крыться секреты повышения аэродинамических характеристик существующих ЛА и создание принципиально новых способов полета, вроде машущего.
Именно строго научный подход и создание соответствующего математического аппарата, а так же много-много часов устранения недостатков конструкции позволили нам реализовать полет.
По факту этот алгоритм применим к абсолютно любой инженерной задачи связанной с созданием принципиально новых вещей.
Комментарии (50)
Alexsandr_SE
08.06.2017 12:21Давно уже, попадался материал с расчетами по эффективности крыльев и живности машущей. Получилось, что с первого взгляда выгоднее живность, но если начинать учитывать скорость передвижения, то планер с двигателем оказывается выгоднее машущего крыла. Подробностей уже не помню, очень давно это было.
Я так понимаю единого подхода все же нет для расчетов? Как встречалось на просторах интернета майский жук не может летать, но летает и почему, теория молчит.
Ayasmarsa
08.06.2017 12:33«просторах интернета майский жук не может летать, но летает и почему, теория молчит.»
На просторах интернета пишут много и часто далеко не ученые. Жук вписывается в теорию, однако с оговорками в виде тех самых присоединеных масс, просто никто особо глубоко не копает эту тему, так как нет спроса.
Zenitchik
08.06.2017 17:45Как встречалось на просторах интернета майский жук не может летать, но летает и почему, теория молчит.
ЕМНИП, речь шла не о жуке, а о шмеле, и не в интернете (которого тогда не было), а на плакате в одном из авиационных КБ (не удивлюсь, если в каждом было по подобному плакату). И это была профессиональная шутка, повестись на которую может только человек, совсем не знающий аэродинамику.
Всё дело в масштабном факторе. Шмель замечательно летает, но масштабировать его нельзя — летать разучится.Alexsandr_SE
08.06.2017 23:42О нравы. О чем речь шла до интернета не в курсе, а в интернете уже встречался майский жук :) Причем как-то искал информацию не нашел ни опровержения ни подтверждения, правда не искал долго. Все же интернет
это великая свалка, где поисковики выводят в первую очередь популярную информацию, которая не всегда нужная.
ivan01
08.06.2017 17:51+1У него собственные колебания крылешек совпадают с перодичностью сходов вихрей с них. Ну и в общем там магия. Он ими грубо говоря не машет а трясет.
jaiprakash
08.06.2017 12:51+1К «уравнению существования махолёта» не хватает расшифровки переменных.
Или его привели чисто с целью запугивания читателя?)Ayasmarsa
08.06.2017 12:58Скорее просто, как пример.
Если интересно, могу расшифровать:
Сх, Су, Схf — коэффициенты сопротивления, подъемной силы сопротивления трения соответственно (у махолета Cх — отрицательный, так как это тяга)
коэф. А — это коэффициент аэродинамического совершенства крыла (туда входят удлинение, САХ и форма законцовок)
Vo — скорость полета
dalta_alfa и alfa_A — это разностный и амплитудный углы крыла (динамические углы атаки)jaiprakash
08.06.2017 13:04Хорошо.
Раз они встречаются ещё и в графиках, было бы логично добавить в саму статью, имхо.
dmalishev
08.06.2017 13:50+1В каком смысле под atan стоит размерная величина V0? В чем она измеряется — м/c, км/ч, дюймах/сутки? В зависимости от этого ведь будут получаться разные значения atan(v0)
Ayasmarsa
08.06.2017 13:50Все в м/с — это же аэродинамика и в целом физика.
Smbdy_kiev
08.06.2017 14:10+2Простите, но во втором уровнении (в больших скобках)вообще складывается скорость, умноженая на угол с углом (еденицей? — см. первое уравнение) в квадвате. С размерностями явно какой-то зашквар. По топику. Практически у всех птиц крылья состоят из нескольких частей. У насекомых плоскостя. Подозреваю, что есть некая «кореляция» сложности крыла и массы аппарата. Причём у птиц бывают очень интересные алгоритмы, спасающие аэродинамику (от выпадения симметричного пера на другом крыле при потере на первом, до обратного взмаха голубя — вроде бы там тоже какая-то подъёмная сила есть). Так вот, не упрётесь ли вы в такую необходимость при увеличении массы аппарата?
Ayasmarsa
08.06.2017 14:39Спасибо, вы правы, я ошибся: Vo — соотношение скорости полета и скорости маха на 0,75 размаха консоли уже поправил. Давно не обращался к формулам.
А по остальному- сейчас пока рано судить уж очень не хватает полных экспериментальных данных.
maisvendoo
09.06.2017 06:58Давно не обращался к формулам.
Такое милое оправдание свидетельствует о том, что человек не очень понимает что в этих самых формулах описано изначально.
Когда человек в теме, он каждую закорючку в своей формуле объяснить может и может говорить о ней часамиAyasmarsa
09.06.2017 09:42-1Я исключительно рад за вас если вы можете все держать в голове, когда ведешь параллельно 2-3 проекта, один из области авиации, другой энергетика, третий стройка — многое начинает в голове путаться. Надо же как-то деньги зарабатывать и на жизнь и на развитие темы.
maisvendoo
09.06.2017 10:21+1Раз Вы приводите формулы, то должны потрудится объяснить смысл параметров.
Во-первых, в каких единицах Ваши углы? Во-вторых, если фигурируют углы, то где геометрическая интерпретация в виде чертежа/схемы, из которой читателю станет понятно, о чем идет речь. Не хотите показывать чертеж (коммерческая тайна и т.п.) не стоит приводить и формулу, которая без разумных пояснений вызывает лишь недоумение и вопросы.
Потом — уравнения существования это слишком громко сказано. Это две формулы, выражающие зависимость аэродинамических характеристик системы от неких конструктивных параметров, которые не связаны замкнутой системой уравнений с прочими параметрами, как то массы и энергетические показатели силовой установки. Откуда из приведенных двух формул вытекает возможность машущего полета?Ayasmarsa
09.06.2017 10:36Начнем с того, что статья была посвящена подходу, а не аэродинамики и динамике. Возможно я напишу подробную статью с своими выкладками и представлю на ваш суд.
Теперь о замкнутости системы.
Су и Сх — это коэффициенты двух сил составляющих полет — подъемная сила и тяга (отрицательный коэффициент сопротивления). Сy — это показатель возможных полетных масс. В массу летательного аппарата дискретно входят массы топлива, СУ и пр и это описывается уравнением существования самолета — т.е. прямая связь. Так же в уравнение входит скорость маха на 0,75l консоли — это как раз энергетическая характеристика включающая в себя параметры механики.
Понимаете, что странно. Вот мы с вами вроде очень не глупые и культурные люди. Но место того, чтобы задать прямой вопрос о возможной передаче вам моих выкладок, работ по механике и динамике махолета, предложить мне свои услуги независимого эксперта вы начинаете искать подвох. Т.е. место того чтобы искать истину совместно вам очень хочется меня закопать в моей не правоте. Эго это очень здорово, но раз мы претендуем на человеческие взаимоотношения, а не звериные с нападками друг на друга, давайте как-то развивать диалог в конструктивном ключе, тем более я открыт к диалогу. И более того вполне могу оказаться не прав в своих суждениях и буду очень рад если вы мне это покажете.maisvendoo
09.06.2017 11:05Так в каких единицах измерения углы, входящие в формулы?
Ayasmarsa
09.06.2017 12:05В градусах, так как обратите внимание, что перед скобками стоит Cyalfa и Cxalfa- относительныe коэффициенты крыла.
maisvendoo
09.06.2017 12:38В градусах
Об этом я и так догадался, так как множитель 180 / Пи говорит сам за себя. Ждал только подтверждения.
А коль скоро я его получил, то тогда следующий вопрос — каким образом, умножая безразмерные cx и cy на градусы вы получаете безразмерные же величины?Ayasmarsa
09.06.2017 12:59+1Размерность Cxalfa и Cyalfa — 1/градус. Они поэтому и называются относительными. По факту это производная от функций подъемной силы и сопротивления по углу.
maisvendoo
09.06.2017 13:16-2По факту это производная от функций подъемной силы и сопротивления по углу
Вдумайтесь в написанный бред. Производная от силы по углу, будет иметь размерность Н / градус, если уж о градусах идет речь
Насчет определения же cx и cy почитайте хотя бы википедию
Коэффициент подъёмной силы — это безразмерная величина, зависящая от угла атаки и формы профиля крыла (Заметим также, что зависит от числа Рейнольдса). Используется при вычислении подъёмной силы крыла при известной скорости, плотности воздуха и угле атаки
Коэффициент подъемной силы — БЕЗРАЗМЕРНАЯ величинаZenitchik
09.06.2017 13:27+1cx и cy
А в формуле
c_{x\alpha}
и
c_{y\alpha}
Не замечаете разницы?maisvendoo
09.06.2017 13:46В статье написано
Сх, Су, Схf — коэффициенты сопротивления, подъемной силы сопротивления трения соответственно
О том что это производные от безразмерных cx, сy нет ни слова
Ayasmarsa
09.06.2017 13:03На сколько хорошо Вы знаете аэродинамику? Теорема Жуковского, вихревая теория крыла — хорошо знакомы? А ещё лучше если есть знания в нестационарной аэродинамике, мы тогда предметнее поговорим.
Zenitchik
08.06.2017 17:48У насекомых плоскостя.
У насекомых тоже всё непросто, там что-то вроде механизации.
ariklus
08.06.2017 14:26+1Ну, знакомый физик, работающий с заморскими партнерами, часто жалуется на унции на квадратный дюйм и прочие порождения имперской системы.
ivlis
09.06.2017 03:08Да ну :) В физике точно нет никаких lb/in^2 или ppcf :) В индустрии иногда встречаются да, ну или устоявшиеся вещи типа 12 inch wafer или 1 Gb/in^2. Реально никто никаких расчётов в имперской системе не ведет.
ivlis
09.06.2017 03:16Гипотеза с «неньютоновским воздухом» это очень здорово, действительно эта штука больше «плывёт», чем летит.
pi/180 — инженерная рука :)))
eugenk
09.06.2017 09:56Прошу прощения, немного не понял, почему Вы считаете, что создание крыла подобного птичьему неразрешимая задача? Применяют же японцы подход к робототехнике, когда вместо сложной механики просто ставят кучу электродвигателей, и это работает! Вы не пытались что-то делать в этом направлении?
И ещё, не совсем понял почему ваш махолёт вообще летает. Как я понял из ролика, там встречно колеблются как твёрдые тела два длинных крыла. Там что, как-то взаимодействуют потоки от двух крыльев?
А вообще хочу выразить благодарность, тема меня страшно интересует. Увы, нет ни денег ни времени этим серьёзно заняться. Махолёты это неимоверно круто. Особенно для России с её необозримыми и труднодоступными просторами. Сделать здесь по-настоящему экономичный воздушный транспорт было бы тем же, чем стали для США железные дороги.Ayasmarsa
09.06.2017 09:59Авиация это всегда компромисс между весом и функциональностью.
Поэтому быстро-адаптивные крылья пока труднодостижимая вещь.
На нашем канале на ютубе есть видео испытаний с дымом.
Спасибо!eugenk
09.06.2017 12:21Я уж смотрел. Скажите, а более подробного сайта чем на странице проекта и на фейсбуке у Вас нет? Я например так и не понял как работают крылья. Секционированное крыло напоминает крыло-жалюзи. Но во-первых как я понял на модели крылья жесткие, а во-вторых по ролику сложилось впечатление, что они движутся просто как коромысла, без гребущих движений как у птиц. Тогда непонятно за счёт чего создаётся тяга?
Idot
09.06.2017 19:21-1Судя по всему при взмахах вверх и вниз меняется угол атаки крыльев. Изменением угла атаки крыльев можно и поворачивать, и менять крен и лететь вверх или снижаться вниз. Наверняка, на махолёте стоит нечто вроде автомата перекоса как у вертолёта.
Вчера extempl скинул видео (смотреть с 4:13)
eugenk
09.06.2017 21:05На ролике у этих ребят я ничего подобного не видел. Ролик правда далеко не самый лучший для того чтобы понять что там происходит. Но у них есть канал на ютубе, где есть например ролик с задымлением машущих крыльев. Там я тоже ничего подобного не заметил. Кроме того для махолёта одним изменением перекоса не обойтись, крыло(точнее его конец) должно описывать некую округлую траекторию. Как весло в лодке. Ведь крыло по сути гребёт. Этого я тоже не заметил. Там просто прямые махи. Вобщем не понял я как эта штука летает.
wormball
10.06.2017 11:00Во-первых, надо быть слепым, чтобы не заметить на видео перекос.
> Кроме того для махолёта одним изменением перекоса не обойтись, крыло(точнее его конец) должно описывать некую округлую траекторию.
Это ещё для чего? Вполне достаточно вверх разворачивать крыло ребром (по отношению к воздуху), а вниз — плашмя. Быть может, с дополнительными движениями вперёд-назад было бы эффективнее, но не думаю, что намного, к тому же не вполне ясно, что это должны быть за движения.
> Как весло в лодке. Ведь крыло по сути гребёт.
?!???!!!???777 По-вашему птица достаёт крыло из воздуха при каждом взмахе и снова его туда опускает? А половину всего цикла оно движется в вакууме?Idot
10.06.2017 22:46Чтобы лететь вперёд крыло должно двигаться не вертикально вверх и вниз, а под углом:
— вперёд-вверх держа угол атаки при движении вперёд создающий подъёмную силу
— вниз-назад держа угол атаки чтобы отталкиваться от воздуха вверх-вперёд (то что Вы назвали «плашмя» по направлению движения)
у животных крыло при всём этом описывает круги и восьмёрки (в силу биомеханики так удобнее),
но для махолёта — достаточно двигать крыло по прямой меняя угол атаки.Zenitchik
11.06.2017 12:11Чтобы лететь вперёд крыло должно двигаться не вертикально вверх и вниз, а под углом
С чего Вы это взяли?Idot
11.06.2017 22:47+1Законы физики: крылу для создания подъёмной силы нужен набегающий на него поток воздуха, потому необходим наклон.
PS Признаю, что перепутал угол наклона:
wormball
13.06.2017 22:50+1Что-то мне подсказывает, что по меньшей мере львиная доля представленных здесь животных либо топчется на месте, либо летит очень медленно.
wormball
13.06.2017 23:08> — вперёд-вверх держа угол атаки при движении вперёд создающий подъёмную силу
Вот этот пункт совершенно не обязателен.
ksil
09.06.2017 11:57по-настоящему экономичный воздушный транспорт
В первой статье говорилось, что по экономичности они между самолетами и вертолетами.eugenk
09.06.2017 12:16+1Думаю ориентироваться надо скорее на между грузовиком и поездом. Дело тут вот в чём. И винт и машущее крыло предназначены для одного и того же. Они создают силу, отбрасывая воздух. Сила при этом равна импульсу отброшенной массы воздуха в единицу времени. Для получения заданного импульса можно быстро отбрасывать небольшую массу воздуха (что делает винт), а можно медленно, но большую массу (что делает крыло). Но поскольку импульс равен m*v, а энергия m*v^2/2, то чем медленнее отбрасывается воздух (большая масса), тем меньше затраты энергии на создание силы. Обратная сторона медальки, что такой аппарат будет летать довольно медленно. Но для грузовых перевозок скорости 50-70 км/час более чем достаточно. Если жрать при этом будет меньше фуры и не нужны ни дороги ни аэродромы, для России это будет тем же чем стали для Америки в 19-м веке железные дороги.
wormball
10.06.2017 11:30> такой аппарат будет летать довольно медленно
А вот и не факт. Ежели аэродинамическое качество 10 — то это означает, что чтобы летать со скоростью 500 км/ч, надобно двигать крыльями со скоростью 50 км/ч. Большими крыльями, быть может, так быстро двигать не получится, но можно сделать много маленьких крылышек. А для того, чтобы с такой же скоростью двигаться на винте, винт, насколько я понимаю, должен вращаться почти со скоростью звука.
Ayasmarsa
09.06.2017 12:08Речь в статье шла о модели которую делаем сейчас. В перспективе можно добиться экономичности выше чем у самолёта, но пока это не подтвержденное предположение. Нужно больше данных.
GarryC
Если бы в статье была фотография реального устройства, то теоретические рассуждения выглядели бы более правдоподобно.
cssman
В самом начале статьи же была ссылка
Или Вы читали по диагонали?
Ayasmarsa
В начале статьи есть ссылка на первую статью, а в ней видео реального устройства.