برای افزایش نسبت کارایی آیرودینامیکی راههای مختلفی وجود داره
1-کاهش نیروی پسا
2- انتخاب ایرفویل مناسب
3 – انتخاب هندسه بال مناسب
4-زاویه نصب بال
کاهش نیروی پسا
نیروی پسا در حالت سه بعدی برای یک هواپیما به سه دسته تقسیم میشود، پسای فشاری، پسای اصطکاکی و پسای القایی
پسای فشاری و اصطکاکی
این دو نوع پسا در مجموع به پسای پارازیت معروفند. هر چه قدر جسم نازکتر و مرزهای آن مطابق با خطوط جریان باشد پسای فشاری کمتر و هرقدر سطح صیقلی و صافتری، داشته باشد پسای اصطکاکی آن کاهش مییابد.
برای مثال در شکل زیر یک استوانه و یک ایرفویل در مسیر جریان قرار داده شده اند تا پسای اصطکاکی و فشاری آنها مقایسه شوند:
مشخص است که مقدار پسای فشاری در استوانه بیشتر از ایرفویل است چون که مرزهای شکل مطابق جریان نیست در حالی که ایرفویل اینگونه نیست و مقدار پسای اصطکاکی سهم عمده ای در ایجاد نیروی پسا دارد. تکنولوژی جدید توانسته با به کارگیری سطحهای مخصوصی همانند سطح ریبلت، مقدار درگ اصطکاکی را کاهش دهندپسای القایی
همچنین پسای سوم که از نوع القایی است رابطه مستقیمی با گردابه های نوک بال دارد. همان طور که میدانیم سرعت جریان بر روی سطح بال بیشتر از سطح زیرین بال است، این اختلاف سرعت با توجه به قانون برنولی باعث اختلاف فشار می شود، لذا در زیر ایرفویل فشار بیشتر از روی آن گشته، نیرویی به سمت بالا به بال وارد می گردد. این اختلاف فشار باعث می شود که جریان هوا فرصت پیدا کند تا در نوک بال از منطقه پرفشار به منطقه کم فشار حرکت کرده، در نتیجه یک جریان گردابه ای در نوک بال ایجاد گردد.
اثر نسبت منظری در کاهش پسای القایی
برای کاهش این نوع پسا می توان نسبت منظری بال را افزایش داد. زیرا این عمل میتواند قدرت گردابه ها را کاهش و در نتیجه جریان فرووزش کمتری ایجاد کند. دلیلش اینست که با افزایش نسبت منظری، بال به حالت دوبعدی یعنی ایرفویل نزدیک می گردد و واضح است که در ایرفویل هیچگونه پسای القایی وجود ندارد زیرا دو سر ایرفویل را توسط صفحاتی محدود می کنند تا جریان پرفشار زیرین به ناحیه کم فشار زبرین نیاید و در نتیجه در بعد سوم جریان ایجاد نگردد.
اثر سربالک در کاهش پسای القایی
راه دیگر کاهش قدرت گردابه ها (و در نتیجه کاهش پسای القایی) استفاده از سربالک است. که انواع مختلفی دارد. این وسایل علاوه بر افزایش راندمان مصرف سوخت، اثر نسبت منظری را بیشتر می کنند و باعث می گردند که کارایی آیرودینامیکی بال افزایش پیدا کند.ساخت بال مخروطی یا بیضوی
بال مستطیلی مقدار بیشتری پسای القایی ایجاد می کند در حالی که اگر بال دارای نسبت مخروطی شود، پسای القایی آن کمتر می شود. برای همین است که هواپیماهای مدرن غالبا دارای ساختار بال مخروطی هستند. البته ایده آلترین شکل بال، بیضوی است که دارای کمترین پسای القاییست اما به دلیل مشکلات ساختی و هزینه بر بودن، این شکل از بالها متداول نیست.
انتخاب ایرفویل مناسب
یکی از پارامترهای بسیار مهم که نقش زیادی در افزایش کارایی بال دارد، ایرفویل بال است. انتخاب ایرفویلهایی که نسبت L/D آن بالاست، در کاهش مصرف سوخت، زمان پرواز و مسافت بیشتر هواپیما موثر است. البته پارامترهای زیادی در انتخاب پروفیل ایرفویل موثرند. در قسمت انجمن سایت مطالب خوبی در زمینه نرم افزارهای انتخاب و تحلیل ایرفویل قرار داده شده است.
انتخاب هندسه بال مناسب
دو پارامتر مهم در این قسمت، زاویه عقبگرد و نسبت مخروطی می باشد. زاویه عقبگرد کارایی بال را کاهش میدهد. این موضوع در نمودار زیر نشان داده شده است. مشاهده می شود که عقب گرد بال، باعث کاهش ضریب برآ می شود. اگرچه زاویه واماندگی به نحو مطلوبی برای بال عقب گرد افزایش یافته و این امر مطلوبیست.
بنابراین من در پروژه ای از یک پهپاد با ویژگی های زیر کار می کنم:
پلان مستطیل شکل دم معمولی بدنه فقط یک میله فلزی/آلومینیومی است
بنابراین باید رفتار/عملکرد آیرودینامیکی آن را بهبود دهیم. من به موارد زیر فکر کردم: بالها، AR بزرگ، یک پلان شکل مخروطی یا بیضوی برای کاهش کشش القایی، شاید فلپ‌ها/شکاف‌ها. در واقع نمی توانم در مورد دم چیزی فکر کنم.
شما می خواهید یک محموله سنگین را با سرعت کم جابجا کنید. این بدان معنی است که کشش القایی بر هواپیما غالب خواهد شد. اگر قطب درجه دوم را فرض کنیم، کمترین مقدار انرژی برای ماندن در هوا زمانی مورد نیاز است که پسا القایی سه برابر بیشتر از کشش اصطکاک باشد. با فرض یک قطب درجه دوم، ضریب بالابر بهینه در آن نقطه است
$c_L=\sqrt{3\cdot c_{D0}\cdot\pi\cdot AR\cdot\epsilon}$
بدیهی است که شما می‌خواهید یک کشش کوچک صفر لیفت داشته باشید، اما وقتی این را با نسبت تصویر بالا برای پیکربندی بسیار کارآمد ترکیب می‌کنید، ضریب لیفت شما نیز بسیار بالا میشود. شما باید مراقب باشید که ایرفویل مناسب را انتخاب کنید، و اکنون باید اثرات عدد رینولدز مشاهده شود. وقتی اندازه کلی پهپاد شما را بدانم، می توانم دقیق تر باشم.
فقط یک مثال: اگر ضریب درگ بالابر صفر 0.02 و نسبت تصویر 12 باشد، ضریب بالابر ایده آل در حال حاضر 1.5 است. این فراتر از اکثر ایرفویل ها در اعداد رینولدز زیر 1,000,000 است و نشان دهنده نسبت تصویر بسیار بالا است. در این مورد بهتر است مقداری آکورد اضافه کنید.
همچنین، برخی از تصمیمات طراحی در ابتدا غیر منطقی به نظر می رسند. من قویاً شما را تشویق می‌کنم که مانند هواپیمای سسنا 172 یا هواپیمای انسان‌دار Dedalus، پایه‌های بال را اضافه کنید. آنها به صرفه جویی در وزن بال و در نتیجه کاهش کشش القایی کمک می کنند.
با طرح بیضوی زیاده روی نکنید! این باعث ایجاد یک آکورد بسیار کوچک در بال بیرونی می شود و به طراحی ویژگی های استال نامطلوب می دهد. بهتر است مقداری وتر را نگه دارید و بال را بچرخانید تا به توزیع بیضوی مورد نظر در زاویه حمله طراحی برسید. بهتر است، با حرکت به سمت توزیع مثلثی شکل تر، وزن بال را صرفه جویی کنید – با این حال، برای هواپیماهای کوچک بهینه هنوز کاملاً بیضوی به نظر می رسد.
همچنین به بهبود راندمان پیشرانه توجه کنید. در صورت امکان از دور کم در پروانه بزرگ استفاده کنید. شما به وسیله نیروی محرکه خود اشاره نکردید، بنابراین باز هم سخت است که دقیق تر باشید. با توجه به مدل، شما از پیشرانه الکتریکی استفاده خواهید کرد. از روتور خارجی بدون جاروبک با تعداد قطب بالا (RPM کم در هر ولت) استفاده کنید.
چگونه تلفات نوک پروانه را کاهش دهیم؟
من شنیده ام که تلفات نوک در پروانه ها ممکن است زمانی اتفاق بیفتد که یک ملخ دارای بار زیاد باشد (زمانی که فشار بسیار بالاتری در زیر تیغه پروانه نسبت به بالای آن وجود دارد). این می تواند با پهپادهایی که به سرعت پرواز می کنند و یک سرپناه بسیار بارگذاری شده ایجاد می کنند اتفاق بیفتد. آیا طرح‌هایی وجود دارد که بتواند کشش ناشی از از دست دادن نوک هواپیماهای بدون سرنشین را حذف یا کاهش دهد؟
پروانه های چند روتوری عملکرد طراحی دراگ
تلفات نوک پروانه تابعی است، یا شاید بتوانیم بگوییم که این یکی از عوارض جانبی طراحی پروانه است. طراح یک ملخ می تواند بر تلفات نوک تأثیر بگذارد، اما بعید است که کاربر راهی عملی برای انجام آن برای پروانه ای که قبلاً در اختیار دارد بیابد. بنابراین این سوال نظری است.
اندازه و هندسه کلی یک پروانه می تواند بر تلفات نوک تأثیر بگذارد، اما برای هر مولتی روتور خاص، اندازه یا طول پروانه به احتمال زیاد در حداکثر اندازه خود است. یا اگر در حداکثر اندازه نباشد، طول پروانه در اندازه بهینه برای مولتی روتوری است که روی آن نصب شده است. طولانی‌تر کردن پروانه‌ها بیش از حدی که بدنه هواپیما میتواند در خود جای دهد، این سؤال را به یکی از این موارد تبدیل می‌کند: «چه تغییراتی در مولتی روتور بر تلفات نوک پروانه تأثیر می‌گذارد». خوب، اکنون پاسخ می تواند شامل طولانی تر کردن پایه باشد.
در دنیای تئوریک، پروانه را دوباره طراحی کنید. و همچنین می توان یک کفن طراحی شده با شکاف بسیار دقیق (بسیار باریک) بین نوک پروانه و کفن اضافه کرد. و برای انجام این کار، نوک پروانه باید شکلی متفاوت از شکل طراحی شده برای هوای آزاد داشته باشد. دقیقاً با کفن فقط کسری از میلی متر فاصله دارد. این امر از غلتیدن گرداب های نوک از انتهای پروانه جلوگیری می کند. اما اگر این نظریه برای مولتی روتورها عملی بود، یک یا چند سازنده پهپاد از قبل از آن استفاده می کردند. و تاکنون انجام نشده است. من هنوز آن را ندیده ام. همچنین ادعا میشود که آنها ساکت‌تر و کارآمدتر هستند، اما این نیز با هیچ شواهد تجربی روی یک پهپاد کامل ثابت نمی‌شود. این همه نتایج آزمایشگاهی است. بنابراین باید مبادلاتی وجود داشته باشد که آن راه حل را غیرجذاب کند.
و برای افزودن یک پوشش، ما به تغییر کل مولتی روتور بازگشته ایم تا تلفات نوک را کاهش دهیم. من مطمئن نیستم که سوال این بود.
اکثر سازندگان پروپوزال ادعا می‌کنند که وسایلشان بهتر است، اما شواهد یا سرنخ‌های کمی در مورد نحوه انجام آن ارائه می‌دهند. می‌توانیم شکل‌های منحصربه‌فردی را ببینیم که روی نوک‌ها
چند راه برای کاهش تلفات نوک تیغه‌های پروانه هواپیمای بدون سرنشین وجود دارد. بهترین راه برای بهبود کارایی این است که به سادگی اندازه پروانه را افزایش دهید، زیرا این کار بسیار موثرتر از افزودن بال به پروانه ها خواهد بود. توضیحی برای اینکه چرا ملخ های بزرگتر کارآمدتر هستند را می توان در اینجا یافت: چرا ملخ های بزرگتر معمولاً کارآمدتر از پروانه های کوچکتر هستند؟
اما زمانی که فضا محدود است، و شما با وسایل کوچک گیر کرده اید، بالچه ها باید بتوانند کمک کنند، اما همیشه آنقدر کمک نمی کنند. این یک معاوضه بین بالها است "توانایی کاهش کشش ناشی از مبادله در برابر ناحیه خیس اضافه شده آنها و افزایش کشش پروفیل." کشیدن نمایه درگ ناشی از شکل بخش بال است. در اینجا می توانید اطلاعات بیشتری در مورد winglets بخوانید.
یکی دیگر از مواردی که می تواند به خوبی کار کند این است که بال های بسیار جزئی یا منحنی های کوچک در انتهای تیغه های پروانه مانند زیر داشته باشید: بال های مخلوط شده
این باعث ایجاد برخی از مزایای کارایی winglets می شود بدون اینکه واقعاً کشش نمایه را افزایش دهد.
بنابراین، اگر می خواهید حداکثر کارایی را داشته باشید، واقعاً بهترین گزینه استفاده از ملخ های بزرگتر است. با این حال، بالها می‌توانند بازده کلی پروانه را نیز افزایش دهند، اما با برخی معاوضه‌ها و همیشه کارایی را چندان بهبود نمی‌بخشند. و من مطمئن هستم که چندین طرح پروانه دیگر نیز برای کاهش تلفات نوک ساخته شده است.
