Marinaru

Cu totii am construit aeromodele dupa planuri, fie ele mai vechi, mai noi, mai bune, mai putin bune, dar cu rezultate sigure in final.
In acest topic as vrea sa discutam despre alternativa, si anume proiectarea unui aeromodel plecand de la o idee si folosind atat cateva programe cat si formule de "mecanica zborului" pentru a proiecta si ulterior, a construi un aeromodel dupa gustul fiecaruia.
O sa prezint metodologia pe care am urmat-o pentru a imi construi un planor. Planorul l-am inceput in septembrie 2013 si urmeaza sa il termin cat de curand sper si sa il aduc la rapa anul asta

primul lucru pe care l-am stabilit a fost tipul de aeromodel (planor), dar mai mult, imi doream un planor care sa zboare cu viteza mica ( viteza mica de zbor, considerand o finete constanta, se traduce in o viteza de infundare mica si in o durata de planare mai mare ), dar care sa imi permita si viteze mai mari si manevrabilitate ridicata necesare pentru zborul la panta dar poate si cateva acrobatii.
Se pare ca vreau tot de la el: viteza de zbor mica, manevrabilitate, posibilitatea de a zbura cu viteza mare...
Uitandu-ma in jur a observat ca singurele planoare care se apropie de aceste caracteristici sunt cele de tip DLG care suporta viteze mari in timpul lansarii dar in zbor au o viteza foarte mica si au o manevrabilitate destul de mare. Desigur ca un DLG este destul de dificil de construit cu aripa din materiale compozite ... e nevoie de matrita, clar nu e la indemana oricui

uitandu-ma pe deverse site-uri am studiat caracteristicile acestor planoare si aj gasit cateva caracteristici cheie:
*greutate mica raportata la suprafata aripii ( G/S mic ) (incarcare alara)
*profile subtiri ( atat al aripii cat si al suprafetelor de comanda)
*profilul fuselajului este foarte subtire si el
*suprafetele de comanda sunt pendulare (dintr-o bucata) in acest fel sunt mai eficiente. Un profil nedeformat va avea rezistenta la inaintare mai mica decat unul deformat
*O structura foarte rigida, lucru foarte important la viteze mari

primul lucru pe care il putem alege la un aeromodel este profilul aerodinamic pentru aripa, dar in acelasi timp este bine sa avem o idee despre dimensiunile finale ale aeromodelului
Eu mi-am ales o anvergura de 2 - 2.5m , cu aripa demontabila de la jumatate pentru transport usor
Acum poate sa inceapa cautarea unui profil aerodinamic pentru aripa, exista baze de date pentru astfel de profile, cea pe care am frecventat-o eu este UIUC
https://aerospace.illinois.edu/m-selig/a ... abase.html
acolo sunt ordonate alfa-numeric aproape toate profilele de care poti avea nevoie vreodata, cu un fisier.dat ce contine coordonatele profilului, un fisier.gif (o poza cu profilul), dar si o scurta descriere
Criteriile de alegere a ului profil sunt foarte multe si depind foarte mult si de caracteristicile geometrice ale aripii, dar mai intai sa vorbim putin despre profilele aerodinemice si despre caracteristicile lor:

1 Coarda profilului (chord- linia albastra)- distanta dintre bordul de atac si bordul de fuga
2 Grosimea relativa maxima (thickness)- se noteaza in procente fata de coarda profilului
3 Scheletul profilului ( linia verde ) - linia mediana, situata la jumatatea distantei dintre extrados si intrados
4 sageata (curbura) profilului (camber)- distanta maxima dintre coarda si schelet
cele mai importante sunt: grosimea relativa si curbura profilului. curbura mare inseamna coeficient de portanta mai mare dar si rezistenta la inaintare mai mare, implicit si o forta portanta mare, curbura 0 inseamna profil simetric. Un profil cu grosime mica va avea o rezistenta mica la inaintare dar va avea si un coeficient de portanta mai mic.
Alegerea tipului de profil necestita destul de multa experienta dar si multe simulari si/sau calcule pentru un rezultat real.

O alternativa pentru inceput este de a ne inspira de la aeromodele (avioane) deja construite cu performante verificate.
ATENTIE un profil aerodinamic care functioneaza foarte bine pe un avion nu va functiona la fel pe un aeromodel, este alt regim de curgere, normal ca nici un profil de aeromodel nu va functiona pe un avion in marime naturala.
Acest regim este caracterizat de 2 numere: numarul mach, care intotdeauna va fi subunitar pentru aeromodele ( ca doar nu zburam supersonic cu aeromodelele), al doilea este numarul Reynolds care tine de viteza de zbor si de caracteristicile geometrice (coarda) ale aripii. Pentru aeromodele avem regimuri caracterizate de numere reynolds mici.
Mult tam tam dar e simplu, daca din lista aia vrem un anumit profil gasim direct in descriere la ce e bun profilul respectiv sau in descriere scrie "low Reynolds number airfoil"- "e bun pentru aeromodele"(in traducere directa )
Mai este un considerent practic la alegerea profilului si anume grosimea maxima a profilului trebuie sa aiba o valoare minima astfel incat, daca avem de bagat echipamente in aripa (servo, frane etc.), sa ne permita grosimea profilului. dar si din punct de vedere structural ( nu pot sa fac o aripa din lemn de 2m si sa aibe grosimea la incastrare de 5mm ca o sa se rupa inainte de zbor chiar )

Eu mi-am ales cateva profile de DLG de pe UIUC si le-am bagat in xflr pentru a le compara performantele si am bagat si un alt profil pentru a arata diferenta dintre un profil de DLG si un alt tip
se observa ca CH10 are un coeficient mai mare de portanta, dar si o rezistenta la inaintare mai mare datorita grosimii mari
se mai observa ca dintre profilele DLG cel mai bun (AG27) cu cel mai bun raport CL/CD si CL mare
CL=coeficient de portanta (lift)
CD=coeficient de rezistenta la inaintare (drag)
Desi nu este cel mai bun, profilul ales de mine este AG24, datorita grosimii mai mari imi permite sa construiesc o aripa din lemn si sa am loc sa ii pun servo-uri in aripa etc.

Deci practic ideea ta este sa faci un DLG dar constructie clasica pentru ca deocamdata nu ai tehnologia necesara pentru un DLG compozit.

exact.
dar facandu-l din lemn nu o sa fie posibila lansarea specifica pentru DLG (lansarea ca un bumerang)

avand un profil stabilit putem stabili forma si dimensiunile aripii, dar pentru asta avem nevoie de o estimare preliminara a greutatii. Aceasta este destul de greu de estimat precis si se face de regula un functie de greutatea incarcaturii utile si in functie de tipul de aeronava prin diverse formule empirice.
In cazul unui aeromodel care nu transporta nimic este ceva mai usor de determinat daca avem o idee asupra dimensiunilor finale.
Eu mi-am propus initial ca planorul sa fie de 2-2.5m si cu posibilitatea atasarii unui motor, am facut o lista cu toate echipamentele necesare(servo, acumulator, elemente de comanda, receptor, solar, motor etc.) avand de aici o greutate, apoi am aproximat separat greutatea structurii in functie de acea anvergura propusa (am comparat cu alte modelele deja construite). la final mi-a dat o greutate totala de aproximativ 1 Kg, asta este greutatea pe care o vizez de acum inainte. fireste ca aproximarea mea a fost facuta realist in sensul ca greutatea echipamentelor si greutatea structurii adunate imi dau pe la 700-800g. Am observat ca intotdeauna greutatea finala este mai mare decat cea estimata initial

Primul parametru pe care il determinam pentru aripa este suprafata (suprafata portanta) care se estimeaza cel mai usor prin un parametru numit incarcare alara (G/S), parametru caracteristic fiecarei aeronava. Acesta variaza in functie de scopul final al aeromodelului si se alege mai mult din experienta
AM sa rog pe cei mai cu experienta sa puna niste sfaturi (ce incarcare e mai buna pt ce tip de aeromodel etc.) orice ajuta, dar am sa pun si eu cateva date cu aeromodele construite de mine pentru inspiratie

DLG - 18.2 g/dm^2
ACC 2012 - aeromodel proiectat sa care greutate foarte mare - 113.5 g/dm^2
Amigo II - planor, il gasiti pe forum - 53.8 g/dm^2
Taxi 3 - trainer - 44.6 g/dm^2

urmatorul lucru pe care l-am stabilit a fost forma in plan a aripii, care putea fi:
*aripa dreapta - cea mai simpla varianta constructiva
*aripa trapez - are performante ceva mai bune decat cea dreapta (rezistenta indusa ceva mai mica)
*aripa delta - buna pentru viteze mari
*aripa eliptica - rezistenta indusa minima
Desigur forma in plan afecteaza performantele aripii ( in special rezstenta indusa ) dar mai afecteaza si caracteristica la angajare, dupa cum se vede si in poza de mai jos, o aripa eliptica se va angaja pe tot lungul anvergurii (angajare brusca), o aripa dreapta se va angaja incepand cu sectiunea centrala, iau una in trapez se va angana mai intai spre capetele de plan ( portiunea cu eleroanele, anuland in mare parte efectul lor)

Desi aripa eliptica este cea mai buna din punctul de vedere al rezistentei induse, o aripa trapez, dimensionata bine, se poate apropia foarte mult de cea eliptica din acest punct de vedere.
O alta caracteristica a aripii, cu impact major in performantele ei, este alungirea ( b^2/S) egala cu patratul anvergurii impartite la suprafata. O alungire mare conduce la o rezistenta indusa mica. alungirea are un impact mult mai mare asupra rezistentei induse decat forma in plan.

Considerand aceste aspecte prezentate mai sus am fost nevoit sa fac un compromis intre alungire si incarcare alara.
Cu o anvergura maxima de 2.5m am fost nevoit sa limitez alungirea din doua motive:
pentru o anvergura fixata, cresterea alungirii se traduce prin micsorarea suprafetei portante si implicit si a corzii
1 considerente practice - o aripa cu coarda prea mica nu poate fi construita cu structura clasica de lemn
2 micsorand suprafata imi cresc incarcarea alara
pentru varianta finala am ajuns la urmatoarele caracteristici:
* forma in plan a aripii este mixta ( un tronson dreptunghiular la incastrare, urmat de un tronson trapezoidal spre capatul de plan, pe care va fi amplasat si eleronul )
* suprafata aripii 0.39m^2
* alungire 16
* incarcare alara 25,6 g/dm^2

geometria finala a fost aleasa astfel incat sa se apropie cat mai mult de aripa eliptica, in acelasi timp pastrand niste dimensiuni realiste ( coarda de la capatul de plan este de 100mm )

De regula, la avioanele mai mari , suprafata portanta este determinata din estimarea de greutate si din acea suprafata se alege tipul de aripa si alungirea, determinand anvergura. Eu am ales o anvergura maxima din considerente practice .

Cu forma aripii stabilita mai ramane dimensionarea eleroanelor...
Eleroanele sunt pozitionate de regula sprea capatul de plan, dar ele pot fi si pe toata lungimea aripii. Portiunea de la incastrare nu ajuta prea mult in miscarea de ruliu, ci mai mult actioneaza ca o frana. Portiunea de eleron din extremitatea aripii (portiunea aproape de capat) nu are nici un efect real datorita vartejului ce se formeaza la capatul de plan care "umbreste eleronul". Cea mai simpla metoda este de a ne inspira de la alte avioane/aeromodele pentru dimensiunile finale ale eleronului.
Mai este un lucru care e bine sa fie luat in calcul in dimensionarea eleronului, si anume, dimensiunea pe axa x a aeromodelului (directie de deplasare) si mai exact eleronul este bine sa fie un procent fix din coarda, de exemplu, aleg sa fac eleronul 30% din coarda - coarda eleronului este 30% din coarda aripii,

Este evident ca suprafata eleronului este proportionala cu viteza maxima de ruliu dar nu este o proportionalitate directa
Am observat ca la toate planoarele de performanta eleroanele sunt destul de mici (10 - 20% din coarda)
evident un compromis din punct de vedere am manevrabilitatii dar, am facut cateva incercari in xflr, folosind acelasi profil cu diferite marimi de eleron (analiza 2D) si am constatat ca desi o suprafata de comanda mai mare are un efect mai mare (crestere a coeficientului de portanta), are si o crestere a coeficientului de rezistanta destul de mare, O suprafata de comanda mai mica are nevoie de un bracaj mai mare pentru a atinge acelasi coeficient de portanta ca si suprafata de comanda mare. Dar, curios, exista situatii cand rezistenta la inaintare a suprafetei mici este cu mult mai mica decat cea a suprafetei mari, pentru aceiasi crestere a coeficientului de portanta (evident suprafata mai mica are nevoie de un bracaj mai mare). De aici se poate trage concluzia ca, daca nu vizam acrobatia ( rata de rului mare) este mai bine sa folosim un eleron mai mic cu bracaje mai mari decat un eleron mare cu bracaje mici.
Atentie, bracajul de eleron mai mare de 25-30 de grade incepe sa devina impractic (creste rezistenta la inaintare f mult).
Este bine sa avem o crestere cat mai mica a rezistentei la inaintare datorata bracajelor eleroanelor, pentru a minimiza momentul negativ
Un alt lucru se poate face pentru minimizarea momentului negativ si anume bracaje diferentiale (eleronul care urca sa aibe un bracaj mai mare decat cel care coboara)

eu am ales dimensiunea eleronului de 15% din coarda, eleronul este situat doar pe tronsonul trapezoidal
si ajunge pana in capatul de plan, unde am lasat posibilitatea atasarii unui winglet

Dimensionarea fuselajului se face un functie de echipamentele pe care trebuie sa le transporte dar si un functie de anvergura aripii.
Lungimea fuselajului se poate alege ca o fractie din aripa pentru modelul meu am ales 0.5 (fuselajul are lungimea egala cu jumatatea anvergurii) pentru ca asa e mai usor de transportat.
Lungimea se poate alege si un functie de ampenaje. Lungimea fuselajului este direct legata de suprafata ampenajelor pentru stabilitate. exista asa numitele volume de ampenaj (volum de ampenaj orizontal si volum de ampenaj vertical) marimi adimensionale.
O sa definesc mai intai notiunea de focar: focarul este punctul caracteristic unui profil in care momentul este 0 si nu variaza cu incidenta ( in realitate momentul este mic si variaza foarte putin cu incidenta). In subsonic focarul unu profil este la 25% din coarda (un punct imaginar situat in primul sfert al corzii.Focarul aripii este focarul corzii medii aerodinamice (CMA)

volumul de ampenaj orizontal este (Lo*So)/(CMA*Sa)
unde: Lo - distanta (lungimea) dintre focarul aripii si focarul ampenajului orizontal
So - suprafata ampenajului orizontal
CMA - coarda medie aerodinamica
Sa - suprafata aripii

volumul de ampenaj vertical este (Lv*Sv)/(b*Sa)
unde: Lv - distanta (lungimea) dintre focarul aripii si focarul ampenajului vertical
Sv - suprafata ampenajului vertical
b - anvergura aripii
Sa - suprafata aripii

aceste volume de ampenajdicteaza in mod direct stabilitatea statica
Se poate observa ca pentru a isi pastra stabilitatea (trebuie sa mentinem volulum de ampenaj constant) daca scurtam coada fuselajului trebuie sa marim suprafetele ampenajelor si viceversa.
O coada mai lunga se traduce prin o comportare mai lenta la comanzi, o coada mai scurta inseamna o comportare mai prompta
Acum principala problema este alegerea acestor coeficienti de volum de ampenaj... cum ii alegem ...?
In tabelul asta sunt niste date orientative pentru alegerea coeficientilor respectivi

eu am folosit pentru planorul meu Co=0.6(orizontal) si Cv=0.025(vertical)
acesti coeficienti depinde foarte mult de profilul aripii din cate am observat eu ( pentru o aripa cu profil de curbura mare va fi nevoie de niste coeficienti de volum mai mari, la fel si pentru un aeromodel cu incarcare alara mare)

din aceste volume de ampenaj se determina suprafata ampenajului orizontal, respectiv vertical

Pentru planorasul meu
Sao=0.046m^2
Sav=0.03m^2
Pentru o distanta intre focare (identica si pt orizontal si pentru vertical) de 0.8m

Pozitia aripii pe fuselaj ar trebui sa se apropie de regula ca aripa sa fie pozitionata inpunctul de 30% din lungimea fuselajului pentru a putea fi centrat usor ( fireste ca acel procent este aproximativ si depinde foarte mult de echipamente, de greutatea ampenajelor, dar cel mai mult de motor), ideea e sa iasa direct centrat, fara a mai fi nevoie de lestare suplimentara

Urmeaza sa bag poze din timpul constructiei in zilele urmatoare

Alin cu cit este modelul mai mare incarcarea l aaripa se duce in sus. Daca te uiti la modele similare vei vedea ca sint peste 1Kg.
DLG cu aripi din lemn sint deja in existenta, Manta este un exemplu si se lanseaza normal ca "bumerang cum zici tu".

Aripa eliptica este intradevar optima dar trebuie sa faci nervuri individuale care o sa ia mult timp. Mai usor fa citeva sectiuni trapezoidale sa simuleze forma eliptica.

Un program practic pentru proiectarea aripilor este Profili 2. Nu sit sigur dar cred ca poti sa iei o versiune gratuita.