Конструкция дрона №1 — выбор профиля

Часть 2 смотрите по этой ссылке:    • Drone design #2: 3D Flow Analysis  

Типы дронов
Вращающиеся крылья, например, квадрокоптеры, используют вертикальную тягу пропеллеров для удержания дрона в воздухе. Дрон с фиксированным крылом, в свою очередь, использует обычные крылья для создания необходимой подъёмной силы, подобно самолёту, когда он летит по воздуху. В большинстве случаев такая конструкция исключает возможность зависания, но значительно повышает эффективность, увеличивая время полёта.
Дроны с фиксированным крылом бывают самых разных форм и конструкций. Некоторые выглядят как уменьшенные версии самолётов с пропеллером спереди, фюзеляжем посередине, длинными тонкими крыльями по бокам и хвостом с вертикальными и горизонтальными закрылками. С другой стороны, дроны со смешанным крылом выглядят очень футуристично: фюзеляж и крылья объединены в единое целое, без хвоста.

Основы аэродинамического профиля
Какую бы конструкцию вы ни выбрали, вам потребуется выбрать секцию крыла, называемую аэродинамическим профилем, для создания подъёмной силы. В более сложных конструкциях размер или даже форма аэродинамического профиля могут меняться по ширине крыла, но всегда полезно сначала выполнить несколько простых расчётов вручную.
Начнём с обозначения основных частей аэродинамического профиля. Спереди находится передняя кромка, сзади — задняя кромка. Они соединены верхней поверхностью, также называемой поверхностью разрежения, и нижней поверхностью, также называемой поверхностью давления.
Хорда — это прямая линия, соединяющая переднюю и заднюю кромки. Линия изгиба, в свою очередь, проходит между верхней и нижней поверхностями, показывая осевую линию крыла.
Угол атаки — это угол между хордой и направлением относительного ветра. Относительный ветер складывается не только из вектора ветра, но и из скорости самого дрона.

Подъёмная сила и сопротивление
Важнейшим фактором для аэродинамических профилей является то, насколько они создают подъёмную силу и сопротивление. Подъёмная сила — это вертикальная сила, перпендикулярная относительному направлению ветра. Сопротивление — это горизонтальная сила, действующая вдоль направления ветра. Эти силы зависят от угла атаки. Существует отличный сайт http://www.airfoiltools.com/, который предоставляет массу данных о различных аэродинамических профилях. Чтобы понять кривые сопротивления и подъёмной силы, давайте проиллюстрируем это на примере симметричного аэродинамического профиля, у которого верхняя и нижняя поверхности идентичны. Пример — NACA0012.
При нулевом угле атаки подъёмная сила также равна нулю. Есть только сопротивление. Как только аэродинамический профиль поворачивается носом в воздух, создавая положительный угол атаки, он начинает создавать подъёмную силу. Чем больше угол атаки, тем больше подъёмная сила. Однако после достижения определённого критического угла атаки подъёмная сила снова начинает уменьшаться. Эта рабочая область за пределами критического угла атаки называется аэродинамическим срывом и вызвана отрывным потоком на поверхности разрежения аэродинамического профиля. Например, слишком быстрый набор высоты при взлёте — типичный сценарий, при котором самолёты могут перейти в режим сваливания, потерять подъёмную силу и разбиться.

Другим следствием увеличения угла атаки является увеличение аэродинамического сопротивления, которое может свести на нет положительный эффект подъёмной силы. Чтобы найти оптимальное соотношение, можно использовать кривую зависимости подъёмной силы от сопротивления, которая отображает отношение подъёмной силы к сопротивлению в зависимости от угла атаки. В данном случае NACA0012 достигает максимальной эффективности при угле атаки около 8°. В этой точке подъёмная сила, создаваемая крылом, в 80 раз превышает аэродинамическое сопротивление!
Это не лучшее, что можно получить. В отличие от симметричных крыльев, асимметричные крылья жертвуют характеристиками при отрицательных углах атаки, чтобы создавать большую подъёмную силу и меньшее сопротивление при положительных углах атаки или даже при нуле градусов. С помощью инструментов для аэродинамических профилей вы можете легко сравнить два разных профиля, например, симметричный NACA0012 и асимметричный NACA6412. Вы увидите, что NACA6412 достигает максимального коэффициента подъёмной силы к лобовому сопротивлению более 140!
Как вы, возможно, заметили на этих кривых, подъёмная сила и сопротивление выражены коэффициентами Cl и Cd, а не реальными подъёмной силой и сопротивлением. Это упрощает сравнение различных профилей, независимо от их размера. Коэффициенты рассчитываются путём деления подъёмной силы или сопротивления на ширину профиля на произведение давления торможения и длины хорды.

------------------------------------------------------------------------------------------------

Видеоматериалы AirShaper охватывают основы аэродинамики (аэродинамическое сопротивление, коэффициенты сопротивления и подъёмной силы, теория пограничного слоя, отрыв потока, число Рейнольдса и т.д.), аспекты моделирования (вычисл...