Эйлероны в малых беспилотных воздушных системах: дизайн и характеристики
Роль айлеронов в малых беспилотных воздушных системах
Малые беспилотные летательные системы (SUAS), обычно называемые беспилотными летательными аппаратами, испытали взрывной рост как в коммерческом, так и в рекреационном секторах за последнее десятилетие. От точного сельского хозяйства и инспекции инфраструктуры до аэрофотосъемки и поисково-спасательных операций, эти самолеты теперь выполняют задачи, которые когда-то были исключительной областью полномасштабной пилотируемой авиации. В то время как большая часть общественного разговора вокруг беспилотных летательных аппаратов фокусируется на двигательных системах, сроке службы батареи и полезной нагрузке камеры, поверхности управления полетом - в частности, элероны - требуют равного внимания. Эти навесные поверхности на заднем крае крыльев имеют основополагающее значение для способности беспилотника к торможению, повороту и поддержанию стабильного полета в различных условиях. В SUAS с фиксированным крылом, где подъем генерируется движением вперед, а не тягой ротора, элероны становятся еще более важными. В этой статье рассматриваются соображения проектирования и производительности элеронов в небольших беспилотных летательных системах, предлагая техническое, но доступное руководство для инженеров, дизайнер
Основы функции Эйлерона в СУАС
Чтобы понять важность конструкции элерона, необходимо сначала понять основные аэродинамические принципы в действии. Эйлероны работают, создавая дифференциал в подъеме по крыльям. Когда пилот или автопилот командует креном, один элерон отклоняется вверх, а другой отклоняется вниз. Отклоняющийся вверх элерон уменьшает подъем на этом крыле, в то время как отклоняющийся вниз элерон увеличивает подъем на противоположном крыле. Этот дисбаланс заставляет самолет катиться вокруг своей продольной оси. В SUAS с фиксированным крылом этот крен является основным механизмом для инициирования поворотов, делая элероны наиболее часто используемой поверхностью управления во время обычных полетных операций. В отличие от дронов с вращающимся крылом, которые могут парить и выполнять вертикальные взлеты и посадки, SUAS с фиксированным крылом полностью полагаются на скорость воздуха вперед и отклонение поверхности управления для изменения направления. Это ставит премию на производительность элерона, так как любое отставание или неэффективность управления креном может привести к вялой обработке, увеличению рабочей нагрузки пилота или даже потере контроля в неблагоприятных условиях.
Ключевые параметры дизайна для SUAS Ailerons
Проектирование элеронов для малых беспилотных систем требует тщательного балансирования между несколькими конкурирующими приоритетами. Малый масштаб этих самолетов усиливает эффекты производственных допусков, свойств материала и аэродинамических сил способами, которые значительно отличаются от полномасштабной авиации. Ниже мы рассмотрим критические параметры проектирования, которые должны учитывать инженеры.
Аилероновая геометрия и размеры
Физические размеры элерона непосредственно влияют на его контрольный орган и общие характеристики управления самолетом. Пролет элерона, длина аккорда и общая площадь должны быть выбраны с учетом геометрии крыла и предполагаемой огибающей полета самолета. Как правило, элероны занимают от 20% до 40% от длины кромки крыла, хотя это может варьироваться в зависимости от конструкции. Большие элероны обеспечивают больший авторитет крена, что позволяет более высокие скорости крена и более жесткие повороты. Однако они также добавляют вес, увеличивают моменты шарнира и могут вводить нежелательные аэродинамические эффекты, такие как неблагоприятная рыскание, где самолет рычит в противоположном направлении от предполагаемого крена. Неблагоприятная рыскание происходит потому, что отклоняющий вниз элерон создает более индуцированное сопротивление на крыло, которое поднимается, поощряя нос к качению от поворота. Дифференциальный элерон движется через больший угол, чем отклоняющий вниз элерон - это общая техника проектирования, используемая для смягчения этого эффекта в sUAS. Аккорд элерона относительно
Секция аэродинамического слоя и расположение петель
Форма секции крыла и расположение линии шарнира часто упускаются из виду, но глубоко влияют на производительность элерона. Эйлероны на симметричных или полусимметричных пальто имеют тенденцию выполнять более предсказуемо в более широком диапазоне углов атаки по сравнению с таковыми на сильно закаленных пальто. Для SUAS, работающих при низких числах Рейнольдса - обычно ниже 500 000 - поведение пограничного слоя над крылом и элероном становится более чувствительным к несовершенствам поверхности и углам отклонения. Положение линии шарнира, измеренное как процент от аккорда крыла от задней кромки, определяет механическое преимущество и момент, требуемый от серво. Линия шарнира, расположенная слишком далеко вперед, увеличивает эффективность поверхности управления, но также повышает аэродинамический момент шарнира, требуя более высокого крутящего момента от системы приведения в действие. И наоборот, линия шарнира, установленная слишком далеко в корму, снижает эффективность, но снижает нагрузку на серво. Для большинства небольших беспилотных систем положения шарнира между 75% и 85% от аккорда крыла обеспечивают хороший компромисс между требованиями
Отбор материалов и структурная целостность
Вес является основным ограничением в конструкции sUAS, и элероны не являются исключением. Каждый грамм, добавленный к поверхностям управления, должен быть оправдан соответствующим увеличением производительности или долговечности. Расширенные пенополистирольная пена, бальзамовая древесина и легкие композиты, такие как углеродное волокно или стекловолокно над сердечниками пены, являются общим выбором. Пенопластовые элероны недороги и просты в изготовлении, но могут не иметь жесткости, необходимой для больших или более быстрых дронов. Дерево бальзы предлагает отличное соотношение прочности к весу и легко формируется, но требует тщательной уплотнения от влаги. Композитные элероны обеспечивают лучшую жесткость и долговечность, но при более высокой стоимости и с более сложными производственными процессами. Конструктивная конструкция также должна учитывать силы, генерируемые во время быстрых отклонений на высоких скоростях. Флуттер Эйлера - самовозбужденное колебание, вызванное взаимодействием аэродинамических сил, структурной эластичности и и
Системы актуализации и интеграции управления
Эйлерон так же эффективен, как и система, которая его перемещает. В небольших беспилотных летательных системах цепь приведения в действие включает сервопривод, сцепление, шарнир и любую связанную с ним электронику. Производительность этой цепи напрямую определяет, насколько быстро и точно элерон реагирует на управляющие входы.
Серво-отбор и позиционирование
Сервоотбор для петлей привода элерона осуществляется по трем основным спецификациям: крутящий момент, скорость и размер. Тяга, измеренная в килограмм-сантиметрах или унциях-дюймов, должна быть достаточной для преодоления шарнирного момента при максимально ожидаемом угле отклонения и скорости воздуха. Для типичных sUAS достаточно микросерво с крутящим моментом от 0,5 до 2,0 кг·см. Однако для более крупных или более быстрых самолетов могут потребоваться мини- или стандартные сервоприводы с более высокими рейтингами. Скорость, измеренная как время, необходимое для перемещения через определенный угловой диапазон, влияет на реакцию крена. Более быстрые сервоприводы позволяют более четко управляться, но часто потребляют больше тока. Емкость батареи и способность регулятора должны учитываться при выборе сервопривода, особенно в самолетах с несколькими элероновыми сервоприводами или работающих при высоких напряжениях. Позиционирование сервопривода в крыле вблизи элеронового шарнира минимизирует длину и скос, улучшая отзывчивость. Однако
Типы связей и их торговые связи
Связь, соединяющая серво с элероном, может принимать несколько форм. Связи пушрода, использующие проводные или углеродные волокна с плунжами или шарикопроводами, просты, легки и предлагают положительный контроль. Они требуют точного выравнивания, чтобы минимизировать связывание, и лучше всего подходят для самолетов, где сервопривод расположен рядом с шарниром. Системы тягового кабеля используют легкие кабели, маршрутизируемые через трубопроводы или направляющие, позволяя размещать сервопривод в фюзеляже, в то время как элерон находится далеко на крыле. Эти системы устраняют трепет поверхности управления, вызванный слопом связи, и уменьшают вес в крыле, но они требуют тщательного натяжения и более восприимчивы к расширению или сокращению, связанным с температурой. Для очень маленьких дронов даже использование гибких толкачей в пластиковой направляющей трубе может быть достаточным, если клиренсы и трение управляются должным образом. Независимо от типа связи, минимизация свободной игры - или слопа - в элероне имеет важное значение
Факторы эффективности в полетных операциях
После того, как конструкция элерона будет завершена и интегрирована в самолет, его реальные характеристики должны быть оценены по всей предполагаемой оболочке полета. Несколько взаимосвязанных факторов определяют, обеспечивают ли элероны отзывчивость и стабильность, необходимые для безопасных и эффективных операций.
Ролл-авторитет и Roll-рейтинг
Власть крена относится к величине момента крена, который элероны могут производить при заданной скорости полета, в то время как скорость крена описывает, как быстро самолет может изменить свой угол наклона. Эти два параметра являются наиболее прямыми мерами эффективности элерона. Для большинства самолетов с фиксированным крылом скорость крена от 60 до 120 градусов в секунду считается адекватной для нормального маневрирования. Более высокие скорости крена желательны для маневренного самолета, используемого в гоночных или оборонных приложениях, но могут привести к колебаниям, вызванным пилотом, если система управления не настроена должным образом. На крен крена влияет область элерона, угол отклонения и момент от корня крыла. Удвоение области элерона не удваивает крена, поскольку самые внешние части крыла обычно вносят непропорционально большой вклад в крен крена из-за их большего расстояния от центральной линии самолета. Однако размещение элеронов слишком далеко от борта может увеличить изгибающие моменты на структуре крыла и усугубить неблагоприятные функции рыскания. Некоторые конструкции SUAS используют фла
Неблагоприятная йова и координация
Неблагоприятная рыскание — явление, которое происходит, когда самолёт рычит в противоположном направлении предполагаемого крена. Как описано ранее, это происходит потому, что отклоняющийся вниз элерон увеличивает подъём, но также увеличивает индуцированное сопротивление этому крылу, оттягивая нос от поворота. В то время как неблагоприятная рыскание присутствует во всех самолётах с фиксированным крылом, она часто более заметна в sUAS из-за их относительно коротких стрелок момента и меньшей инерции. Стратегии смягчения включают дифференциальный броск элерона, где отклоняющийся вверх элерон движется через больший угол, чем отклоняющийся вниз, и использование элеронов Frise, которые имеют форму передней кромки, которая выступает в воздушный поток при отклонении вверх, создавая сопротивление на нисходящем крыле для противодействия неблагоприятным рысканиям. Во многих автопилотах sUAS система управления автоматически смешивает входы элерона и руля через смеситель для достижения скоординированных поворотов. При проектировании элеронов инженеры должны
Драг, эффективность и время полета
Отклонение Эйлерона создает сопротивление, которое уменьшает отношение подъема к драже самолета и, в более широком смысле, его дальность и выносливость. В условиях круиза, где элероны обычно находятся вблизи своего нейтрального положения, перетаскивание из зазора элерона и шарнирного механизма является основной проблемой. Уплотнения разрыва, такие как ленточные полосы Майлар или формованные пластиковые вставки, могут уменьшить это паразитическое сопротивление, сглаживая воздушный поток по задней кромке крыла. При высоких углах отклонения индуцированное сопротивление от дисбаланса подъема становится доминирующим источником сопротивления. Для SUAS, работающих на ограниченной емкости батареи, каждый подсчет милливатт-часов. Инженеры должны взвешивать преимущества более крупных элеронов для улучшения обработки против штрафа за уменьшенное время полета. На практике хорошо спроектированная система элерона должна составлять не более 2% до 5% от общего сопротивления самолета в круизе, эталон, который может быть проверен с помощью вычислительной динамики жидкости или тщательного летного тестирования с мониторингом мощности.
Aileron балансировка и предотвращение флаттера
Флаттер — это деструктивное аэроупругое явление, которое может быстро уничтожить летательный аппарат, если не учитывать его на этапе проектирования. Он возникает, когда естественная частота структурного режима Эйлерона соединяется с аэродинамической частотой форсирования, приводя к дивергентным колебаниям. В СУАС флаттер, скорее всего, происходит при более высоких скоростях, особенно при порывах или при работе в порывистых условиях. Масса, балансирующая элерон при добавлении веса перед петлевой линией, сдвигает центр тяжести управляющей поверхности вперед, повышая его естественную частоту и увеличивая скорость флаттера за пределами максимальной рабочей скорости самолета. Требуемый вес баланса пропорционален массе элерона и расстоянию его центра тяжести за петлевой линией. На практике, свинцовый выстрел, встроенный в эпоксидную или вольфрамовую шпаттерну, приложенную к переднему краю элерона вблизи петли, также является распространенным решением. Структурное затвердевание самого элерона, за счет использования
Методологии тестирования и проверки
После завершения проектирования необходимо провести тщательное тестирование, чтобы подтвердить, что элероны соответствуют своим целям производительности. Сложные испытания серво- и линкеровочной системы при моделируемых аэродинамических нагрузках могут выявить проблемы с связыванием, наклоном или недостаточным крутящим моментом. Статическое нагрузочное тестирование, при котором известные веса применяются к элерону при измерении отклонения, обеспечивает прямую проверку прочности конструкции. Летные испытания остаются окончательной валидацией. Типичная программа испытаний включает оценку отклика крена на нескольких скоростях полета, измерение времени достижения определенного угла крена и оценку поведения самолета во время скоординированных и нескоординированных поворотов. Настройка автопилота для усиления стабилизации крена должна выполняться после того, как динамический ответ айлерона охарактеризован. Акселерометры или инерциальные единицы измерения (ИМУ), установленные вблизи крыльев, могут захватывать данные о вибрации высокой частоты для обнаружения начинающегося трепета до того, как он станет разрушительным. Для sUAS, работающих за пределами визуальной линии обзора, телеметрические журналы команд айлер
Новые тенденции и будущие направления
Область проектирования элерона SUAS продолжает развиваться наряду с достижениями в материалах, производстве и теории управления. Присадочные технологии производства, такие как 3D-печать, позволяют создавать сложные геометрии элерона с интегрированными структурами шарнира и оптимизированными внутренними решетчатыми узорами, которые уменьшают вес при сохранении жесткости. Приводы сплава с памятью формы исследуются в качестве альтернативы обычным сервоприводам, потенциально предлагая бесшумную работу и уменьшенное количество деталей. Распределенная электрическая тяга, где несколько небольших двигателей встроены вдоль задней кромки крыла, могут в конечном итоге размыть линию между движителем и управлением, позволяя управлять креном через дифференциальную тягу, а не аэродинамические поверхности. На данный момент, однако, обычный элерон остается доминирующим решением для управления креном в SUAS с фиксированным крылом, и понимание его конструкции и эксплуатационных соображений является важным навыком для любого, кто участвует в разработке этих самолетов. Независимо от того, разрабатываете ли вы новую платформу с нуля или оптимизируете существующую, принципы, изложенные в этой
Заключение
Айлероны — это гораздо больше, чем простые навесные закрылки на задней части крыла. В небольших беспилотных летательных системах они являются основным средством управления креном, непосредственно влияющим на маневренность, стабильность и общую эффективность миссии. Процесс проектирования предполагает целенаправленную серию компромиссов между размером, весом, материалом, приведением в действие и аэродинамической эффективностью. Производительность должна оцениваться не только с точки зрения авторитета крена, но и с точки зрения неблагоприятной рыскания, штрафа за сопротивление, полей трепета и интеграции с системами автопилота. Достижения в области производства и управления продолжают раздвигать границы возможного, но фундаментальная физика работы с элероном останется неизменной. Инженеры, которые уделят время освоению этих принципов, будут лучше оснащены для проектирования sUAS, которые летают безопасно, отвечают четко и выполняют свои миссии надежно. По мере роста индустрии беспилотников и требований к этим системам становятся более строгими, скромный элерон останется краеугольным камнем управления полетом с фиксированным крылом.