Rotor
Вычисление аэродинамических силы и момента винта.
Тип: SubSystem
|
Путь в библиотеке: |
Описание
Блок Rotor рассчитывает составляющие аэродинамической силы и аэродинамического момента, формируемые воздушным винтом (пропеллером). В блоке также может учитываться наклон диска винта вследствие махового движения лопастей в горизонтальном полете.
Составляющие аэродинамической силы:
где
-
— коэффициент тяги винта;
-
— плотность воздуха;
-
— радиус винта;
-
— угловая скорость вращения винта.
Составляющие аэродинамического момента:
где — коэффициент крутящего момента винта.
Если установлен флажок Compute CT and CQ, блок рассчитывает коэффициенты тяги и крутящего момента винта согласно теории элемента лопасти.
В соответствии с упрощенным методом учета концевых потерь, предложенным Прандтлем, коэффициент тяги элементарного сечения лопасти находится по формуле:
где
-
— функция, отражающая фактор падения нагрузки в концевом сечении лопасти;
-
— коэффициент протекания;
-
— относительный радиус сечения.
Показатель экспоненциальной функции, входящий в формулу , равен
где — количество лопастей, определяемое параметром Number of blades.
Согласно теории элемента лопасти коэффициент тяги элементарного сечения лопасти находится по формуле:
где
-
— коэффициент заполнения;
-
— хорда, определяемая параметром Chord, [m];
-
— радиус, определяемый параметром Radius, [m];
-
— наклон кривой подъемной силы, определяемый параметром Lift curve slope (per rad);
-
— угол установки на конце лопасти, определяемый параметром Twist distribution.
После приравнивания правых частей уравнений, полученное уравнение решается численным методом относительно . Зная коэффициент протекания, можно определить коэффициент тяги всей лопасти по интегральной формуле.
Алгоритм расчета коэффициента крутящего момента аналогичен. Коэффициент крутящего момента связан с коэффициентом тяги элементарного сечения лопасти следующей зависимостью:
Ограничения
-
В блоке не моделируются качание и циклическое движение лопастей.
-
В блоке используются идеальный и линейный законы изменения крутки лопастей, задаваемые параметром Twist distribution. При этом хорда и наклон кривой подъемной силы лопастей считаются постоянными.
Порты
Вход
#
Ωb(rad/s) —
угловая скорость винта
скаляр
Details
Угловая скорость вращения винта вокруг его оси относительно корпуса (фюзеляжа), рад/с.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
ρb(kg/m3) —
плотность воздуха
скаляр
Details
Плотность воздуха, кг/м3. Значение должно быть больше нуля.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
Vb(m/s) —
скорость винта
вектор 3 на 1
Details
Составляющие скорости винта в связанной системе координат, м/с.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
ωb(rad/s) —
угловая скорость летательного аппарата
вектор 3 на 1
Details
Составляющие угловой скорости летательного аппарата в связанной системе координат, рад/с.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
Выход
#
Fxyz(N) —
аэродинамическая сила
вектор 3 на 1
Details
Составляющие аэродинамической силы в связанной системе координат, заданные в виде вектора. Элементы вектора:
-
— продольная сила;
-
— сила тяги;
-
— боковая сила.
Измеряются в единицах силы.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
Mxyz(N-m) —
аэродинамический момент
вектор 3 на 1
Details
Составляющие аэродинамического момента в связанной системе координат, заданные в виде вектора. Элементы вектора:
-
— поперечный момент;
-
— нормальный момент;
-
— продольный момент.
Измеряются в единицах момента.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
CT —
коэффициент тяги
скаляр
Details
Коэффициент тяги.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите флажок Output computed CT and CQ.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
#
CQ —
коэффициент крутящего момента
скаляр
Details
Коэффициент крутящего момента.
Зависимости
Чтобы использовать этот порт, установите флажок Output computed CT and CQ.
| Типы данных |
|
| Поддержка комплексных чисел |
Нет |
Параметры
Main group
#
Modeling —
способ расчета силы тяги
Without flap effects | With flap effects
Details
Способ расчета силы тяги:
-
Without flap effects— без учета геометрии лопастей; -
With flap effects— с учетом геометрии лопастей и наклона диска винта в горизонтальном полете.
| Значения |
|
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
Rotor
# Number of blades — количество лопастей
Details
Число лопастей. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Compute CT and CQ — вычисление коэффициентов тяги и крутящего момента
Details
Установите этот флажок, чтобы коэффициенты тяги и крутящего момента винта рассчитывались внутри блока.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Output computed CT and CQ — вывод вычисленных коэффициентов тяги и крутящего момента
Details
Установите этот флажок, чтобы добавить новые выходные порты для вывода рассчитанных коэффициентов тяги и крутящего момента винта.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Thrust coefficient (CT) — коэффициент тяги
Details
Коэффициент тяги винта. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, снимите флажок Compute CT and CQ.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Torque coefficient (CQ) — коэффициент крутящего момента
Details
Коэффициент крутящего момента винта. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, снимите флажок Compute CT and CQ.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
Blade
# Radius, [m] — радиус
Details
Радиус винта, м. Значение должно быть больше нуля.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Chord, [m] — хорда
Details
Хорта винта, м. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Hinge offset, [m] — вынос горизонтального шарнира
Details
Расстояние от оси вращения винта до оси шарнира, обеспечивающего маховое движение лопасти. Измеряется в метрах. Значение должно быть больше или равно нулю.
Как правило, для пропеллеров значение равно нулю.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Lift curve slope (per rad) — наклон кривой подъемной силы
Details
Производная коэффициента подъемной силы по углу атаки. Значение должно быть больше нуля.
Изменение значения в зависимости от угла атаки не учитываются.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Lock number — массовая характеристика
Details
Массовая характеристика лопасти винта. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
#
Twist distribution —
закон изменения крутки
Linear | Ideal
Details
Закон изменения крутки:
-
Linear— линейный.Модель геометрической крутки лопасти описывается зависимостью .
-
Ideal— идеальный.Модель геометрической крутки лопасти описывается зависимостью .
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects.
| Значения |
|
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Blade root angle, [rad] — угол установки сечения
Details
Угол установки сечения лопасти винта , рад. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects, а для параметра Twist distribution установите значение Linear.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Blade twist angle, [rad] — угол крутки
Details
Угол крутки сечения лопасти винта , рад.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects, а для параметра Twist distribution установите значение Linear.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
# Blade tip angle, [rad] — угол установки
Details
Угол установки лопасти винта , рад. Значение должно быть больше нуля.
Зависимости
Чтобы использовать этот параметр, установите флажок Compute CT and CQ или установите для параметра Modeling значение With flap effects, а для параметра Twist distribution установите значение Ideal.
| Значение по умолчанию |
|
| Имя для программного использования |
|
| Настраиваемый |
Нет |
| Вычисляемый |
Да |
Литература
-
Pounds, P. E. I. (2007). Design, construction and control of a large quadrotor micro air vehicle (Doctoral dissertation, Australian National University).
-
Riether, F. (2016). Agile quadrotor maneuvering using tensor-decomposition-based globally optimal control and onboard visual-inertial estimation (Doctoral dissertation, Massachusetts Institute of Technology).
-
Алаян О. М. Аэродинамика и динамика полета вертолета: Учебник / О. М. Алаян, В. Ф. Ромасевич, В. С. Совгиренко; Под ред. канд. техн. наук А. М. Загордана. — М.: Воениздат, 1973. — 445 с.: ил.
-
Шайдаков В. И., Маслов А. Д. Аэродинамическое проектирование лопастей воздушного винта: Учеб. пособие. — М.: Изд-во МАИ, 1995. — 68 с.: ил.
-
Б. Н. Юрьев. Аэродинамический расчет вертолетов. Государственное издательство оборонной промышленности. Москва, 1956.