Авторы:И. Б. Каракая, Я. С. Козей, В. В. Сухов

 

Основной особенностью микролетательных беспилотных аппаратов (микро БпЛА) является полет на околокритических числах Рейнольдса. Этот фактор существенно влияет на выбор аэродинамического профиля. В зависимости от аэродинамической схемы и назначения микро БпЛА применяют S – образные профили, а также профили с большой кривизной и малой относительной толщиной, но они не позволяют получить при полетах на малых скоростях эффективный по
назначению аппарат.

Постановка задачи

Предлагается для повышения аэродинамических характеристик микро БпЛА использовать профили Кляйна-Фогельмана. По предположению разработчиков данный тип профилей при своей технологической простоте позволяет, по сравнению с классическими профилями, получить большое значение аэродинамического качества. Целью работы является оценка преимуществ профилей Кляйна-Фогельмана по сравнению с рядом профилей, которые нашили наибольшее применение при реализации крыла микро БпЛА.

Теоретические основы

Профилями Кляйна-Фогельмана называется семейство ступенчатых профилей, один из которых представлен на рис. 1. По сравнению склассическими профилями, в которых увеличение относительной толщины(с целью повышения коэффициента подъемной силы(Су))способствует росту профильного сопротивления(Сx), профили Кляйна-Фогельмана позволяют одновременно улучшить значения как Сx так и Сy. Этот парадокс поясняется тем, что при обтекании профиля Кляйна-Фогельмана за ступенькой образуется устойчивый вихрь, который как бы становится частью профиля. (рис. 1.)     

 

 

Рис. 1. Картина обтекания профиля Кляйна-Фогельмана (KFm-2) Поток воздуха, обтекая этот частично жесткий, частично «воздушный» профиль, создает подъемную силу. Так как на участке вихря поток воздуха трется о воздух, то лобовое сопротивление крыла с данным профилем получается заметно ниже сопротивления аналогичного крыла с обычным профилем. Таким образом, аэродинамическое качество крыла с профилем Кляйна-Фогельмана должно быть выше. 

Результаты исследования

Предварительная оценка эффективности профилей Кляйна-Фогельмана проводилась при Re = 70000 (средняя аэродинамическая хорда крыла b = 10 см, скорость полета V = 10 м/с ), что соответствует условиям полета микро БпЛА. Оценка проводилась путем сравнения аэродинамических характеристик профиля RFm-2 с широкоприменяемыми профилями RAF-33, NACA M7, NACA 69. Расчеты проводились с использованием программной среды XFOIL 5.94 (виртуальная аэродинамическая туба) xflr5            В обобщенном виде результаты представлены на рис. 2 и рис. 3.

Рис. 2. Поляра первого рода для расчетных профилей (Су(Сх))Рис. 3. Зависимость аэродинамического качества от углаатаки (K(α)) Анализируя получение результаты, можно сделать вывод, что использование профиля KFm-2 позволяет получить большее (на 10-12 единиц), по сравнению с другими профилями, аэродинамическое качество на диапазоне углов атаки от 0 до 70. Полученные данные не противоречат теоретическим основам, приведенным выше.

Выводы

Результаты работы:
Использование при создании микро БпЛА профилей Кляйна-Фогельмана, несмотря на свою технологическую простоту, могут повысить профильное аэродинамическое качество для условий горизонтального полета, по сравнению с применяемыми профилями, на 10 - 12 единиц.

Окончательный вывод по эффективности применения данного типа профилей, можно будет сделать после проведения широких исследований аэродинамических характеристик с учетом физики обтекания профиля.

Семейство профилей Кляйна-Фогельмана:

                           

Толщина профиля 7-9%. Ступенька на 40% хорды.
Низкая скорость сваливания, очень стабильный полет, неплохая подъемная сила, простота изготовления. Хороший профиль для большинства моделей, хотя немного уступает КФм-2.

Толщина 7-9%. Ступенька на 50%.
Большая подъемная сила, низкая скорость сваливания, стабильный центр давления. Очень прост в изготовлении, отлично подходит для большинства малых и среднеразмерных пенолетов (до 1,2-1,5м)      

Толщина 9-12%. Ступеньки на 50% и 75% хорды.
Более сложен в изготовлении, но обладает высокими летными характеристиками - высокой подъемной силой, низкой скоростью сваливания и механической прочностью. Отличный профиль для тяжелых моделей и планеров.

Толщина 6-9%. Ступеньки на 50% хорды.
Простой в изготовлении, быстрый и маневренный профиль обладает более высокой скоростью сваливания по сравнению с другими профилями КФм. Отличный выбор для пилотажных моделей. Очень практичен на летающих крыльях – позволяет летать на них медленно.

Ступенька на 40-50% хорды.
 Добавление ступеньки на выпукло-вогнутых профилях повышает подъемную силу и в тоже время повышает жесткость крыла. Применим на высокопланах.

Толщина 9-12%. Ступеньки на 25% и 50%.
Прост в изготовлении. Обладает хорошими летными характеристиками на низких скоростях, в тоже время быстр и маневренен. Невысокая скорость сваливания. Отлично подходит для летающих крыльев любых размеров. Хорош для «вторых» моделей, после тренера.

Авторы:И. Б. Каракая, Я. С. Козей, В. В. Сухов

Список использованной литературы

1. Шмитц Ф. В. Аэродинамика малых скоростей // Шмитц Ф. В./ – М.:
Издательство ДОСААФ, 1963. – 64 с.
2. Болонкин А. А. Теория полета летающих моделей // А. А. Болонкин/ –
М.: Издательство ДОСААФ, 1962. – 328 с.
3. Кравец А. С. Характеристики авиационных профилей // А. С. Кравец /–
М.: Государственное издательство оборонной промышленности, 1939.
– 385 с.
4. Пат. 19710025 Великобритания, МПК B64C 03/14, B64C 03/00. Airfoil
for Aircraft «Fancy Flights» / Kline R. L. Fogelman F. F.

(Великобритания) - 1343987; заявл 19.04.71; опубл. 16.01.74, Бюл. №19. – 8 с.

 

Спасибо за внимание!