Skalierungsgesetze sind hier Ihr Feind.

Modellhubschrauber können mit Änderungen der Drehzahl gesteuert werden, aber bei Hubschraubern voller Größe ist die Energie erforderlich, um die Geschwindigkeit ihrer Rotoren relativ zur benötigten Energie schnell zu ändern für die Aufzugserstellung ist viel zu hoch. Im Detail:

Das Trägheitsmoment eines vergrößerten Rotors ändert sich mit der fünften Potenz der Länge. Die Masse des Rotors ändert sich mit dem Würfel der linearen Skala, und das Trägheitsmoment fügt einen weiteren Faktor hinzu, der proportional zum Quadrat der linearen Skala ist.

Ein größeres Objekt benötigt ebenfalls langsamere Änderungen, jedoch nur Zeitskalen mit der Quadratwurzel der linearen Skala. Als nächstes wird die für Geschwindigkeitsänderungen verfügbare Motorleistung mit der 3.5. Leistung der Skala * skaliert.

Dies führt immer noch zu einem Defizit von einer Leistung in der Motorleistung, die für Geschwindigkeitsänderungen verfügbar ist, wenn der Hubschrauber vergrößert wird.

Auftriebsasymmetrien im Vorwärtsflug können durch Hinzufügen eines zweiten gegenläufigen Rotors behoben werden, Skalierungsgesetze können jedoch nicht festgelegt werden. Wie Jan Hudec betont, müssen Sie denselben Trick für das Vorwärts-Rückwärts-Heben von Liften wiederholen, sodass mindestens vier Rotoren erforderlich sind, um diesen Hubschraubertyp in alle Richtungen zu steuern.

* Beweis: Der Schub muss das Gewicht überschreiten, damit der Schub mit der dritten Potenz der Waage steigt. Die Rotorscheibenfläche skaliert nur mit der zweiten Skalierungskraft, sodass eine höhere Beschleunigung durch die Rotorscheibe erforderlich ist, um mehr Auftrieb pro Rotorfläche zu erzielen. Wenn wir uns die im statischen Fall erforderliche Leistung ansehen, $$ P_ {min} = \ frac {\ eta_ {Prop}} {T_0} \ cdot \ sqrt {\ frac {\ frac {4 \ cdot T_0} {\ pi \ cdot d ^ 2} \ cdot g} {2 \ cdot \ rho}} $$ span> und füge den Skalierungsfaktor in alle skalierbaren Variablen ein, eine Potenz von 3,5 bleibt für die Mindestleistung $ P_ {min} $ span>. Dies ist mehr als die Zunahme des statischen Schubes, da der Wirkungsgrad der Rotoren mit höherer Scheibenbelastung abnimmt.

die nicht klappen oder neigen oder anders einstellen können?

Ja, Sie können eines davon entwerfen, aber Sie werden nicht viele Leute dazu bringen, es zu fliegen.

In den frühen Tagen des Hubschrauberfliegens eine beliebige Anzahl von Abstürze traten auf, bevor die Konstrukteure begannen, das Problem des unterschiedlichen Luftstroms über die sich zurückziehenden und vorrückenden Flügel im Vorwärtsflug zu erklären. Wenn Sie den Nickwinkel nicht ändern, ändert sich der Auftrieb ständig mit der Änderung der Fluggeschwindigkeit, die über das Tragflächenprofil kommt.

Ohne Tonhöhenänderung (Federung genannt) haben Sie ständig wechselnde Auftriebswerte anstelle einer stabilen "Scheibe", die den Hubschrauber steuerbar macht . Im obigen Bild hätten die Blätter auf der "roten" Seite mehr Auftrieb als auf der "blauen" Seite, so dass der Hubschrauber natürlich rollt oder sich neigt, mit einer stärkeren Rollbewegung, je schneller Sie vorwärts gehen. Das Flattern ist eine Reaktion auf die Erhöhung des Auftriebs mit fortschreitender Klinge und wird benötigt, um das gleiche Ungleichgewicht zwischen vor- und zurückziehenden Klingen zu vermeiden. (Um das richtig zu machen, sind einige ernsthafte Engineering-, Test- und Entwicklungsarbeiten erforderlich.) Es wird auch die Tatsache angesprochen, dass Sie keine perfekte Klingenbahn haben und daher jede Klinge in die Wirbel der vorhergehenden "fliegen".

Ja, die Steuerbarkeit kann sogar mit nur einem (starren) Rotor erreicht werden.

Freiheitsgrade

In einem dreidimensionalen Raum gibt es im Allgemeinen sechs Freiheitsgrade (DoF) :

1. vorwärts / rückwärts
2. links / rechts
3. hoch / runter
4. rollen
5. Tonhöhe

Bei den meisten Flugzeugen können Motordrehzahl und -geschwindigkeit als siebter DoF getrennt gesteuert werden (Propeller / Rotor mit variabler Steigung).

7. U / min
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Mehrmotorige Flugzeuge können noch mehr Freiheitsgrade haben. In Ihrem vorgeschlagenen Hubschrauberdesign kann der Pilot nur die Drehzahl des Haupt- und Heckrotors verwenden, um sieben DoF zu steuern.

Wie steuert man sieben DoF mit nur zwei Hebeln?

Es stellt sich heraus, dass Sie dies können. ' t. Zumindest nicht unabhängig. Wir müssen die Unabhängigkeit einiger von ihnen opfern.

5 DoF

Das offensichtlichste, was zu fallen ist, ist die Unabhängigkeit von horizontaler Bewegung und Haltung. Um sich horizontal zu bewegen, können wir einfach den gesamten Chopper in die gewünschte Richtung rollen / neigen und Aufwärtskraft aufbringen. Die meisten Hubschrauber der realen Welt verwenden diese Konfiguration.

4 DoF

Wenn wir nicht durch die Drehzahl der Rotorspitze, ihr Trägheitsmoment oder den nützlichen Drehzahlbereich des Motors eingeschränkt sind, können wir fallen ihre Unabhängigkeit als nächstes. Dies ist bei den meisten elektrischen RC-Hubschraubern der Fall. Quadcopter verfügen beispielsweise über vier Steuereingänge (die Leistungseinstellungen der vier Motoren) und ermöglichen somit eine unabhängige Steuerung der vier verbleibenden DoF:

3. up / down
4. roll
   der Kontrollierbarkeit.

   3 DoF

   Das nächste, was normalerweise geopfert wird, ist die Fähigkeit, koordinierte Kurven auszuführen. Viele RC-Flugzeuge mit festem Flügel haben keine Querruder und erlauben daher nur Schleuderkurven, verhalten sich aber ansonsten ziemlich gut und sind trotzdem leicht zu fliegen. Gleiches gilt für Hubschrauber, daher verzichten wir auf die zyklische Rollkontrolle.

   2 DoF

   Die Dinge werden jetzt etwas schwieriger. Wir hatten unseren Hubschrauber auf drei Steuereingaben reduziert (Hauptrotordrehzahl, Heckrotordrehzahl, zyklische Steigung) und er war immer noch ziemlich leistungsfähig und nützlich. Jetzt verlieren wir etwas Wertvolles: die Fähigkeit, die Vorwärtsgeschwindigkeit zu kontrollieren. Wir fixieren den Hauptrotor in einer leicht nach vorne gerichteten Position, sodass sich unser Hubschrauber wie ein Gyrocopter immer langsam vorwärts bewegt. Wir können nicht mehr an Ort und Stelle schweben oder schnell fliegen, und wir brauchen eine Landebahn zum Starten und Landen. Wir erreichen jedoch immer noch unser Ziel.

   1 DoF

   Dinge. Werden. Böse.

   Wenn wir unseren Heckrotor aufgeben, dreht sich der Hubschrauber mit hoher Geschwindigkeit um sich selbst. Ein menschlicher Pilot wird es nicht unter Kontrolle halten und die Passagiere werden es auch nicht genießen. Es ist jedoch immer noch möglich, ihn koordiniert zu bewegen: Jedes Mal, wenn der Hubschrauber in die gewünschte Richtung zeigt, erhöhen wir vorübergehend die Leistung, sodass er sich etwas schneller vorwärts bewegt und umgekehrt. Das Modulieren der Leistung bedeutet, dass sich der Hubschrauber heftig auf und ab bewegt, aber die durchschnittliche Leistung über eine volle Umdrehung ermöglicht es uns immer noch, seine durchschnittliche Höhe zu kontrollieren. Wie bereits erwähnt, ermöglichen Timing und Größe der Leistungsschwankungen Positionskorrekturen.

   Ein solcher Hubschrauber wurde tatsächlich von der ETH Zürich gebaut. Viel Spaß.

Es ist tatsächlich möglich. Einer der ersten Hubschrauber war der Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ 2-Hubschrauber, der mit zwei gegenläufigen, koaxialen Rotoren ausgestattet war, die feste Blätter hatten und keine Vorkehrungen für das Flattern oder die Änderung der Tonhöhe hatten:

https: / /oldmachinepress.com/2012/09/24/petroczy-karman-zurovec-pkz-2-helicopter/

Theoretisch ja, Sie könnten einen Quadcopter in voller Größe mit vier Rotoren mit fester Steigung bauen und ihn durch unabhängige Änderung der Drehzahl jedes Rotors steuern. Die jetzt in Permanentmagnet-Elektromotoren erreichbare Leistungsdichte (z. B. 25 PS in einem Motor mit 85 mm Durchmesser) lässt es möglich erscheinen, einen kleinen Ein-Mann-Quadcopter mit einem einzigen Motor / Generator zu bauen, aber ich denke nicht, dass dies ein wäre sehr nützliche Maschine. Je größer und schwerer die Rotoren sind, desto mehr Trägheit haben sie und desto ausgeprägter ist die Verzögerung des Steuerverhaltens, die sich im Vergleich zu einem herkömmlichen Hubschrauber ergeben würde.

Ja und Nein.

Ich habe noch nie ein solches Design für einen großen Hubschrauber gesehen, aber es gibt viele RC-Hubschrauber in Mikrogröße, die ein solches Schema mit einem Paar gegenläufiger Hauptrotoren und einem verwenden kleinerer Heckrotor zur Steuerung der Steigung.

Diese Art von Design funktioniert gut, ist jedoch für Spielzeug in Palmgröße schwer zu steuern, lässt sich jedoch für größere Fahrzeuge nicht gut skalieren.

Zunächst einmal bietet das Design zwar eine Gier- und Nickkontrolle, aber keine Möglichkeit zur Rollkontrolle, was den Flug - und insbesondere das Schweben - erheblich erschwert. Zweitens sind Hubschrauber mit Rotorblättern ausgestattet, die sich biegen, klappen und federn können, um Vibrationen zu dämpfen und eine ruhigere Fahrt mit geringerer Wahrscheinlichkeit von strukturellen Schäden durch Turbulenzen, falsche Handhabung usw. zu erzielen als ein festes Rotorkonzept.

Es gibt auch Probleme bei Kreuzfahrten mit Auftriebsasymmetrie über der Rotorscheibe, die unerwünschte Rollmomente erzeugen würden, die das Design nicht bewältigen könnte, wie oben erwähnt.

Bitte sehen Sie sich das japanische Produkt Gen H-4 an, das keine Pitch-Steuerung, sondern nur eine Geschwindigkeitsregelung hat - das sind zu unterschiedliche Geschwindigkeiten, um sich um das Gieren zu kümmern. Dieses einzigartige System hat nicht nur einen Heckrotor, sondern es fehlt auch der Heckausleger.

Ich denke, es ist möglich, einen solchen Hubschrauber nur mit einem festen Rotorblatt zu konstruieren. Trotzdem wird es nicht sehr gut fliegen. Und Sie werden Schwierigkeiten haben, dies zu kontrollieren. Um einen komplexeren Hubschrauber herzustellen, müssen Sie viele Dinge zählen, zum Beispiel den Trägheitsmoment.

Über den Tellerrand hinaus denken:

Wenn Sie die Rotoren nicht effektiv bremsen können, können Sie dann den Luftstrom unterbrechen, der den Auftrieb ausübt?

Wenn die Höhe des Auftriebs durch gesteuert wird Der Luftstrom Ich sehe keinen Grund, warum es nicht möglich wäre, diesen durch getrennte Strukturen über und / oder unter den Schaufeln zu stören. Durch Anheben oder Absenken dieser Störung können Sie den Auftrieb einstellen, indem Sie den Abstand zwischen der störenden Struktur und den Schaufeln selbst vergrößern / verkleinern. Sie müssten die Klingen nicht mehr selbst kippen, was die strukturelle Integrität verbessern könnte. Der Abstand der störenden Strukturen rechts und links könnte unterschieden werden, um die Vorwärts- (oder Rückwärts-) Bewegung zu kompensieren.

Leider kann ich nicht feststellen, ob dies implementiert werden kann, ohne zu riskieren, dass die Schaufeln auf die Störung treffen Strukturen oder ob es einen ausreichenden Unterschied auf den Aufzug ausüben könnte. Ich bin kein Ingenieur, aber es gibt offensichtlich andere Risiken, die zumindest abgezinst werden müssen, zumal ich nicht sicher bin, ob es möglich ist, die Interferenz kontinuierlich zu halten, da sonst die Schaufeln bei jeder Bewegung leicht gebogen werden in / aus der Störung, die auch zu Vibrationsbildung führen kann.