ИССЛЕДОВАНИЯ ПО АКТИВНОЙ БУКСИРОВКЕ СЛА
М.В.Помазанов
МГУ им.М.В.Ломоносова, Дельтаклуб МАИ,
Москва |
|
С использованием кинематической модели движения СЛА исследованы зависимости
максимальной высоты активной буксировки СЛА и количества сматываемого троса
от буксировочного усилия, аэродинамического (кинематического) качества аппарата,
скорости встречного ветра. Приводятся графики траекторий, скорости смотки троса
и скороподъемности в процессе буксировки без ветра и с ветром. Приведены формулы
для вычисления максимальной скороподъемности, предельной силы ветра.
Работа будет полезна проектировщикам и операторам лебедок, руководителям
буксировочных полетов, а также опытным и начинающим пилотам, заинтересованным
в качестве и возможностях буксировок.
Одним из наиболее эффективных способов обеспечения безмоторным СЛА начальной
высоты является активная буксировка. Которая состоит в том, что оператор, находясь
на значительном расстоянии от точки старта СЛА, с помощью активной смотки
троса, зацепленного за СЛА, обеспечивает ему подъем на определенную высоту,
где пилот самостоятельно отцепляется и уходит в планирующий полет.
Этот способ широко известен и практикуется уже более 30 лет, сначала, для
затяжки планеров, дельтапланов, затем и парапланов.
Мы оставим за пределами этой статьи обсуждение конструкторских особенностей, а
также проблем производства и эксплуатации лебедок. Хотя стоит отметить
создание и внедрение возвратного механизма для троса, впервые осуществленное в
Дельтаклубе МАИ, которое позволило значительно ускорить, удешевить и повысить
производительность буксировки.
Цель данной работы -- теоретическое исследование зависимостей параметров
буксировки, таких, как скороподъемность, высота затяжки, скорость смотки,
количество сматываемого троса от летного качества СЛА, силы тяги лебедки,
скорости встречного ветра и т.д., а также предельных параметров.
Мы надеемся, что это исследование поможет в проектировании лебедок, обеспечении
безопасной тяги, оптимизации установки и эксплуатации лебедок
в полевых условиях.
1. Основные допущения и математическая модель.
Пусть Vy - скорость СЛА относительно воздуха, направленная вдоль
приложенной к аппарату равнодействующей тяговой силы, Vx - скорость,
перпендикулярная равнодействующей силе. Предполагается постоянство отношения
Vx/Vy = k - const
которое считается близким к аэродинамическому качеству СЛА в свободном полете.
Равнодействующей тяговой силой F1 считаем векторную сумму сил
F0=m0g (m0 масса СЛА с пилотом) и силу натяжения
троса F.
|
Как известно, зависимость скорости Vy ЛА от F1 следующая:
Vy=V0(F1/F0)1/2,
где V0 - скорость снижения аппарата на режимах затяжки при
свободном планировании и весе F0.
|
Введем обозначения h - высота подъема, a -
угол между тросом и поверхностью земли, L0 - начальная длина троса,
L - текущая длина троса, b - угол между
F1 и вертикалью, Vh - скорость подъема,
Vsmot - скорость смотки троса. Положим
F=m0gf
(где f>0 безразмерный коэффициент тяги), тогда
F1 = m0gfa, где
fa =
(1+f2+2fsin(a))1/2. Уравнения
движения СЛА в фазовых координатах L, a имеют вид
|
Vsmot = -L' = Vx
cos(a + b) +
Vy
sin(a + b)
a' L =
Vx
sin(a + b) -
Vy
cos(a + b)
|
|
(1) |
где с учетом встречного ветра Vw=w V0 (w>0 - параметр
скорости ветра)
Vx = (k(fa
)1/2 - w cos(b)) V0
Vy = ((fa
)1/2 - w sin(b)) V0
Дифференциальные уравнения (1)
решаются с начальными условиями L(0) = Lo,
a(0) = 0, максимальная высота считается
достигнутой, если
Vh = Vxsin(b)
- Vycos(b) = 0
(условие отцепки) и высота подъема будет
h = L sin(a)
2. Результаты вычислений
Результаты вычислений представим в безразмерных величинах. За единицу длины
примем длину троса L0 в размотанном состоянии (расстояние от старта
до оператора), за единицу скорости "крейсерскую" скорость снижения СЛА
V0 (для парапланов 1 - 1.4 м/с), за единицу тяги - вес
m0g СЛА с пилотом.
|
Для постоянной тяги f максимальная скороподъемность достигается при минимальном
угле a и она, оказывается, не зависит от
безразмерной скорости ветра w (т.е. Vw = wV0) (рис.1)
Vh(max) = (fk-1)/(1+f2)1/4,
очевидно, СЛА можно поднять при тяге, не меньшей fmin = 1/k.
|
Под предельной скоростью ветра будем понимать скорость, при которой происходит
остановка смотки троса Vsmot=0 в (1). Вычисления дают
wmax=(f+k)/(1+f2)1/4
при a=0.
Т.е. предельная скорость ветра теоретически может превосходить горизонтальную скорость
СЛА, равную k, при небольших f, например, для k=6 наблюдается максимум при
f=0.35 равный wmax=6.17, однако, уже при f=1
wmax=5.88,
а, при f=2, wmax=5.35. Поэтому, если не стараться избегать предельных
режимов по ветру, то следует сначала тянуть слабо и дать аппарату набрать
значительный угол, затем, постепенно увеличивать тягу.
|
Зависимость максимальной высоты подъема от приложенной тяги f при отсутствии
ветра w=0 представлена на рис.2. Для различных значений летных качеств СЛА
(k=3,4,...,10). Видно, что при достаточно большой тяге f=2 с трудом удастся
поднять аппарат с k=8-9 на 50% длины троса. На рис. 3 представлена та-же
зависимость при ветре w=3.2. Здесь ситуация сильно меняется.
Во-первых, при большой тяге выше поднимаются
аппараты с меньшим качеством, особенно это видно для k=3.
|
|
Такой парадокс
объясняется тем, что данный ветер близок к предельному для СЛА с низким
качеством, поэтому они взлетают как "воздушные змеи" выше. Не следует,
также, забывать, что реальная скорость ветра при постоянном параметре w
разная для разных СЛА, для аппаратов с более высоким качеством она ниже,
т.к. меньше скорость снижения
V0. Во-вторых наличие ветра
приводит к заметному возрастанию максимальной высоты подъема (при f=2 почти
70% длины троса).
|
|
На рис.4,5 представлены зависимости длины сматываемой части троса от
приложенной буксировочной силы f при различных летных качествах СЛА.
При отсутствии ветра w=0 (рис.4) и для ветра w=3.2 (рис.5). Здесь смена
ситуации на обратную (аппараты с меньшим качеством требуют меньшей размотки
при ветре, а при отсутствии его - наоборот) аналогична как при вычислении
максимальной высоты (рис.2,3).
|
|
На рис. 6 показна зависимость максимальной высоты подъема аппарата от силы
тяги аппарата с качеством k=6 при различных скоростях встречного ветра
w=1,2,3,4. Здесь никаких парадоксов нет, по графикам можно определить предельные
высоты подъемов в процентах от длины троса для различных постоянных тяговых
усилий.
|
|
На рис. 7,8,9 представлены зависимости высоты подъема y, скорости
смотки троса
Vsmot и скороподъемности Vh СЛА от текущей горизонтальной
координаты x соответственно.
Рассматривается буксировка СЛА с k=6 для трех значений скорости ветра
w=0 (штиль), w=3.2 (средний ветер) и w=5.5 (ветер, близкий к предельному).
Оператор находится в точке x=1, y=0 и тянет аппарат с постоянной силой f=1.
Предполагается, что отцепления не происходит при Vh=0.
|
|
Видно, что зависимость скорости смотки от текущей координаты x сильно меняется
при переходе между различными значениями скорости ветра (рис.8).
При усилении ветра наблюдается более интенсивное падение скороподъемности
при увеличении текущей координаты x (рис.9), несмотря на увеличение максимальной
высоты подъема (рис.7). Это, очевидно, объясняется тем, что основной подъем
происходит непосредственно над стартом при ветре, близком к предельному.
|
Замечания.
Рассмотренная модель предполагает отсутствие бокового ветра и идеальные
действия пилота, кроме того, она не учитывает маневры СЛА вблизи поверхности
земли, где имеют место эффекты провисания и торможения троса, опасности
выведения СЛА на большие углы тангажа. Получена оценка величины провисания
троса, верная, если провисание мало,
u/L0 = mTg/(8F),
где mTg - вес троса, F - сила тяги, L0 - длина троса.
При силе тяги F=100 кгс, массе троса mT=20 кг, получается
провисание 2.5%. Т.е., учитывая расположение вблизи центра троса максимума
провисания,
получается, что эти возмущения могут присутствовать до высоты СЛА 5% L0.
|