Основы и принципы полета

Аэродинамика — наука о движении воздуха и о механическом взаимодействии между воздушным потоком и обтекаемыми телами. Основная задача, решаемая аэродинамикой, состоит в определении сил и моментов, действующих на летательный аппарат и его части в тех или иных условиях полета.

Крыло в авиационной технике — несущая поверхность, имеющая профилированную форму в сечении по направлению потока и предназначенная для создания аэродинамической подъёмной силы.
В полете крыло подвергается влиянию многих сил, обусловленных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление).

Сила тяжести остается постоянной и включает в себя вес аппарата и силу притяжения.
Подъёмная сила противодействует силе тяжести и варьируется в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперёд.
Сила тяги винта противодействует силе сопротивления воздуха (лобовое сопротивление).
Сила сопротивления воздуха (лобовое сопротивление) —возникает вследствие разности давлений впереди и за крылом, а также вследствие трения воздуха в ПС крыла. Направлена параллельно набегающему потоку (против полета).

При прямом и горизонтальном полёте силы взаимно уравновешивают друг друга

ЛА будет изменять свою траекторию полёта в сторону преобладающей силы, если равновесие сил не соблюдается.

При любом изменении любой из сил характер полёта изменяется, что приводит к изменению курса направление ЛА. Например, если изменяется подъёмная сила, результатом будет подъём ЛА вверх. Уменьшение подъёмной силы и относительном увеличении силы тяжести приводят к потере высоты и снижению летательного аппарата.

ПОДЪЁМНАЯ СИЛА

Природа возникновения подъёмной силы.

Представлена упрощенная схема обтекания плоской пластинки, поставленной под углом 90° к направлению потока. При таком расположении тела никакой подъёмной силы не возникает. (Рис. а)

Повышение давления воздуха впереди пластинки и разрежение позади нее приводят к тому, что струйки воздуха с силой устремляются в разреженное пространство, закручиваются и образуют сзади пластинки завихрения, которые видны на представленном спектре.

Поставив пластинку под острым углом к потоку под пластинкой давление повышается, а над ней, вследствие срыва струй, получается разрежение воздуха, т.е. давление понижается. Благодаря образующейся разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, т.е. назад и вверх.(Рис. б)

Отклонения аэродинамической силы от вертикали зависит от угла, под которым пластинка поставлена к потоку.

Этот угол получил название угла атаки.

Подъёмная сила также возникает благодаря несимметричному профилю поперечного сечения крыла, который чаще всего имеет более выпуклую верхнюю часть.

Крыло, перемещаясь, рассекает воздух. Одна часть встречного потока воздуха пройдёт под крылом, другая — над ним. За счёт выпуклости верхней части крыла, верхние струйки воздуха проходят больший путь в сравнении с нижними. Однако количество воздуха, набегающего на крыло — всегда одинаково, значит верхние струйки должны двигаться быстрее.

В соответствии с законом Бернулли, если скорость воздушного потока под крылом меньше, чем над крылом, то давление под крылом, наоборот, будет больше, чем над ним.

Эта разность давлений и создает аэродинамическую силу , составляющей которой является подъёмная сила.

Подъемная сила крыла тем больше, чем больше:

кривизна профиля (его несущие свойства);
угол атаки;
(угол атаки должен быть меньше некоторого критического значения, при превышении которого подъемная сила падает)
площадь крыла;
плотность воздуха;
скорость полета.
(от скорости подъемная сила зависит в квадрате)

Сила лобового сопротивления

Развивая подъемную силу, крыло всегда испытывает и лобовое сопротивление.
Сила лобового сопротивления направлена по потоку прямо против движения и тормозит его. Подъемная сила всегда перпендикулярна набегающему потоку.
Точку приложения полной аэродинамической силы называют центром давления крыла (ЦД).

Подъемная сила летательного аппарата, уравновешивая его вес, дает возможность осуществлять полет, лобовое же сопротивление тормозит его движение. Отсюда ясно, что крылу надо придать такую форму, чтобы оно развивало как можно большее значение подъемной силы и, в то же время давало малое лобовое сопротивление.

КЛАССИФИКАЦИЯ БпЛА ПО КОНСТРУКЦИИ

Различают следящие типы БпЛА, отличающихся конструкцией и принципом работы, взлета/ посадки и назначения.

Мультироторные БпЛА

БпЛА Вертолетного типа

БпЛА Самолетного типа

Беспилотные конвертопланы и гибридные модели

БпЛА Аэростатического типа

АЭРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОПЕЛЛЕРА

Лопасти воздушного винта имеют аэродинамический профиль, при его вращении в воздушной среде возникает похожая картина, как и при движении крыла.

Воздушный винт при своем вращении захватывает и отбрасывает некоторую массу воздуха. Эта масса толкает винт вместе с летательным аппаратом в сторону, сопротивляясь отбрасыванию.

Мультироторные устройства держатся в воздухе, управляются и перемещаются только за счет несущих пропеллеров.

Классический квадрокоптер представляет собой крестообразную раму с 4 моторами закреплёнными на концах лучей. Моторы с воздушными винтами, расположенные на лучах рамы, создают суммарную вертикальную тягу.

Синхронно регулируя обороты моторов, можно заставить квадрокоптер подниматься вверх, зависать или опускаться.

Например, при увеличении оборотов двух задних моторов его задняя часть приподнимется и квадрокоптер полетит вперед. При этом очевидно, что при наклоне рамы за счет появления горизонтальной составляющей вектора тяги Vx уменьшится вертикальная составляющая Vy и квадрокоптер начнет терять высоту.

УГЛОВЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ПО ОСЯМ

Вращающиеся винты создают реактивный крутящий момент, который старается развернуть квадрокоптер в сторону, противоположную вращению винта.

Поэтому в квадрокоптере два винта вращаются по часовой стрелке и два против часовой стрелки, взаимно уравновешивая реактивные моменты.

Если увеличить обороты моторов, вращающихся по часовой стрелке, и в равной мере уменьшить обороты у вращающихся против часовой стрелки, то суммарная вертикальная тяга не изменится, однако реактивный момент компенсируется и рама начнет поворачиваться против часовой стрелки.

Аналогично можно заставить квадрокоптер поворачиваться по часовой стрелке.

Throttle – общий газ, уровень газа.
Yaw (Rudder, Рыскание) – вращение в горизонтальной плоскости.
Pitch (Elevator, Тангаж) – тангаж, наклон вперёд-назад.
Roll (Aileron, Крен) – крен, наклон влево-вправо.

УГЛОВЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ПО ОСЯМ И ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ

Дополнительные команды управления БПЛА (тумблеры/кнопки/потенциометры):

АРМ/ДИЗАРМ (разблокировка моторов и запуск «холостого хода»/ остановка моторов);
Angle (режим автовыравнивания ФПВ по горизонту);
ServoTilt (сброс/управление положением камеры);
LED (светодиоды/дальнее взведение/подрыв БЧ).

Левый стик вперед (Throttle) – регулирование скорости вращения пропеллеров. При положение стика к себе (внизу) скорость вращения пропеллеров минимальная. Движение вперед‑назад — это единственное не подпружиненное движение на стиках.
ВАЖНО! Во избежание случайного Арма, необходимо держать стик в положение выше минимального!
Левый стик влево‑вправо (Yaw) - Поворот дрона влево‑вправо по горизонту (вокруг вертикальной оси). Подпружиненный, возвращается в центральное положение.
Правый стик вперёд‑назад (Pitch) — наклон вперёд‑вниз или назад‑вверх. Соответственно, это движение дрона вперед или движение дрона назад. Кратковременное движение назад позволяет производить торможение. Подпружиненный, возвращается в центральное положение.
Правый стик влево‑право (Roll) — наклон влево или вправо вокруг горизонтальной оси. Подпружиненный, возвращается в центральное положение.

До взлета нужно привести переключатель Arm/Disarm в положение Disarm (выключено), а Throttle перевести в минимальное состояние (к себе). Если этого не сделать — типичный дрон не будет даже пытаться стартовать.

УГЛОВЫЕ ОТКЛОНЕНИЯ ПО ОСЯМ И РЕЖИМЫ ПОЛЁТА

Режим Angle/Stab (режим самовыравнивания с ограничением углов крена) Дрон автоматически возвращается в горизонтальное положение, при отпускании стиков. Угол наклона ограничен настройками.
Режим Horizon/ HRZ (режим самовыравнивания без ограничения углов крена) Дрон автоматически возвращается в горизонтальное положение, при отпускании стиков. При этом углы наклона не ограничены.
Режим Acro/Air (акробатика) При таком режиме требуется ручной возврат дрона в горизонтальное положение. Угол наклона квадрокоптера при движении определяется скоростью вращения дрона вокруг оси.

ПУЛЬТ УПРАВЛЕНИЯ (ХВАТ)

ВАЖНО! Для осуществления плавных и точных движений необходимо:
- Непрерывно удерживать стики;
- Манёвры выполнять координированным движением обеих рук;
- Развивать мелкую моторику рук и концентрацию внимания.

ХВАТ. Самые распространённые 2 хвата:

Большими пальцами сверху, как на геймпадах;

Щипковым хватом, как на фото справа. Что, позволяет выполнять более точные движения.

Тренировочный начальный дрон

TinyWhoop — небольшие дроны. Не требуют регистрации в РФ. Внешне выглядят как игрушка. Хотя внутри, зачастую, и серьезная начинка (некоторые модели могут улетать на километры). Типичный TinyWhoop имеет защиту пропеллеров, то есть так называемые дакты. Это защищает дрон от повреждения.

Набор BETAFPV Aquila16 FPV Kit

Набор GEPRC TinyGO 4K FPV Whoop (RTF*)

* Ready to fly – комплект «взял и полетел», имеет готовый дрон и аппаратуру управления к нему.