Joby Aviation Lotus VTOL - оригинальный БпЛА с вертикальным взлетом

[nemez-06.livejournal.com]

Компания Joby Aviation, Санта-Круз, Калифорния по контракту с NASA разрабатывает оригинальный концепт БпЛА вертикального взлета и посадки с высокой крейсерской эффективностью. Ключевая идея состоит в использовании винтов как законцовок крыла. Изначально, идея Dos Samara из NASA (известная под названием “multifunctional reconfigurable propeller”) состояла в использовании широкохордовых однолопастных винтов, которые складываясь прижимались к крылу, продолжая его размах как законцовки. Однако использование однолопастных винтов тянуло за собой большие циклические нагрузки на шарнирный механизм из за инерции противовеса, да и сам винт имел небольшую эффективность. В компании Joby Aviation развили идею в направлении двухлопастного винта - чем почти убрали проблему циклических нагрузок. В отличии от других конструкций, с остановкой ротора. в этом концепте обе лопасти встречают поток передней кромкой в обоих режимах полета - вертикальном и горизонтальном




В вертикальном полете несущая схема трех-винтовая, два винта большого диаметра на концах крыла на режиме вертикального взлета вращаются со скоростью 35 об/сек и один малого диаметра на вершине крыла, который служит для балансировки. Задача обеспечения управляемости в вертикальном полете и переходном режиме без использования тяжелых и сложных механизмов вроде автомата перекоса - тот еще орешек. Управление по тангажу обеспечивается разными оборотами (следовательно тягой) моторов на крыле и киле, по крену разными оборотами моторов на крыле, по рысканью - дифференциальным изменением угла наклона законцовок-роторов.



Переход в горизонтальный полет начинается с поворота вперед хвостового винта, который создает тягу. На некоторое время вперед поворачиваются и винты на законцовках крыла, чтобы придать апарату поступательную скорость до возникновения подъемной силы.

В горизонтальном полете лопасти несущих винтов фиксируются, поворачиваются и реализовывают законцовку типа Split tip - расщепленное крыло, которое дает некоторое снижение индуктивного сопротивления при горизонтальном полете (по результатам ряда исследований крыло с расщепленной законцовкой при равному удлинении может иметь большую эффективность нежели эллиптическое, повсеместно принятое за эталон "наиболее эффективной формы крыла").

Особую хитрость представляет узел привода винта-законцовки. В законцовке крыла установлен бесколлекторный двигатель собственной разработки, с низким шумом, контроллер которого контролирует движение каждой лопасти как вместе (общие обороты ротора) так и друг относительно друга (поворот лопасти для фиксации). Разработать такой механизм, чтобы он был простым, надежным и легким было отдельным вызовом для команды исследователей во главе с JoeBen Bevirt, основателем фирмы Joby Aviation.



Передняя и задняя лопасти (передней и задней они становятся в горизонтальном полете, будучи зафиксированными) имеют одни и те же профиля, распределение хорд и крутку по размаху, однако установлены с разными углами поперечного V. Определение аэродинамического облика лопасти-законцовки, дабы обеспечить эффективность и как лопасти винта, и как законцовки крыла потребовало очень интересного компромиссного решения. Для расчета аэродинамики использовалась программа CD-Adapco STAR-CCM+®, в которой было прогнано десятки различных комбинаций этих переменных в крейсерской конфигурации, для определения крейсерской эффективности. Анализ режима вертикального взлета так же проводился в CFD, но только для подтверждения результата полученного иными методами низкого порядка точности.



Перед проведением летных испытаний аппарат был установлен на грузовике Ford F-150 оборудованном рамой с точными тензометрическими датчиками, которые позволяют замерять силы и моменты на аппарате, во время движения грузовика вдоль взлетной полосы - дешевая альтернатива аэродинамической трубе.





Аппарат демонстрировался на конференции Association for Unmanned Vehicle Systems International (AUVSI), Атланта, штат Джорджия. В будущем планируется разработать полноразмерный 125 килограммовый аппарат с гибридной электрической силовой установкой и длительностью полета 24 часа.



Характеристики - демонстратор
Взлетный вес - 25 кг
Полезная нагрузка - 3,2 кг
Размах крыла - 3,35 м
Продолжительность полета - 1 ч
Крейсерская скорость - 115 км/ч
Рабочая высота полета - 3000 м
Общая мощность силовой установки - 4 л.с.
Общий вес батарей - 4,5 кг

Характеристики - будущий серийный БпЛА
Взлетный вес - 125 кг
Полезная нагрузка - 27,2 кг
Размах крыла - 6,7 м
Продолжительность полета - 24 ч
Крейсерская скорость - 185 км/ч
Рабочая высота полета - 6400 м
Общая мощность силовой установки - 20 л.с.
Общий вес батарей - 11,3 кг
Запас топлива - 34 литра дизтоплива

Источники:
http://www.jobyaviation.com/lotus/
http://sustainableskies.org/9921/
http://aviationweek.com/technology/startup-gets-head-start-electric-vtol (но так как на нем доступ только через регистрацию, то текст доступен на форуме http://www.w54.biz/showthread.php?16-UAV-s-UCAV-s-and-other-such-matters/page270 )
http://electronicdesign.com/embedded/gallery-unusual-uavs-auvsi-2015#slide-1-field_images-839771
http://www.cd-adapco.com/article_ext/multifunctional-rotor-concept-quiet-and-efficient-vtol-aircraft
http://articles.sae.org/14580/

Публикации в научных журналах (для скачивания можно использовать сервис sci-hub.cc и вставить в него ссылку с DOI ниже)

A Multifunctional Rotor Concept for Quiet and Efficient VTOL Aircraft - Stoll 2013
http://dx.doi.org/10.2514/6.2013-4374
Design and Testing of the Joby Lotus Multifunctional Rotor VTOL UAV - Sinha 2015
http://dx.doi.org/10.2514/6.2015-3336

Видео:

Оригинал взят у thexhs в Joby Aviation Lotus VTOL - оригинальный БпЛА с вертикальным взлетом

Comments

[мойша_2012 ннн (from livejournal.com)]

Причина такой схемы проста:у чувака есть лишние деньги ,вот он и решил проверить ,как будет летать большая игрушка.Для большого аппарата такая схема экономически невыгодна,суммарная ометаемая площадь множества роторов намного меньше ометаемой площади одного или двух больших винтов,значит,для получения достаточной тяги надо значительно увеличить скорость отбрасываемого воздуха,но в таком случае потери в таком потоке растут пропорционально квадрату его скорости.Схема поликоптера хороша для небольшой модели,а для серьезной техники ничего лучше автомата перекоса пока не придумали.

[Виталий (from livejournal.com)]

У винтов не изменяемого шага(точнее вместе с мотором) все же есть преимущество, они намного дешевле. Если появятся аккумуляторы с емкостью в несколько раз больше - КМК пилотируемый мультиротор имеет право на существование.

[мойша_2012 ннн (from livejournal.com)]

После слова "дешевле" у вас стоит точка.Позвольте поинтересоваться,дешевле чего стоят 18 двигателей,18 винтов,18 систем управления,рама для всего этого?Какова вероятность отказа в группе из 54 дешевых систем? Кроме того,18 маленьких винтов просто молотят воздух,суммарный их кпд очень низкий,энергия аккумуляторов расходуется неэффективно.Управление по крену и тангажу изменением оборотов двигателей чисто номинальное,годится только для безветренной погоды.Короче, дело не в емкости батарей,а в том,что это дорогой неэффективный аппарат для лишения себя здоровья или жизни.

[nemez-06.livejournal.com]

Не соглашусь. Перечисленые недостатки имеют место быть но это все решаемые вопросы. Плюс перекрывающий все недостатки это качественое стабильное нахождение в воздухе. Для высотных работ рядом со стенами это ой как важно. Я недавно смотрел как ремонтирую линии ЛЭП под напряжением. Там такие машины очень будут востребованы имено за свою стабильность в полёте и разнесёную нагрузку на конкретного механика и на проводах.

[Виталий (from livejournal.com)]

цена опять же. Лопасти и автомат перекоса дорогие очень. Опять же когда моторов штук 8, можно делать на обычных индастриал подшипниках, мотроы хоть руками мотать, они дешевые. Заклинит один и хрен с ним :)

[Виталий (from livejournal.com)]

КМК - это как мне кажется. Не утверждаю а предполагаю. А Вам видимо очень хочется поспорить - так вот мне лень(и допускаю Вы правы куда больше чем я)