Joby Aviation Lotus VTOL - оригинальный БпЛА с вертикальным взлетом
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:
Click to viewОригинал взят у thexhs в Joby Aviation Lotus VTOL - оригинальный БпЛА с вертикальным взлетом