Сравнение сопротивления парапланерных строп разного диаметра при скоростях 25-45 км/ч.
Суть работы.Безоплеточные стропы сейчас стали широко применяться в парапланах среднего класса, предназначенных для пилотов выходного дня, т.е. основной части пилотов. Оправданно ли использование строп малого диаметра, более дорогих и менее долговечных, в таких крыльях? Почему спортивные крылья полностью перешли на тонкие безоплеточные стропы? Какой выигрыш в аэродинамическом качестве дает уменьшение диаметра строп? Чтобы разобраться в этих вопросах сначала была прочесана вся доступная литература, но почти никаких данных найти не удалось, кроме двух книг (см. список), в которых были данные только для более высоких скоростей или чисел Re. Закономерно появилась идея самостоятельно измерить сопротивления разных строп, например на вершине прибрежного склона в бризовую погоду, но при ближайшем рассмотрении выяснилось, что:
-ветер не всегда нужной силы, особенно зимой.
-в приземном слое даже на верхушке горы есть турбулентность.
-технически сложно изолировать установку для замера сопротивления строп от ветра.
Поэтому появилась необходимость все делать в помещении, используя для этого оказавшиеся под руками необходимые материалы.
Схема установки. (1)
Для измерения скорости использовался настроенный по GPS Brauniger IQ-One+ и его родная вертушка. Воздушную скорость нужной силы обеспечил мощный пылесос с плавной регулировкой тяги. Показания снимались с помощью ювелирных весов разрешением 0,01г, способных обнуляться нажатием кнопки. Ламинарность потока обеспечивалась расположением исследуемой стропы вблизи входа трубы.
Чтобы снизить скорость потока до нужного уровня (родная труба пылесоса выдает >150 км/ч), а также увеличить рабочий отрезок исследуемой стропы, на входе трубы был установлен диффузор из подходящей по диаметрам пластиковой бутылки. Вертушка была герметично вклеена в бутылку. При этом прибор был перестроен на новые показания, т.к. установка вертушки уменьшила сечение трубы. После установки датчика в трубу изменением коэффициента IQ-One+ было установлено верное показание скорости. Для согласования весов и увеличения точности измерений рамка со стропой находилась на конце рычага плечом 20:1, сделанного из 6 мм Al прутка. Чтобы вся система находилась в равновесии на другом конце был привязан соответствующий груз-противовес.
Вся конструкция удобно разместилась на двух кухонных табуретах.
На одном-весы с установленной посредине стойкой для восприятия нагрузки, и приклеенным скотчем шаблоном плеча, для точного сопряжения весов и главного шарнира, согнутого из усиленной термоклеем тонкой Al пластины. Для противовеса и шарнира на рычаге были сделаны неглубокие пропилы. На другом были укреплены с помощью малярного скотча диффузор с подсоединенной всасывающей трубой пылесоса и вертушкой, и бумажная диафрагма вокруг входа диффузора для предотвращения влияния входящего воздуха на измерительную рамку вне рабочей области. Для точной балансировки на рычаге висел п-образный грузик из латунной пластинки. Пылесос был на всю длину шланга отодвинут от рамки чтобы снизить наводки от выпускаемого им воздуха, и располагался рядом с весами и указателем скорости, образуя вместе с ними "пульт управления".
Диапазоны измерений.
Для измерения были подготовлены:
0,5 мм леска, аналог ламинированной безоплеточной стропы
0,8 мм леска, аналог ламинированной безоплеточной стропы
1,0 мм леска, аналог ламинированной безоплеточной стропы
0,56 мм плетеная леска Dyneema, аналог безоплеточной неламинированной стропы
1,0 мм оплетенная стропа
1,4 мм оплетенная стропа
1,4 мм оплетенная стропа заключенная в гладкий обтекатель шириной 10 мм
1,8 мм оплетенная стропа
2,2 мм оплетенная стропа
Измерения делались для скоростей ламинарного потока 25; 30; 33; 36; 40 и 45 км/ч.
Измерения. Стропа прикреплялась к рамке в двух точках с помощью термоклеея, потом точно устанавливался диффузор так, чтобы стропа находилась в пропиле не касаясь стенок трубы.
Балансировочным грузиком устанавливалась высота стропы в пропиле, чтобы при продувке оставался свободный ход рамки. Затем обнулялись весы, выжидалось время для успокоения колебаний, включался пылесос, последовательно устанавливались разные скорости. На каждой скорости показания весов плавали вокруг определенного значения, которое записывалось. Измерения для каждой скорости делались по нескольку раз, пылесос каждый раз выключался, при надобности подстраивалось положение рамки и обнулялись весы.
Чувствительность установки оказалась слегка избыточной т.к. можно было заметить колебания дома от перемещения соседей. Наибольшие колебания показаний начинались через 5...10 сек. после включения пылесоса, потому что воздух в комнате за это время успевал разогнаться и поток на входе становился менее стабильным. При повторении установки желательно добавить демпфер, например вертикальный тонкий стержень с поперечной пластинкой погруженной в воду или масло. Также измерения лучше проводить в большом помещении, где выходящий из пылесоса воздух не будет влиять на показания.
Условия измерения.
t=26С, давление 999 HPa, отн. влажность 80%.
Оценка точности измерений.
Точность воздушного указателя. GPS 1,5%(точность калибровки) показания прибора ~1/35км (3%). Точность длины рабочего отрезка-зависит от толщины искаженного пропилами диффузора течения, 1..2 мм на сторону ~6,5%. Эти значения дают отклонения в какую-либо одну сторону, в пределах 11 %. Разброс параметров при измерениях уменьшался количеством измерений (>3) и их усреднением. Поэтому ошибки измерений носят случайный характер. Для проверки влияния наводящихся на рамку потоков воздуха было измерено сопротивление пустой рамки. На всех скоростях оно оказалось =0, то есть меньше чувствительности прибора.
Результаты.
Усредненные результаты были помещены в таблицу Excel. Значения погонного сопротивления строп рассчитаны по известным длинам плеч рычага (20:1) и длине рабочего отрезка (55 мм). Результаты сведены в диаграмму 1.
Значения коэффициента (сопротивления погонного метра стропы) Сх были рассчитаны по обычной формуле Cx=X/(qS) с коррекцией (3) для стандартной атмосферы от текущих условий измерения, и показаны в диаграмме 2.
Для сравнения полученных результатов с упрощенным расчетом (4), основанном на данных (1), были пересчитаны сопротивления строп серийного параплана Halo (Тайран-3) 26,2 кв.м, в обычном варианте строповки, c толстыми оплетенными стропами, и в варианте с уменьшенной длиной строп и безоплеточными верхними ярусами. Длины строп по номиналам, коэффициенты сопротивления погонного метра, суммарное сопротивление строп приведенное к проекционной площади крыла, рассчитанные для скорости 45 км/ч, приведены в таблице 1.
Прикладной целью всей работы было определение расчетного прироста качества параплана Halo при переходе на безоплеточные стропы и схему стропления с уменьшенной общей длиной. Качество считалось по расчету (4), куда из таблицы 1 подставлялись средние диаметры строп для обеих схем. Кроме того был рассчитан "эквивалентный" уменьшенный средний диаметр, для исправления расхождений данных продувок и упрощенного расчета (4).
Расчет для длины строп 306 м и среднего диаметра 1,308 мм приведен в табл. 2. Это соответствует серийному крылу с самыми толстыми стропами.
Расчет для длины строп 306 м и среднего диаметра 0,887 мм приведен в табл. 3. Соответствует замене строп на безоплеточные ламинированные тех же длин, кроме нижнего яруса, и расчету сопротивления строп по упрощенному методу (4).
Расчет для длины строп 306 м и среднего диаметра 0,72 мм приведен в табл. 4. Здесь учтены отличия опытных данных от упрощенного расчета.
Расчет для длины строп 282 м и среднего диаметра 0,72 мм приведен в табл. 5. Уточненный расчет для "короткой" строповки.
Выводы.
Общие замечания по результатам.
На диаграмме 1 видно что графики более-менее пологие, что говорит о достаточной точности измерений. Волны на графиках совпадают по скорости для разных диаметров, значит это также связано с характером обтекания, т.е. это не случайные отклонения. Полученное для обычных строп погонное сопротивление в табл.1 очень точно (<0,5%) совпадает с коэффициентом, взятом из (1) и использованным в расчете (4).
Выводы по ЛТХ.
Переход на тонкие ламинированные безоплеточные стропы может дать существенный выигрыш (+0,7 ед. на 45 км/ч) в аэродинамическом качестве, при той же общей длине строп. Обтекаемая подвеска увеличивает эту разницу до 0,9 ед. Применение неламинированных безоплеточных строп дает прибавку "только" 0,6..0,8 ед. Уменьшение общей длины строп на ~8% добавляет всего около 1% качества.
Выводы для разработчиков.
Когда приходится ставить толстые стропы исходя из ресурса и условий их работы (например на учебное крыло), "летучесть" можно улучшить только снижая общую длину строп. В других случаях применение гладких сверхтонких строп даст более заметную отдачу чем уменьшение их общей длины.
Вывод по стропам с обтекателем.
На наших полетных скоростях обтекаемые стропы проигрывают обычным стропам круглого сечения. С увеличением скорости этот проигрыш уменьшается но все равно остается (диагр.1).
Как все это происходит.
На диаграмме 2 видно что леска или ламинированные стропы диаметром 0,5..0,8 мм имеют значительно меньшее сопротиление чем шероховатые стропы такого же размера. Эта разница исчезает с увеличением диаметра до 1,0..1,1 мм. С чем это связано сказать трудно, т.к. при малых числах Re обтекание бывает очень странное (2). Также на очень малых скоростях заметен провал сопротивления у строп диаметром 1,4..1,5 мм. Общая для всех диаметров зависимость-при увеличении скорости выше ~40 км/ч коэффициент сопротивления падает, причем чем больше диаметр стропы, тем сильней это заметно: на скорости 45 км/ч у строп диам.1,4 и 2,2 мм коэффициент одинаковый (общее сопротивление будет разным, т.к. к-т умножается на сечение). Перегиб графика начинается с диаметра 1,8 мм.
Литература и ссылки:
(1)Н.В.Остославский и В.М.Титов Аэродинамический расчет самолетов. ОНТИ НКТИ СССР,1938г.
(2)Шмитц Ф.В. Аэродинамика малых скоростей. М., ДОСААФ, 1963г. (1,2) http://parakub.d-n-t.ru/Lib1.zip
(3)Пересчет на стандартную атмосферу http://www.parakub.d-n-t.ru/pl_v.xls
(4)Оценка влияния изменения толщины строп на ЛТХ параплана http://www.parakub.d-n-t.ru/Kachestvo.xls
Спасибо Олегу Кушлевичу за вертушку и Сергею Тихонову ("Глюку") за весы.
Удачных полетов!
Вопросы и предложения