Gáti Balázs. Tömegközéppont áthelyezéssel kormányzott légijárművek repülésmechanikai vizsgálata. Tézisfüzet

Átírás

1 Gát Balázs Tömegközéppont áthelyezéssel kormányzott légjárművek repülésmechanka vzsgálata Tézsfüzet Témavezető: Dr. Gausz Tamás BME Repülőgépek és Hajók Tsz. BUDAPEST 001

2 Bevezető A motor nélkül sárkányrepülés a repülősportok egyk gen egyszerűen és könnyen elsajátítható válfaja. A legtöbb szempontból a vtorlázórepülés és a sklóernyőzés között áll. A sportot néhány lelkes ember ndította útjára a hetvenes években, akket az egyszerű szerkezetekkel való repülés megvalósítása ösztönzött. Rátaláltak a Gemn programban Francs M. Rogallo által kfejlesztett ernyő ötletére. Az ernyőt ellátták merevítő csövekkel, am jelentősen növelte a sklószámát, és testsúlyuk áthelyezésével kormányozták őket. Az ötlet gyorsan terjedt, mvel sok embert foglalkoztattak hasonló gondolatok. Amíg ötlet, kísérletező kedv és ktartás elég volt egy új típus megszületéséhez, addg a magyar gépek és plóták s gen jó hírnévre tettek szert a vlágban. Napjankra széles körben elterjedt ez a FAI által s elsmert sportrepülés forma, amely sok-sok ezer embert érnt ezért fontos foglalkozn vele. A kutatás célja A sárkányrepülők szárnya a ma napg s hajlékony, sőt rugalmas vtorlaanyagból készül. Ez azt jelent, hogy az aerodnamka tulajdonságok elmélet úton történő meghatározása gen nehéz, mvel az áramlástan egyenleteket k kell egészíten szlárdság összefüggésekkel, hogy a szárny légerők hatására létrejövő alakja meghatározható legyen. Kutatásam célja az volt, hogy módszert dolgozzak k a sárkányrepülő merevszárnyú gépekénél összetettebb aerodnamka tulajdonságanak kísérlet úton történő meghatározására olyan eszközökkel, amelyek beszerzése haza vszonyok között s megvalósítható. Az elektronka órás léptékű fejlődése mára lehetővé tette, hogy elfogadható költségek mellett olyan méretű adatgyűjtő és rögzítő rendszert lehessen előállítan, amely elfér egy sárkányrepülőn, és a plótát sem zavarja repülés közben. Így segítségével a sárkányt a plótájával együtt repülés közben lehet vzsgáln. A lehetőséget khasználva a kutatásokat ebben az rányban kezdtem el. A szélcsatornában vagy mérőautóval végzett mérésekkel ellentétben a repülés mérések alkalmasak még a dnamkus tulajdonságokban szerepet játszó nstaconer aerodnamka jellemzők meghatározására s, melyek a sárkányrepülő stabltásában nagy szerepet játszanak. A jelen munkában kfejlesztett eljárás célja ezek meghatározása. Szakrodalm áttekntés A legelső elmélet művek (pl.: [8], [9]) a sárkányrepülőt egy testnek írják le, és így vzsgálják stabltásukat, lletve kormányozhatóságukat. Kroo a [10] -ben mutatott rá először, hogy a repülésben nagy szerepe van az nstaconer légerőtényezőknek. Gudo de Mattes már részletesebb modellt használ, mert már külön tömegpontként írja le a plótát, és így vezet le a két test együttes dnamka jellemzőt a [10]-ben, a kormányozhatóságát a [1]-ban, és légkör zavarásokra adott válaszát a [11]-ben. M.. Cook az [4]-ben egy hasonló modellt ír le, de a konkrét számításokat már a [5]-ben található kísérlet eredményekre támaszkodva végz el. Ezeket a méréseket egy mérőautó segítségével végezték három különböző sárkánytípuson. A kora sárkányrepülők aerodnamka jellemzőnek meghatározására a franca ONERA ntézetben s végeztek szélcsatorna és repülés méréseket, amnek az eredményet a [3]-ban és []-ben hozták nylvánosságra. Horst Altmann az [1]-ben egy átfogó elmélet módszert mutat be, mellyel egy sárkányszárny staconer és nstaconer aerodnamka jellemzőt lehet meghatározn. Összeköt egy örvénypanel-elméleten alapuló aerodnamka számítást egy gen részletes végeselemes szlárdság modellel, melynek segítségével a szerkezet légerők hatására létrejövő deformácóját fgyelembe tudja venn. A sárkányrepülőgépek legújabb nemzedéke az ún. merevszárny. Egy lyen gép tervezéséről és gyártásáról számol be Z. M. Zan a [14]-ben. Magyar nyelven, tudományos megközelítéssel dolgozta fel a sárkányrepülőgépet érő terheléseket az a kutatócsoport, amelyet dr. Fáy Péter, dr. Gausz Tamás, Seregély László, Takáts Zsanna és dr. arga László alkotott. A munkájukról készült jelentésben [6] foglalkoznak a szárny körül felhajtóerő és nyomásoszlás számításával, lletve ez alapján a fő szerkezet elemek génybevételével. Ehhez kapcsolódva Gausz Tamás a [7]-ben ír le egy eljárást, amvel a szárnyon ébredő légerők megoszlását lehet számoln a szárny-klépőél alakjának smeretében. Seregély László és Gausz Tamás másk közös munkájukban [13] egy tovább mérés módszerről és számítás eljárásról lehet olvasn. A kutatás eszköze és az alkalmazott eljárások A dolgozat alapgondolata, hogy általánosan használt érzékelőkkel és műszerekkel mért adatokat szmulácók segítségével feldolgozva következtetn lehet összetettebb aerodnamka jellemzőkre, és így ezek kellő pontosságú megállapításához nem szükséges új berendezéseket kfejleszten. A cél elérése érdekében két párhuzamos vonalon kellett elkezden kutatásokat. Az egyk egy megfelelően pontos repülésmechanka és aerodnamka modell felállítása, a másk pedg egy mérőrendszer kfejlesztése volt. A sárkányrepülő modelljének felállításánál a merevszárnyú gépek repülésmechankájában rtkán felmerülő kéttest-probléma megoldásáról volt szó. Két egymással összekapcsolt test mozgását meghatározó egyenleteket kellett felírn, és olyan alakra hozn, amely alkalmas szmulácók végzésére. Az így felírt közönséges nemlneárs dfferencálegyenlet-rendszer a Runge-Kutta módszer segítségével megoldva már alkalmassá vált a sárkányrepülő repülésének szmulálására. 1

3 A sárkány rugalmas és hajlékony szárnyának aerodnamka tulajdonságanak leírására egy gen részletes, a szakrodalomban általánosan használt módszer került felállításra, majd vzsgálatra. Ebben a tényezők állásszögés sebességfüggését kétváltozós polnomok írják le. A modellen végzett érzékenységvzsgálat kmutatta a knduló aerodnamka modellben szereplő tényezők súlyát a szmulácókban, am az alapját képezte az aerodnamka modell sárkányrepülőre történő átalakításának. Az átalakított modellhez olyan függvényleíró algortmusok kerültek kdolgozásra, melyek lehetővé tették a méréssel meghatározott repülés jellemzők egyszerű bevtelét a modellbe. Az így felállított aerodnamka modellben már különváltak a sárkányrepülő rugalmasságától függő (C L, C m ) és a dnamkus vselkedésben szerepet játszó (C mq ) légerőtényezők a statkus paraméterektől. E tényezők kvanttatív meghatározására, azaz a paraméter dentfkácóra egy olyan eljárás került 1. ábra: Paramétertér összeállításra, amely a szmulácók és a mért eredmények összevetését a Nelder- Mead szmplex-módszerre alapozva végz. Az eljárásnak az ábrán látható paraméterérben kellett megtalálna az eredményt. A kutatás másk rányvonalának célját jelentő mérőrendszer egy adatgyűjtő és -rögzítő egységből állt össze, amelyhez különböző érzékelők csatlakoznak. A kormányerő mérésére specáls nyúlásmérőbélyeges érzékelő készült. Egy kéz távrányító alkalmassá tesz a berendezést arra, hogy a plóta saját maga kezelhesse repülés közben. E berendezés segítségével mért adatok felhasználásával sor került egy valós sárkányrepülő fent említett paraméterenek meghatározására repülés mérések alapján. Az eljárás által szolgáltatott eredmények pontosságának becslése s megtörtént. A berendezés megvalósításában a Prof. Dr.-Ing. Otto Wagner a TUM Flugmechank und Flugregelung tanszék professzora segített. A kapcsolatot a TéT alapítvány támogatta. Tézsgyűjtemény Munkám során a következő új eredményekre jutottam: 1. Szmulácós modell paraméter-érzékenység vzsgálata Előzmény: a szakrodalom alapján felállítottam egy általános aerodnamka modellt: α q q ( α, c lµ lµ α q q cd = cd 0( α, ) + cdα ( α, ) + c c l Dq( α, ) + Dq ( α, ) l l µ µ µ α q q cm = cm0 ( α, ) + cmα + c c mq + mq l l l µ µ µ L = cl0 ) + cl α + clq + cl q 1.1 A fent modell érzékenység vzsgálatával kmutattam, hogy a C mq tényezőnek kemelkedő szerepe van a sárkány dnamkus vselkedésében. 1. Az általános modellen végzett érzékenység vzsgálat alapján célszerűen kalakítottam egy alkalmazott aerodnamka modellt, amelyben a C L0 helyett a lent C Lst és C L paramétereket, a C m0 helyett pedg C mst és C m paramétereket alkalmaztam, lletve a ks súlyú tényezőket elhagytam: C m C = C L mst = C Lst + C m + C L C D = C Dst lµ st st q + Cmq lµ. ábra: Műszerek a sárkányrepülőn 3 4

4 . A sárkány deformácójának számítása Alapfeltevés: defnáltam a flexbls vonalat, amellyel a sárkány szárnyának flexbls vselkedése egyszerűen modellezhető..1 A flexbls vonal segítségével felépített becslés eljárással kmutattam, hogy a szárny deformácója matt állandó állásszög mellett növekvő sebesség esetén a negatív elcsavarás mértéke nő, ezzel csökken a teljes szárny felhajtóerő tényezője, és növekszk a szárnynyomaték tényező. A C mq értéke független ettől.. A felhajtóerő- és szárnynyomaték-tényező.1 pontban leírt változásának mértéke mndkét esetben nő az állásszög növekedésével. 3. Paramétertér Előzmény: Nagy számú szmulácó végzésével felmértem a C L, C m és C mq különböző értéke mellett a sárkányrepülő vselkedését. 3.1 A szmulácók eredményeképpen kmutattam volt, hogy a C L, C m és C mq tényezők mely értékkombnácója mellett jelentkezk a sárkányrepülő orrabukfenc -re való hajlama, amely fogalom veszélyes repülés jelenséget takar. 4.1 Az dentfkáló eljárás eredményeképpen a mérésekben résztvevő sárkány felhajtóerő tényezőjének értékét az alfa- sík mért tartományán a következő görbékkel reprezentált felület írja le: C 0.75 L C L m/s 14 m/s 16 m/s Állásszög [ ] 3. ábra: Felhajtóerő tényező 4. Az dentfkáló eljárás eredményeképpen a mérésekben résztvevő sárkány szárny-nyomaték tényezőjének értékét az alfa- mért tartományán a következő görbékkel reprezentált felület írja le: 4.3 A mérésekben résztvevő sárkány C mq tényezője a mért állászög és 3. A paramétertér felépítése és a deformácós modell alapján arra lehet következtetn, hogy a sárkány orrszöge növelhető a szárnytartó rugalmasságának fokozása mellett az orrabukfencre való hajlam növekedése nélkül m/s 14 m/s 4. Légerő-tényezők értékenek megállapítása Előzmény: sor került a kormányerő mérésére nstaconer repülésben az állásszög, a csúszásszög, a sebesség és a statkus nyomás mérése mellett. A mérés kértékelésére dentfkácós eljárást építettem föl az n α n szm, α mért, szm, mért, E = + = 1 α mért, = 1 mért, hbafüggvény és a Nelder-Mead mnmumkereső módszer alkalmazásával C m C m/s Állásszög [ ] 4. ábra: Szárny-nyomaték tényező sebesség tartományban: C mq = 1.14 (állandó) 5 6

5 5. A mérések közvetlen kértékeléséből levonható következtetések: 5.1 A staconer repülésben mért adatokból készített kormányerő-sebesség és kormányerő-állásszög dagram alapján megállapítottam, hogy a kormányerő görbében nem található - bzonyos tartományok stabltás problémára utaló - hrtelen változás se az állásszög, se a sebesség függvényében. K dervatív értéke, α am csökkenő stabltásra utal, de segít a kormányrúd leszálláskor szükséges ntenzív knyomás -át. 5. Növekvő állásszögek mellett azonban csökken a Szakrodalm tevékenység A tézsek témakörében a következő publkácóm születtek: Külföldön megjelent degen nyelvű folyóratckk: 1. Balázs Gát, Investgaton of Flght Dynamc of Hang-glder Acta Polytechnka, Journal of Advanced Engneerng Desgn (Csehország) ISSN , ol.40 No.1/000 pp.3-6, 000. január, Edtors: P. Fala, L. Smrček L. (L) Továbbá: - Angol nyelvű előadás és konferenca-kadvány a Frst Internatonal Conference of Advanced Engneerng Desgn konferencán május 31.-júnus. között Prágában - Magyar nyelvű előadás és angol nyelvű konferenca-kadvány a 1. Magyar Repüléstudomány Napok-on júnus -4. között Nyíregyházán. Magyarországon megjelent degen nyelvű folyóratckk:. Balázs Gát, Specfcaton of Aerodynamc Characterstc of a Hang-glder Based on Flght Tests Acta Technka (L E) (Elfogadó levél mellékelve) 5. ábra: Egyenletes repülésben mért jellemzők Továbbá: Elektronkus publkácó: Magyar nyelvű folyóratckk 3. Gát Balázs, Adatgyűjtő berendezés és érzékelők sárkányrepülők vzsgálatához Járművek (L) HU ISSN No. 000/10, pp

6 Elektronkus publkácók: 4. Gát Balázs, Adatgyűjtő berendezés ksrepülőgépek vzsgálatához 5. Gát Balázs, Érzékelők sárkányrepülőgépek repülésmechanka vzsgálatához Az elektronkus publkácók megtalálhatók a címen található nagy haza keresőszerver katalógusában a - Tudomány - Természettudomány - Műszak tudomány elérés útvonalon. Nem publkácóértékű munkák: Csak kvonatban megjelent konferenca-előadás: 6. Gát Balázs, Sárkányrepülő repülés-mechanka modellje és a modell dentfkácója mérések alapján III. Magyar Mechanka Konferenca, Mskolc, augusztus30. szeptember Balázs Gát, Expermental nvestgaton of Hang-glders Conference of Unconventonal Flght, Balatonfüred, 000. júnus Csak szóban elhangzott előadás 8. Gát Balázs, Sárkányrepülés-mechanka 90 perces önálló beszámoló a BME Repülőgépek és Hajók Tanszék és a GTE Repülőgépek Központ Szakosztály szervezésében Budapest, február Balázs Gát, Smulaton und Identfkaton n der Drachenflegere IIWB TU Budapest-TU München Frühlngsakademe 99, Balatonfüred, áprls 6-8. német nyelven A tézsfüzetben hvatkozott rodalmak [1] H. ALTMANN: Aeroelastoflexble Egenschaften, Stabltät und Dynamc von Hängegleter Herbert Utz erlag Wssenschaft, München 1997 [] LA BURTHE, C. Expermentel Study of the Flght Envelope and Research of Safety Requrements of Hang-Glder, ONERA T.P. No.: [3] LA BURTHE, C., WALDON, S.:Flght Safety of a Rogallo Hang Glders. ESA-TF 634, 1981 [4] COOK, M..: The theory of the longtudnal statc stablty of the hang-glder Aeronautcal Journal October 1994 p. 9 Paper No.:00 [5] COOK, M.. E.A. KILKENNY: An Expermental Investgaton of The Hang-Glder NASA IAA Conference Paper 88A1100 [6] dr. FÁY P. - dr. GAUSZ T. SEREGÉLY L. - TAKÁTS ZS. - dr. ARGA L.: Sklórepülőgépek terhelésenek elmélet és statsztka vzsgálata LRI RTK Bp [7] GAUSZ Tamás: Aerodynamc Parameter Estmaton of the CG Controlled Arplanes Paper on the 4 th Mn Conference on ehcle Dynamcs, Identfcaton and Anomales 1994 [8] KLIMKOWSKI, J., LUCJANEK, W.: Theoretcal Analyss of the Dynamc Lateral stablty of a Paraglder X. OSTI-Kongress, Räyskälä, Fnnland, 1976 [9] KROO, I.: Aerodynamcs, Aeroelastcty and Stablty of Hang Glders. Department of Aeronautcs of Stanford Unversty, 1983 [10] DE MATTEIS, Gudo: Dynamcs of Hang-Glders Journal of Gudance ol. 14, No.6, 1991 p.1145 [11] DE MATTEIS, Gudo: Hang-Glder Response to Atmospherc Inputs Journal of Gudance, ol. 15, No 4, 199 p [1] DE MATTEIS, Gudo: Response of Hang-Glder to control Aeronautcal Journal ol. 94, No p.89 [13] SEREGÉLY L. - GAUSZ T.: Sklórepülők repülésmechanka és szlárdság vzsgálata X. Magyar Repüléstudomány Napok, Szolnok, 1993 [14] Z. M. Zan: The Desgn and Fabrcaton of TOP SECRET ICAS 000 Congress Paper. Gát Balázs 9 8

7 Budapest, 001. júlus