Les lois de mise à l'échelle sont votre ennemi ici.

Les modèles d'hélicoptères peuvent être contrôlés avec des changements de vitesse de rotation, mais pour les hélicoptères de taille normale, l'énergie nécessaire pour modifier rapidement la vitesse de leurs rotors par rapport à l'énergie nécessaire car la création d'ascenseur est beaucoup trop élevée. En détail:

Le moment d'inertie d'un rotor à grande échelle change avec la cinquième puissance de longueur. La masse du rotor change avec le cube de l'échelle linéaire, et le moment d'inertie ajoute un autre facteur proportionnel au carré de l'échelle linéaire.

Un objet plus grand nécessite également des changements plus lents, mais uniquement des échelles de temps avec la racine carrée de l'échelle linéaire. Ensuite, la puissance moteur disponible pour les changements de vitesse évoluera avec la 3,5ème puissance d'échelle *.

Cela laisse toujours un déficit d'une puissance dans la puissance moteur disponible pour les changements de vitesse lorsque l'hélicoptère est mis à l'échelle.

Les asymétries de portance en vol vers l'avant peuvent être traitées en ajoutant un second rotor contrarotatif, mais les lois d'échelle ne peuvent pas être conçues. Comme le souligne Jan Hudec, vous devez répéter la même astuce pour le changement de portance avant-arrière, donc quatre rotors seraient le minimum pour contrôler ce type d'hélicoptère dans toutes les directions.

* Preuve: La poussée doit dépasser le poids, donc la poussée augmente avec la troisième puissance de la balance. La zone du disque de rotor ne s'échelonne qu'avec la deuxième puissance d'échelle, de sorte qu'une accélération plus élevée à travers le disque de rotor est nécessaire pour créer plus de portance par zone de rotor. Si l'on regarde la puissance requise dans le cas statique $$ P_ {min} = \ frac {\ eta_ {Prop}} {T_0} \ cdot \ sqrt {\ frac {\ frac {4 \ cdot T_0} {\ pi \ cdot d ^ 2} \ cdot g} {2 \ cdot \ rho}} $$ et insérez le facteur d'échelle dans toutes les variables évolutives, il reste une puissance de 3,5 pour le puissance minimale $ P_ {min} $ . C'est plus que l'augmentation de la poussée statique car l'efficacité des rotors diminue avec une charge de disque plus élevée.

qui ne peut pas flap ou pitch ou régler autrement?

Oui, vous pouvez en concevoir un comme ça, mais vous n'obtiendrez pas beaucoup de gens pour le piloter.

Dans les premiers jours du vol en hélicoptère, un nombre quelconque de des accidents se sont produits avant que les concepteurs ne commencent à tenir compte du problème de la différence de flux d'air au-dessus des aubes reculant et avançant en vol vers l'avant. Si vous ne modifiez pas l'angle de tangage, la portance change constamment avec le changement de vitesse anémométrique venant au-dessus du profil aérodynamique.

Sans changement de hauteur (appelé mise en drapeau), vous aurez des valeurs de portance en constante évolution plutôt qu'un "disque" stable qui rend l'hélicoptère contrôlable . Dans l'image ci-dessus, les pales du côté «rouge» auraient plus de portance que du côté «bleu», de sorte que l'hélicoptère roulerait ou tanguerait naturellement, avec un mouvement de roulement plus fort, plus vous avancez rapidement. Le battement est une réaction à l'augmentation de la portance au fur et à mesure que la lame avance, et est nécessaire pour éviter ce même type de déséquilibre entre les lames qui avancent et celles qui reculent. (Faire cela correctement est un travail sérieux d'ingénierie, de test et de développement). Il aborde également le fait que vous n'avez pas une piste de lame parfaite, et ainsi vous "volerez" chaque lame dans les vortex de celle qui la précède.

Oui, la contrôlabilité peut même être obtenue avec un seul rotor (rigide).

Degrés de liberté

Dans un espace tridimensionnel, il y a généralement six degrés de liberté (DoF) :

1. avant / arrière
2. gauche / droite
3. haut / bas
4. roulis
5. pitch
6. yaw

La plupart des avions permettent de contrôler séparément le régime et la vitesse du moteur (hélice / rotor à pas variable) en tant que septième DoF.

7. rpm

Les avions multimoteurs peuvent avoir encore plus de degrés de liberté. Dans la conception de votre hélicoptère proposée, le pilote ne peut utiliser que le régime du rotor principal et du rotor de queue pour contrôler sept DoF.

Comment contrôler sept DoF avec seulement deux leviers?

Il s'avère que vous pouvez ' t. Du moins pas indépendamment. Nous devrons sacrifier l'indépendance de certains d'entre eux.

5 DoF

La chose la plus évidente à abandonner est l'indépendance du mouvement horizontal et de l'attitude. Pour se déplacer horizontalement, nous pouvons simplement faire rouler / lancer le hachoir entier dans la direction souhaitée et appliquer une puissance ascendante. La plupart des hélicoptères du monde réel utilisent cette configuration.

4 DoF

Lorsque nous ne sommes pas contraints par la vitesse de pointe du rotor, son moment d'inertie ou la plage de régime utile du moteur, nous pouvons baisser leur indépendance ensuite. C'est le cas de la plupart des hélicoptères RC électriques. Les quadricoptères, par exemple, ont quatre entrées de contrôle (les réglages de puissance des quatre moteurs) et permettent ainsi un contrôle indépendant des quatre DoF restants:

3. haut / bas
4. roll
5. pitch
6. yaw

D'autres configurations à 4 DoF, comme deux rotors coaxiaux plus le tangage et le roulis cycliques, atteignent le même niveau de contrôlabilité.

3 DoF

La prochaine chose habituellement sacrifiée est la capacité d'effectuer des virages coordonnés. De nombreux avions RC à voilure fixe n'ont pas d'ailerons et ne permettent donc que des virages en dérapage, mais se comportent assez bien autrement et restent faciles à piloter. Il en va de même pour les hélicoptères, nous abandonnons donc le contrôle du roulis cyclique.

2 DoF

Les choses deviennent un peu plus difficiles maintenant. Nous avions réduit notre hélicoptère à trois commandes (régime du rotor principal, régime du rotor de queue, pas cyclique) et il était toujours assez performant et utile. Maintenant, nous perdons quelque chose de précieux: la capacité de contrôler la vitesse d'avancement. Nous fixons le rotor principal à une position légèrement avancée, de sorte que notre hélicoptère avance lentement à tout moment, tout comme un gyrocoptère. Nous ne pouvons plus planer sur place ni voler vite, et nous avons besoin d'une piste pour décoller et atterrir. Cependant, nous atteignons toujours notre destination.

1 DoF

Les choses. Devenir. Méchant.

Lorsque nous abandonnons notre rotor de queue, l'hélicoptère commence à tourner sur lui-même à grande vitesse. Un pilote humain ne parviendra pas à le garder sous contrôle et les passagers ne l'apprécieront pas non plus. Il est cependant toujours possible de le déplacer de manière coordonnée: chaque fois que l'hélicoptère pointe dans la direction souhaitée, nous augmentons momentanément la puissance, le faisant avancer un peu plus vite, et vice versa. La puissance modulante signifie que l'hélicoptère va monter et descendre violemment, mais la puissance moyenne sur un tour complet nous permet toujours de contrôler son altitude moyenne. Comme déjà indiqué, le moment et l'ampleur des variations de puissance permettent des corrections de position.

Un tel hélicoptère a en fait été construit par l'ETH Zürich. Amusez-vous bien.

C'est en effet possible. L’un des premiers hélicoptères était l’hélicoptère Petróczy-Kármán-Žurovec PKZ 2, équipé de deux rotors coaxiaux contrarotatifs dotés de pales fixes, sans possibilité de battement ou de changement de pas:

https: / /oldmachinepress.com/2012/09/24/petroczy-karman-zurovec-pkz-2-helicopter/

En théorie, oui, vous pourriez construire un quadricoptère de taille normale avec quatre rotors à pas fixe, et le contrôler grâce à une variation indépendante du régime de chaque rotor. La densité de puissance désormais réalisable dans les moteurs électriques à aimants permanents (par exemple, 25 CV dans un moteur de 85 mm de diamètre) permet de construire un petit quadricoptère pour un seul homme avec un seul moteur / générateur, mais je ne pense pas que ce serait un machine très utile. Plus les rotors sont gros et lourds, plus ils ont d'inertie et donc plus le retard de réponse aux commandes est prononcé par rapport à un hélicoptère conventionnel.

Oui et non.

Je n'ai jamais vu une telle conception pour un grand hélicoptère, mais il existe de nombreux hélicoptères RC de taille micro qui utilisent un tel schéma utilisant une paire de rotors principaux contrarotatifs et un rotor de queue plus petit pour contrôler le pas.

Ce type de conception fonctionne bien, bien que difficile à contrôler pour les jouets de la taille d'une paume, mais ne s'adapte pas bien aux véhicules plus grands.

Tout d'abord, bien que la conception offre un contrôle de lacet et de tangage, elle n'offre pas de moyen de contrôle de roulis rendant le vol - et en particulier le vol stationnaire - beaucoup plus difficile. Deuxièmement, les hélicoptères sont conçus avec des pales de rotor qui peuvent fléchir, se battre et se plier pour amortir les vibrations et offrir une conduite plus douce avec moins de risques de dommages structurels dus à la turbulence, à une mauvaise manipulation, etc.

Il y a aussi les problèmes en croisière avec asymétrie de portance sur le disque du rotor, cela créerait des moments de roulement indésirables auxquels la conception ne pourrait pas faire face, comme mentionné ci-dessus.

S'il vous plaît voir le produit japonais Gen H-4 qui n'a pas de contrôle de pas mais seulement de contrôle de vitesse - des vitesses trop différentielles pour prendre en charge le lacet. Ce système unique a non seulement un rotor de queue, mais la poutre de queue est également absente.

Je pense qu'il est possible de concevoir un tel hélicoptère avec une pale de rotor fixe uniquement. Pourtant, il ne volera pas très bien. Et vous rencontrerez des difficultés pour le contrôler. Pour fabriquer un hélicoptère plus complexe, vous devrez compter beaucoup de choses, le moment d’inertie, par exemple.

Penser en dehors des sentiers battus:

Si vous ne pouvez pas freiner efficacement les rotors, pourriez-vous briser le flux d'air qui applique la portance?

Étant donné que la quantité de portance est contrôlée par le flux d'air Je ne vois aucune raison pour laquelle il ne serait pas possible d'interférer avec cela en utilisant des structures séparées au-dessus et / ou en dessous des pales. En augmentant ou en diminuant cette interférence, vous pouvez ajuster la quantité de levage en augmentant / réduisant la distance entre la structure interférente et les lames elles-mêmes. Vous n'avez plus besoin d'incliner les lames elles-mêmes, ce qui pourrait améliorer l'intégrité structurelle. La distance des structures interférentes à droite et à gauche pourrait être différenciée pour compenser le mouvement avant (ou arrière).

Malheureusement, je n'ai aucun moyen d'établir si cela pourrait être mis en œuvre sans risquer les lames de frapper l'interférence structures ou s'il pourrait appliquer une différence suffisante à l'ascenseur. Je ne suis pas ingénieur, mais il y aurait évidemment d'autres risques à minimiser, d'autant plus que je ne sais pas s'il serait possible de rendre l'interférence continue, sinon cela entraînerait une contrainte sur les pales car elles se plient légèrement à chaque fois qu'elles bougent. dans / hors de l'interférence, ce qui pourrait également entraîner une accumulation de vibrations.