بخشی از مقاله
چکیده
هواپیماهای کنترل شونده از راه دور یا پهپادها به دلیل مأموریتهایی همچون نظامی و جاسوسی و اهمیت آن، بهوفور موردبررسی قرار میگیرند. گران بودن هزینههای پروازی منجر به ساخت پرندههای کوچکتر به نام ریزپهپاد شد. برای افزایش نسبت کارایی آئرودینامیکی راههای مختلفی وجود دارد که یکی از آنها استفاده از سربالک میباشد. این وسایل علاوه برافزایش راندمان مصرف سوخت، اثر نسبت منظری را بیشتر میکنند و باعث میگردند که کارایی آئرودینامیکی بال افزایش پیدا کند. در مقاله حاضر با استفاده از پهپاد RQ170 به ساخت ریزپهپاد 30 سانتیمتری آن توسط پرینتر سهبعدی با مشخصات ایرفویل GOE344 پرداخته و با استفاده از دو سربالک دایروی ساختهشده با همین ایرفویل و ابعاد 2 و 3 سانتیمتری به دنبال بهینه کردن مشخصه ضریب پسا به روش تجربی با تونل باد مدارباز و دمشی میپردازیم. این آزمایش در پنج رینولدز 14173، 22048، 29923، 37797 و 42522 انجام گرفت و نتایج نشان داد سربالک 3 سانتیمتری از مدل دیگر آن به دلیل کاهش ضریب پسای بیشتر بهینهتر است و سپس با استفاده از این سربالک در سه سرعت 6، 9 و 27 متربرثانیه در زوایای حمله مختلف به بررسی ضریب پسا پرداختیم که نتایج نشان داد بهترین سرعت برای حالت کروز، سرعت 9 متربرثانیه با کاهش ضریب پسا 32 درصدی میباشد. همچنین نتایج حاکی از آن بود که با افزایش سرعت از 6 به 9 متربرثانیه کاهش ضریب پسا بیشتر و سپس با رسیدن سرعت به 27 متربرثانیه این کاهش کمتر دیده میشود.
کلمات کلیدی: پهپاد، ریزپهپاد، سربالک دایروی، ضریب پسا
-1 مقدمه
پهپاد یا هواپیمای بدون سرنشین به اشیا پرندهی هدایتپذیر از راه دور گفته میشود. هواپیماهای بدون سرنشین در ایرانٌ به پهپاد شهرت دارند که از حروف اول »پرنده هدایتپذیر از راه دور« گرفتهشده است. کنترل پهپاد بدون استفاده از انسان در درون آن صورت میگیرد، اگرچه ان سان نیز میتواند بهعنوان محموله در آن با شد. این و سیله پرنده از نیروهای آئرودینامیکی برای پرواز در م سیر دلخواه ا ستفاده میکند. پهپادها در حال حا ضر در برنامههای نظامی که شامل جا سو سی و حمله می شود فعالیت میکند. این هواپیماها همچنین در برنامههای غیرنظامی مانند خاموش کردن آتشسوزیها یا جایی که پرواز برای خلبان خطر دارد استفاده میشود. ریز پهپادها دسته دیگری از هواپیماهای بدون سرنشین هستند که محدودیت اندازه دارند و معمولاً خودکنترل هستند.
اندازهی این پرندهها کمتر م ساوی 15 سانتیمتر میبا شد که وزن کم و اندازه کوچک ریز پهپادها آنها را برای بعضی مأموریتها بسیار مناسب میسازد. هدف طولانیمدت، توسعهی دستگاههای پرنده باجرم کمتر از 30 گرم و طول بال نزدیک 10 سانتیمتر و پایداری آن 20 تا 30 دقیقه در سرعت بین 30 تا 65 کیلومتر بر ساعت است. در سال 1917 چارلز کترینگ، از شرکت ژنرال موتور، هواپیمای بدون سرنشین دوباله برای ارتش آمریکا طراحی کرد که مواد منفجره را با خود حمل میکرد. افزایش و رشد پهپادها ادامه داشت تا ایران در سال 2011 پهپاد RQ170 را شکار میکند تا از آن استفاده کند و فعالیتهایی برای مهندسی معکوس و تولید ریزپهپاد از آن صورت گرفته است.
گران بودن هزینههای پروازی برای انجام عملیات گوناگون علمی، متخ ص صان را به این فکر انداخت که پرندههای جدیدی در ابعاد کوچکتر و قیمت ارزانتر را به مرحله طراحی و ساخت بر سانند .جریان زیر صوت عدد ماخ زیر یک ا ست. این عدد برای ماخ های زیر 0/3 جریان تراکم ناپذیر ا ست که در آن چگالی ثابت درنظرگرفته میشود. ریز پهپادها در سرعت ماخ کمتر از 0/3 پرواز میکنند. سربالک در ابتدا برای هواپیماهای مدرن توسط دکتر ریچارد در ناسا در دههی وسط 1970 معرفی شد. در آن زمان توسط تونل باد درروی Boeing707 تست شد و نشان داد در ضریب برا بالا ضریب پسا کل کاهش میابد. بالک ابزاری است که در نوک بالهای هواپیما ا ستفاده می شود.
بالک یک سطح عمودی ا ضافی روی نوک بال ا ست که یکگو شه آن به سمت باﻻ ا ست و ممکن ا ست زاویه درونی یا بیرونی دا شته با شد و در اندازهها و شکلهای گوناگون برای کاراییهای متفاوت طراحی می شود. بالک موجب میشود جریان گردابی لبه بال بهاندازه قابلتوجهی کاهش یابد و بازده بال ثابت، بیشتر شود. بالک جریان هوای نزدیک نوک بال را اصلاح میکند و نیروی پسا را کاهش میدهد. همچنین ابزار سر بالک میتوانند خصوصیات سطوح کنترل را افزایش داده و درنتیجه ایمنی را بالا ببرند. پاناگیاتو وهمکاران[1] در سال 2014 با بررسی عددی تأثیر سربالک معمولی در مدل پهپادHCUAV م شاهده کرد سربالک 50 و 60 درجه کارایی آئرودینامیکی پهپاد بی شتر شد.
بلونیز وهمکاران[2] به برر سی مدل ریزپهپاد Yak-54 با سربالک معمولی 45 درجه پرداخت و م شاهده کرد در ت ست پرواز واقعی طول مدت پرواز کاهش یافت. دیوید دیاز وهمکاران[3] به بررسی آئرودینامیکی پهپادبا سربالک معمولی و سی شکل پرداخت که نتایج برای پهپاد بدون سربالک ضریب پ سا بین زاویه حمله -2 تا 5 درجه برابر 0/02 ا ست و در 4 درجه تغییر شیب دا شته ا ست و در حالت سر بالک ضریب پسا بین زاویه حمله -2 تا 5 درجه برابر 0/03 و در 6 درجه افزایش شیب داشته است. ویرمن وهمکاران[4] به برر سی سه مدل ایرفویل بدون سربالک، ایرفویل با سربالک معمولی ارائه شده تو سط دکتر ریچارد و سربالک دایروی یا انحنادار پرداختند.
در این تحقیق که در سال 2010 انجامشده بود آنها در ابتدا سه مدل را در تونل باد آزمایش کرده و مشاهده کردند سربالک دایروی ضریب پسا را 16 درصد بیشتر کاهش داد. در ایران در سال 2011 حسین وهمکاران[5] تحقیق تجربی با ایرفویل NACA انجام دادند که از پر پرندگان الهام گرفتهشده بود. آنها در این تحقیق کاهش 25 تا 30 درصدی در ضریب پسا و افزایش 10 تا 20 درصدی در ضریب پسا را مشاهده کردند .در سال 2001 اسمیت وهمکاران[6] به تلاش برای تحقیق در قرار دادن چندین سر بالک در بال پرداختند. بال از NACA0012 ساخته شدند. 5 بالک آلومینیومیتخت برای پیدا کردن زاویه منا سب بین آنها برای افزایش کارایی آئرودینامیکی مورد آزمایش قرار گرفت. گوردیه[7] در سال 2006 با برر سی سهبعدی و عددی سربالک در ریزپهپاد ن شان داد گردابه های نوک بال کاهشیافته ا ست.
نمونهای از برر سی زاویه واماندگی ریزپهپاد توسط دورای وهمکاران[8] انجام گرفت. آنها با استفاده از روش عددی به بررسی ریزپهپاد با سربالک پرداختند و م شاهده کردند بدون ح ضور سربالک زاویه واماندگی 38 درجه و با ح ضور سربالک این زاویه به 40 درجه ر سیده است. از تحقیقهای دیگر در مورد زاویه واماندگی میشود به گریلی وهمکاران[9] در سال 2006 اشاره کرد. آنها در سه رینولدز کار خود را ادامه دادند و نتایج نشان داد که زاویه واماندگی با کاهش طولی سربالک افزایش میابد؛ اما سربالک موردنظر به دلیل زیاد بودن ضریب پ سا و زاویه واماندگی کم برای ا ستفاده در ریز پهپادها پی شنهاد نمی شود.
در داخل ایران همچنین نوخندان وهمکاران[10] در سال 2013 با ا ستفاده از ایرفویل FX60100 به ساخت ریزپهپاد پرداخت که بتواند با ا ستفاده از سربالک کارایی آئرودینامیکی مدل را موردبررسی قرار دهند. آنها دریافتند با استفاده از سربالک معمولی روی مدل نسبت کارایی آئرودینامیکی تا 20 در صد افزایش یافت. ح سین وهمکاران[11] در سال 2006 به برر سی مدل سربالک نیم منحنی و نیم بیضی مورداستفاده توسط آرورا وهمکاران[12] پرداخت و مشاهده کرد حضور سربالک تا 28 درصد ضریب پسا را کاهش داد. تحقیقات ن شان دادند که ا ضافه کردن سربالک به پهپادها و ریز پهپادها باعث افزایش کارایی آئرودینامیکی آنها و کاهش طول مدت پرواز و کاهش ضریب پ سا می شود.
همچنین نتایج حاکی از این بود که سربالک دایروی ن سبت به مدل معمولی آن کارایی بیشتری دارد. استفاده از نیم مدل هست که باعث افزایش فضای مناسب جهت نصب وسایل آزمایش از قبیل حسگرهای فشار، لولههای مربوط و غیره میشود. استفاده از نیم مدل اثر لایهمرزی دیواره را به وجود میآورد که یک روش برای خروج مدل از لایهمرزی استفاده از پایه با ارتفاع و هم مقطع مدل است که میتواند مدل را از جو لایهمرزی دیوار تونل باد خارج نماید13]، .[14در این تحقیق ابتدا با استفاده از پهپاد RQ170 به ساخت ریزپهپاد آن به طول 30 سانتیمتری پرداخته و سپس به مطالعه ضریب آئرودینامیکی پ سا پرداخته و در انتها با طراحی سربالک منحنی سعی بر بهبود این ضریب میکنیم.
ریز پرنده موردا ستفاده در کار حا ضر دوباله ا ست و از نوع بال زیمرمن برعکس و م ستطیلی میبا شد. بال آن دارای م ساحت حدود 60 سانتیمتر مربع و نسبت منظری حدود 1 میباشد و از ایرفویل GOE344 برای ریشه آن استفادهشده است. ابتدا با استفاده از دو سربالک 2 و 3 سانتیمتری به دنبال سربالک بهینه گ شته و سپس با سربالک بهینه به دنبال بهترین زاویه حمله و بهترین سرعت از بین سرعتهای مورد آزمایش برای این ریزپهپاد میپردازیم. در هر دو سربالک، سربالک کوچکتری به طول یک سانتیمتر بهطرف پایین هم قرار دارد که در شکل - 4 - نمایان است.
-2 تجهیزات آزمایشگاهی، مدل و روابط مورداستفاده
-1-2 مشخصات کلی تونل باد
در شکل - 1 - شماتیک تونل باد مورداستفاده در این آزمایش که از نوع مدارباز دمنده است را مشاهده میکنید. میزان اغت شا شات جریان ورودی در محل ا ستقرار مدل در شرایط آزمایش کمتر از 0/1 در صد اندازهگیری شده ا ست. اتاقک آزمایش دستگاه تونل باد استفادهشده دارای طول 168، عرض 40 و ارتفاع 40 سانتیمتر میباشد. در این تونل باد میتوان به بازه سرعتی از صفرتا 30 متربرثانیه رسید.
