Как реалистично смоделировать статическую тягу винта?

Это в основном зависит от загрузки пропеллера и оборотов. Если вы не удовлетворены результатами, основанными на теории импульсного диска, то следующим шагом будет использование расчетов на основе теории элементов лопасти.

На вашем месте я бы, конечно, провел несколько тестов с известной геометрией пропеллера, масштабируя пропеллер. Один из самых простых способов сделать это — использовать QPROP от профессора Марка Дрелы из Массачусетского технологического института. Это бесплатное программное обеспечение, и, кроме того, это программа командной строки, которая очень хорошо подходит для такого рода деятельности, потому что все параметры могут быть изменены на ходу, желательно с помощью скрипта bash или python.

ХТН

Статья по оценке статической тяги на примере C-172 находится здесь . Также может представлять интерес отчет НАСА 447 о расчете статической тяги. Таблица Excel для расчета статической тяги находится здесь . Существует обсуждение SE здесь и здесь .

Формула тяги...

Where:
F     = thrust (Newton)
d     = prop dia (inch)
rpm   = rotation (per minute)
pitch = pitch (inch)
Vo    = aircraft speed (m/s)

Если вам нужна тяга в других единицах: чтобы перевести ньютоны в граммы, умножьте ньютоны на 1000/9,81. Чтобы перевести граммы в унции, умножьте граммы на 0,035274. Чтобы перевести унции в фунты, разделите унции на 16.

Примечание: уравнение жестко закодировано для плотности «стандартного дня» на уровне моря 1,225 кг/м^3.

Тяга воздушного винта не постоянна для разных скоростей полета. Уменьшение скорости притока обычно увеличивает тягу. Снижение скорости самолета до нуля приводит к еще большему увеличению тяги, но часто в этом режиме наблюдается быстрая потеря тяги. Вот почему статическая тяга винта не является такой уж страшно важной величиной для винта - картина винта, работающего в статических условиях, может быть искажена и размыта.

Пока самолет не движется, его пропеллер работает в статических условиях. Воздух не движется к пропеллеру из-за скорости полета, вместо этого пропеллер создает свой собственный приток. Воздушный винт с его хордой и распределением крутки, рассчитанным на рабочую точку в условиях полета, не очень хорошо работает в статических условиях. В отличие от более крупного винта вертолета, обтекание сравнительно небольшого винта сильно искривляется и даже может частично отрываться. Из импульсной теории гребных винтов мы узнаем, что КПД на более низких скоростях сильно зависит от силовой нагрузки (мощность на площадь диска), и это соотношение для гребного винта намного выше, чем для винта вертолета. Мы в состоянии достичь около 80-90% тяги, как предсказывает теория импульса для расчетной точки,

Статическая тяга зависит также от притока, на который влияет окружение винта (фюзеляж, боковой ветер, дорожный просвет). Измерения статической тяги можно легко выполнить, но теоретическая обработка очень сложна и возможна только с меньшей степенью достоверности, чем расчеты вблизи расчетной точки. Из-за локального разделения потока поведение винтов в статических условиях может быть очень чувствительным к настройкам угла наклона лопастей и форме аэродинамического профиля.

Чтобы получить представление о диапазоне статической тяги, были изучены несколько старых отчетов NACA и некоторые публикации из модельных журналов. Результаты объединены на следующем графике.

Источник

Источник предоставил пример расчета модели самолета, который применим к полноразмерному самолету.

У нас есть два разных винта с углом наклона лопастей 10° и 25° соответственно. Первый имеет диаметр D = 200 мм, размер второго D = 300 мм. Какой из них лучше подходит для создания модели самолета вертикального взлета и посадки? На какую тягу мы можем рассчитывать при использовании двигателя .60 мощностью 2000 Вт (при наличии подходящей коробки передач)?

На диаграмме выше мы читаем параметр статической тяги 0,32 [кг^(1/3)/м], соответственно 0,1 [кг^(1/3)/м] вокруг центра синей полосы. Для расчета тяги мы должны умножить эти значения на мощность P [Вт] и диаметр D [м] в степени 2/3. Выполнение расчета для первого гребного винта (угол лопасти 10°) дает T = 0,32*54,288 [Н] и, следовательно, статическую тягу 17,4 Н, тогда как второй, больший винт обеспечивает только 0,1*71,138 = 7,1 Н. Использование того же двигателя на вертолете с его большим ротором диаметром 1 м и малыми углами тангажа даст нам подъемную силу более 55 Н!

Этот пример показывает, что диаметр воздушного винта так же важен для статической тяги, как и в условиях полета. Но для статической тяги угол наклона лопасти также очень важен - возможно, даже важнее, чем для конструктивного момента, где редуктор может вполне соответствовать практически любому шагу винта и скорости полета.