Почему в самолетах на солнечных батареях не используют крылья с большей площадью поверхности

Я просматривал некоторые проекты солнечной авиации и заметил, что они, похоже, повторяют дизайн планера.

введите описание изображения здесь

Беспилотник Helios, показанный выше, представляет собой летающее крыло с большим удлинением.

введите описание изображения здесь

А солнечный импульс наверху — это хрестоматийный планер с минимальной длиной шнура и большим размахом крыла.

Я понимаю, что идея заключается в том, что крыло с большим удлинением уменьшает паразитное сопротивление за счет уменьшения площади его поверхности, однако в этом случае вам не нужна максимально возможная площадь поверхности крыла?

Этот ответ показывает, что на индуктивное сопротивление не влияет удлинение крыльев, поэтому, если мы пытаемся бороться здесь только с паразитным сопротивлением, почему бы не сохранить размах крыла таким же, но сделать его шнур длиннее?

Разве дополнительные солнечные панели, которые вы можете разместить на крыле, не компенсируют любое сопротивление трения, вызванное более длинным шнуром?

Доведя это до крайности, не могли бы вы сделать какой-нибудь прямоугольник на солнечной энергии, который имел бы ширину (размах), сравнимую с указанными выше планерами, но длину (шнур) в два раза больше размаха?

Конечно, у вас будет достаточно энергии, чтобы заставить самолет летать, так есть ли другие конструктивные соображения, которые учитываются при выборе длины шнура для этих проектов с солнечными батареями?

Вопрос, кажется, преуменьшает важность паразитического сопротивления. Корень вопроса, по-видимому, заключается в том, «почему стремление к максимальной площади поверхности для сбора солнечной энергии не приводит к тому, что конструкция самолета на солнечной энергии приводит к более низкому соотношению сторон, чем мы видим на практике».
@quietflyer да, я думаю, вы могли бы резюмировать мой вопрос как таковой, но какую роль на самом деле играет паразитическое сопротивление? Учитывая, что солнечные панели могут обеспечить ~ 1 кВт на квадратный метр, разве этого недостаточно, чтобы компенсировать дополнительное сопротивление?
Это интересный вопрос -- возьмем Solar Impulse -- они могли накопить достаточно энергии, чтобы полностью зарядить батареи после ночи медленно снижающегося планирования -- неясно, как им помогла бы большая хорда -- нагрузка на крыло была уже очень низкая и большая хорда могли иметь неприемлемые последствия в турбулентности, и, возможно, потребовалось бы больше батарей, чтобы извлечь выгоду из дополнительных элементов - в любом случае, это хороший вопрос, и я не уверен, что у меня есть конкретное предложение по улучшению здесь.
@quietflyer на самом деле ваше упоминание о батареях может объяснить это. Дело не столько в том, сколько энергии эти самолеты могут производить на полном солнце, сколько в характеристиках самолета при полете ночью на батареях. Батареи тяжелые, и я думаю, что эти проекты больше ориентированы на всестороннюю производительность, чем только на дневное время.
Мне не ясно, в чем здесь ваш главный вопрос. Хотите знать, почему ваш «летающий прямоугольник» — плохая идея? Или просто какие драйверы соотношения сторон выбраны для этих проектов? Похоже, вы понимаете роль соотношения сторон в уравнении перетаскивания, поэтому, если ваш вопрос первый, не могли бы вы отредактировать остальные?
@AEhere Я спрашиваю, почему мы никогда не видели «летающий прямоугольник» в солнечных проектах. Я включил два проекта, которые я сделал, в качестве ссылок, чтобы показать, как обычно устроена солнечная авиация, но могу удалить их, если вы считаете, что это слишком много. В комментариях выше обсуждалось, как ночные полеты могут играть роль в том, почему прямоугольники никогда не проектировались, но если у вас есть еще что-то, я хотел бы услышать это.
Мой вывод заключается в том, что летающий прямоугольник все еще должен летать как самолет, поскольку солнечные батареи не генерируют достаточно энергии для питания корабля TWR>1. Таким образом, подход тот же, что и для планеров, где размах ограничен конструктивными требованиями, а хорда ограничена необходимостью приличного удлинения. Я попытаюсь превратить это в настоящий ответ, если никто (читай: энтузиасты планеризма здесь) не опередит меня.
@AEhere Я хотел бы прочитать реальный ответ об этом. Солнечные панели производят ~ 1 кВт энергии на квадратный метр, что кажется более чем достаточным для противодействия паразитному сопротивлению и нескольким фунтам веса, которые добавят панели. Я понимаю, что вам понадобится длинный пролет, чтобы поддерживать индуктивное сопротивление в разумных пределах, но я не вижу ничего, что могло бы его остановить. Однако я признаю, что я тоже не эксперт в подсчете чисел.
«Солнечные панели производят ~ 1 кВт энергии на квадратный метр» раньше не замечали ... вы уверены? Звучит слишком оптимистично. Быстрый поиск указывает на 1 кВт в качестве входной солнечной энергии на квадратный метр на земле , после 20% или около того эффективности, которую вы, вероятно, получите, это 200 Вт на квадратный метр. Салфетка математика: 11 м 2 Моторный планер ASH 26 получит около 2,2 кВт... намного меньше 37 кВт, которые выдает его настоящий двигатель.
@AEhere Быстрый поиск в Google, и вы определенно правы. Я думал, сколько солнечной энергии попадает на квадратный метр, но солнечные панели явно не близки к 100%. Простите за это. Тем не менее, я думаю, что идея по-прежнему заслуживает внимания, так как дуэт искателей солнца заявляет о стабильном полете с мощностью 7 л.
@YAHsaves Solar Impulse 2 имеет мощность 245 Вт на квадратный метр. Но он может генерировать 50 кВт с четырьмя двигателями, чтобы поднять более 5000 фунтов. Площадь крыла составляет 269 квадратных метров. Так что смотрите на этот RB-57 как на вариант дизайна. Помните, что фактор AR добавляется только к CDo, и удлинение аккорда может принести пользу в этом случае. Но он должен достаточно хорошо скользить, чтобы пережить ночь.
@RobertDiGiovanni, насколько актуальна Канберра? Я знаю, у него большая хорда, но это совершенно другой класс и нагрузка на крыло 175 к г / м 2 его вряд ли можно сравнить с электрическими летательными аппаратами, такими как Solar Impulse, с нагрузкой на крыло ниже 10 к г / м 2 . Я более склонен думать, что у Canberra была большая корневая хорда, чтобы справиться с комбинацией ранних реактивных двигателей и тонкого аэродинамического профиля.
Это NASA R "arrrrr" B-57. Это и некоторые записи показывают, что увеличение хорды может быть жизнеспособным. РБ-57 может летать очень высоко. Это крыло. Так что мы меняем форсунки на пропеллеры и облегчаем их... дизайн все еще остается высоким. Собственно так и сделали с В-36 "полулегкий" (уменьшить вес). Жалко, что выжило только 4. У этой концепции могут быть ноги.

Ответы (3)

Во-первых, потому что солнечные панели являются довольно посредственными источниками энергии на единицу площади. Среднее значение по отрасли, найденное с помощью быстрого поиска в Google, находится в диапазоне 200–300 Вт на квадратный метр, поэтому давайте будем очень оптимистичными и возьмем более высокое значение, 300 Вт / м 2 , для раунда математики. Если вам нужны подробности, солнечное излучение на поверхности составляет около 1 к Вт / м 2 а лучший экспериментальный КПД фотоэлектрических элементов по годам представлен здесь .

Используя моторный планер ASH 26 в качестве примера, мы можем увидеть, так ли тривиальна солнечная энергия для самолета, как предлагает OP.

Предполагая, что наши панели сделаны из волшебной пыли, мы можем далее решить, что их вес пренебрежимо мал и что мы можем полностью покрыть поверхность. 11,68 м 2 площади крыла, которую имеет этот планер, и что он будет работать, как будто при нормальном падении (Солнце находится под углом 90 ° к панели) все время. Таким образом, 3,5 к Вт свободной энергии... что, к сожалению, только 9.4 % мощности, обеспечиваемой двигателем Ванкеля, используемого на реальном планере, и с которым он достигает очень скромного 4 м / с скороподъемность. Это даже не учитывая, что батареи также являются очень неэффективными источниками энергии на единицу массы по сравнению с углеводородами.


Теперь, что касается второй части запроса ОП, как насчет увеличения хорды крыла для увеличения площади? Это также случается терпеть неудачу по разным причинам. Коэффициент аэродинамического сопротивления:

С Д "=" С Д 0 + ( С л ) 2 π е А р
имеет соотношение сторон ( А р "=" б 2 С ) крыла в знаменателе второго члена, так называемого индуктивного сопротивления (поскольку оно вызвано подъемной силой, обратите внимание, что сам коэффициент подъемной силы указан в числителе).

Это уравнение быстро иллюстрирует, почему планеры имеют длинные крылья: более высокий AR обеспечивает более низкий коэффициент индуктивного сопротивления. Другой член, паразитное сопротивление, либо безразличен к хорде, либо медленно растет вместе с ней из-за перехода пограничного слоя в ламинарных конструкциях профиля.

Мы можем прийти к выводу, что для данной поверхности крыло с более высоким AR будет менее тормозным решением.

Таким образом, все нынешние попытки создать самолет на солнечных батареях пытаются увеличить площадь за счет удлинения крыльев и ограничены конструктивными ограничениями, такими как изгибающий момент в основании, который, как вы можете ясно видеть, они пытаются уменьшить, размещая двигатели в крыльях. обеспечивая некоторое облегчение за счет увеличения инерции крена.

«Диапазон 200–300 Вт»: 300 Вт на слона? Или на картошку? Или?
@JanHudec Я заслужил эту дерзость. Зафиксированный.
Спасибо, что нарисовали это на бумаге, это помогает увидеть цифры. Однако я не понял одной вещи: я упомянул в своем вопросе, что индуцированное сопротивление на самом деле не увеличивается с длиной шнура. Вы предлагаете, что ответ, на который я ссылался, неверен?
@Peter Kämpf, как правило, прав, так что слушайте его. Может быть, я смогу сделать ответ более ясным... или, может быть, я ошибаюсь и мне нужно вернуться в школу. Обратите внимание, что расчет Питера рассчитан на два крыла одинакового размаха , поэтому он может допустить, что одно из них имеет вдвое большую поверхность, чем другое. Поскольку диапазон и площадь являются обычными переменными, которые задаются внешними требованиями, такой подход имеет большой смысл. Если вы хотите сравнить два выигрыша с одинаковой площадью поверхности, все меняется.
Обратите внимание, что интенсивность солнечного света составляет около 1   к Вт м 2 , так 300   Вт м 2 составляет 30% (при перпендикулярной инсоляции; не забудьте умножить на соответствующий косинус, так как крылья должны быть примерно на одном уровне, чтобы поддерживать самолет, и поэтому панели не могут быть повернуты к солнцу), что на самом деле является довольно хорошей эффективностью. Зеленые растения IIRC управляют только около 4%.
@JanHudec, поэтому я заявил, что это нормально, и сказал, что настроен очень оптимистично. Можно было бы понятнее, но...
@AEhere, конечно. В основном я хотел указать, что панели являются посредственными источниками, потому что Sun в первую очередь не предоставляет столько, а не потому, что они будут иметь низкую эффективность.
@JanHudec Я добавил этот график, но в основном потому, что мне нравится бросать его поклонникам солнечной энергии :)
С Д 0 пропорциональна смоченной площади? Или это форм-фактор, умноженный на площадь крыла?
@Koyovis, вы правы, это фактор, результирующий паразитический вклад, который масштабируется с площадью.

Добавление хорды к существующему крылу делает следующее:

  • Увеличивает площадь крыла S
  • Уменьшает соотношение сторон A
  • Это увеличивает вес.

Эти три фактора влияют друг на друга, и их следует учитывать.

Сопротивление D дозвукового самолета с неподвижным крылом равно

(1) Д "=" С Д 1 2 р В 2 С "=" ( С Д 0 + С л 2 π А е ) 1 2 р В 2 С

Подъемная сила L = вес W (справедливое приближение при стационарном полете на малых углах):

(2) л "=" Вт "=" С л 1 2 р В 2 С => С л "=" 2 Вт р В 2 С

Подставим (2) в (1):

(3) Д "=" С Д 0 1 2 р В 2 С + 2 Вт 2 π А е р В 2 С

С:

  • S = площадь крыла
  • A = соотношение сторон = б 2 / С с б = размах крыла
  • e = коэффициент Освальда, учитывающий различия в сопротивлении профиля, распределении подъемной силы, интерференции.

Заменять А С "=" б 2 в (3):

Д "=" С Д 0 1 2 р В 2 С + 2 Вт 2 π е р В 2 б 2

Итак, теперь мы можем видеть, что делает увеличение хорды при сохранении того же промежутка.

  • Увеличивает S с увеличением хорды
  • Увеличивает вес с увеличением хорды
  • Уменьшается e с увеличением хорды
  • уменьшается С Д 0 с увеличением хорды, если к профилю крыла добавляется только хорда, а толщина остается прежней - относительная толщина уменьшается и с г уменьшается. С Д 0 остается прежним, если хорда и толщина увеличиваются пропорционально.

Три из четырех указанных выше факторов увеличивают лобовое сопротивление, а вес является квадратичным фактором, и мы надеемся компенсировать увеличение лобового сопротивления большей движущей силой. Мы увеличиваем лобовое сопротивление, вес, сложность, стоимость...

Продуманная конструкция самолета противоречила бы этому.

Простой ответ: если вы добавляете площадь, делайте это и на кончиках.
«Это уменьшает С Д 0 с возрастающей хордой" я не вижу, что из представленного уравнения, мне кажется С Д 0 это коэффициент, умноженный на С . При равном пролете увеличение хорды будет увеличиваться С и, таким образом, вклад паразитического члена.
@AEhere добавили в ответ.
@Koyovis, честно говоря, я не думал, что вы работаете с самим аэродинамическим профилем. Педант во мне хочет указать, что это может быть не общее решение: при низких р е добавление к хорде может отключить пограничный слой и увеличить сопротивление, но у меня нет под рукой цифр, чтобы утверждать, какое влияние это оказывает по сравнению с уменьшением относительной толщины.
@Koyovis Разве «S» и «вес» не будут увеличены, несмотря ни на что? Если для полета самолету требуется x количество энергии, и вам нужно больше солнечных батарей, чтобы достичь x, увеличение пролета по-прежнему будет влиять на оба этих свойства. Я не знаком с тем, как найти «е», но я думаю, что шнур меняет его достаточно, чтобы быть значительным?
@YAHsaves Вес минимизируется очень тщательно. S — основной конструктивный параметр: W/S — нагрузка на крыло, которая определяется в предварительном расчете и оптимизируется для достижения наименьшего сопротивления. Меньший вес, меньшая площадь поверхности и более высокая нагрузка на крыло — все это снижает лобовое сопротивление.
@Koyovis Итак, в основном крыло имеет ограниченную площадь поверхности, с которой можно играть. Поскольку увеличение пролета при неизменном шнуре также приведет к увеличению «S» и веса. Я предполагаю, что вы говорите, что нам действительно нужны более эффективные солнечные батареи, вместо того, чтобы просто пытаться каким-то образом увеличить площадь поверхности. Это верно?
@YAHsaves Да, площадь поверхности крыла оптимизирована для минимального сопротивления. Вся конструкция представляет собой многомерную матрицу с очень многими входами и выходами, при этом аэродинамическая оптимизация отрицательно влияет на вес конструкции, и наоборот. К сожалению, подход «просто добавь воды» не работает в авиационной технике.

Вы определенно можете добавить хорды к крыльям, но это тот же вопрос эффективности. Редко вы жертвуете аэродинамической эффективностью, чтобы нести больший вес.

Но в этом случае преимущества добавления хорды для увеличения площади поверхности имеют свои преимущества, хотя сохранение пропорций одинакового размера и простое увеличение всего крыла также может быть выбором. И давайте не будем забывать о возможности добавления площади к хвосту.

Другая возможность - увеличить размер самолета, так как вес на единицу площади поверхности увеличивается с увеличением размера. Также помогает повышение эффективности солнечных элементов и емкости аккумуляторов.

Также обратите внимание на преимущества пролетной нагрузки самолета НАСА. (немного больше веса на концах, возможно, было улучшением)

Да, я согласен, что вы можете масштабировать все, сохраняя пропорции размеров. Однако у этого есть свои проблемы: 1) более длинные пролеты труднее хранить / находить посадку для т. Д. 2) вес - это произведение объема, умноженное на 3 направления, а площадь поверхности - произведение 2 направлений. Это означает, что вес увеличивается быстрее, чем площадь поверхности. Таким образом, сохранение геометрии прежней, но увеличение масштаба станет тяжелым. Думаю, я спрашиваю, не могли бы вы компенсировать эти потенциальные негативы, используя геометрию, предложенную в моем ответе?
Более широкое крыло, безусловно, прочнее. А можно даже рассмотреть 2 крыла! Да, грузоподъемность должна соответствовать весу, поэтому возможна большая хорда и более толстая шкала. Желаемая крейсерская скорость — еще один очень важный фактор.
@YAH сохраняет дизайн, на который вы можете обратить внимание, — это RB-57 Canberra.