Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej zbadali wpływ podmuchów wiatru na charakterystyki aerodynamiczne bezpilotowego statku powietrznego (BSP). Pozyskane przez nich informacje pozwolą na zmniejszenie ryzyka utraty kontroli nad platformą latającą po tym, jak natrafi ona na podmuch lub serię podmuchów.
Od początku lat 90. XX w. na pokładach samolotów pasażerskich z liczbą podróżnych powyżej 18 osób montuje się dopplerowski radar pogodowy. Urządzenie skutecznie wykrywa obszary zmiennego wiatru, który w mniej niż sekundę osiąga prędkość kilkudziesięciu kilometrów na godzinę i może spowodować katastrofę lotniczą.
„Radary pogodowe stanowią seryjne wyposażenie samolotów pasażerskich, znacznie zmniejszając ryzyko niebezpiecznych zdarzeń w lotnictwie. Niestety są zbyt drogie i zbyt duże, dlatego nie instaluje się ich w awionetkach czy szybowcach, tym bardziej w prostszych maszynach, np. bezzałogowych statkach powietrznych klasy mini BSP” – tłumaczy ppłk rez. dr inż. Michał Frant z Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT.
Mini BSP są urządzeniami o masie kilku kilogramów, a prędkość, z jaką się poruszają, dochodzi do 100 km/h. Wyposażone w kamery, dostarczają cennych informacji dla niewielkich ugrupowań wojskowych, takich jak drużyna czy pluton. Dodatkowo są proste w obsłudze. Zazwyczaj potrzebnych jest dwóch wyszkolonych żołnierzy, żeby wystartować maszynę, poprowadzić jej lot, a następnie pozyskać informacje zwiadowcze i zinterpretować je.
„Niestety mała masa mini BSP i niewielka prędkość, z jaką są w stanie się poruszać, powoduje, że urządzenia są podatne na nawet niewielkie podmuchy wiatru. Ewentualny upadek może z kolei spowodować zniszczenie drogich kamer lub innego wyposażenia obiektu, a także stanowić zagrożenie dla ludzi i mienia na ziemi. Aby zmniejszyć ryzyko utraty kontroli nad bezpilotowcem, podjęliśmy się zbadania wpływu zmiennego wiatru na charakterystyki aerodynamiczne mini BSP” – dodaje naukowiec.
Naukowcy przeprowadzili badania doświadczalne w tunelu aerodynamicznym, a następnie dokonali obliczeń numerycznych. W pierwszym etapie wyznaczono statyczne charakterystyki aerodynamiczne bezpilotowego statku powietrznego. W tym celu model BSP umieszczono w tunelu małych prędkości WAT o średnicy przestrzeni pomiarowej 1,1 m, gdzie maksymalna prędkość strumienia wiatru dochodzi do 200 km/h.
Tunel jest miejscem, w którym można wykonać doświadczenia na BSP o rzeczywistych wymiarach, a nie na modelu pomniejszonym. Platformę zawieszono w taki sposób, żeby oś podłużna pokrywała się z podłużną osią tunelu przy zerowym kącie natarcia, a oś poprzeczna statku powietrznego z osią pionową tunelu.
Doświadczalne wyznaczenie charakterystyk uwzględniających działanie podmuchów zmiennego wiatru wymagałoby o wiele większych nakładów. Po pierwsze, tunel musiałby zostać wyposażony w system symulowania podmuchów w jego przestrzeni pomiarowej. Po drugie, w pewnych warunkach poryw powietrza mógłby spowodować jednoczesne zmiany wszystkich sił i momentów aerodynamicznych, to jest m.in. siły oporu, siły nośnej i momentu pochylającego, a tunel WAT umożliwia jedynie pomiar sekwencyjny tych wielkości, czyli każdej z osobna. Z tego powodu naukowcy zdecydowali się na zastąpienie metody doświadczalnej badaniami numerycznymi, które wykonano w oparciu o Ansys Fluent – najnowocześniejszy program służący m.in. do modelowania przepływu płynów. Otrzymane wcześniej charakterystyki doświadczalne pozwoliły na walidację modelu numerycznego użytego do wyznaczenia charakterystyk aerodynamicznych z wykorzystaniem oprogramowania CFD (ang. Computational Fluid Dynamics – obliczeniowa mechanika płynów).
W badaniach wpływu zmiennego wiatru na charakterystyki aerodynamiczne przeprowadzono symulację dwóch izolowanych podmuchów, które różniły się kierunkiem, tj. kątem podniesienia i odchylenia, a także przebiegiem prędkości w czasie. Jako pierwszy przeanalizowano prosty podmuch zstępujący. W drugim przypadku naukowcy sprawdzili oddziaływanie podmuchu ukośnego – zmieniającego jednocześnie kąt natarcia i kąt ślizgu – na platformę.
„W wyniku przeprowadzonych symulacji wyznaczyliśmy zmiany wartości sił i współczynników aerodynamicznych. Zmiany te mogą spowodować przekroczenie tzw. krytycznego kąta natarcia, co z kolei wiąże się z ryzykiem gwałtownej utraty siły nośnej platformy latającej i jej upadkiem. Wyniki naszych badań mogą zostać wykorzystane w algorytmach sterowania wykorzystywanych w autopilotach podczas autonomicznych lotów aparatu bezzałogowego, a tym samym przyczynić się do zwiększania odporności BSP na podmuchy” – wyjaśnia dr inż. Frant.
Rezultaty badań zostały opublikowane w czasopiśmie „Energies” w artykule „Gust Modeling with State-of-the-Art Computational Fluid Dynamics (CFD) Software and Its Influence on the Aerodynamic Characteristics of an Unmanned Aerial Vehicle”. Współautorami artykułu są: dziekan Wydziału Mechatroniki, Uzbrojenia i Lotnictwa WAT dr hab. inż. Stanisław Kachel, prof. WAT, kierownik Zakładu Aerodynamiki i Termodynamiki WML WAT ppłk rez. dr inż. Michał Frant oraz mjr mgr inż. Wojciech Maślanka ze Szkoły Doktorskiej WAT.
Artykuł otrzymał 140 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma „Energies” (IF) to 3.2.
Paulina Arciszewska-Siek
fot. ppłk rez. Michał Frant