Optimalizace zařízení pro měření horizontální rychlosti u VTOL prostředků

Abstract

Konvertoplány, konvenční letadla s možností vertikálního vzletu a přistání, vrtulníky, nebo multikoptéry jsou příkladem prostředků označovaných zkratkou VTOL. Měření horizontální vzdušné rychlosti pomocí klasické pitot-statické trubice se u VTOL prostředků potýká s problémem, spojeným se změnou úhlu podélného sklonu při dopředném horizontálním letu. Tato chyba při měření vychází z úhlu náběhu. Pokud úhel mezi podélnou osou trubice a směrem nabíhajícího proudu vzduchu dosáhne určité hodnoty, trubice není již nadále schopna přesně snímat celkový a statický tlak. Konvenční pitot-statické trubice nejsou uzpůsobeny pro přesné snímání tlaků při velkých hodnotách úhlu mezi podélnou osou trubice a směrem nabíhajícího proudu vzduchu. Aby bylo možno použít pitot-statickou trubici pro měření vzdušné rychlosti na multikoptérách, je potřeba upravit geometrii stávajícího řešení. Cílem diplomové práce je softwarově i hardwarově otestovat funkčnost zařízení pro měření horizontální rychlosti VTOL prostředků s eliminací vlivu náklonu na měření horizontální rychlosti v průběhu přímočarého letu. Práce také obsahuje analýzu a shrnutí současných řešení daného problému. Navrhnutá nová řešení problému při měření dopředné horizontální rychlosti jsou v práci porovnána, na základě CFD simulací a experimentů ve větrném tunelu, se současnými řešeními. V závěru práce se nachází diskuse výsledků měření a využitelnost navrhnutých řešení v praxi.

Convertibles, conventional vertical takeoff and landing aircraft, helicopters, or multicopters are examples of VTOL machines. Measurement of horizontal airspeed by a conventional pitot-static tube in VTOL aircraft has a problem associated with the change of the pitch angle during forward horizontal flight. The measurement error is based on the angle of attack. If the angle between the longitudinal axis of the tube and the direction of the approaching air flow reaches a certain value, the tube is no longer able to accurately sense total and static pressure. Conventional pitot-static tubes are not suitable for accurate pressure sensing at large values between the angle between the longitudinal axis of the tube and the direction of the approaching air flow. In order to be able to use a pitot-static tube to measure airspeed on multicopters, it is necessary to modify the geometry of the existing solution. The aim of this diploma thesis is to test, using software and hardware, the functionality of the device for measuring the horizontal velocity of VTOL machines with the elimination of the effect of bank on the measurement of horizontal velocity during straight flight. The thesis also contains an analysis and summary of current solutions to the problem. The proposed new solutions to the problem of measuring the forward horizontal velocity are compared with current solutions in the thesis. This comparison is based on CFD simulations and experiments in the wind tunnel. At the end of the thesis there is a discussion of measured results and the usability of the proposed solutions in practice.