Como a escala do tamanho do UAV afeta o alcance?

Se você comparar aeronaves geometricamente semelhantes, a maior terá mais alcance.

Primeiro, seu volume cresce pela terceira potência, enquanto as áreas crescem apenas com o quadrado de sua escada, portanto, o carregamento das asas será maior para as aeronaves maiores. Isso se traduzirá em uma velocidade de cruzeiro mais alta, porque o alcance ideal determina uma velocidade ideal para cada aeronave. Em uma aproximação de primeira ordem, uma aeronave com o dobro do tamanho voará a 1.41 vezes a velocidade de uma aeronave menor. O volume interno muito mais alto permitirá transportar muito mais combustível, mas mesmo quando a fração de combustível para os dois projetos for mantida constante, as aeronaves maiores voarão mais longe.

Se restringirmos o combustível à mesma fração da massa total, o expoente do aumento de massa estará um pouco acima do 2. Todas as superfícies crescem com um expoente de 2, mas o tensões seria maior em uma estrutura linearmente dimensionada, de modo que a estrutura da aeronave maior não precisa ser mais robusta. Um expoente entre 2.2 e 2.3 foi encontrado para representar melhor a realidade. Isso significa que dobrar as dimensões resultará em um aumento de massa por um fator de 4.76. Para voar no mesmo ponto polar, a aeronave grande precisa voar a 109% da velocidade da aeronave pequena.

Em uma análise mais detalhada, precisamos primeiro olhar para a potência instalada: se focarmos nos motores de pistão e dimensionarmos o motor da maneira como dimensionamos a aeronave, para um aumento de tamanho em um fator de dois, o deslocamento aumentará em um fator de oito enquanto a velocidade do motor diminuirá um pouco menos que um fator de dois. O motor menor terá maior perdas por atrito, térmicas, vedação e combustão, portanto, ele terá uma eficiência notavelmente mais baixa. Se olharmos apenas para os dados estatísticos, a potência aumenta um pouco menos do que linearmente com o deslocamento:

Dados estatísticos para poder sobre deslocamento. Fonte: Menon, S. e Christopher P. Cadou. "Escala de desempenho do motor de pistão em miniatura, parte 1: desempenho geral do motor". Diário de Propulsão e Potência 29.4 (2013): 774-787

Em seguida, precisamos examinar os efeitos numéricos de Reynolds. A aeronave maior voará com um número Reynolds mais alto por duas razões: Maior comprimento e maior velocidade. Juntos, uma duplicação de comprimento se traduzirá em um aumento de número de Reynolds de primeira ordem em um fator de 2.18. o o coeficiente de atrito será escalado com Re$ ^ {- 0.3} $, dobrar o comprimento de um avião reduzirá o coeficiente de atrito do avião grande para 79% do do avião pequeno. Isso não afetará apenas o arrasto total, mas também o ponto polar para o melhor alcance. Como o coeficiente de sustentação ideal é proporcional à raiz quadrada do arraste com sustentação zero, o coeficiente de sustentação ideal para o avião grande será apenas 89% do do avião de tamanho médio e a velocidade de cruzeiro será maior por um fator de 1.225. Isso significa que a pressão dinâmica é mais alta por um fator de 1.5.

Idealmente, esse cálculo precisa ser iterado, mas por enquanto eu o mantenho em uma etapa da iteração.

Essa pressão dinâmica mais alta agora precisa ser multiplicada pelo aumento na área de referência para chegar ao arrasto com levantamento zero: 1.5 vezes 4 vezes 0.79 significa que dobrar o tamanho permitirá que o arrasto com levantamento zero cresça apenas por um fator de 4.74. Como o levantamento zero e o arrasto induzido são do mesmo tamanho no ponto ideal de cruzeiro, o mesmo fator se aplica ao arrasto total. A energia necessária, no entanto, é proporcional à velocidade; portanto, dobrar o tamanho aumentará a demanda de energia por um fator de 5.78. Isso está bem abaixo do aumento de potência de um motor em escala, de modo que as aeronaves maiores precisam de um motor proporcionalmente menor e mais leve, deixando mais reservas de combustível. Ou pode aumentar o motor linearmente e carregar proporcionalmente mais combustível.

O consumo de combustível é proporcional à potência do motor, mas temos outra vantagem do motor maior: seu consumo específico de combustível será um pouco melhor:

Consumo específico de combustível por deslocamento (mesma fonte da figura acima).

Em resumo, a aeronave maior será

• cruzeiro a 122.5% da velocidade das pequenas aeronaves
• consumirá o 5.5 vezes mais combustível por tempo para um aumento de massa em um fator de 4.76. Combinado com o aumento da velocidade, isso deixa apenas uma vantagem de 5.5%.
• Se assumirmos um motor em escala com um aumento de potência por um fator de 7.27, o aumento de massa pode ser de um fator de 6, com talvez duas vezes a fração de combustível da aeronave menor e o 7 vezes o fluxo de combustível maior por vez. Isso leva em consideração que a velocidade de cruzeiro aumentará com a massa da aeronave.

Esse tempo de vôo 70% mais longo, combinado com a velocidade de cruzeiro mais alta do que o 24%, deixará as aeronaves menores na poeira.

Sendo todo o resto igual, um vão maior proporcionará uma vantagem na forma de arrasto menos induzido.

Dito isto, no mundo real não se pode aumentar arbitrariamente a amplitude sem pagar uma penalidade de peso, neste caso porque será necessário mais peso estrutural para suportar o maior momento de flexão dessa amplitude, portanto, passando de $ 200cm $ para $ 400cm $ valerá a pena não é claro sem o resto dos números.

Quanto à sua subquestão, ela ajuda a ser grande o suficiente para transportar seus sistemas de usina e armazenamento de energia, que não são dimensionados da mesma maneira que a estrutura da aeronave e, portanto, impõem um requisito inicial de projeto. Se você revisar alguns dos projetos de registros de alcance ou resistência, verá que eles têm um tema em comum: eles são construídos em torno de suas usinas de força, com pouco peso e espaço dedicados a outros sistemas.

Um fator na escala que ainda está para ser quantificado é a penalidade por arrasto da oscilação do tom. É por isso que os projetos de planadores (e pássaros) mantêm seus estabilizadores horizontais. A menos que uma aeronave possua um sensor de computador muito sofisticado (eles sempre funcionam perfeitamente, certo?) E um sistema de controle, a punhalada H continua sendo uma parte vital do controle de pitch.

A massa também desempenha um papel na minimização das oscilações de pitch causadas pela turbulência do vento. Mais pesado significa aceleração mais lenta a = F / m em resposta a uma rajada. Semelhante ao maior conforto de dirigir um caminhão muito pesado por uma estrada esburacada em comparação com um carro leve. O aumento da proporção massa / superfície da aeronave maior atua como um amortecedor mais eficiente dos efeitos do vento.

Esses fatores, juntamente com a redução de arrasto de Reynolds que Peter mencionou, funcionam a favor de aeronaves maiores.

Mas não pare na comparação de escala de 200 a 400 cm. Leve-o até o Convair B-36. Antes de o reabastecimento aéreo se tornar prático e comum, esses gigantes intercontinentais eram incomparáveis ​​em alcance e resistência.

A resistência e o alcance de uma aeronave não têm nada a ver com tamanho físico, mas com desempenho, consumo de combustível e capacidade de combustível (assumindo ventos calmos). Um problema ao supor que a ampliação oferecerá mais alcance é que você também precisa obter motores maiores como parte do upscaling, e o consumo de combustível adicional pode negar qualquer outra vantagem da balança, como tanques de combustível maiores.