5.4. Крыло и VTOL углублённо: SITL Plane и QuadPlane, разбег, заход по схеме, переходные режимы #

Запуск: sim_vehicle.py -v Plane (версия 4.7). Для учебного аппарата установите: AIRSPEED_MIN 10, AIRSPEED_CRUISE 15, AIRSPEED_MAX 22; TKOFF_THR_MINACC 15, TKOFF_THR_DELAY 2, TKOFF_ROTATE_SPD 12, TKOFF_ALT 30; LIM_ROLL_CD 4500, NAVL1_PERIOD 20; LAND_ANGLED_CD 700, LAND_FLARE_ALT 4, LAND_FLARE_SEC 2; RTL_AUTOLAND 2, ALT_HOLD_RTL 60. Точки схемы посадки задаются в Mission Planner командами LAND и DO_LAND_START (статьи 1.1.08, 3.2). Ветер имитируйте параметром SIM_WIND_SPD и SIM_WIND_DIR (статья 2.0, элемент 4 настоящей статьи).

Запуск: sim_vehicle.py -v Plane --frame quadplane (в версии 4.7 конвертоплан — рамка внутри Plane). Добавьте к настройке раздела 5.1: Q_ENABLE 1, Q_ASSIST_SPEED 9, Q_RTL_MODE 1 (вертикальная посадка при возврате), Q_LAND_SPEED 50 (сантиметры в секунду), Q_LAND_FINAL 20, Q_LOIT_SPEED 400, Q_TILT_MASK — по схеме аппарата. Переходы выполняйте на высоте не менее 30 метров (SITL безопасен, но привычка высоты перехода переносится на реальный полёт). Режимы: QLOITER, QRTL, AUTO с миссией, включающей вертикальный взлёт, переход и обратный переход.

Цель: настройка и контроль разбега.

1. Рассчитайте длину разбега для своих параметров (задача 1).
2. Установите параметры TKOFF_* (раздел 5.1); загрузите миссию с командой TAKEOFF.
3. Выполните взлёт; по журналу определите фактические время и длину разбега, скорость отрыва.
4. Сравните с расчётом; объясните расхождение (трение, задержка тяги, наклон набора).
5. Повторите с попутным ветром 3 м/с (SIM_WIND_DIR в направлении разбега): оцените удлинение разбега.

Критерий: отклонение фактической скорости отрыва от заданной — не более 1 м/с; взлёт без выкатывания за расчётную площадку.

Цель: схема, глиссада, выравнивание.

1. Рассчитайте удаление начала глиссады для своей высоты и угла (задача 2).
2. Постройте схему посадки в Mission Planner: DO_LAND_START, базовый участок, LAND.
3. Установите RTL_AUTOLAND 2; выполните возврат с автоматической посадкой.
4. По журналу оцените: следование глиссаде, высоту выравнивания, путевую скорость касания, длину пробега.
5. Повторите при встречном ветре 5 м/с: сравните путевую скорость касания.

Критерий: касание в пределах 10 метров от точки LAND; отклонение от глиссады на конечной прямой — не более 5 метров.

Цель: управляемые переходные режимы.

1. Настройте параметры Q_* (раздел 5.2).
2. Выполните вертикальный взлёт, набор 40 метров, переход в самолётный режим; зафиксируйте время и расстояние перехода.
3. Сравните с расчётом (задача 3); объясните расхождение.
4. Выполните обратный переход и посадку по Q_RTL_MODE 1 (вертикальная).
5. Инструктор вводит отказ самолётной тяги (SIM_ENGINE_MUL 0) в переходном режиме: выполните возврат в мультироторный режим.

Критерий: переходы выполнены на высоте не менее 30 метров; при отказе тяги — немедленный возврат в мультироторный режим без потери высоты более 5 метров.

Цель: комплексный полёт самолёта либо конвертоплана.

1. Спланируйте миссию: взлёт, маршрут из двух участков, посадка; рассчитайте бюджет по модели статьи 3.0 с крыльевым удельным расходом (статья 3.4: около 0,85 Вт·ч на километр).
2. Установите боковой ветер 5 м/с (SIM_WIND_SPD, SIM_WIND_DIR).
3. Выполните полный цикл; контролируйте снос на маршруте (статья 3.1) и направление посадки.
4. Разберите журнал: разбег, следование маршруту, глиссада, пробег, расход энергии.

Критерий: все участки выполнены в допусках элементов 1–2; посадка против ветра; запас энергии на посадке — не менее 30 %.

Условие. Учебный самолёт разгоняется с постоянным ускорением 3 м/с²; скорость отрыва TKOFF_ROTATE_SPD — 12 м/с. Определить время и длину разбега, минимальную длину площадки с двойным запасом и новую длину разбега при попутном ветре 3 м/с (воздушная скорость отрыва прежняя, путевая — на 3 м/с меньше).

Решение.

1. Время разбега: \( t = v / a = 12 / 3 = 4\ \text{секунды} \).
2. Длина разбега: \( L = v^2 / (2a) = 144 / 6 = 24\ \text{метра} \).
3. Минимальная длина площадки: \( 2 \cdot 24 = 48\ \text{метров} \).
4. Попутный ветер: путевая скорость отрыва \( 12 - 3 = 9\ \text{м/с} \); путевая длина разбега \( 9^2 / 6 = 13{,}5\ \text{метра} \), но воздушная дистанция набора прежняя — расчёт площадки всегда ведут по воздушной скорости (24 метра), а запас учитывает влияние ветра; при попутном ветре путевой разбег меньше, однако набор высоты относительно земли замедляется, и эффективный запас следует увеличивать.

Ответ: время 4 секунды; длина разбега 24 метра; площадка не менее 48 метров; при попутном ветре запас площадки увеличивают дополнительно.

Условие. Заход на посадку начинается с высоты 10 метров, угол глиссады LAND_ANGLED_CD — 700 (7°), скорость на глиссаде 12 м/с. Определить горизонтальное удаление точки начала снижения от точки касания, длину пути по глиссаде и время снижения.

Решение.

1. Тангенс угла: \( \tan 7^\circ = 0{,}1228 \).
2. Горизонтальное удаление: \( 10 / 0{,}1228 = 81{,}4\ \text{метра} \).
3. Длина пути по глиссаде: \( \sqrt{10^2 + 81{,}4^2} = 82{,}0\ \text{метра} \).
4. Время снижения: \( 82{,}0 / 12 = 6{,}8\ \text{секунды} \); вертикальная скорость: \( 12 \cdot 0{,}1228 = 1{,}5\ \text{м/с} \).
5. Проверка: при выравнивании с высоты 4 метра (LAND_FLARE_ALT) остаток глиссады составляет \( 4 / 0{,}1228 = 32{,}6\ \text{метра} \) — точка выравнивания должна быть нанесена на схему.

Ответ: удаление 81,4 метра; путь 82 метра; время 6,8 секунды; вертикальная скорость 1,5 метра в секунду.

Условие. Конвертоплан выполняет переход из висения в самолётный режим с разгоном 2 м/с²; ассист перехода Q_ASSIST_SPEED — 9 м/с, AIRSPEED_MIN — 10 м/с. Определить время и расстояние перехода до скорости ассиста и до минимальной воздушной скорости, а также безопасную минимальную высоту перехода, если снижение при возврате в мультироторный режим не превышает 5 метров, а запас — двойной.

Решение.

1. Время до скорости ассиста: \( 9 / 2 = 4{,}5\ \text{секунды} \); расстояние: \( 9^2 / 4 = 20{,}3\ \text{метра} \).
2. Время до AIRSPEED_MIN: \( 10 / 2 = 5\ \text{секунд} \); расстояние: \( 100 / 4 = 25\ \text{метров} \).
3. Минимальная безопасная высота перехода: потеря при возврате 5 метров, двойной запас — \( 2 \cdot 5 = 10\ \text{метров} \); с учётом запаса на реакцию и снижение в переходной фазе примите не менее 20 метров (рекомендация раздела 4 — 30 метров для тренировок).
4. При встречном ветре 3 м/с воздушная скорость растёт быстрее путевой: время перехода сокращается до \( (9-3)/2 = 3\ \text{секунды} \).

Ответ: до ассиста 4,5 секунды и 20 метров; до минимальной воздушной скорости 5 секунд и 25 метров; минимальная высота перехода 20 метров, для тренировок — 30 метров.