Аэродинамическая модель самолета из фотополимерного материала. Советы и рекомендации начинающему авиамоделисту

Цель. Углубить знания по авиации и авиационной технике, развить и закрепить навыки изготовления моделей.

Методическое рекомендации. Кружковцы уже приобрели известные навыки при изучении темы 8, да и схематическая модель самолета (объект практической работы) во многом похожа на модель планера. На данную тему рекомендуется отвести 44 ч, из них на теоретические занятия не более 4-6 ч. В зависимости от степени подготовленности учащихся и, исходя из условий кружка, руководитель может в некоторых пределах изменять общее число часов, а также время на практические и теоретические занятия.

При изучении темы необходимо охватить следующие вопросы: устройство, назначение и типы самолетов, составление рабочих чертежей схематической модели самолета, изготовление и запуски моделей.

На первом занятии следует кратко рассказать об истории создания первого самолета А. Ф. Можайского и дальнейшем развитии самолетостроения. Затем, используя иллюстрации или модель-копию, объяснить устройство самолета и его основных частей. При демонстрировании схематической модели самолета указать, в чем сходство и различие между натуральным самолетом и его моделью.

На втором занятии рассказывают о типах и назначении самолетов. Затем руководитель объясняет условие возникновения подъемной силы крыла самолета и на конкретных примерах знакомит кружковцев с элементами расчета, выбором схем и основных геометрических данных модели. Желательно сопровождать объяснение показом готовых моделей. В заключение составляют эскизы будущих моделей. В основном все модели должны отличаться друг от друга формой, размерами и т. д. Учитывая опыт, который кружковцы приобрели при вычерчивании эскизов схематической модели планера, надо предоставить им большую самостоятельность. Так, рабочие чертежи можно разрешить выполнять дома. Однако разбирать эскизы и чертежи рекомендуется в кружке.

На третьем занятии после заготовки реек приступают к изготовлению моделей.

Последующие занятия целесообразно проводить по такой схеме: 10-15 мин - сообщение теоретического материала, затем закрепление его практической работой и в заключение 10-15 мин - подведение итогов.

Желательно организовать экскурсию в авиационный музей, на аэродром, ознакомить ребят с самолетом в натуре.

Завершают занятия по теме запуском изготовленных моделей и проведением соревнований.

На теоретической части занятий необходимо сообщить следующее. В авиационной технике существуют три принципа создания подъемной силы: аэростатический, аэродинамический и реактивный.

По аэростатическому принципу сконструированы аппараты легче воздуха - воздушные шары, аэростаты, дирижабли. Подъемная сила у них возникает за счет наполнения оболочки газом легче воздуха.

Аэродинамический принцип возникновения подъемной силы возможен лишь при движении крыла в воздушной среде (аппараты тяжелее воздуха - планеры, самолеты, вертолеты).

На высотах более 25 км и в безвоздушном пространстве могут летать только аппараты, у которых подъемная сила образуется по реактивному принципу - за счет отдачи вытекающих газов. Образцы таких летательных аппаратов - ракеты и космические корабли. Не следует относить к ним реактивные самолеты: на них установлены реактивные двигатели, но подъемная сила создается крылом.

Самый распространенный летательный аппарат тяжелее воздуха - самолет.

Существуют военные и гражданские самолеты, отличающиеся не только формой, размерами, массой, но и назначением.

К военным самолетам относятся истребители, бомбардировщики, перехватчики, ракетоносцы и др.

Истребители предназначены для уничтожения самолетов противника в воздухе, обладают большой скоростью и маневренностью. Бомбардировщики - самолеты, сбрасывающие бомбы на войска противника, его укрепления, аэродромы, военно-промышленные предприятия в тылу врага. Если истребители - одноместные машины, то экипаж бомбардировщика состоит из 6-8 человек. В военной авиации применяют также самолеты транспортные и связи.

В период Великой Отечественной войны для уничтожения с воздуха живой силы и техники противника служили штурмовики. Лучшим штурмовиком периода Великой Отечественной войны был Ил-2 конструктора С. В. Ильюшина.

Самолеты гражданской авиации бывают пассажирские, грузовые, специального назначения, санитарные, спортивные.

Помимо деления на гражданскую и военную, различают авиацию сухопутную и морскую (гидроавиацию). У гидросамолетов для взлета и посадки на воду предусмотрены поплавки или корпус в виде лодки.

Все самолеты должны иметь обтекаемую форму, уменьшающую их сопротивление, и возможно меньшую массу, благодаря чему самолет берет больше полезного груза. Удобство эксплуатации и обслуживания, технологичность, т. е. быстрое и относительно недорогое изготовление, простота ремонта являются также важнейшими требованиями к конструкции самолетов.

Важнейшая часть самолета - крыло, создающее подъемную силу. Крылья разных самолетов отличаются размерами, формой, положением относительно фюзеляжа, профилем (так называется форма сечения крыла в плоскости, перпендикулярной размаху). Кренят крыло непосредственно к фюзеляжу или соединенному с ним центроплану.

По форме профиля крылья бывают выпукло-вогнутые, плосковыпуклые, симметричные, двояковыпуклые, несимметричные, S-образные.

По толщине различают профили тонкие, средние и толстые.

Относительную толщину профиля определяют по формуле

Где - относительная толщина профиля, %; с - толщина профиля; b - длина хорды крыла.

Если меньше 8%, профиль называют тонким, = 8 - 13% - средним, > 13% - толстым.

Крыло летящего самолета омывается встречным потоком воздуха. При обтекании верхней выпуклой поверхности скорость потока возрастает, и здесь образуется область пониженного давления. Под крылом частицы воздуха, наоборот, притормаживаются и давление повышается. Эта разность давлений и создает подъемную силу Y (рис. 22), которая всегда направлена перпендикулярно набегающему потоку.

Перед передней кромкой образуется зона повышенного давления, а за задней кромкой - зона незначительно пониженного давления, где происходит мелкое вихреобразование. Эта разность давлений вместе с силой поверхностного трения воздуха о крыло вызывает силу лобового сопротивления X, которая совпадает с направлением скорости и противоположна направлению полета. Равнодействующая R подъемной силы Y и силы лобового сопротивления X называется полной аэродинамической силой крыла. Самолет с одним крылом называется монопланом, а с двумя крыльями, расположенными одно над другим, бипланом (например, Ан-2).

Конструкция крыла зависит от назначения самолета, степени и характера нагрузок в полете.

Самые простые крылья плоские, обтянутые полотном. Ферма - силовая часть крыла, состоит из лонжеронов, связанных нервюрами и расчалками. Такие крылья делают для самолетов, обладающих скоростями до 300 км/ч: учебно-тренировочных, спортивных и специального применения.

Крылья бывают разной формы (трапециевидной, стреловидной и т. д.). У более сложных крыльев главный силовой элемент - жесткая и прочная обшивка. Обшивку крыла усиливают изнутри продольные элементы - стрингеры и поперечные - нервюры. Такая обшивка называется работающей.

Элероны - это небольшие рули на консолях крыла, отклоняющиеся одновременно в разные стороны (один вверх, другой вниз); они служат для создания крена.

Закрылки похожи на элероны, но они отклоняются только вниз на 15-60°; при этом изменяется кривизна профиля крыла, что вызывает возрастание подъемной силы.

Щитки - еще более простое средство увеличения подъемной силы крыла; они расположены под крылом, вдоль задней кромки и отклоняются вниз.

На некоторых самолетах для кратковременного повышения сопротивления применяют воздушные тормоза в виде интерцепторов на верхней части крыла, а также щитков в хвостовой части фюзеляжа. Они служат для уменьшения посадочной скорости и пробега после посадки.

Фюзеляж - корпус самолета, в котором размещают людей, приборы, грузы. К нему крепят крыло, оперение, двигатель и шасси. Обычно фюзеляж имеет плавную обтекаемую форму.

К оперению относятся стабилизатор, руль высоты, киль, руль направления.

Стабилизатор - небольшая поверхность, чаще неподвижная, обеспечивающая продольную устойчивость самолета. Если под влиянием каких-либо причин самолет повернется вокруг поперечной оси, сила давления встречного потока на стабилизатор вернет его в прежнее положение. Равновесие вокруг поперечной оси будет восстановлено. Если же летчику понадобится самому повернуть самолет относительно той же оси, он использует руль высоты, установленный на шарнирах на стабилизаторе. Пилот управляет рулем высоты, передвигая ручку управления или штурвал, связанный с рулем тросами или тягами.

Киль - вертикальная неподвижная поверхность, выполняющая роль стабилизатора только относительно вертикальной оси, т. е. он обеспечивает путевую устойчивость самолета.

Нажимая ножные педали в кабине самолета, летчик действует на руль направления, крепящийся к килю на шарнирах. При движении вперед правой педали (левая при этом перемещается в обратном направлении) нос самолета поворачивается вправо, при нажатии левой педали - влево.

С ростом скоростей и при увеличении массы самолетов возникают трудности в управлении: для отклонения рулей пилоту приходится прикладывать большую силу к ручке управления. Для ее уменьшения к элеронам, рулям высоты и направления прикрепляют триммеры - небольшие поверхности, отклоняющиеся в нужную сторону вращением специального штурвала независимо от положений руля.

Есть и другие способы облегчения управления самолетом. На тяжелых и скоростных самолетах применяют специальные устройства, увеличивающие во много раз силы, прикладываемые летчиком к ручке управления, - бустеры или гидроусилители. Действуют они по принципу гидравлического пресса.

Шасси служит для перемещения самолета по земле, разбега при взлете и пробега после посадки. На современных самолетах наиболее распространено трехколесное шасси с носовым колесом. Две главные стойки расположены под крылом, сзади ЦТ самолета, третья - в носовой части фюзеляжа. Такое шасси обеспечивает хорошую устойчивость самолета при разбеге и пробеге, допускает энергичное торможение.

На некоторых самолетах применяют трехколесное шасси с хвостовым колесом. Основные стойки крепятся на крыле впереди ЦТ. Бывают шасси велосипедного типа, когда стойки с колесами расположены одна за другой, как у двухколесного велосипеда. Для уменьшения сопротивления воздуха шасси делают убирающимися. На шасси гидросамолетов вместо колес устанавливают поплавки.

Для полета самолета необходима сила тяги, направленная вперед. Сила тяги создается воздушным винтом, установленным на коленчатом валу двигателя внутреннего сгорания. Авиационный двигатель - это "сердце" самолета. Эти двигатели работают почти так же, как и автомобильные, только они гораздо мощнее.

При вращении воздушный винт ввинчивается в воздух и тянет за собой самолет. Возможности применения двигателей внутреннего сгорания ограничены - они способны создавать силу тяги до скоростей полета 700-800 км/ч. Поэтому на скоростных самолетах устанавливают реактивные двигатели. Простейший реактивный двигатель - пороховая ракета, у которой газы, образующиеся во время горения топлива, с высокой скоростью выбрасываются назад. Сила отдачи, появляющаяся при этом, и есть сила тяги.

В настоящее время на самолетах широко применяют турбореактивные двигатели, работающие по такому же принципу, как и пороховая ракета, только вместо пороха в камере сгорания непрерывно горит смесь паров керосина с воздухом. Для увеличения силы тяги реактивного двигателя надо повысить скорость выбрасывания газов из камеры сгорания. Для этого воздух, прежде чем он попадет в камеру сгорания, сжимают в компрессоре, на одном валу с которым расположена газовая турбина. Компрессор подает в камеру сгорания воздух одновременно с поступающим топливом. Образующаяся смесь горит непрерывно, воздух нагревается до высокой температуры, повышается давление. Вырываясь из камеры сгорания с большой скоростью, газы создают силу тяги и попутно приводят во вращение турбину и компрессор. Если на вал посадить еще воздушный винт, получится турбовинтовой двигатель.

Турбовинтовые двигатели используют на самолетах Ан-12, Ан-24, Ил-18. Турбореактивными двигателями снабжены самолеты Ту-154, Як-40, Як-42, Ил-62, Ил-86.

Схематическая модель самолета. Это летающая модель, схематически воспроизводящая самолет. Она имеет рейку-фюзеляж, крыло, оперение и винтомоторную группу (воздушный винт и резиновый двигатель). Как и у модели планера, крыло создает подъемную силу, которая возникает только при его движении в воздухе.

Необходимую силу тяги для движения модели создает воздушный винт, вращаемый раскручивающейся резиной. Продолжительность его работы у схематических моделей около 1 мин.

Сила тяги - величина непостоянная. В первый момент она велика, к концу работы уменьшается. В зависимости от силы тяги винта меняется и скорость полета модели.

На схематическую модель (при работе двигателя), так же как и на самолет в полете, действуют четыре силы (рис. 23): сила тяжести G, подъемная Y, тяги Р и лобового сопротивления X. Подъемной силе противодействует сила тяжести, которая тянет модель вниз; сила сопротивления воздуха противодействует силе тяги, обеспечивающей движение модели вперед. При конструировании модели следует правильно рассчитать эти силы. Необходимо уменьшить силу сопротивления и массу модели, увеличив силу тяги и подъемную силу крыла. Увеличить подъемную силу можно, применив более вогнутый профиль и подобрав наивыгоднейший угол атаки.

Важной характеристикой любого летательного аппарата тяжелее воздуха (как самолета, так и модели) является аэродинамическое качество - К. Оно равно отношению подъемной силы к силе лобового сопротивления: K = Y/X. Аэродинамическое качество показывает, во сколько раз подъемная сила крыла больше силы сопротивления модели.

Силу тяги увеличивают, уменьшив массу модели и повысив мощность резинового двигателя. Чтобы уменьшить массу модели, применяют легкие и прочные материалы. Аккуратное изготовление и качественная обработка поверхностей модели позволяют снизить силу лобового сопротивления.

Основными величинами при расчете схематической модели самолета является размах l и удлинение λ крыла (рис. 24).

Рис. 24. Соотношение размеров схематической модели самолета: S к - площадь крыла; b - длина хорды крыла; l ст - размах стабилизатора; S ст - площадь стабилизатора; D в - диаметр винта; S к - площадь киля

При постройке основных частей моделей желательно выдерживать следующие соотношения масс: фюзеляж - 34% от массы модели, крыло - 20%, винт - не более 20%, резиновый двигатель - 20%, оперение - 6%. Нетрудно рассчитать массу модели при минимальной удельной грузоподъемности несущей поверхности (5 г/дм 2).

Конструировать модель рекомендуем в такой последовательности: выбор схемы, размаха крыла и основных размеров, вычисление площадей поверхности крыла, стабилизатора, киля, определение массы по минимальной удельной грузоподъемности, расчет воздушного винта, составление рабочего чертежа.

Размах крыла схематической модели выбирают от 700 до 850 мм.

Рассчитаем схематическую модель самолета с размахом крыла 800 мм. Удлинение крыла λ = l/b для таких моделей принимают равным 5-8. Для нашего случая возьмем 7. Тогда длина хорды крыла b = l/λ = (800/7) мм = 114 мм. Округлим значение до ПО мм. Выбираем прямоугольную форму крыла в плане с закруглениями на концах. Тогда площадь крыла S кp = l×b = (800×110) мм 2 = 88000 мм 2 = 8,8 дм 2 . С учетом закруглений площадь будет около 8,7 дм 2 .

S ст = 1/3 S кp = 2,9 дм 2 . Размах стабилизатора с учетом λ ст = 3-3,5 берем равным 290 мм, а ширина получается равной 100 мм. Площадь киля S к = 1/3 S ст ≈ 1 дм 2 .

Диаметр винта возьмем 250 мм. Наибольшая ширина лопасти составляет 10% от диаметра - 25 мм, а высота заготовки для винта порядка 8%-20 мм.

Длину рейки-фюзеляжа берем равной размаху крыла - 800 мм. Остается выполнить эскиз и рабочий чертеж. В процессе работы над ними каждый кружковец может вносить изменения в параметры модели, но они не должны превышать 5-10%.

Изготовлять схематическую модель самолета (рис. 25) рекомендуется в таком порядке. Фюзеляж делают из прямослойной без сучков и задиров сосновой или липовой рейки длиной 800 мм, сечением 12 X 10 мм, к хвостовой части сечение можно уменьшить до 8X6 мм.

Рис. 25. Рабочий чертеж (а) и порядок изготовления схематической модели самолета (б): 1 - склеивание "на ус"; 2 - вклеивание нервюр; 3 - крепление стабилизатора; 4 - изготовление винта; 5 - изготовление резинового двигателя

Сечение передней и задней кромок стабилизатора 4 X 3 мм, закругления выгибают из бамбуковой рейки сечением 3 X 2 мм, соединяют с кромками "на ус" клеем, места соединения обматывают нитками. Жесткость увеличивают тремя нервюрами сечением 2X2 мм. По чертежу отмечают середину стабилизатора и закрепляют его на хвостовой части фюзеляжа, предварительно - вырезав в нем небольшие углубления под кромки стабилизатора.

Киль изгибают из бамбуковой рейки и вставляют в отверстие фюзеляжа, просверленное немного ближе передней кромки стабилизатора.

К передней части фюзеляжа снизу приклеивают липовый брусок размером 25 X 20 X10 мм и обматывают нитками. Это будет подшипник; в нем сверлят отверстие диаметром 1,5 мм под вал винта.

Для кромок крыла берут сосновые рейки сечением 5 X 4 мм и изгибают их в середине под углом 10°. Бамбуковые закругления крепят к кромкам так же, как на стабилизаторе. Нервюры изготавливают, из сосновых реек сечением 3X2 мм; концы их заостряют "лопаткой" и вставляют с клеем в проколы кромок. Кабанчик для крепления крыла к фюзеляжу вырезают из липового бруска. Следует помнить, что передняя кромка должна быть выше задней на 8-10 мм. Привязывают кабанчик к крылу нитками.

Воздушный винт - самая сложная часть схематической модели самолета. Его изготовляют из бруска липы, ольхи или осины размером 250 X 25 X 20 мм. На широкой грани бруска проводят две взаимно перпендикулярные осевые линии, в центре сверлят отверстие диаметром 1 мм. Накладывают фанерный или целлулоидный шаблон вида сверху, совмещая осевые линии и очерчивая одну лопасть, затем поворачивают шаблон на 180° вокруг оси и наносят контуры другой лопасти. Острым ножом срезают лишнюю часть бруска и обрабатывают поверхность напильником. На одну из боковых граней накладывают шаблон вида сбоку, очерчивают его карандашом и срезают лишнюю часть. В дальнейшем винт обрабатывают с верхнего правого края каждой лопасти. Верхняя поверхность лопастей должна быть слегка выпуклой, а нижняя - плоской или немного вогнутой. Вогнутость получают, соскабливая древесину осколком стекла или полукруглым напильником. Зачищают лопасти шлифовальной шкуркой, одновременно центрируя винт. Для этого надевают его на тонкую проволоку и вращают. Если масса лопастей сбалансированного винта одинакова, он остановится в горизонтальном положении. Если этого не произошло, необходимо обработать опускающуюся лопасть напильником или зачистить шлифовальной шкуркой и вновь проверить центровку винта, добиваясь равновесия. Готовый винт покрывают 2-3 слоями нитролака. В ступице винта закрепляют вал из стальной проволоки диаметром 1,5 мм, надевают на него две шайбы и вставляют в подшипник. Свободный конец вала изгибают в виде крючка для крепления резинового двигателя. Другой крючок для резинового двигателя крепят в хвостовой части фюзеляжа на расстоянии 600 мм от подшипника.

Обтягивают модель самолета так же, как и модель планера - папиросной или микалентной бумагой. Крыло обтягивают только сверху в два приема: сначала одну половину (консоль), потом другую.

Стабилизатор оклеивают только сверху, а киль с обеих сторон. Бумагу, выступающую за кромки, счищают шлифовальной шкуркой или срезают острым ножом.

Резиновый двигатель длиной 600 мм изготовляют из ленточной резины сечением 2 X 1 мм следующим образом: в доску вбивают два гвоздя на расстоянии, равном длине резинового двигателя; резиновую нить массой 30 г обматывают вокруг гвоздей, свободные концы связывают; в местах крепления двигатель перевязывают тонкой резинкой.

Готовый резиновый двигатель промывают теплой мыльной водой, просушивают вдали от источников тепла, смазывают касторовым маслом и упаковывают на несколько дней в темную стеклянную банку. Непосредственно перед использованием резиномотор надо промыть и просушить.

Для определения максимального числа витков двигателей следует закрутить один из них до его разрыва. Зная возможности резиновых двигателей данной длины, можно провести их динамическую формовку. Один из наиболее простых способов формовки заключается в последовательном закручивании и раскручивании резинового двигателя: сначала двигатель закручивают на 20% допустимого числа витков, затем добавляют еще 10-15%, заканчивают формовку закруткой на 80-85% от максимального числа витков. После этого резиновый двигатель снова промывают теплой мыльной водой, просушивают, смазывают касторовым маслом и упаковывают в полиэтиленовый пакет или стеклянную банку. Выдержав одну-две недели, резиновый двигатель можно использовать на соревнованиях.

Регулировку модели проводят следующим образом. Сначала проверяют, нет ли перекосов при видах на модель сверху и спереди. Перемещением крыла вдоль рейки устанавливают центр тяжести модели с резиновым двигателем на расстоянии 1/3 длины хорды крыла от передней кромки.

Добившись правильной центровки, регулируют модель на планирование, т. е. без работы винта, так же как и схематическую модель планера. Держа модель одной рукой за фюзеляж, немного наклонив носовую часть вниз, плавным движением пускают ее. Если модель "задирает нос", крыло передвигают к стабилизатору. При крутом опускании - пикировании модели - крыло перемещают вперед. Хорошо отрегулированная модель должна пролетать 8-12 м.

Более сложный этап - это регулировка моторного полета. Закрутив резиновый двигатель на 50-60 витков, берут модель за фюзеляж правой рукой, а левой придерживают винт. Легким толчком опускают модель горизонтально. Повторяют запуск модели несколько раз, постепенно увеличивая число витков двигателя.

Сложность регулирования модели самолета заключается в том, что при моторном полете (с раскручивающимся винтом) возникают некоторые новые отклонения по сравнению с планирующим полетом. Ниже приведены основные из них.

Модель, планирующая по прямой, кружит в моторном полете, стремясь повернуть в левую сторону (вращение винта вправо по направлению полета). Это вызвано влиянием силы реакции от вращения винта, зависящей от его частоты вращения и диаметра. Авиамоделисты исправляют этот дефект смещением (отклонением) вала винта вправо. Модель может летать кругами со снижением и по другим причинам: из-за несимметричного распределения масс, различной кривизны профиля нервюр у обеих половин крыла и т. д.

Иногда при малой закрутке резинового двигателя модель летит хорошо, а при большой не набирает высоты. Причина - слабая рейка-фюзеляж: сильно закрученный двигатель сгибает ее. В этом случае рекомендуется поставить сверху растяжки или заменить рейку более прочной.

В том случае, если модель в моторном полете трясет (и чем больше закрутка резинового двигателя, тем сильнее), сказывается дисбаланс лопастей воздушного винта или неверный изгиб крючка вала винта.

Если после запуска модель стремительно набирает высоту и пытается сделать петлю, необходимо увеличить угол наклона вала (оси) винта вниз. А если модель медленно набирает высоту - уменьшить угол наклона вала винта.

Регулировать моторный полет лучше смещением вала (оси) винта, а планирующий - передвижением крыла вдоль фюзеляжа (изменением центровки), изменением угла атаки крыла.

Схематическая модель самолета П. Павлова (рис. 26) намного сложнее описанной выше; с ней можно успешно выступать на соревнованиях.

Рейка-фюзеляж 2 склеена из двух облегченных внутри половин. В передней части рейки закреплен подшипник с усиливающей металлической пластиной. Отверстие под вал винта смещено вниз на 3°.

Стабилизатор 5 изготовлен из бамбуковых реек различного сечения, профиль нервюр вогнутый. Крепят стабилизатор к хвостовой части фюзеляжа нитками с клеем.

Киль 4 бамбуковый, его крепят на рейке немного впереди стабилизатора. Регулируют направление полета перекосом киля.

Передняя и задняя кромки крыла выполнены из бамбуковых реек сечением 4 X 3 мм в центре и 3 X 2 мм на концах. Законцовки из бамбуковых реек сечением 2,0 X 1,5 мм изогнуты на спиртовке. Места соединения их с кромками срезаны "на ус", смазаны клеем и обмотаны нитками. Сечение реек для нервюр 2,0 X 1,5 мм, наибольший их прогиб 10 мм. Вставляют нервюры с клеем в проколы кромок. Кабанчик 8 крыла изготовлен из липового бруска размером 170 X 15 X 8 мм.

Воздушный винт 1 складывающийся, лопасти из липы. После изготовления его разрезают пополам и крепят лопасти на шарнирах к ступице. Для шарнирных соединений используют жесть толщиной 0,5 мм. Вал винта из проволоки ОВС диаметром 1,5 мм; пружина стопора, фиксирующего винт в определенном положении, из проволоки диаметром 0,5 мм, число витков 5.

Двигатель состоит из 30 резиновых нитей сечением 1 X 1 мм.

Модель оклеивают папиросной бумагой.

С моделями такого типа проводят соревнования на продолжительность полета. Число полетов оговаривается в положении о соревнованиях (обычно не более пяти). Время полета в одном туре не более 2 мин. Старт модели - с рук. Время полета фиксируют с момента выпуска модели из рук до посадки или того момента, когда модель скроется из вида.

Вопрос проведения теоретических занятий для школьников по авиационному профилю может стать головной болью для преподавателя, а может подвигнуть его на творческие дела в плане разнообразия теоретического курса. Мой опыт преподавания занятий в тренажерном классе в качестве инструктора – тренажера планера для школьников побудил меня к такому поиску.

Вряд ли школьникам будут интересны теоретические выводы уравнения Бернулли, а также законы Гей-Люсака и Бойля-Мариотта вместе взятых. Гораздо интереснее показывать что-то на практическом примере, например, запустить планер и объяснить, почему он летит именно по такой траектории, а не по другой. Именно с этим вопросом столкнулся ваш покорный слуга, когда сочинял теоретические лекции для курса «Основы пилотирования самолёта через планер», связанный с полётами на планерном тренажере.

Мои поиски привели меня к статье «Основы авиамоделирования», по мотивам симулятора KSP, где простым и понятным для всех языком были описаны аэродинамические истины с их практическим применением. Предлагаю всем желающим погрузиться в основы аэродинамики и проектирования летательных аппаратов, а если появиться желание то и самому испытать это в игре. В качестве проводника в основы аэродинамики будет выступать мистер Кептин и игровое пространство программы KSP. Оригинал статьи можно найти по адресу: www.forum.kerbalspaceprogram.com.

Практическая аэродинамика с помощью KSP

KSP – это игра, в которой игроки создают и управляют своими собственными космическими программами. Строительство челноков, управление ими и запуск миссий в открытый космос – вот пространство для творчества в KSP.

Хотите построить ракету и облететь планету, пожалуйста, есть все необходимые инструменты. Вопрос в другом: хватит ли топлива, выдержит ли шасси при посадке, туда ли опустится спасательная капсула. Вообщем все вопросы технического плана, а также самостоятельного управления построенными летательными аппаратами, игроку придется брать на себя. При желании ещё можно обременить себя финансовым бременем, и получать субсидии на космонавтику взамен на полезные исследования разного уровня. В качестве перспектив для развития есть возможность осуществить выход человека в открытый космос, создать космическую станцию, а даже основать колонию-поселение на другой планете.

Одно из дополнений к игре связано с созданием самолётов: собрать самолёт из отдельных частей, запустить и посмотреть, что из этого получится. Свобода творчества и, в результате, понимание законов аэродинамики. Поскольку после нескольких неудач на посадке конструктор начнет думать головой по поводу усиления стойки шасси, либо облегчения конструкции.

Если кому-то интересно, вот так выглядит урок по созданию самолёта:

Игра постоянно обновляется. Обновления и нововведения происходят возможно даже сейчас, а на сайте лежит новый мод, когда вы читаете эти строки. Для знакомства с программой достаточно скачать с сайта игры демоверсию.

Что такое центр давления и почему его сравнивают с центром масс

Прежде чем перейти к моделированию самолетов стоит немного погрузиться в теорию аэродинамики. Размышления на эту тему уместно начать с вопроса: «Что такое центр давления?». Центр давления – это точка, к которой приложена суммарная подъемных сил разных частей самолёта: крыльев и хвостового оперения.

На рисунке показаны аэродинамические поверхности, которые создают подъемную силу. Суммарная подъемная сила находится в точке, которая называется центром давления.

В том случае, если центр тяжести будет находиться слишком близко к центру масс, летательный аппарат может стать чрезмерно маневренным (другими словами «нейтрально стабильным»), поскольку у него будут отсутствовать естественные тенденции к стремлению двигаться в любом направлении. Вообще желательно стремиться к тому, чтобы центр давления находился позади центра тяжести. В этом случае летательный аппарат будет стремиться падать вперед.

Правила центров

Если Ц.Д. впереди Ц.М., то летательный аппарат подвержен внезапным переворотам, если Ц.Д. и Ц.М. совпали, то летательный аппарат имеет чрезмерную маневренность, если Ц.Д. находится немного позади Ц.Т., то летательный аппарат будет иметь высокую маневренность, если немного подальше, то в полёте будет появляться большая устойчивость, если сильно дальше, то получится дротик для дартс.

Если взять картонную модель самолета и подвесить его на нитке к потолку, то точка, в которой самолёт крепится к нитке, и будет являться центром давления.

Если вы строите летательный аппарат, у которого Ц.Д. находится сильно впереди Ц.М., то это очень близко походит на крепление носа самолёта за нитку. Каждый раз при взлете он будет стремиться перевернуться вверх носом. В то же время, если Ц.Д. у самолёта находится несколько ниже Ц.М., то при взлёте летательный аппарат будет стремиться перевернуться вверх тормашками.


Местоположение и ориентация подъемных поверхностей определяет центр давления. К нему мы вернемся через некоторое время.… Но сначала перейдем к рассмотрению ещё одной потенциально важной силы и точки её приложения – центра тяги (Ц.Т.).

Центр тяги – это точка приложения всех суммарных сил тяги, действующих на летательный аппарат. Если у летательного аппарата один двигатель, то Ц.Т. будет находиться как раз в центре двигателя.

Все прекрасно, но только до тех пор, пока центр тяги вашего двигателя находится на одной линии с центром масс летательного аппарата. Что если это не так… В этом случае уместно говорить про несимметричную тягу.

Вот тут и начинаются различные конфузы:

Действие несимметричного центра тяги можно сравнить по действию с моментом от приложения гаечного ключа. Негативные последствия от такого вмешательства можно приуменьшить работой плоскостей управления или увеличением подъемной силы. Но здесь заключен подвох: эффективность аэродинамических поверхностей меняется в зависимости от высоты полёта и плотности воздуха.

Так что с изменением скорости и высоты полёта также должны меняться и другие характеристики летательного аппарата (например, с помощью системы автоматической стабилизации полёта САСП).

Именно поэтому у всех успешных проектов космических кораблей центр масс располагается на одной линии с центром тяги.


Рассмотрим подробнее плоскости управления летательным аппаратом: движущиеся узлы, которые позволяют управлять положением летательного аппарата. Все они действуют как рычаги на центр масс, причем, чем дальше точка приложения сил от центра масс, тем большее усилие можно создать.


Органы управления на рисунке – это элевоны, гибрид элеронов и рулей высоты. Контрольные плоскости создают подъёмную силу, но они также создают сопротивление воздуха. Элевоны уменьшают количество деталей, таким образом уменьшая суммарное сопротивление. Перебирая всевозможные варианты сочетаний плоскостей управления можно увидеть их плюсы и минусы.

Каждому самолёту свои крылья

Перейдем к магическому слову – крылья! Начнем знакомство с соотношения сторон: размах, поделенный на хорду (отношение длины и ширины).

Каждая из представленных схем летательных аппаратов имеет одинаковую площадь, но разную форму. Каждая форма имеет свои преимущества и недостатки. Эти различия становятся ещё более поразительными, если подключить модуль Ferram Aerospace Research, который будет показывать более реалистичную модель сопротивлений.

Вернемся к вопросу стреловидности крыльев: угол, под которым находится крыло по отношению к фюзеляжу. Все видели ловкие истребители, но на что на самом деле влияет стреловидность крыла.

Когда скорость самолёта становится близка к скорости звука, ударные волны становятся сверхзвуковыми. Стреловидность крыльев уменьшает сопротивление на околозвуковых скоростях, поскольку изгиб крыла уменьшает лобовое сопротивление, что можно увидеть по воздушному потоку.

Наикратчайшее расстояние между двумя точками – это прямая. Поскольку воздушный поток через стреловидное крыло проделывает больший путь, чем через прямое крыло и контур крыла, который пересекает поток, не выглядит как стенка, то ударных волн в случае со стреловидным крылом не создается.

Что касается игры KSP, то в стандартной версии эффект стреловидности не играет большого эффекта. Этим эффектом можно насладиться в дополнительной версии игры, которая называется Ferram Aerospace Research.

Идем дальше…. Рассматриваем крепление крыла и поперечный угол крыла, то есть угол наклона крыла. Если центр давления располагается над центром масс, то повышается устойчивость летательного аппарата. Перенос же крыльев наверх фюзеляжа создает стабилизирующий эффект для летательного аппарата, который носит название поперечного эффекта.

Следовательно, если центр давления располагается ниже центра масс, либо крылья переносятся вниз фюзеляжа, то самолёт становится более маневренный, но менее устойчивым в полёте.

Устойчивость летательного аппарата можно контролировать переносом крыльев выше – ниже относительно фюзеляжа, другими словами переносом центра масс.

Практическое применение комбинаций крыльев и центров масс:

Наконец, короткий экскурс в тему увеличения подъемной силы в игре KSP. Этого можно добиться следующим путём:

• Добавить площадь крыльям
• Увеличить скорость

Увеличение количества крыльев, как и их площади, приведет к увеличению лобового сопротивления и к замедлению самолёта, с одной стороны. С другой стороны, это приведет к снижению скорости сваливания и минимальной скорости полёта, а, следовательно, уменьшению взлетной и посадочной дистанций.

Слишком большое количество крыльев и плоскостей управлений приведет к тому, что летательным аппаратом придется сложнее управлять: малейшие колебания на ручке управления будут вызывать сильные изменения в направлении полёта. Масса самолёта и его желаемая крейсерская скорость полёта (сваливания) будут определять количество подъемных сил, требуемых для самолёта.

Чем круче угол атаки, тем больше подъемная сила. Но это правило работает до некоторых пор: «до критического угла атаки». После достижения критического угла аэродинамический поток начинает переходить в срыв, а самолёт теряет подъемную силу. В KSP угол атаки становится критическим при 20°, в зависимости от модели.

Также стоит рассказать про «углом падения». Угол падения — это угол, под которым крыло находится относительно фюзеляжа. Рост этого угла увеличивает абсолютное значение угла атаки и повышает подъемную силу, но в тоже время увеличивает лобовое сопротивление.

Кому-то может показаться: «Оно того стоит!». Но конструкция крыла становится сложнее и изменяется характер полёта. Крыло с положительным углом атаки имеет отличающиеся подъемные свойства по сравнению с горизонтальным крылом. Другими словами подъемная тяга у такого крыла становится гораздо больше, чем у крыла с горизонтальным расположением.

Поскольку основное крыло создает чрезмерно большую подъемную силу, по сравнению с хвостовым стабилизатором, пилоту придется опускать вниз рычаг управления самолётом или работать триммером на хвостовом оперении, но лишь бы не дать самолёту подняться вверх. И наоборот, ручку убирать на себя в том случае, если нос самолёта опуститься слишком низко.

В Kerbal Space Program летательный аппарат, спроектированный с нулевым углом падения, проще поддается контролю, но имеются также доводы в пользу изменения этого угла:

• можно заранее установить идеальный крейсерский угол тангажа
• нет необходимости задирать резко тангаж вверх во время взлета (для предотвращения удара хвостом)

В тексте прозвучало упоминание про «крейсерский режим полёта»: это относится к режиму, в котором летательный аппарат будет вести себя лучше всего. Если самолёт не находится в таком режиме полёта, то все его узлы и сам полёт не будут находиться в оптимальном режиме: повышенный расход топлива, увеличенный износ двигателя. Изначально в конструкции все закладывается именно исходя из условий полёта в оптимальных условиях: оперение, двигатели, площадь крыльев, материалы и многое другое рассчитывается на полёт в оптимальных условиях.

С чего начать проектировать шасси

Теперь перейдем к вопросу конфигурации шасси, вот некоторые варианты:

Конфигурация «трицикл» проще в регулировке, чем четырехколесная: её проще посадить, чем конфигурацию с опорой на хвостовое колесо.

Правильный подход при проектировании заключается в том, чтобы разместить заднее шасси прямо под центром масс. В таком случае летательный аппарат может свободно разворачиваться и набирать нужный угол атаки при взлете.

Если по некоторым причинам появляется необходимость размещать заднее колесо дальше от центра масс, тогда стоит задуматься над тем, чтобы разместить его несколько выше переднего шасси. В этом случае мы получил заранее положительный угол атаки и, как следствие, упростим взлет летательного аппарата.

Посадочные шасси должны быть расположены так, чтобы для взлёта требовалось от пилота лишь минимальное усилие на ручке.

Самолёты с хвостовым оперением взлетают именно по этому принципу: сама схема такого самолёта гарантирует автоматический взлет при достижении определенной скорости.



Отклонение от курса при посадке может обозначать одно из двух:

1. Взлетно-посадочная полоса не является прямой на самом деле, поскольку шасси располагается перпендикулярно «взлётке» и смотрят строго вперед.
2. Чрезмерный вес, приходящийся на одно из шасси, может привести к прогибу стойки и, как следствие, уводу самолёта с траектории.
3. Также слишком большая прижимная сила на одном из шасси приведет к тому, что остальные не будут полностью находиться в зацеплении с площадкой. Этот эффект называется «колеса тачки».

Возможные способы решения этой задачи:

• Выправить стойку шасси в редакторе
• Укрепить стойку шасси с помощью подкоса
• Распределить вес на большое число стоек шасси
• Снизить вес на шасси с помощью облегчения конструкции самолёта
• Сделать большие шасси и преодолеть усилия в рулевом управлении

Лобовое сопротивление и его влияние на параметры самолёта

В программе KSP используется простая модель лобового сопротивления. Чем больше массы будет добавлено (в виде деталей), тем больше будет создаваться сопротивление воздуха, независимо от того, находится ли модель в воздушном потоке или нет.

Каждая деталь имеет максимальное значение лобового сопротивления (в большинстве случаев это значение 0,2 от максимального). Значение лобового сопротивления можно посчитать по заданной формуле:

Лобовое сопротивление = Плотность воздуха * Скорость(в квадрате) * Коэффициент максимального сопротивления * Массу

Заметьте, что лобовое сопротивление зависит от массы и от коэффициента и не зависит от числа деталей. Уменьшение массы приведет к улучшению аэродинамики. Конструирование аэродинамического профиля часто сводится к как можно большему уменьшению количества деталей, а также двигателей, плоскостей управления, топливных баков, но при сохранении управляемости летательного аппарата.


Если вы хотите преуспеть в том, что изображено на картинках, Вам следует воспользоваться модом KSP, который более реалистично подходит к расчету лобового сопротивления. Этот мод называется Ferram Aerospace Research. Я люблю Ferram, именно поэтому я устанавливаю его везде, где только можно.

Надеюсь, это повествование зарядило Вас энтузиазмом для того, чтобы творить и создавать свои собственные самолёты и космические корабли! Удачи!

Изобретение относится к области аэродинамики и может быть использовано при изготовлении аэродинамической модели (АДМ) транспортного средства (ТС), например самолетов, ракет, автомобилей, железнодорожного транспорта и т.д. Задачей изобретения является ускорение процесса создания высокодренированной модели и улучшение качества проведения эксперимента по визуализации ее обтекания. Аэродинамическая модель самолета из фотополимерного материала с дренажной системой выпуска красителей содержит носовую и хвостовую части фюзеляжа с гондолами двигателей, хвостовое оперение и консоль крыла. Модель изготовлена из фотополимера, устойчивого к воде, и снабжена устройством прокачки жидкости для имитации работы двигателя, соединенным гибким тросом с внешним приводом, причем каналы для подачи красителей имеют переходную часть с переменным диаметром и калиброванные сопла для выпуска красителей. Технический результат - возможность промывки каналов внутри модели, уменьшение сроков изготовления модели и возможность проведения испытаний аэродинамической модели из фотополимерного материала в гидродинамической трубе. 5 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к области аэродинамики и может быть использовано при изготовлении аэродинамической модели (АДМ) транспортного средства (ТС), например самолетов, ракет, автомобилей, железнодорожного транспорта и т.д.

Изготовление АДМ по традиционной технологии основано на механической обработке составляющих их деталей из высокопрочной стали и алюминиевых сплавов и является весьма трудоемким процессом. Цикл изготовления модели, соответствующей по заданным в техническом задании параметрам, составляет ~6 месяцев и сокращение этого цикла ограничено физическими условиями процесса резания на механообрабатывающем оборудовании, что приводит к значительным срокам доводки аэродинамических характеристик транспортных средств.

Известны цельнометаллические АДМ (патент №172520, опубл. 29.06.1965 г., заявка №94023217, опубл. 10.03.1996 г; патент №377663, опубл. 17.04.1973 г., МПК G01M 9/08), в которых дренирование модели производится вручную.

Общий недостаток традиционного способа изготовления АДМ - большое количество механической и слесарной обработки и, как следствие, высокая трудоемкость (от 500÷800 до 1500÷2000 нормочасов).

Сравнительно новый способ изготовления АДМ с помощью формирования сменной обшивки из композиционного материала защищен патентом №2083967, опубл. 10.07.1997 г., МПК G01M 9/08 - универсальная аэродинамическая модель, преимущественно крыло, содержащая упругий каркас, соединенный со сменной обшивкой. Обшивка изготавливается формованием композиционного материала в заранее изготовленную прессформу, обработанную по профилю нервюр, или корку обшивки из полимерного материала, обработанную по профилю нервюр с последующим покрытием слоем композиционного материала, при этом для дренирования обшивки к внешнему слою приклеивают ленты или диски с калиброванными дренажными отверстиями и штуцерами для подсоединения дренажных трасс. Изготовление прессформы требует 3- или 5-координатной обработки на станках с ЧПУ. Таким образом, недостатком этого изобретения является высокая трудоемкость изготовления модели, которая составляет от 700÷800 до 1500÷2000 нормочасов.

Наиболее близким техническим решением является изобретение по патенту США №6553823, 2002 г., МПК G01M 9/08, представляющее собой полумодель для исследования распределения давления вдоль поверхности крыла, с дренированием ранее определенных сечений по потоку. Крыло изготовлено методом послойного синтеза за несколько итераций. Каналы выращиваются непосредственно при изготовлении крыла.

Существенным недостатком прототипа является необходимость механической доработки большого количества отверстий (сверление, развертка) для очистки от фотополимера узких каналов перед соплами и геометрической калибровки сопел выпуска газа. Последнее необходимо для ламинарности вытекающей струи газа. Соответствующая доработка требует значительных дополнительных затрат времени.

Задачей изобретения является ускорение процесса создания высокодренированной модели и улучшение качества проведения эксперимента в гидродинамической трубе.

Технический результат заключается в возможности промывки каналов внутри модели, уменьшении сроков изготовления модели и возможности проведения испытаний аэродинамической модели из фотополимерного материала в гидродинамической трубе.

Технический результат достигается тем, что аэродинамическая модель самолета из фотополимерного материала с дренажной системой выпуска красителей, состоящая из носовой части фюзеляжа, консолей крыла и центральной части фюзеляжа с гондолами двигателей и хвостовым оперением и кронштейна для крепления модели, изготовлена из фотополимера, устойчивого к воде, и снабжена устройством прокачки жидкости для имитации работы двигателя, соединенным гибким тросом с внешним приводом, причем каналы для подачи красителей имеют переходную часть с переменным диаметром и калиброванные сопла для выпуска красителей.

Технический результат достигается также тем, что в аэродинамической модели самолета длина переходной части составляет не менее 8 диаметров основного канала, а отношение входного диаметра к выходному не менее 2,5.

Технический результат достигается также тем, что в аэродинамической модели самолета длина калиброванного сопла для выпуска красителей составляет менее 2 мм.

Технический результат достигается также тем, что в аэродинамической модели самолета внутренние каналы выращены в процессе создания модели.

Технический результат достигается также тем, что в аэродинамической модели самолета внешний привод размещен за пределами рабочей части трубы.

Технический результат достигается также тем, что в аэродинамической модели самолета части модели соединены между собой полимером, из которого была изготовлена модель.

На фиг.1 изображена модель самолета с дренажной системой.

На фиг.2 представлен привод устройства прокачки жидкости.

На фиг.3 представлена фотография модели самолета с державкой.

Для физического эксперимента по исследованию обтекания новых аэродинамических компоновок используется гидротруба, в которой модель обтекается жидкостью, высокая плотность которой (~10 3 по сравнению с воздухом) обеспечивает полное подобие по числу Re и воспроизведение исследуемых условий обтекания.

Аэродинамическая модель самолета (фиг.1) из фотополимерного материала с дренажной системой выпуска красителей для испытания в гидродинамической трубе состоит из носовой части 1, центральной части фюзеляжа 2 с гондолами двигателей и хвостовым оперением, консолей крыла 3, кронштейна 4 для крепления к державке с приводом прокачивающего узла 5 (фиг.2).

Модель обладает высокой сложностью в сочетании с малыми размерами (фиг.3), поэтому модель (внешнюю и внутреннюю геометрию) изготавливают непосредственно по математическим моделям (без выпуска конструкторской документации) методом быстрого прототипирования.

Полную математическую модель с дренажной системой (фиг.1) разделяют на элементы для обеспечения оптимальной геометрии выращивания на лазерной стереолитографической установке. Составляющие части модели производят из фотополимера, который имеет малую усадку и абсолютно устойчив к воде, например НС300.

Центральная часть фюзеляжа склеивается с консолями крыла и хвостового оперения. Сборка и склейка модели проводится с помощью фотополимера, из которого изготавливается модель. Модель надевается на державку с помощью кронштейна, который вклеивается в центральную часть фюзеляжа. Через державку проходят две трубки для подвода краски, которые соединяются с внутренними каналами. Затем монтируют устройство прокачки воды для имитации работы двигателя и соединяют собранную модель через гибкий трос 6 (фиг.2) с внешним приводом, размещенным за пределами рабочей части трубы.

Каналы подачи красителей 7 (фиг.2) выращиваются непосредственно в материале крыла 3 с выходными отверстиями, диаметр которых позволяет дренировать тонкие элементы модели толщиной порядка 1 мм, с длиной выходного канала, обеспечивающим калибровку потока красителя, и внутренними каналами большего диаметра для подачи красителя к выходным отверстиям. Изогнутый канал для прокладки гибкого троса также выращивается при изготовлении хвостовой части фюзеляжа в процессе лазерной стереолитографии.

Использование данной технологии позволяет значительно сократить время и стоимость производства модели с дренажной системой выпуска многоцветных индикаторных красителей для исследования обтекания в гидротрубе.

Были проведены исследования тестовых моделей для оценки минимально возможных размеров каналов и выходных отверстий высокодренированных агрегатов аэродинамических моделей, разработаны рекомендации для улучшения геометрии каналов с целью повышения их эффективности при испытаниях в гидротрубе.

В процессе проведения эксперимента была проведена отработка геометрии дренажных каналов и выходных сопел, направленная на обеспечение их промывки без механического воздействия и стабилизации выпускаемых из сопел струй индикаторных красителей.

В результате проведенных исследований было предложено использовать геометрию выходных каналов с переменным диаметром, а для стабилизации выпускаемых струй - калиброванные сопла. Соотношение диаметра внешнего канала к диаметру внутреннего, обеспечивающее организацию промывки внутренних каналов от остатков фотополимера, должно быть не менее 2,5, а длина расширяющейся переходной части - не менее 8 диаметров основного канала, при этом длина калиброванных сопел должна быть менее 2 мм.

При такой геометрии канала, в результате уменьшения длины канала с маленьким диаметром, значительно повышается эффективность удаления остатков фотополимерной композиции и при этом геометрия выходных отверстий максимально приближена к кромке оперения. Все это позволяет улучшить качественную картину исследований в гидротрубе. Сборка и склейка модели проводилась с помощью фотополимера, из которого модель была изготовлена. Это позволило обеспечить в месте соединения полную целостность модели, которая проверялась прокачкой жидкости через дренажную систему.

Трудоемкость изготовления модели по традиционной технологии с применением станков с ЧПУ и последующей ручной доводкой аэродинамических поверхностей оценивается от 500-2000 нормочасов в зависимости от размеров модели и сложности конструкции.

Время изготовления данной модели на лазерном стереолитографе ЛС-250 составило 64 часа. Полное время изготовления с постобработкой, сборкой и склейкой составило 5 дней. Трудоемкость изготовления аэродинамической модели самолета по новой технологии составила 120 нормочасов.

1. Аэродинамическая модель самолета из фотополимерного материала с дренажной системой выпуска красителей и внутренними каналами, состоящая из носовой части фюзеляжа, консолей крыла и центральной части фюзеляжа с гондолами двигателей и хвостовым оперением, кронштейна для крепления модели, отличающаяся тем, что модель изготовлена из фотополимера, устойчивого к воде, и снабжена устройством прокачки жидкости для имитации работы двигателя, соединенным гибким тросом с внешним приводом, причем каналы для подачи красителей имеют переходную часть с переменным диаметром и калиброванные сопла для выпуска красителей.

2. Аэродинамическая модель самолета по п.1, отличающаяся тем, что длина переходной части составляет не менее 8 диаметров основного канала, а отношение входного диаметра к выходному не менее 2,5.

3. Аэродинамическая модель самолета по п.1, отличающаяся тем, что длина калиброванного сопла для выпуска красителей менее 2 мм.

4. Аэродинамическая модель самолета по п.1, отличающаяся тем, что внутренние каналы выращены в процессе создания модели.

5. Аэродинамическая модель самолета по п.1, отличающаяся тем, что внешний привод размещен за пределами рабочей части трубы.

6. Аэродинамическая модель самолета по п.1, отличающаяся тем, что части модели соединены между собой полимером, из которого была изготовлена модель.

Похожие патенты:

Изобретение относится к линейному исполнительному механизму, в частности для дистанционного управления регулируемыми компонентами аэродинамических моделей. .

Изобретение относится к области аэродинамических испытаний для измерения аэродинамических сил, действующих на уменьшенную в масштабе модель летательного аппарата в аэродинамической трубе в процессе экспериментального определения летно-технических и тягово-экономических характеристик летательных аппаратов.

Изобретение относится к экспериментальной аэродинамике, а именно к испытаниям моделей в аэродинамических трубах с имитацией силы тяги воздушно-реактивных двигателей, определению силовых параметров сопел и совмещенных тягово-аэродинамических характеристик моделей при обдуве внешним, преимущественно сверхзвуковым, потоком и предназначено для определения погрешностей, вносимых системой подвода рабочего тела реактивных струй.

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики и может быть использовано при исследовании характеристик летательных аппаратов. .

Изобретение относится к транспортному машиностроению. .

Изобретение относится к области экспериментальной аэродинамики, в частности к исследованию проблем аэроупругости летательных аппаратов в области авиационной техники, а именно к разработке моделей для аэродинамических труб. Модель содержит силовой сердечник и крышку, представляющие в сборе единую разборную конструкцию замкнутой аэродинамической формы. Крышка выполнена из единого блока низкомодульного материала типа пенопласта переменной толщины по размаху и хорде несущей поверхности, разделенного на отсеки. Толщины отсеков плавно уменьшаются по направлению от локальных площадок контакта отсеков с сердечником модели к переходным зонам, при этом углы скоса граней отсеков составляют не более 45-50°. Локальные площадки расположены в центральной части каждого из отсеков, а переходные зоны между отсеками образованы за счет уменьшения толщины единого блока материала. Предлагаемый способ изготовления аэродинамической модели включает фрезерование сердечника и крышки на станках с ЧПУ, а также итерационную доводку жесткостных характеристик модели в сборе. Крышку изготавливают формованием или методом быстрого прототипирования из единого блока низкомодульного материала. На его внутренней поверхности создают отсеки с локальными площадками контакта с сердечником со скошенными поверхностями граней отсека и переходные зоны отсеков. Снаружи и изнутри крышку армируют тканью однонаправленного композита, а ее переходные зоны армируют дополнительно. Технический результат заключается в упрощении конструкции аэродинамической модели, ускорении способа ее изготовления. 2 н. и 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к авиационной технике и касается экспериментальных исследований проблем аэроупругости летательных аппаратов (ЛА) в аэродинамических трубах. При изготовлении упругоподобных моделей ЛА на станках с ЧПУ производят предварительный и поверочный расчеты математической модели лонжерона, по результатам которых изготавливают лонжерон из стали или алюминиевого сплава методом высокоскоростного фрезерования на станке с ЧПУ с учетом подобия массово-инерционных и жесткостных характеристик изготавливаемого силового каркаса-лонжерона силовому каркасу натурного агрегата ЛА. Нижнюю формообразующую поверхность модели обрабатывают заодно с силовым каркасом-лонжероном на станке с ЧПУ. Для получения внешних обводов верхней формообразующей поверхности модели на предварительно изготовленный лонжерон наносят материал с низким модулем упругости методом напыления расплавленного вещества. Окончательное формирование обводов верхней аэродинамической поверхности модели осуществляют в режиме высокоскоростного низкомоментного фрезерования на станке с ЧПУ по созданной полной математической модели. Достигается высокая точность геометрического подобия внешней аэродинамической поверхности модели по отношению к натурному объекту, высокая точность воспроизведения массово-инерционных и жесткостных характеристик. 5 ил.

Изобретение относится к конструкции и способу изготовления лопастей аэродинамических моделей воздушных винтов, применяющихся для испытаний в аэродинамических трубах. Конструкция лопасти включает в себя регулярную часть, имеющую постоянный вес и геометрическую форму, и различные сменные концевые элементы. На конце регулярной части лопасти имеются переходные штыри, небольшая часть лонжерона, место стыковки, электрический разъем. Регулярная часть пера лопасти включает в себя: носовую многосекционную накладку, лонжерон с заданными жесткостными и весовыми характеристиками, верхнюю и нижнюю обшивку, заполнитель носовой части, заполнитель хвостовой секции, противофлаттерные грузы, концевую нервюру с микровыключателем, электрические провода, электрический разъем, грузы, провоцирующие флаттер. Сменные концевые элементы представляют собой конструкцию, состоящую из верхних и нижних обшивок, крепежных отверстий для стыковки с переходными штырями регулярной части лопасти, светодиодов, электрических проводов, электрического разъема, противофлаттерных грузов, легких заполнителей. Способ заключается в следующем: вначале изготавливается регулярная часть пера лопасти с обязательным точным измерением выступающих частей, таких как переходные штыри и концевая часть лонжерона, а затем результаты замеров используются при изготовлении посадочных мест в многочисленных сменных концевых элементах, отличающихся друг от друга различной геометрией, весом, центровкой, с последующей сборкой регулярной части с любым из сменных концевых элементов при помощи разборного винтового соединения. Технический результат заключается в возможности получения различных аэродинамических характеристик на базе одной лопасти, повышении надежности и сокращении времени изготовления испытаний лопастей. 2 н. и 8 з.п. ф-лы, 14 ил.

Изобретение относится к конструкции лопастей аэродинамических моделей воздушных винтов, предназначенных для испытаний в аэродинамических трубах. Лопасть аэродинамической модели воздушного винта содержит верхнюю и нижнюю обшивки, лонжерон, вкладыши, балансировочные и противофлаттерные грузы и носовые накладки. При этом концевая часть лопасти содержит одну или несколько нервюр, прикрепленных к задней стенке лонжерона, а корневая часть - прикрепленный к задней стенке лонжерона силовой элемент, включающий силовую лапку и силовую нервюру коробчатой формы с закрепленной между ними частью вкладыша хвостовой части лопасти. Достигается повышение жесткости корневой и концевой частей лопасти аэродинамической модели воздушного винта. 7 з.п. ф-лы, 6 ил.

Изобретение относится к области экспериментальных исследований динамических явлений аэроупругости летательных аппаратов в аэродинамических трубах. Динамически подобная аэродинамическая модель несущей поверхности содержит силовую упругую балку-лонжерон, дренированные блоки, установленные по размаху модели на силовую балку-лонжерон, нервюры, секции верхней и нижней обшивки, модельный электрогидравлический силовозбудитель для вынужденных колебаний модели в потоке, технические средства для измерений амплитудно-частотных характеристик модели. Балка-лонжерон состоит из пустотелого сердечника, на который наформованы монослои однонаправленного высокомодульного и высокопрочного полимерного композиционного материала. Каждый дренированный блок модели состоит из жесткого неразъемного каркаса с установленными на передней и задней кромке датчиками динамического давления и легкосъемных верхней и нижней панелей с установленными в них датчиками динамического давления. Обшивка модели представляет из себя трехслойные съемные секции переменной толщины. Изобретение направлено на повышение точности эксперимента. 7 з.п. ф-лы, 13 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к аэродинамическим моделям летательных аппаратов для исследования распределения давления по поверхности тонкостенной модели, испытываемой в аэродинамических трубах при условии имитации струи кормового ракетного двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что к дренажным отверстиям, просверленным на обтекаемой поверхности аэродинамической модели, предназначенной для измерения распределения давления по поверхности, в корпусе тонкостенной оболочки выполняются внутренние криволинейные каналы в пределах толщины оболочки. Измеряемое давление, воспринимаемое дренажными отверстиями, подается в каналы, которые внутри оболочки проложены к месту крепления боковой державки и здесь стыкуются с дренажными трубками, соединяющими измерительные устройства давления, например батарейный манометр, с выходными сечениями каналов. Технический результат заключается в повышении точности и достоверности измерений. 2 ил.

Изобретение относится к области аэродинамики и может быть использовано при изготовлении аэродинамической модели транспортного средства, например самолетов, ракет, автомобилей, железнодорожного транспорта и т.д

"На золотом крыльце сидели:

царь, царевич, король, королевич,

сапожник, портной.

Кто ты будешь такой?…"

(Детская считалка)

Те, у кого "Ногу свело", поют, что аквалангисты - это хорошо, что они любят нырять и купаться. Но любят ли они конструировать акваланги? А те, кто конструируют, любят ли они со своими аквалангами нырять - большой вопрос.

А что же моделисты?

Бытует мнение, что хороший авиамоделист - и конструктор, мастер на все руки, и летчик, и все в одном лице. При развитом социализме так оно и было. Но не сейчас. Сегодня можно с удовольствием заниматься только тем, чем больше нравится - много летать и чуть-чуть строить, или наоборот, много строить и чуть-чуть летать.

Тех, кто строит чуть-чуть, становится с каждым годом все больше и больше. В этом можно убедиться, посмотрев ассортимент ближайшего модельного магазина - Kit-ы пропадают, ARF прибывают. Спрос рождает предложение. Я не хочу думать о том, что модели превращаются в дорогие игрушки, а авиамоделизм - в специфический аттракцион. (Мне рассказывали случай, как некий "новый русский" забетонировал у себя на даче специальную полосу и в первый же полетный день вдолбил в нее пару тысяч долларов по самый хвост, на этом его увлечение авиамоделизмом закончилось.) Но тенденция превращения авиамоделизма (как массового явления) из ТЕХНИЧЕСКОГО ТВОРЧЕСТВА в спортивное развлечение, по-моему, налицо. Хорошо это или плохо - не знаю, посмотрим. Дальше я обращаюсь к тем, кто воспринимает авиамоделизм именно как творчество, и неважно, кто он больше: летчик или конструктор самолетов.

Не только мои многолетние наблюдения убеждают в том, что, как правило, те, кто строят хорошие самолеты - плохо летают, а те, кто хорошо летают, зачастую способны только на сборку ARF. По крайней мере, моделист, который бы сам сконструировал и изготовил классный самолет, а потом показывал бы на нем чудеса пилотажа - сегодня редкость. И если конструктор может стать очень приличным летчиком, то прирожденный летчик конструктором не станет. Одни строят, другие летают. Каждому свое. Разные это профессии. Бывают конструктора, бывают летчики, но конструктор и летчик в одном лице не бывает.

В поле одних от других отличить легко. Летчики стоят, задрав голову в небо, конструктора - "обнюхивают" самолеты.

Понимание того, кто же ты такой - конструктор или летчик, приходит не сразу, но приходит. Разберитесь в себе и действуйте соответственно. Если вы летчик - купите самолет, летайте и можете не слишком глубоко погружаться в дебри аэродинамики, если конструктор - специфические тонкости той или иной радиоаппаратуры будут вас интересовать постольку-поскольку и т.п.

Деньги есть? Тогда проходи…

"Зав. Складом: Какова же ваша цена?

Балбес: Триста тридцать!

Бывалый: Каждому!!"

(Сценарий)

Никакое хобби не обходится без материальных, т.е. денежных, вложений. Серьезное занятие любимым хобби требует серьезного вложения денег. У кого мало наличных, тот расплачивается своим временем, которое, в конечном счете, имеет тот же денежный эквивалент. Моделист, который говорит, что он сделал классный самолет за смешные деньги или врет, или совсем не ценит свой труд и свое время. У меня был такой случай. Один моделист, хвастался своим действительно хорошим самолетом. Долго рассказывал, какой хлам он взял, и какой замечательный получился результат. Я заметил, что, наверно, ему это дорого встало. Он сказал, что сущие пустяки, рублей 300...350. Однако на просьбу сделать из такого же хлама такую же конфетку за 700 рублей он рассмеялся мне в лицо и покрутил пальцем у виска. Он что, врал про 350 рублей? Да нет, просто к этим 350 рублям надо прибавить стоимость его труда и времени долларов на 300.

Как правило, опытный моделист будет заниматься восстановлением чужой модели или ради прикола, или если это крутое ретро, эксклюзив, повторить который нельзя, или за хорошие деньги, но никак не для собственного употребления. Точно так же, как часовщик не станет для себя восстанавливать часы из хлама. Он купит хорошие часы, тщательно отрегулирует их, и будет ухаживать за ними так, что они будут ходить долго и точно, как ни у кого другого.

Не гонитесь за кажущейся дешевизной, восстанавливая для себя чужие битые самолеты. Дороже обойдется. Вообще, RC авиамоделизм - хобби не из дешевых. Но если безденежный моделист-конструктор все равно будет строить самолеты из подножных материалов, то безденежный моделист-летчик очень скоро превратится в нудного, очкастого теоретика.

Потный вал вдохновения

"Пилите, Шура, пилите…"

("Золотой теленок")

Решено: модель своя, с нуля, по собственному проекту, заточенная на высокие летные характеристики и маневренность, т.е. попросту пилотажка. Подход к проекту на полном серьезе, по науке. Цель - создать оригинальный самолет с летными характеристиками лучшими, чем у известных моделей (или, по крайней мере, не хуже, чем у них).

Раскрыты нужные книжки на нужных страницах, запущены хитрые расчетные программы, одним словом, работа закипела. Схема, движок, компоновка. Предварительные главные размерения. Расчет весов. Нагрузка на крыло, профиль, поляра крыла и всего самолета (кто не знает поляра - зависимость между коэффициентами лобового сопротивления и подъемной силы крыла). Опять главные размерения. Продольная устойчивость, крен, рысканье, рангаж. Опять главные размерения. Скорость, рули, элероны. Опять главные размерения. Конструкция, прочность, технология. Опять расчет весов, нагрузка на крыло, профиль, поляра, устойчивость... и по кругу. С каждым циклом очертания самолета все более вырисовываются и... сначала смутно, а потом все более отчетливо что-то напоминают. Наконец ты понимаешь, что разработал Экстру! Ну, хвостик чуть другой, ну кабинка... , но все равно Extra (туды ее в качель)! За что боролись?! Изменив очертания и форму, чтобы непохоже было, пересчитываешь и понимаешь, что летать будет хуже, чем та же Экстра. С аэродинамикой не поспоришь. Все. Крушение надежд удивить мир. А затраченные усилия? А время, которое - деньги?

Зачем я это рассказываю? Чтобы руки отбить? Да нет, любой моделист-конструктор (не важно, самолетчик или яхтсмен), хоть один раз в жизни изобретал велосипед (или пропеллер). Это нормально. Просто я хочу дать пару советов молодым - горячим конструкторам.

Ставьте себе реальные планы. Как ни печально, но надо смириться с тем, что почти все уже придумано до нас. Конечно, это "почти" греет душу, дает, так сказать, надежду, но... Оптимальные аэродинамические схемы и компоновки, например, для тех же пилотажных моделей под ДВС придуманы давно, проверены и перепроверены не одним поколением конструкторов. Для революции нет революционной ситуации. Воздушная среда - она и есть воздушная среда, силовая установка на основе ДВС настолько вылизана, что плюнуть некуда, разве что с глушителем поиграть. Поэтому прежде чем хвататься за разработку самолета с чистого листа, оглядитесь вокруг, наверняка отыщется прототип (известный и проверенный), отвечающий вашему замыслу.

Какой марки первый самолет?

В советских авиамодельных кружках у начинающих моделистов первая модель, в обязательном порядке, была какая-нибудь схематичка. Придя во Дворец Пионеров и школьников на Ленинских горах (звучит-то как: Дворец, Пионеры, Ленин...) в авиамодельный кружок в секцию кордовых моделей, я уже имел за плечами кое-какой опыт в постройке успешно летающих моделей. Но мне все равно дали резиномоторную схематичную модель самолета. Я был страшно разочарован - такую фигню можно было и дома сделать. Было это в середине 60-х. Теперь я понимаю, что по-другому и быть не могло. Руководитель кружка не мог рисковать дефицитными материалами, не будучи уверенным, что у начинающего моделиста руки растут из правильного места. Бедные кружководы были зажаты государственным финансированием и отчетностью. В кружках ставка делалась на 2... 3-х проверенных ребят, которые "съедали" львиную долю бюджета кружка. Остальным вынуждено доставалась роль статистов. Чтобы прорваться в круг избранных, надо было проявить незаурядные способности. Это была мечта каждого кружковца. Жесточайшая конкуренция, вызванная глобальным дефицитом всего, заставляла добиваться приличных результатов при минимуме ресурсов, и случайных людей в моделизме практически не было. У неорганизованных моделистов выбор прототипа определялся не столько опытом, сколько доступом к дефицитным материалам. Деньги, как таковые, почти ничего не решали. Есть материалы - строился хороший сложный самолет, нет - делался самолет попроще.

Времена изменились. Дефицита практически нет (по крайней мере, в Москве). Строй что хочешь. Одно осталось неизменным, как раньше, так и сейчас: выбор прототипа для постройки модели производится на пределе материальных возможностей - раньше в смысле дефицитных материалов, сегодня в смысле денег. Мнение, что начинать надо непременно с "Картоныча", я не разделяю. Ерунда все это. Мне известен моделист, который свой первый полет совершил на дорогущем пилотажном биплане, весьма непростом в управлении. И ничего, не разбил, научился летать. Все дело в ответственности, в серьезной предварительной подготовке на симуляторе. Вообще самолет, на котором летаешь, должен нравиться, его должно быть жалко разбить. Так что подсчитайте ваши денежки и закладывайтесь на все что есть, по полной программе. Как при выборе автомобиля - никто не купит подержанные Жигули, если есть деньги на Мерседес, даже при полном отсутствии навыков езды.

Аэродинамика для чайников

"А все почему?.. И по какой причине?..

И какой из этого следует вывод?"

(Монолог ослика Иа.)

И все же, с чего начать? Как грамотно выбрать прототип?

Критерии выбора прототипа лежат на прочном фундаменте аэродинамической теории моделей самолета. В 99 случаях из 100 начинающий моделист сначала строит самолет и даже не один, а уж потом начинает изучать теорию - жизнь заставляет. Призывать делать наоборот бесполезно. Почувствовав в себе тягу к небу, будущий моделиста чувствует и настоящий зуд нетерпения - скорее в небо, хоть на чем! Тут не до книжек. И только получив кайф от первых полетов (кто не помнит восторг и ликование в душе от первого поднятого в небо самолета?), отдышавшись и задумавшись о следующей модели, моделист приходит к выводу, что неплохо было бы что-нибудь поизучать.

Модель должна лететь ровно при брошенных ручках управления продолжительное время, не срываясь в штопор и не заваливаясь на крыло не только в полный штиль, но и при возмущениях воздуха. Т.е. она должна обладать продольной, поперечной и путевой устойчивостью.

Продольная устойчивость

На продольно неустойчивом самолете летать невозможно, это факт. Но и слишком большая продольная устойчивость не всегда благо. Например, излишняя устойчивость делает полет самолета вялым, а энергичные фигуры получаются "сонными". Наиболее зрелищные фигуры - плоский штопор snap roll и многие другие 3D фигуры вообще невозможно выполнить на самолете с излишней продольной устойчивостью. Такие субъективные оценки, как "шустрая" или "тупая" модель тоже в основном связаны с продольной устойчивостью. Это важнейшая характеристика самолета. Четкое понимание ее природы, а так же владение методами, позволяющими управлять параметрами продольной устойчивости - залог не только успешного строительства новых моделей, но и гарантия грамотной, безаварийной эксплуатации готовых самолетов.

Продольная устойчивость определяется взаимным положением центра тяжести (ЦТ) модели и ее фокуса, т.е. точки приложения равнодействующей аэродинамических сил, действующих на ВСЕ части самолета. Для обычной, традиционной схемы модели, ее фокус определяется главным образом фокусом крыла (т.е. точкой приложения равнодействующей аэродинамических сил действующих на крыло, или, по-другому - центром давления). А положение фокуса крыла в свою очередь напрямую зависит от его профиля и углов атаки. Таким образом, с одной стороны - центровка самолета, с другой - профиль его крыла и эффективность хвостового оперения - вот, по большому счету, альфа и омега продольной устойчивости модели.

Теперь подробнее.

Очевидно, что если ЦТ находится впереди фокуса - модель продольно устойчива (в полете создается устойчивое равновесие). Правда, слишком передняя центровка приводит к снижению аэродинамического качества модели, да еще при этом может не хватить эффективности стабилизатора для компенсации пикирующего момента - самолет просто не взлетит. А если взлетит, то при посадке на малых скоростях обязательно "клюнет" носом если не с летальным исходом, то с большими неприятностями для стоек шасси, капота и пропеллера.

Если ЦТ находится позади фокуса, то в принципе модель - неустойчива. Однако в определенном диапазоне центровок - от совпадающей с фокусом до некоторой задней, самолет продолжает быть продольно устойчивым за счет демпфирующего момента стабилизатора.

Еще более задняя центровка представляет особый интерес. Такая модель крайне неустойчива в полете и пилот управлять ею без специальных технических средств не может. Однако применение систем стабилизации на основе гироскопов позволяет не только летать на таких самолетах, но и получать при этом заметные преимущества в выполнении фигур пилотажа. Характерно, что на турнире чемпионов (ТОС) в Лас-Вегасе большинство участников использовали электронную стабилизацию для изменения коэффициента устойчивости в полете на разных фигурах. Но это тема отдельного разговора.

Чувствуете, куда я клоню? Все по законам жанра: очень задняя центровка - никуда не годится, очень передняя - тоже не сахар, значит...

Действительно, оптимальная величина продольной устойчивости достигается, если ЦТ лежит вблизи фокуса модели с небольшим запасом (ЦТ может менять свое положение в полете, например при расходе топлива, при уборке - выпуске шасси и т.д.). Остается выяснить, где находится фокус модели, который, как мы договаривались, для обычных схем в большой степени зависит от фокуса крыла.

Фокус крыла определяется центром давления его профиля, который в общем случае не стоит на месте. Его положение в той или иной степени зависит от относительной кривизны и угла атаки. Проще всего с профилям, близкими к симметричным. У них центр давления, как правило, находится на 25% САХ (средней аэродинамической хорды) и практически не зависит от угла атаки. К примеру, у профиля NACA 2415 (относительная кривизна 2% на 40% длины хорды, относительная толщина 15%) в диапазоне углов атаки от 4 до 18 град. центр давления практически не изменяет своего положения и отстоит от носка профиля на расстояние, соответствующее 25% САХ. У профиля CLARK YH, отличающегося несколько большей кривизной, в том же диапазоне углов атаки перемещение центра давления еще вполне приемлемо. Для профиля же с 6% -ной относительной кривизной (кроме того, еще и довольно тонкого) это перемещение весьма заметно.

Существуют профили, у которых центр давления вообще не перемещается. Однако на моделях они практически не используются (кроме аппаратов типа "летающее крыло"), т.к. их аэродинамические качества значительно ниже, чем у обычных профилей.

Кроме того надо заметить, что использование механизации крыла, например, посадочных щитков, создающих эффект увеличения кривизны профиля, даже у профиля NACA 2415 приводит к заметному изменению положения центра давления.

Изменение положения центра давления профиля явление весьма неприятное. Механизм тут простой. При оптимальном взаимном расположении ЦТ и фокуса модели в строго горизонтальном полете (ЦТ вблизи фокуса с небольшим запасом), модель нормально устойчива. При изменении угла атаки центр давления профиля начинает перемещаться (не в лучшую сторону), взаимное расположение ЦТ и фокуса - изменяется, и мы сразу вторгаемся в область центровок позади фокуса, т.е. в область неустойчивости. Как было упомянуто, размер области задних центровок, где модель продолжает быть продольно устойчивой, напрямую зависит от эффективности стабилизатора, которая пропорциональна произведению площади стабилизатора на квадрат его плеча, что прослеживается в конструкциях "длиннохвостых" пилотажек.

В принципе, надежная продольная устойчивость модели обеспечена, если площадь ее горизонтального оперения составляет 25% площади крыла, а расстояние между этим оперением и крылом соответствует примерно 2,5 средней хорды крыла. Приведенные соотношения учитывают практически все неблагоприятные факторы, влияющие на устойчивость.

Известна номограмма, с помощью которой по геометрическим характеристикам прототипа можно определить параметры его продольной устойчивости, характеризуемые коэффициентом продольной устойчивости.

К - коэффициент продольной устойчивости;
А = S оп / S кр - отношение площади горизонтального оперения к площади крыла;
L = L пл / h - отношение расстояния от крыла до горизонтального оперения к средней хорде крыла.

В целом можно сказать:

• Продольная устойчивость недостаточна при ее коэффициенте ниже 45;
• При коэффициенте продольной устойчивости от 45 до 55 должны быть предприняты все возможные мероприятия по ее улучшению;
• Продольная устойчивость достаточна при коэффициенте от 55 до 65;
• При коэффициенте выше 65 можно не применять профили с неизменным положением центра давления в широком диапазоне углов атаки;
• При коэффициенте выше 75 можно использовать профили с относительной кривизной до 5%;
• При более высоких значениях допустимо практически без опаски снизить продольную устойчивость.

Улучшить стабилизирующий эффект горизонтального оперения можно, использовав для него симметричный профиль относительной толщины около 12%. У радиоуправляемых моделей с действующим рулем высоты определенное повышение подъемной силы, а значит и большее стабилизирующее действие, может быть достигнуто уменьшением зазора между рулем и оперением. При меньшем зазоре распределение давления по определению лучше, особенно при отклонении руля. Действие горизонтального оперения зависит также от удлинения крыла и его положения относительно крыла. Однако эти параметры имеют подчиненное значение, с их помощью нельзя радикально улучшить устойчивость модели. Большое удлинение крыла оказывает такое же воздействие, как отнесение горизонтального оперения в зону, удаленную от спутной струи крыла, как, например, при использовании Т-образного оперения.

Напомню, что до сих пор мы говорили об обычных схемах самолета - прямое (или трапеция) крыло, хвостик, фюзеляж. Я плохо себе представляю моделиста, который для своего первого самолета выбрал бы схему "утка". Тем не менее для полноты картины, наверное, стоит упомянуть и другие схемы.

Продольную устойчивость модели со стреловидным крылом можно улучшить круткой крыла. Здесь возможна как чисто геометрическая (максимум до 4 град.), так и аэродинамическая крутка. В последнем случае речь идет о переходе несущего корневого профиля к симметричному профилю на законцовке крыла. Получила распространение комбинация обеих круток, благодаря которой кроме улучшения продольной устойчивости эффективно снижается индуктивное сопротивление. Крутка крыла широко применялась на планерах-бесхвостках схемы "чайка".

Продольная устойчивость на самолетах схемы "утка" тоже определяется взаимным положением ЦТ и фокуса крыла, однако демпфирования от переднего стабилизатора нет, а центровки применяются очень передние.

Продольная устойчивость бесхвосток достигается применением специальных профилей с т.н. S-образной средней линией. У таких профилей центр давления так же перемещается при изменении угла атаки, но в противоположную сторону.

Особняком стоят бипланы и другие многокрылые аппараты. Проблемы их устойчивости выходят за рамки настоящей статьи. Нельзя объять необъятное, как говаривал Козьма Прутков.

Поперечная и путевая устойчивость

Известно, что поперечная устойчивость модели взаимосвязана с путевой. Поэтому рассматривать их нужно в комплексе. Сразу оговоримся, большая поперечная устойчивость нужна учебным и свободнолетающим самолетам. Для пилотажек и продвинутых тренировочных моделей поперечная устойчивость должна быть нулевая. Путевая (курсовая) устойчивость тоже не должна быть слишком высокой. Чрезмерное ее значение препятствует вхождению в штопор, который вырождается в спираль, кроме того, при большом значении путевой устойчивости и ненулевом V крыла, поперечная устойчивость самолета ухудшается.

Для повышения поперечной устойчивости используют несколько конструктивных приемов. Это может быть получение устойчивости за счет поперечного V крыла. Тут лучше всего дело обстоит с высокопланами, т.к. у них центр тяжести лежит ниже фокуса, т.е. создается устойчивое равновесие. Кроме того, на высокопланах часто применяется фюзеляж с большой боковой поверхностью. У большинства низкопланов вследствие неустойчивости положения центра тяжести необходимо увеличивать угол поперечного V крыла модели.

Применение стреловидных крыльев тоже повышает поперечную устойчивость. Поперечная устойчивость дельт-бесхвосток обусловлена именно стреловидностью крыла.

Что касается путевой устойчивости, то в общем случае считается, что модель будет иметь достаточную путевую устойчивость, если площадь киля составляет 10% площади крыла, а расстояние между ними соответствует 2,5 средним хордам крыла. Если киль расположен на том же расстоянии, что и горизонтальное оперение, как это в большинстве случаев и бывает, то площадь киля принимают равной 1/3 площади этого оперения. При таком соотношении площадей путевая устойчивость вполне достаточна.

Еще кое-что о профилях

Несмотря на громадный выбор, в авиамоделизме реально используется чуть больше двух десятков профилей. Вот некоторые из них. Профили от NACA 0009 до NACA 0018 являются симметричными, а поскольку их относительная толщина составляет от 6 до 12%, они применяются, прежде всего, для поверхностей хвостового оперения. "Классические" для пилотажных моделей профили имеют относительную толщину от 16 до 18%. Профили NACA 23009 - NACA 23018 являются полусимметричными, они широко используются не только на моделях, но и на настоящих самолетах. Центр давления у них изменяет свое положение незначительно. По-настоящему универсальным можно назвать полусимметричный профиль CLARK Y. Его можно применять как на радиоуправляемых, так и на свободнолетающих моделях. Симметричные же профили могут считаться профилями с неизменным положением центра давления, однако, к сожалению, они развивают небольшую подъемную силу и при больших углах атаки склонны к неожиданным срывам потока без заметного перехода.

У профиля EPPLER 374 максимальная толщина отнесена далеко к задней кромке, вследствие чего его обтекание остается ламинарным в широких пределах. Он применяется преимущественно на скоростных моделях, а также на тяжелых планерах. Изменение положения центра давления у него довольно значительно.

Профиль крыла следует выбирать таким, чтобы изменение положения центра давления было минимальным. При этом предполагается, что профиль горизонтального оперения симметричен. Если необходим хорошо несущий профиль с неизменным в широких пределах положением центра давления, то следует выбирать NACA M6 или CLARK YH.

Вот и все. На первый случай этих сведений вполне достаточно, чтобы, так сказать, "въехать в тему", поддержать умный разговор с моделистами, и главное, грамотно выбрать прототип для будущей модели. Я намеренно избегал сложных расчетов по хитрым формулам. Моделист, который в душе конструктор, сам к ним придет, а летчику достаточно навскидку определить, с чем он имеет дело.

Вот он - грамотный прототип

Так вот, опираясь на вышеизложенное, попробуем представить, как может выглядеть модель для первоначального обучения пилотированию. Скорее всего это будет высокоплан с удлиненным фюзеляжем, развитыми горизонтальным оперением и килем, профилем крыла CLARK YH и, если c элеронами, то с небольшим поперечным V, а если без элеронов, то с поперечным V побольше.

А теперь посмотрите на "Картоныча"...

Дальше дело за вами. Можно, взяв за основу геометрию "Картоныча", сделать цельнобальзового красавца (если есть деньги и время), можно попытаться сконструировать аппарат из доступных материалов (если денег маловато), можно этого самого "Картоныча" купить (если времени нет), если нет ни времени, ни денег - бросьте заниматься авиамоделизмом. Говоря: взять за основу геометрию самолета, я имею ввиду главные размерения, соотношение площадей, веса, профили и т.п. Внешний облик, а тем более, конструкция, материалы могут быть любые. Здесь есть простор для творчества. Кроме того, можно улучшить летные характеристики модели методами, о которых упоминалось выше.

Мало ли кто что напридумывал...

"Не верю..."

(К. Станиславский)

При внесении изменений в прототип бережно относитесь к аэродинамической схеме. Если изменяете ее, то проводите проверочные расчеты.

Типичный случай. Некий моделист заявляет: "Я такой самолет уже делал. Летает безобразно. Болтается, как... в проруби". Странно, самолет известный. Начинаешь выяснять, в чем дело. Оказывается, при внесении изменений в прототип под свою технологию и материалы он изменил профиль крыла - чуть-чуть. Не понравилось, что рулевая машинка выступает за плоскость. Ему и невдомек, что из предусмотренного профиля CLARK YH у него получился профиль близкий к EPPLER375, у которого при углах атаки в диапазоне от 4 до 25 градусов центр давления перемещается в довольно широких пределах. Чтобы модель с крылом такого профиля имела достаточную продольную устойчивость, ее горизонтальное оперение должно быть намного более эффективным. Улучшить стабилизирующий эффект горизонтального оперения можно было бы, использовав для него симметричный профиль относительной толщины около 12%. Подъемная сила, развиваемая таким профилем, примерно на 10% больше, чем у плоского, который применяется для простоты изготовления. Но моделист не был конструктором, он был летчиком.

Вообще, изменения, вносимые в прототип должны преследовать вполне определенные четко сформулированные цели - ради чего менять. Нельзя улучшить прототип вообще. Можно улучшить внешний вид, но тогда надо быть готовым к тому, что самолет станет более трудоемким, а значит, дороже. Или наоборот, подчинить изменения простоте изготовления и уменьшению стоимости, но тогда, возможно, он потеряет изящность, а всем известно, что некрасивые самолеты плохо летают. Замена материалов - чревата серьезными конструктивными переделками силовой схемы и, как правило, увеличением веса аппарата. И т.д. Опытные моделисты доводят модель годами, улучшая ее постепенно, от образца к образцу приближаясь к оптимуму. И если взять такую модель за прототип и начать курочить… Хорошие конструкторские решения никогда не лежат на поверхности. Не считайте себя заведомо умней разработчика прототипа. Если вам кажется, что какой-то узел можно сделать проще и лучше, то постарайтесь понять, а почему же автор сделал по-другому? Если уверены в своей правоте - делайте по-своему. Потом, возможно, вы поймете, в чем было дело, да будет поздно.

Совет начинающим. Если вы решили сами сделать модель (особенно если это ваша первая модель), стройте самолет по известному, проверенному прототипу, лучше из посылки. Не пытайтесь сразу вносить в прототип существенные изменения. Стройте модель, как она есть. Это даст вам возможность прощупать ее в буквальном смысле слова, понять идею, заложенную автором в модель. Вполне возможно, что в процессе постройки к вам будут приходить мысли по модернизации, улучшению и т.д. Мой совет - воздержитесь от немедленного претворения их в жизнь, лучше запишите и используйте в процессе постройки следующей модели, когда за прототип вы возьмете уже построенный вами самолет.

Кстати, вариации на тему того или иного прототипа - обычная практика моделистов. Как правило, строится ряд моделей имеющих одного предка с последовательно вносимыми изменениями. Зачастую последняя модель напоминает исходную лишь отдаленно. Иногда в ряду получается выдающийся самолет (не обязательно последний), он-то и становится прототипом для самолетов других моделистов. Не надо понимать разработку темы буквально, как постройку ряда однотипных самолетов подряд (хотя и такое бывает, у спортсменов например). Обычно у моделиста находится в разработке несколько тем. Между экземплярами моделей в ряду может пройти не один год. И все-таки, каким бы опытным моделист ни был, открывая новую тему, он старается сделать первый образец, по возможности строго следуя прототипу "как он есть".

"- А есть такой же, но без крыльев?

Будем искать..."

(Бриллиантовая рука)

Многие начинающие моделисты хотят начать с постройки если не точной копии, то, по крайней мере, модели похожей на настоящий самолет. Что можно сказать по этому поводу? Да ради бога! Если не получится, то вы просто потеряете деньги и время, но зато реально оцените свои силы и приобретете опыт, который тоже дорогого стоит. У настоящего моделиста неудача (а от неудач никто не застрахован) не отобьет охоты заниматься любимым хобби. Однако конструирование модели-копии имеет особенности, о которых следует упомянуть.

Одним из параметров подобия модели и ее прототипа является равенство для них чисел Рейнольдса. С достаточной точностью это число равно Re = 70vh , где v - скорость полета, м/с; h - хорда крыла, мм.

Например, для спортивного самолета, у которого хорда крыла равна 1500 мм, скорость полета - 100 м/с (360 км/ч) Re = 70х100х1500 = 10500000. Для модели этого самолета, выполненной в масштабе 1:10, хорда крыла равна 150 мм, скорость 10 м/с (36км/ч) получаем число Рейнольдса Re = 70х10х150 = 105000, т.е. в 100 раз меньше. Такая разница исключает прямой перенос аэродинамических характеристик с прототипа на модель.

Вообще, убеждение, что точное копирование геометрии прототипа, обладающего высокими летными качествами, обеспечит хорошие летные характеристики модели, опасное убеждение. Практика показывает прямо противоположное. Лишь в немногих случаях точная копия отвечает специфическим требованиям к аэродинамике модели, в частности к ее устойчивости. Поэтому при громадном разнообразии типов и конструкций самолетов, выбор прототипа для модели является не простой задачей. Именно поэтому авиамодельные фирмы для своих серийных моделей-копий используют всего полтора-два десятка прототипов. Мало того, чтобы самолет, модель которого хочется построить, нравился. Как правило, при ближайшем рассмотрении простой расчет по номограмме показывает, что устойчивость модели будет явно недостаточна. Что делать? Ответ очевиден - улучшить устойчивость модели, например, удлинить фюзеляж, изменить соотношение площадей, развить хвостовое оперение, увеличить поперечное V крыла и т.д. Правда, может получиться так, что после проведения всех этих мероприятий модель окажется мало похожей на свой прототип.

И наконец, это уже мое личное мнение, какой выбрать самолет? Пусть меня назовут пещерным русофилом, но я никогда не буду строить фашистский Fw-190. Тем более что замечательных русских самолетов, хорошо летающих и красивых, очень много. Тут вообще непаханое поле для моделиста. Кроме того, приятно выйти в поле с нашим самолетом, когда все вокруг летают на импортных серийных аппаратах. Характерно, что наши самолеты, например, времен 2-й мировой войны, отлично масштабируются с минимальными искажениями, их конструкцию зачастую можно впрямую переложить на модель. Но окончательный выбор, конечно, за вами. Вам строить, вам и летать.

От автора

Огромную помощь в написании главы об основах аэродинамики автору оказал наш коллега, Владимир Васильков, за что ему большое спасибо. Практически это наша совместная работа, где вклад соавтора больше, чем мой.

Номограмма и некоторые другие примеры взяты из книги Р. Вилле "Постройка летающих моделей копий" пер. с нем. В.Н. Пальянова.

Александр Марксович Гайфуллин

Авиастроение — важнейшая ветвь современной индустрии. Между самолётостроительными фирмами (включая связанные с ними научные институты) идёт состязание, цель которого — создание изделий, превосходящих аналоги конкурентов: для пассажирских и грузовых самолётов — по безопасности, экономичности, экологичности; для военных самолётов — по боевым качествам. Для исследований в современной авиационной науке свойственно использование адекватных математических моделей, основа которых — чёткое понимание физики
исследуемых явлений. Разработка и конструирование новых самолётов невозможны без применения «высокоматематизированных» наук, таких как аэродинамика, теория управления, прочность.

Аэродинамика — наука, изучающая взаимодействие воздушного потока и обтекаемого им тела. Скорость самолёта настолько велика, что обтекающий его поток становится турбулентным. Турбулентное течение отличается от «спокойного» ламинарного течения хаотическим изменением его характеристик по времени (скорости, давления и др.), приводящим к интенсивному перемешиванию газа, к возникновению вихрей. Основная математическая проблема турбулентности — создание системы дифференциальных уравнений в частных производных, которая бы описывала произвольные турбулентные течения и которую можно было бы решать на современных компьютерах, — до сих пор не решена. Поэтому в настоящее время на основе уравнений математической физики создаются полуэмпирические модели турбулентности, пригодные для описания лишь узкого класса течений.

Как определяются аэродинамические характеристики самолёта? В основном двумя методами: экспериментальным и расчётным. Для проведения экспериментальных исследований в аэродинамических трубах создают модели самолётов — уменьшенные в несколько раз копии оригиналов. Это связано с тем, что размеры аэродинамических труб не позволяют проводить испытания с реальными самолётами. Но данные, полученные на испытаниях модели в аэродинамической трубе, пересчитать в характеристики самолёта простым масштабированием, учётом коэффициента подобия модели и реального самолёта нельзя.

Дело в том, что уравнения, которым подчиняются характеристики течения, достаточно сложные. Если привести их к безразмерному виду, т. е. выразить все размерные величины в характерных для данного течения параметрах, то в уравнения войдут безразмерные величины, которые носят имена выдающихся учёных: число Маха, число Рейнольдса, число Струхала и др. Для строгого подобия необходимо, чтобы все эти величины совпадали при реальном полёте самолёта и при испытаниях модели в трубе. Но конкретные свойства воздушного потока, который используется в трубе, не позволяют выполнить все критерии подобия. Кроме того, и в случае закрытой, и в случае открытой трубы тот факт, что поток не безграничен, сказывается на аэродинамических характеристиках.

Возникает задача пересчёта с модели на натурный самолёт интегральных характеристик (суммарных сил и моментов) и распределённых характеристик (значения в конкретных точках давления, температуры и др.). Эта задача решается проведением численного расчёта уравнений математической физики для двух полуэмпирических моделей: самолёта в безграничном потоке и модели самолёта в аэродинамической трубе. Аэродинамические характеристики самолёта получают, добавляя к данным, полученным на испытаниях уменьшенной копии самолёта в аэродинамической трубе, разность однотипных данных, полученных для двух описанных полуэмпирических моделей.

Казалось бы, почему не произвести расчёт сразу, не прибегая к эксперименту? Дело тут в точности. Точность экспериментальных данных, полученных в хороших аэродинамических трубах, в несколько раз выше точности расчёта.

Основная формула аэродинамики — связь подъёмной силы, действующей на крыло, со скоростью движения и циркуляцией (интенсивностью) вихревой системы, порождаемой самолётом. Эта формула была получена «отцом русской авиации» профессором Н. Е. Жуковским и доложена им на заседании Московского математического общества в 1905 году.

Крыло самолёта должно быть оптимальным. Один из наиболее важных параметров крыла — его качество: так называют отношение подъёмной силы к силе сопротивления. Для создания оптимального («качественного») крыла решаются задачи вариационного исчисления.

Теория управления. Полёт самолёта состоит из нескольких фаз: взлёта, набора высоты, крейсерского движения, разворотов, снижения, посадки. На каждом этапе самолётом необходимо управлять. Закрылок на крыле или руль высоты на хвостовом оперении — примеры органов управления. Система управления должна быть сконструирована так, чтобы простые движения пилота в кабине передавались и доходили до органов управления, вызывая соответствующие реакции. С другой стороны, система должна быть достаточно «умной», элементы её конструкции не должны выходить за границы безопасного режима.

Ещё одна задача — создание автопилота, способного управлять движением самолёта без вмешательства лётчика.

За все эти проблемы отвечает математическая теория автоматического управления самолётом, базирующаяся в основном на теории дифференциальных уравнений. С помощью этой же теории создаётся математическая модель пространственного движения самолёта, исследуются вопросы устойчивости полёта.

Прочность. Мало создать самолёт с хорошими аэродинамическими данными, необходимо, чтобы он не разрушился в полёте, чтобы его ресурс (долголетие) был достаточно высок. За решение этой задачи отвечает наука, которая называется прочностью.

Методами прочности исследуются упругие и пластические деформации элементов конструкции самолёта, рост трещин в обшивке самолёта (в материале обшивки изначально присутствуют микротрещины, которые со временем могут расти), разрушение конструкции.

Математический арсенал для решения задач прочности включает классические и современные методы уравнений математической физики, дифференциальных уравнений, вариационного исчисления, комплексного анализа, вычислительных разделов линейной алгебры.

Каждый, кто видел в иллюминаторе, как ведёт себя крыло самолёта в полёте, замечал достаточно большую амплитуду его колебаний. Дело в том, что для уменьшения амплитуды колебаний крыла необходимо увеличивать его вес, а у самолёта вес конструкций пытаются минимизировать. Поэтому от колебаний крыла избавиться на удаётся. Раздел механики, изучающий задачи математической теории колебаний и резонанса, — аэроупругость.

Методы решения. Обсудим методы решения математических задач, о которых говорилось выше.

Определяющие уравнения в реальных задачах очень сложны и априори невозможно понять, что получится при их решении.

В сильно упрощённых с практической точки зрения задачах иногда удаётся получить точное решение.
Большинство таких задач уже решено, хотя до сих пор находят неизвестные ранее точные решения уравнений Навье—Стокса или Эйлера. Но набор таких задач ограничен, и они далеки от практически важных задач.

В то же время исследование этих задач очень важно, поскольку точные решения создают физические образы — вихрь, пограничный слой и т. п., — из которых строится физическая картина изучаемого процесса, как из элементарных кирпичиков строится дом. Полученное представление о физике процесса позволяет среди множества математических моделей выбрать такую, которая в достаточной степени отражает свойства моделируемого процесса и даёт возможность технического поиска решения.

Один из способов решения — численный. Часто численное решение задачи сводится к системе линейных алгебраических уравнений.

Ещё один способ возможен при наличии в задаче малого параметра. Таким параметром может быть отношение хорды (ширины) крыла к его размаху, отношение вязких сил к инерционным (отношение силы трения между слоями газа к силе инерции этих слоёв), отношение ширины трещины к её длине. К настоящему времени развиты %асимптотические методы решения задач с малым параметром, которые изучаются в математической теории возмущений.

Приведём как пример решение задачи о подъёмной силе крыла большого удлинения (отношение квадрата размаха к площади крыла). Здесь два малых параметра — отношение вязких сил к инерционным и отношение хорды крыла к его размаху.

Благодаря первому параметру решение задачи можно определять не из уравнений Навье—Стокса (моделирующих движение газа с учётом трения между слоями), а из уравнений Эйлера (трение между слоями газа отсутствует). Благодаря второму параметру, каждое сечение крыла обтекается так же, как обтекалось бы крыло бесконечного удлинения с профилем, соответствующим профилю крыла в данном сечении. Тем самым задача обтекания трёхмерного крыла трансформируется в ряд более простых задач о двумерном (плоском) течении около профилей крыла.

Итак, благодаря этим двум параметрам задача стала намного проще, чем изначальная.

Требования к самолётам постоянно ужесточаются — экологические и экономические, по безопасности полётов и по комфорту пассажиров. Самолёты совершенствуются, во многом — благодаря математическим достижениям, которые воплощаются в технические решения.