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.

Рисунки к патенту РФ 2453820

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.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

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.

Во время проектирования нового самолета необходимо проверить, насколько удачно выбраны форма и размеры, как послушен будет он управлению, как велико сопротивление, оказываемое самолетом в воздухе во время полета, и т. д.
В аэродинамических трубах испытывают небольшие модели, представляющие собой по форме точную копию проверяемого самолета. Модели самолета, которые для этого делают, называют аэродинамическими или продувочными моделями .
Аэродинамическая труба (фиг. 3) представляет собой в основной своей части цилиндрический канал, в котором с помощью вентилятора создается поток воздуха значительной скорости (обычно от 30 до 50 м/сек ).

Поместив в трубу (в рабочую часть) какую-либо модель: самолет, крыло, часть фюзеляжа с мотором и т. д., можно замерять силы, которые будут действовать на модель. Величину сил замеряют на специальных весах.
Модель подвешивается в трубе в середине рабочего пространства при помощи стальных проволок - расчалок. Чтобы придать подвешенной модели более устойчивое положение, снизу к ней подвешиваются на проволочках, пропущенных через нижнюю поверхность трубы, грузики.
Испытания в аэродинамической трубе имеют огромное значение в деле развития авиации. Они помогают найти наилучшие формы самолета и отдельных его частей.
Так, например, крылья самолета различаются по их поперечному сечению. Это сечение (или профиль) крыла может иметь весьма разнообразные формы (фиг. 4).

Для того чтобы оценить тот или иной профиль крыла (ту или иную дужку), изготовляют небольшую модель крыла (фиг. 5) и испытывают ее в аэродинамической трубе при различных скоростях и при различных положениях модели по отношению к потоку воздуха.
Само собой понятно, что для получения результатов, которые соответствовали бы действительности, необходимо, чтобы модель по форме в точности соответствовала строящемуся самолету и отличалась от него только размерами.

Поэтому изготовление моделей требует от столяра большой тщательности и добросовестности. Все размеры и формы, указанные в чертеже модели, должны быть тщательно соблюдены.
Особое внимание необходимо обращать на то, чтобы все криволинейные обводы были плавные, а модель была изготовлена из такого материала, который давал бы меньше искажений при усушке. Модель должна иметь устойчивую форму, независимо от изменений температуры и влажности воздуха в пределах комнатных температур.

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.

К сожалению, я ненашел ни одной статьи по аэродинамики "для моделиста". Ни на форумах, ни в дневниках, ни в блогах- ни где нет нужной "выжимки" по этой теме. А вопросов возникает море, особенно у новичков, да и те, кто считает себя "уже не новичком", зачастую не утруждают себя изучением теории. Но мы это исправим!)))

Сразу скажу, сильно углубляться в эту тему не буду, иначе это получится, как минимум научный труд, с кучкой непонятных формул! И тем более я не стану пугать вас такими терминами, как "число Рейнольдса"- кому будет интересно- можете почитать на досуге.

Итак, договорились- только самое нужное для нас- моделистов.)))

Силы, действующие на самолет в полете.

В полете самолет подвергается влиянию многих сил, обусловленных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). Сила тяжести остается всегда постоянной, если не считать уменьшения ее по мере расхода горючего. Подъемная сила противодействует весу самолета и может быть больше или меньше веса, в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперед. Силе тяги винта противодействует сила сопротивления воздуха (иначе лобовое сопротивление).

При прямолинейном и горизонтальном полете эти силы взаимно уравновешиваются: сила тяги винта равна силе сопротивления воздуха, подъемная сила равна весу самолета. Ни при каком ином соотношении этих четырех основных сил прямолинейный и горизонтальный полет невозможен.

Любое изменение любой из этих сил повлияет на характер полета самолета. Если бы подъемная сила, создаваемая крыльями, увеличилась по сравнению с силой тяжести, результатом оказался бы подъем самолета вверх. Наоборот, уменьшение подъемной силы против силы тяжести вызвало бы снижение самолета, т. е. потерю высоты.

Если равновесие сил не будет соблюдаться, то самолет будет искривлять траекторию полета в сторону преобладающей силы.

Про крыло.

Размах крыла - расстояние между плоскостями, параллельными плоскости симметрии крыла, и касающимися его крайних точек. Р. к. это важная геометрическая характеристика летательного аппарата, оказывающяя влияние на его аэродинамические и лётно-технические характеристики, а также является одним из основных габаритных размеров летательного аппарата.

Удлинение крыла - отношение размаха крыла к его средней аэродинамической хорде. Для непрямоугольного крыла удлинение = (квадрат размаха)/площадь. Это можно понять, если за основу возьмём прямоугольное крыло, формула будет проще: удлинение = размах/хорду. Т.е. если крылоимеет размах 10 метров а хорда = 1 метр, то удлинение будет = 10.

Чем больше удлинение- тем меньше индуктивное сопротивление крыла, связанное с перетеканием воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю через законцовку с образованием концевых вихрей. В первом приближении можно считать, что характерный размер такого вихря равен хорде- и с ростом размаха вихрь становится всё меньше и меньше по сравнению с размахом крыла. Естественно, чем меньше индуктивное сопротивление- тем меньше и общее сопротивление системы, тем выше аэродинамическое качество. Естественно, у конструкторов возникает соблазн сделать удлинение как можно больше. И тут начинаются проблемы: наряду с применением высоких удлинений конструкторам приходится увеличивать прочность и жёсткость крыла, что влечет за собой непропорциональное увеличение массы крыла.

С точки зрения аэродинамики наиболее выгодным будет такое крыло, которое обладает способностью создавать возможно большую подъемную силу при возможно меньшем лобовом сопротивлении. Для оценки аэродинамического совершенства крыла вводится понятие аэродинамического качества крыла.

Аэродинамическим качеством крыла называется отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления крыла.

Наилучшей в аэродинамическом отношении является эллипсовидная форма, но такое крыло сложно в производстве, поэтому редко применяется. Прямоугольное крыло менее выгодно с точки зрения аэродинамики, но значительно проще в изготовлении. Трапециевидное крыло по аэродинамическим характеристикам лучше прямоугольного, но несколько сложнее в изготовлении.

Стреловидные и треугольные в плане крылья в аэродинамическом отношении на дозвуковых скоростях уступают трапециевидным и прямоугольным, но на околозвуковых и сверхзвуковых имеют значительные преимущества. Поэтому такие крылья применяются на самолетах, летающих на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях.

Крыло эллиптической формы в плане обладает самым высоким аэродинамическим качеством- минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе. К сожалению, крыло такой формы применяется не часто из-за сложности конструкции, низкой технологичности и плохих срывных характеристик. Однако сопротивление на больших углах атаки крыльев другой формы в плане всегда оценивается по отношению к эллиптическому крылу. Наилучший пример применения крыла такого вида- английский истребитель "Спитфайер".

Крыло прямоугольной формы в плане имеет самое высокое сопротивление на больших углах атаки. Однако такое крыло, как правило, имеет простую конструкцию, технологично и имеет очень неплохие срывные характеристики.

Крыло трапецеидальной формы в плане по величине воздушного сопротивления приближается к эллиптическому. Широко применялось в конструкциях серийных самолетов. Технологичность ниже, чем у прямоугольного крыла. Получение приемлемых срывных характеристик также требует некоторых конструкторских ухищрений. Однако крыло трапецеидальной формы и правильной конструкции обеспечивает минимальную массу крыла при прочих равных условиях. Истребители Bf-109 ранних серий имели трапецевидное крыло с прямыми законцовками:

Крыло комбинированной формы в плане. Как правило, форма такого крыла в плане образуется несколькими трапециями. Эффективное проектирование такого крыла предполагает проведение многочисленных продувок, выигрыш в характеристиках составляет несколько процентов по сравнению с трапецеидальным крылом.

Стреловидность крыла — угол отклонения крыла от нормали к оси симметрии самолёта, в проекции на базовую плоскость самолета. При этом положительным считается направление к хвосту.Существует стреловидность по передней кромке крыла, по задней кромке и по линии четверти хорд.

Крыло обратной стреловидности (КОС) — крыло с отрицательной стреловидностью.

Преимущества:

Улучшается управляемость на малых полётных скоростях.
-Повышает аэродинамическую эффективность во всех областях лётных режимов.
-Компоновка с крылом обратной стреловидности оптимизирует распределения давления на крыло и переднее горизонтальное оперение

Недостатки:
-КОС особо подвержено аэродинамической дивергенции (потере статической устойчивости) при достижении определённых значений скорости и углов атаки.
-Требует конструкционных материалов и технологий, обеспечивающих достаточную жёсткость конструкции.

Су-47 "Беркут" с обратной стреловидностью:

Чехословацкий планер LET L-13 с обратной стреловидностью крыла:

По-простому, чем меньше нагрузка, тем меньшая скорость требуется для полета, следовательно тем меньше требуется мощности двигателя.

Средней аэродинамической хордой крыла (САХ) называется хорда такого прямоугольного крыла, которое имеет одинаковые с данным крылом площадь, величину полной аэродинамической силы и положение центра давления (ЦД) при равных углах атаки. Или проще- Хорда — отрезок прямой, соединяющей две наиболее удаленные друг от друга точки профиля.

Величина и координаты САХ для каждого самолета определяются в процессе проектирования и указываются в техническом описании.

Если величина и положение САХ данного самолета неизвестны, то их можно определить.

Для крыла, прямоугольного в плане, САХ равна хорде крыла.

Для трапециевидного крыла САХ определяется путем геометрического построения. Для этого крыло самолета вычерчивается в плане (и в определенном масштабе). На продолжении корневой хорды откладывается отрезок, равный по величине концевой хорде, а на продолжении концевой хорды (вперед) откладывается отрезок, равный корневой хорде. Концы отрезков соединяют прямой линией. Затем проводят среднюю линию крыла, соединяя прямой середины корневой и концевой хорд. Через точку пересечения этих двух линий и пройдет средняя аэродинамическая хорда (САХ).

Форма крыла в поперечном сечении называется профилем крыла . Профиль крыла оказывает сильнейшее влияние на все аэродинамические характеристики крыла на всех режимах полёта. Соответственно, подбор профиля крыла - важная и ответственная задача. Впрочем, в наше время подбором профиля крыла из существующих занимаются только самодельщики.

Профиль крыла - это одна из основных составляющих, формирующих летательный аппарат и самолет в частности, так как крыло все же его неотъемлемая часть. Совокупность некоторого количества профилей составляют целое крыло, причем по всему размаху крыла они могут быть разные. А от того, какие они будут, зависит назначение самолета и то, как он будет летать. Типов профилей достаточно много, но форма их принципиально всегда каплевидна. Этакая сильно вытянутая горизонтальная капля. Однако капля эта обычно далека от совершенства, потому что кривизна верхней и нижней поверхностей у разных типов разная, как впрочем и толщина самого профиля. Классика - это когда низ близок к плоскости, а верх выпуклый по определенному закону. Это так называемый несимметричный профиль, но есть и симметричные, когда верх и низ имеют одинаковую кривизну.

Разработка аэродинамических профилей проводилась практически с начала истории авиации, проводится она и сейчас.Делается это в специализированных учреждениях. Ярчайшим представителем такого рода учреждений в России является ЦАГИ - Центральный аэрогидродинамический институт имени профессора Н.Е. Жуковского. А в США - такие функции выполняет Исследовательский центр в Лэнгли (подразделение NASA).

THE END?

Продолжение следует.....

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!