Рис.2. Профиль крыла

Рис.3. Примерные формы профилей крыльев скоростных самолетов: а -- для околозвуковых скоростей; б -- для сверхзвуковых скоростей полета

Совокупность некоторого количества профилей составляют целое крыло. По всему размаху крыла они могут быть разными. От того, какими они будут, зависит назначение самолета и то, как он будет летать.

Например, скоростной и высотный самолет всегда имеет тонкий профиль крыла с острой передней кромкой Аэродинамичсекие формы скоростных реактивных самолетов (самолет МИГ15 БИС) - ^{http://aviaciaportal.ru/ajerodinamicheskie-formy-skorostnyh-reaktivnyh/} (Рис.3.).

Воздух, обтекая крыло самолета, разделяется на два потока: над крылом и под ним. Нижний поток протекает, как ни в чем не бывало, а верхний сужается, ведь профиль крыла - выпуклый! Для того чтобы в верхнем потоке проходило то же количество воздуха и за такое же время, как и в нижнем, ему нужно двигаться быстрее - ведь сам поток стал уже.

Происходящие явления объясняет закон Бернулли (Рис.4.) Научно-технический энциклопедический словарь - http://dic.academic.ru/dic.nsf/ntes/1620/%D0%97%D0%90%D0%9A%D0%9E%D0%9D: для стабильно текущего потока (газа или жидкости) сумма давления, кинетической энергии на единицу объема и потенциальной энергии на единицу объема является постоянной в любой точке потока. Этот закон очень просто иллюстрируется.

Рис.6. Угол атаки

Угол атаки крыла (несущей поверхности летательного аппарата) является одной из ключевых характеристик в эксплуатации летательного аппарата и при решении задач динамики полета. Угол атаки влияет на подъемную силу крыла, находясь с ней в прямой пропорциональности.

Но увеличение угла атаки также приводит и к увеличению индуктивного сопротивления (собственного сопротивления крыла или несущей поверхности самолета), (рис.7.).

Рис.7. Обтекание профиля в зависимости от угла атаки и силы, действующие на него. Красным показано повышенное давление, синим пониженное

Еще важные понятия аэродинамики…

Центр жёсткости -- точка приложения внутренних сил упругости в данном поперечном сечении конструкции.

Центр давления -- это точка тела, в которой пересекаются: линия действия равнодействующей сил давления на тело окружающей среды и некоторая плоскость, проведённая в теле.

Флаттер (от англ. Flutter -- дрожание, вибрация) -- сочетание самовозбуждающихся незатухающих изгибающих и крутящих автоколебаний элементов конструкции летательного аппарата.

Тангамж (фр. Tangage -- килевая качка)-- угловое движение летательного аппарата относительно главной (горизонтальной) поперечной оси инерции.

Угол тангажа -- угол между продольной осью летательного аппарата или судна и горизонтальной плоскостью Википедия, https://ru.wikipedia.org/wiki/Тангаж - https://ru.wikipedia.org/wiki/Тангаж

Несовпадение центра жёсткости с центром давления и недостаточная жёсткость конструкции крыла могут стать причиной флаттера и последующего разрушения самолёта. Википедия, https://ru.wikipedia.org/wiki/Центр_давления .

Самолет в прямолинейном полете сбалансирован. Для перехода в набор отклоняется стабилизатор (руль высоты). Появляется управляющая сила, которая поворачивает самолет вокруг поперечной оси. Кроме подъемной (Y), есть еще одна сила аэродинамического характера. Это сила сопротивления воздуха (X). Сопротивление имеет немалую величину и особенно при наличии угла атаки ее нельзя не учитывать. Обе эти силы в сумме составляют величину, которая называется полная аэродинамическая сила (R). Приложена она в точке с названием центр давления. Здесь воздух «давит» на профиль посредством этой самой силы (Рис.8.).

Рис.8. Разложение аэродинамической силы R на составляющие X, Y, Z в связанной системе

Рис.9. Примеры самолётов, основывающихся на схеме «Тандем»

В процессе поворота самолет поднимает нос (тангаж) до тех пор, пока сила эта не будет скомпенсирована и самолет опять не окажется сбалансированным в таком положении.

Одним из важных практических выводов, который сделали создатели первых летательных аппаратов, стало понимание принципиальной важности такого параметра, как удельная нагрузка на крыло - количество килограммов массы самолета, приходящихся на квадратный метр площади крыла. Средние персональные самолеты последних моделей типа «Цессна-152» (рис.10.) «Сессна-152» (англ. Cessna 152) -- лёгкий многоцелевой самолёт, двухместный моноплан с закрытой кабиной. Выпускался компанией «Сессна», с 1977 по 1985 год. Всего построено 7584 самолёта - https://ru.wikipedia.org/wiki/Cessna_152 имеют нагрузку на крыло порядка 50-60 кг/м². На заре авиации величина этого параметра обычно составляла 6-7 кг/м^2.

Пионеры авиации боролись за экономию каждой унции массы своих летательных аппаратов. Маломощные силовые установки тех лет делали каждый лишний килограмм массы конструкции самолетов серьезным препятствием на пути к желаемой цели.

Рис.10. Самолет последней модели типа «Цессна-152»

Плюсы и минусы схемы «Тандем»

В настоящее время схема «Тандем» практически не распространена. Я считаю, что это - довольно серьёзное упущение современной авиации, ведь «Тандем» имеет ряд серьёзных преимуществ.

- схема «Тандем» является идеальной схемой для самолёта, предназначенного для грузоперевозки:

- размах крыла при той же площади может быть уменьшен в два раза в сравнении с классической схемой, это делает его компактнее;

- при приземлении требуется намного меньше пространства, что намного удобнее в эксплуатации.

Нельзя не отметить имеющиеся недостатки в схеме «Тандем»:

- необходимость перемещения значительной дополнительной массы;

- требуется бульшая по величине управляющая сила;

- увеличивается балансировочное (лобовое, аэродинамическое) сопротивление (рис.12.) Лобовое сопротивление -- сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах - https://ru.wikipedia.org/wiki/%D0%9B%D0%BE%D0%B1%D0%BE%D0%B2%D0%BE%D0%B5_%D1%81%D0%BE%D0%BF%D1%80%D0%BE%D1%82%D0%B8%D0%B2%D0%BB%D0%B5%D0%BD%D0%B8%D0%B5.

Рис.11. Подъемная сила крыла и сила его лобового сопротивления

- увеличение массы планера; наряду с увеличением подъемной силы, возрастают аэродинамическое сопротивление и моменты инерции (рис.12.) Аэродинамические сила и момент - http://www.knowledge.su/a/aerodinamicheskie-sila-i-moment. Результат - возникает необходимость использования более мощной силовой установки.

Я бы хотела представить вашему вниманию историю, связанную с самолётами схемы «Тандем» и наглядно иллюстрирующую её плюсы.

Самолет-тандем или удачное спасение - поучительная история http://muz4in.net/news/samolet_tandem_ili_udachnoe_spasenie/2012-08-07-29566

Этот инцидент произошел в Англии в поселке Броклесби 29 сентября 1940 года (рис.12.).

Группа самолетов марки Avro Anson летела на высоте 300 метров, совершая тренировочный полет. В момент резкого виража капитан одного из самолетов по фамилии Фуллер потерял из виду самолет, которым управлял капитан Хьюсон, в результате чего два самолета столкнулись.

Рис. 12. Удачное спасение с участием самолета-тандема

У самолета, который оказался "сверху" вышли из строя двигатели, а у нижнего двигатели заклинило на высоких оборотах, за счет этого оба самолета, находясь в сцепке, смогли удержаться в воздухе. Больше всего пострадал пилот Хьюсон, который оказался "нижним". Ему обломками изранило спину. Также нижний самолет потерял управление, но к счастью Фуллер, капитан "верхнего" самолета, к своему удивлению, обнаружил, что этот тандем он может вполне контролируемо вести (Рис.13.).

Он принял решение идти на посадку на поле рядом с селом Броклесби. Самолеты сели на брюхо, пропахали около 200 метров и остановились. Раны Хьюсона быстро зажили и после они вспоминали этот случай, как проверку на профессионализм и мужество, хотя были на волоске от смерти.

Схема «тандем» еще не исчерпала себя, быть может, она найдет себе достойное применение в самом ближайшем будущем.

Правила техники безопасности при работе над моделью

Проектирование и создание модели «Тандем»

Эскизное проектирование

Рис.13. Эскиз моей будущей модели

1. Познакомившись с теоретическими вопросами начала практическую часть своей работы. Я придумала, как будет выглядеть мой самолёт, и выполнила эскиз будущей модели в программе Paint (рис.14.).

2. Но, моя задумка, не подкреплённая теорией - всего лишь задумка. Я перешла к следующей стадии - стадии продумывания теоретической (аэродинамической) модели.

В Таблице 1 приведены фрагменты чертежа моей модели (Рис.15.).

Основным отличием, которое подразумевает моя модель - расположение крыльев в разных плоскостях. Заднее крыло находится значительно выше переднего. Такое решение позволило мне поместить винт, лопасти которого не будут задевать корпус при прокручивании.

Кроме того, я добавила симметричные «поплавки», которые смогут помочь моей модели приземляться не только на сушу, но и на воду без ущерба. Также, они выполняют функцию «регулятора» балансировки модели. Они компенсируют винт и двигатель, которые помещены сзади, т.е. исключают возможность нестабильного кабрирования (положительного тангажа).

Так как моя модель на практике могла быть предназначена для грузоперевозки и посадки на воду, то размещение винта выше корпуса становится ещё более существенным плюсом. Волны, которые могли бы попасть на лопасти при «приводнении» самолёта и привести к серьёзным последствиям при такой постановке теряют свою опасность.

Наконец, разобравшись со своей задумкой, я приступила к выполнению чертежа (рис.15.).

Я столкнулась уже с другими задачами. Возникла необходимость рассчитать удельную нагрузку на крыло (использовала площадь крыла и вес модели). У моделей выбранного класса она должна составлять около 25-35 г/дм2.

Расчёты - технический и экономический

3. Моя модель подразумевает радиоуправляемый полёт, поэтому помимо собственного веса модели, я должна учитывать и вес аппаратуры, (Рис. 16-18.).

Я подобрала значения, которые подойдут для проектирования модели.

M=m_аппар+m_собств?166+170?330(г)

S_крыла=2*(0,9*5)? 10(дм²)

F_уд=M/S=33г/дм²

Экономический расчёт

5. Выполнение модели. На рис. 19-20 приведены фотографии этапов работы над моделью:

1. Вырезание шаблонов из бумаги.

2. Вырезание деталей из пенополистирола

3. Шлифовка:

o Мест будущих соединений.

o Крыльев (для лучшей обтекаемости профиля).

4. Склеивание:

o Крыльев;

o Корпуса;

o Крыльев и корпуса.

5. Окончательная обработка изделия.

6. Испытание.

7. Корректировка взаимоположения центра давления и центра масс (с целью исключить непроизвольный тангаж).

Выводы

Выполнив этот проект, я ещё раз поняла, что мне невероятно интересно работать с такими предметами, как физика, черчение и технология.

Я собираюсь продолжить работать в направлении авиаконструирования.

Выполнив модель, я смогла испытать и сравнить её с другими моделями. Мой самолет «Тандем» оказался наиболее устойчивым, выдерживал наиболее сильные порывы ветра.

Я ещё раз убедилась в том, что он мог бы иметь большое практическое применение. Мне представляется, что проект поднимает вопрос актуальности самолётов схемы «Тандем» в современной авиации.

Затраты, ушедшие на реализацию модели оказались мизерными - всего около ста рублей. Кроме того, я смогла испытать мой «самолёт» в режиме радиоуправления.

Список литературы, использованное программное обеспечение:

Размещено на Allbest.ru