ВЫПОЛНЕНИЕ МОДЕЛИ САМОЛЁТА ПО СХЕМЕ «ТАНДЕМ»
Коровина Полина Дмитриевна
Руководители:
Круглов Олег Владиславович
Сваровская Алла Ивановна
Новосибирск, 2016 год
Оглавление
Аннотация
Введение
Основная часть
Основные законы аэродинамики. Ключевые термины
Плюсы и минусы схемы «Тандем»
Правила техники безопасности
Проектирование и создание модели
Выводы
Использованные источники информации
Аннотация
аэродинамика модель самолет тандем
В предлагаемом проекте объясняются основные законы и понятия аэродинамики и авиастроения. Показываются особенности схемы «Тандем». В проекте систематизируется информация о самолётах схемы «Тандем» и изучаются плюсы его возможного применения в современном авиастроении. Приводятся выполненные для конструирования чертежи. Описывается ход работы при выполнении модели самолёта схемы «Тандем». Рассматриваются вопросы техники безопасности работы в мастерской.
Приведены фотографии, иллюстрирующие ход работы, сделан экономический расчёт.
Для выполнения проекта использовался следующий набор инструментов и материалов:
· Потолочная плитка из пенополистирола.
· Клей для пенопласта, приспособления для нанесения клея на место склеивания деталей.
· Канцелярский нож, ножницы, карандаши, линейка.
· Бумага для шаблонов.
· Доска для вырезания частей самолёта
Объем проекта составляет 20 страниц, в том числе различных иллюстраций - 28, таблиц- 7.
Введение
Актуальность
В настоящее время я учусь в 8 инженерном классе Лицея №22 города Новосибирска. Ещё давно я поняла, что меня интересуют такие предметы, как физика и черчение. В этом году я получила возможность дополнительно обучаться авиамоделированию. Авиамоделирование является практической, испытательной частью аэродинамики, с помощью которой у меня появилась возможность на практике познакомиться с законами, которым «следуют» все тела, взаимодействующие с воздушной оболочкой земли.
Мне было невероятно интересно изучать теорию аэродинамики, современное авиастроение.
На одном из занятий мы разбирали различные виды схем самолётов, их отличия, плюсы и минусы. После занятия я поняла, что хочу сконструировать собственную модель, изучить её свойства, понять, чем же она отличается от остальных и наглядно применить все полученные мною знания.
Объектом моего изучения я выбрала схему «Тандем». Её главной особенность является необычное взаиморасположение крыльев. Они установлены одно за другим в горизонтальной плоскости. На практике эта схема используется в самолётах, предназначенных для перевозки тяжелых грузов, товаров.
Промышленность не стоит на месте, и с каждым годом вопрос грузоперевозки становится всё более и более актуальным. Существует несколько путей транспортировки грузов, и один из них - по воздуху.
Однако в настоящем времени эта схема обделена вниманием, и я считаю, что это несправедливо. Хотя «Тандем» и обладает рядом существенных минусов, их с лихвой компенсируют его плюсы.
Человек со временем познаёт всё более и более обширные «территории» знаний, покоряет всё новые и новые горизонты. Раздел авиастроения, основывающийся на такой молодой науке, как аэродинамика, всё ещё не изучен и обладает множеством глобальных пробелов, которые с течением времени пытаются заполнить учёные.
Одним из таких «пробелов», на мой взгляд, является схема самолета «Тандем».
Мой проект позволит задуматься о практическом применении самолёта такой схемы.
Цель: выполнение собственной модели самолёта типа "Тандем".
Задачи:
1. Познакомиться с законами аэродинамики и ключевыми терминами.
2. Рассмотреть плюсы и минусы выбранной модели самолета.
3. Познакомиться с требованиями к технике безопасности при работе в мастерской.
4. Спроектировать и изготовить собственную модель самолета.
5. Провести летные испытания.
Основная часть
Для того, чтобы в полной мере оценить значение схемы «Тандем» нужно познакомиться с теорией аэродинамики, её основными терминами и практическим применением.
Основные законы аэродинамики
Многотонные железные самолёты поднимаются в небо за счет подъёмной силы. Как же она возникает? Прежде разберемся со следующими понятиями:
Рис.1. Крыло самолёта
Крыло -- это основная часть самолета, планера и летающей модели. От размеров и формы крыла в плане и в поперечном сечении зависят лётные качества этих летательных аппаратов.
Наибольшее расстояние между концевыми точками прямого крыла называется размахом крыла. Наибольшая толщина обычно находится на расстоянии от носка, равном 20--40% хорды. Относительная толщина профиля -- это отношение наибольшей толщины к хорде. Ее выражают в процентах от длины хорды.
Профиль крыла Авиация, понятная всем - http://avia-simply.ru/profil-krila/ - поперечное сечение крыла, одна из основных составляющих, формирующих летательный аппарат (Рис.2.).
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.4. Иллюстрация закона Бернулли.
Рис.5. Аэродинамическая подъемная сила
Возьмем не слишком узкий горизонтальный шланг (рукав) из тонкой прозрачной резины и вольём в него воды под небольшим давлением. Вода быстро выльется через другой конец.
Если на этом другом конце окажется наполовину закрытый кран, вода будет выливаться медленнее и стенки рукава «раздуются», то есть скорость потока уменьшится и давление возрастёт.
При движении в воздушном потоке над крылом давление меньше, чем под ним. Из-за этой разницы возникает подъемная сила (рис.5.).
Она выталкивает крыло самолета и, соответственно, сам самолет вверх. Чем скорость выше, тем подъемная сила больше.
А если она равна весу, то самолет летит горизонтально. Скорость, в свою очередь, зависит от работы двигателя самолета.
В реальности самолет не летит строго горизонтально. Любое крыло расположено под углом к направлению движения. Существует такое очень важное понятие, как угол атаки. Определим его точнее.
Минимальное расстояние по прямой от носика профиля до его законцовки (между точками А и В) - это хорда профиля. А угол между хордой и направлением движения набегающего потока - это и есть угол атаки б (рис.6.).
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/м2.
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.