Вторник, 22.08.2017, 19:31
Приветствую Вас Гость | RSS
Четырнадцатая олимпиада посвящена 100-летию выдающегося советского авиаконструктора Р.Е.Алексеева
QR-код сайта
Форма входа
...
Главное меню
ОБЩАЕМСЯ
Архив
...
Грант Президента
Поиск
Система Orphus
Главная » Статьи » Архив работ » Тринадцатая олимпиада (2015/16 уч.год)

Моделирование электролета на основе аэродинамических законов физики
Семин Никита Александрович

Возраст: 17

СЮТ г.Ревда

Моделирование электролета  на основе аэродинамических законов физики

Введение. 3

 

1. Теоретическая часть. 4

1.1 Классификация электролётов. 4

1.2 Требования к полету электролета на соревнованиях. 4

1.3 Конструкция модели электролета. 4

 

2. Поисковая  часть. 5

2.1  Теоретическая справка. 5

2.2  Крыло и его характеристики. 7

 

3. Экспериментальная часть. 9

3.1. Выявление основных параметров и ограничений. 9

3.3 Физическая задача. 10

3.4 Технологическая последовательность изготовления электролета. 11

3.4.1. Подготовка рисунка и чертежа. 11

3.4.2. Сборка крыла. 12

3.4.3. Изготовление V-стабилизатора (руля высоты) 12

3.4.4. Выклейка фюзеляжа. 13

3.4.5.Сборка самолета. 13

 

Вывод. 13

 

Список литературы.. 15

 

 

Введение

Наблюдения людей за полетом птиц вселяло во многих из них веру, в возможность полета человека на крыльях с помощью своей мускульной силы. За свои смелые, но с самого начала обреченные на неудачу попытки летать, они часто расплачивались жизнью. Наиболее ярким примером таких полетов может служить дошедшая до наших дней легенда об Икаре и Дедале. Из российской истории можно выделить случай произошедший в XVI веке: боярский холоп Никитка на глазах царя Ивана Грозного и при большом скоплении люда с помощью крылатого аппарата сумел совершить удачный полет с колокольни. Но, несмотря на то, что полет оказался успешным, царь приказал отрубить холопу голову, а аппарат его сжечь.

Создание летательного аппарата является сложным и трудоемким занятием и без определенных навыков практически невозможно. Проблема заключается в том, что, существует бесчисленное множество моделей электролетов, своеобразие геометрии крыла электролета, дорогие  и импортные композитные материалы. Актуально ли сделать модель электролета, исключив композитные материалы, а использовать более доступную и дешевую сосну?

 Цель работы: смоделировать и изготовить электролет на основе аэродинамических законов физики, используя доступные материалы.

       Для достижения поставленной цели определены следующие задачи:  

1.Изучить литературу, посвящённую данной теме.

2. Осуществить необходимые расчёты

3. Смоделировать крыло.

4. Изготовить модель электролета с радиоуправлением.

5. Проверить летные качества электролета

 

 

1. Теоретическая часть

1.1 Классификация электролётов

В настоящее время во всем мире широкое развитие и устойчивое признание получили электролеты — радиоуправляемые авиамодели с электрическими двигателями. Высокая динамика развития данного типа моделей, большое количество уже занимающихся и только еще приобщающихся к этому интереснейшему и более чем перспективному классу заставили Международную федерацию авиационного спорта выделить радиоуправляемые модели электролетов в отдельную группу F5, в рамках которой сегодня значатся: F5A — пилотажные модели, F5B — модели планеров с электромоторами, F5C — модели электровертолетов и F5D — гоночные модели.  

 

 1.2 Требования к полету электролета на соревнованиях

Программа полета предусматривает выполнение в зачетном туре одного упражнения — "Продолжительность".

Суммарное время работы электромотора ограничено 60 секундами.

При старте с руки модель в моторном полете набирает высоту, после чего совершает безмоторный полет в термических потоках. Максимальное время полета в упражнении ограничено 300 секундами. Модель совершает посадку в круг диаметром 30 метров (15 очков), либо 15 метров (30 очков). В случае, если модель находилась в воздухе более 330 секунд, очки за посадку не начисляются; при этом время, превышающее 300 секунд, при подсчете результата вычитается из максимального времени полета (то есть 300 секунд). За каждую секунду безмоторного полета участник получает одно очко.

Пример расчета суммы очков участника соревнований в одном туре: принимаем, что общее время работы мотора составило 52 с, общее время полета с момента старта с руки до полной остановки модели при посадке—312 с, и посадка совершена в круг диаметром 30 м. Тогда результат составит (300—12)—52+15=251 очко.

 

  1.3 Конструкция модели электролета

Фюзеляжи электролётов изготавливаются методом формования в негативных матрицах из стеклоуглеара-мидных композиционных пластиков. Крыло и стабилизатор имеют трехслойную конструкцию — «сандвич» — с применением стеклоуглеродного композиционного пластика, наполнителя из бальзы или пенопласта и подслоя из стеклопластика. Лонжероны углепластиковые.

 

 

 

 

2. Поисковая  часть

2.1  Теоретическая справка

 

Почему  увлекся электромоделями. Но, как и любого моделиста меня привлекает возможность управлять моделью, а не просто следить за ее полетом. Приобретение аппаратуры  связано с определенными трудностями. Во-первых, это удовольствие крайне дорогое, во-вторых, нет возможности просто купить аппаратуру в магазине.

Рисунок 1. Модель «hawk 1500»

Определился с моделью. Прототипом послужила модель “hawk 1500” (Рисунок 1). Ее параметры: профильное крыло с плосковыпуклым профилем, размах 1500 мм, длина модели 925 мм, полетный вес 600гр. Нагрузка на крыло, это отношение полетной массы к площади крыла. Этот параметр в немалой степени влияет на характер полета модели. В полете на модель действуют несколько сил (Рисунок 2), сочетание которых не дает ей упасть. Первая сила, сила тяжести. Она всегда действует на модель самолета. Как и на любой из предметов, окружающих нас. И на нас она действует в том числе. Что же противодействует ей? Что держит модель в воздухе?

 

Рисунок 2. Силы, действующие на самолёт

Это - подъемная сила. Кроме этих двух сил на модель действуют сила тяги (винта, например) и сила сопротивления воздуха. При равномерном прямолинейном 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. Увеличение подъемной силы, создаваемой крыльями, влечет за собой подъем модели вверх. И наоборот, уменьшение подъемной силы влечет потерю высоты. Сила тяги винта изменяется тем, кто моделью управляет, но сила сопротивления воздуха всегда направлена противоположно движению модели. Эти четыре силы постоянно действуют на модель в воздухе, поэтому важно представлять, как изменение любой из них повлияет на поведение модели.[1] Подъемная сила создается движением частиц воздуха над и под крылом. Ее можно получить в случае, когда крыло модели движется относительно воздуха с некоторой скоростью, или если струю воздуха пустить мимо неподвижного крыла. Общая форма крыла показана на рисунке. Верхняя сторона крыла более выпуклая, чем нижняя. Однако, у различных типов моделей электролетов крылья делаются разной формы, в соответствии с тем, для какой цели он строится. Нельзя забывать, что любое изменение подъемной силы влечет за собой соответствующее изменение величины лобового сопротивления, независимо от того, было ли это вызвано изменением скорости или изменением угла атаки. Точка приложения равнодействующей подъемных сил всех отдельных участков крыла называется центром давления (ЦД). Угол, под которым крыло встречается с воздухом, называется углом атаки. Подъемная сила создается только в том случае, если этот угол не выходит из определенных пределов. Для каждого типа крыла, в зависимости от профиля, имеются определенные углы атаки, при которых создается подъемная сила. Если же выйти из этого предела, то лобовое сопротивление сильно увеличится, а подъемная сила станет ничтожной. Например, увеличение угла атаки до +15° дает максимальную подъемную силу и максимальное лобовое сопротивление.[2] Если бы мы продолжали увеличивать угол атаки выше максимального для данного крыла, то подъемная сила стала бы постепенно или быстро уменьшаться. Скорость, с которой подъемная сила уменьшается, характерна для каждого типа крыла. По мере падения подъемной силы, величина лобового сопротивления быстро увеличивается (Рисунок 3). В настоящее время имеется более тысяче видов профилей крыльев, и каждый имеет свои особенности.

 

 

Рисунок 3. Схема обтекания воздуха

              где:

Y — подъёмная сила (Н)

Cy — коэффициент подъёмной силы

ρ — весовая плотность воздуха на высоте полёта (кг/м³)

V — скорость набегающего потока (м/с)

S — характерная площадь (м²)

В книгах по аэродинамике не всегда имеются уточнения, о какой плотности и размерности подъемной силы идет речь, поэтому в спорных ситуациях нужно проверять формулы, сокращая единицы измерения.

 

2.2  Крыло и его характеристики

Рисунок 4. Схема крыла

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 (Рисунок 4).  

 

Поперечное сечение крыла, т. е. сечение его плоскостью, перпендикулярной размаху, называется профилем крыла. Разработано много различных форм профилей, но все они могут быть разделены на следующие четыре основных вида: двояковыпуклые симметричные, двояковыпуклые несимметричные, плосковыпуклые и вогнуто-выпуклые (Рисунок 5).

 

Рисунок 5. Профили крыла

Наибольшую подъемную силу дают вогнуто-выпуклые крылья. У двояковыпуклых крыльев подъемная сила несколько меньше, чем у вогнуто-выпуклых, но зато меньше лобовое сопротивление. Крылья плосковыпуклым сечением занимают промежуточное место, т. е. подъемная сила и лобовое сопротивление у них меньше, чем у вогнуто-выпуклых, но больше, чем у двояковыпуклых. Наименьшее лобовое сопротивление имеют крылья симметричных двояковыпуклых профилей. Передний край крыла, которым оно набегает на воздух, называют передней кромкой; задний край задней кромкой, а расстояние между ними — хордой крыла или хордой профиля. Абсолютная толщина профиля — это расстояние от верхней до нижней поверхности профиля в сечении, перпендикулярном хорде 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. При относительной толщине менее 8% профили считают тонкими, от 8 до 12% — средними и более 12% — толстыми. Чем толще профиль, тем больше его лобовое сопротивление, но зато, как правило, больше и подъемная сила. И наоборот, чем тоньше профиль, тем меньше его лобовое сопротивление и меньше подъемная сила. Средняя линия профиля (Рисунок 6).

 

Рисунок 6. Схема профиля

1-хорда профиля, 2-нижний обвод, 3-максимальная вогнутость, 4-средняя линия, 5-верхний обвод это геометрическое место точек, расположенных посередине отрезков, соединяющих верхнюю и нижнюю части контура и перпендикулярных хорде профиля. Кривизной профиля f называют стрелу прогиба средней линии относительно хорды профиля. Кривизна меняется по хорде и наибольшее значение обычно имеет на расстоянии от носка, равном 15—20% хорды. Относительной кривизной называют отношение максимальной кривизны к хорде. >Относительную кривизну профиля, как и относительную толщину его, задают в процентах хорды. Кривизна симметричных профилей равна нулю. Формы крыльев в плане разнообразны.

 

 

3. Экспериментальная часть

3.1. Выявление основных параметров и ограничений

 В начале работы необходимо определить основные параметры и ограничения предполагаемого изделия, диктуемые обстоятельствами, желаниями и возможностями. Нужно учесть  уровень личного мастерства, количество времени, необходимого для работы, а так же затраты на приобретение необходимого материала.

 

3.2 Выбор модели

Каждый автор в начале своей, работы задумывается над идеей. Что он хочет показать, воплотить, прежде чем решить эту задачу.  В ходе работы рассмотрено несколько вариантов моделей, выбор сделан в пользу скоростного электролёта.

 

 

Модели электролета

                                                                                 

  Аналог (электролет паритель)                    Мой выбор (скоростной электролет)        

 

 

Электролет за достаточно короткое время прошел огромный путь развития. От достаточно простых бальзовых наборных до суперсовременных композитных формованных моделей, соответсвующих высочайшим требованиям аэродинамики.

Анализ выбора

 Модель скоростного электролёта хороша тем, что она:

  1. Имеет прекрасные лётные качества
  2. Продолжительный полёт без двигателя
  3. Имеет V-образное оперение, которое обеспечивает более устойчивый полёт
  4. Обладает прекрасной аэродинамикой
  5. Высокая скорость

          И тут есть минусы:

  1. Необычной профиль крыла, что является трудностью при сборке

 

 

 

 

Выбор материала, инструментов, приспособлений, оборудования

Сравнительный анализ выбора материала для изготовления электролета представлен в

 таблице 1.

Таблица 1

Материал

Углепластик

Сосна

Тип

Композитный материал

Умеренно твердое

дерево, природный материал

Источник

Зарубежные страны

Средняя полоса России,   Урала, Сибири

Использование

Используется в строение корабельных мачт, в автостроение, в моделирование, а также для изделий, где необходима высокая прочность и легкость

Пиловочное бревно для вырабоки пиломатериалов. Судостроительный кряж. Карандашный кряж. Авиационный кряж. Тарный кряж. Шпальный кряж. Фанерный кряж. Мачтовое и гидростроительное бревно

Легкость в  приобретении

Очень трудно приобрести (оформление заказа заграницей либо у дилеров)

Можно свободно        приобрести в магазине

Прочность

Высокая

Высокая

Растяжимость

Средняя

Низкая

Твердость

Высокая

Выше среднего

Легкость

 

Легкий

Средняя

 

Выводы: в среднем углепластики обладают относительным удлинением при разрыве, весьма близком к древесине. Поэтому возможно заменить углепластик сосной, более доступный материал. Нагрузка на крыло должна составлять 40-50кг/м² при размахе крыла 1м. При том, что
пилотажка Pilotage Cap 232 EP, электро, ARF. Длина: 800 мм Размах крыла: 930 мм
Площадь крыла: 14.7 дм² весит примерно 600г. имеет нагрузку 41г/дм.кв
Пилотажка Spinell JR Models Длина: 1990 мм Размах крыла: 1950 мм весит 4,5кг: имеет нагрузку 63 г/дм2
пилотажная Extra 330L - 28% Длина: 2020 мм Размах крыла: 2290 мм полетный вес: 8400 гр нагрузка 88г/дм², при прочих равных условиях, чем больше модель тем большая нагрузка считается нормальной. Самолёты с высокой загрузкой крыла должны летать быстрее, чтобы держаться в воздухе. Самолёты с меньшей загрузкой не нуждаются в таком количестве воздуха, обтекающего крыло, чтобы создавать необходимую подъёмную силу. Электролеты попадают в эту категорию. 

 

3.3 Физическая задача

  Рассчитать нагрузку крыла электролета.  Нагрузка на крыло одна из основных характеристик модели. От неё зависит как модель будет летать.

 Удельная нагрузка на крыло (σ) - отношение веса летательного аппарата к площади несущей поверхности. Выражается в кг/м². При использовании термин часто сокращается до «нагрузка на крыло».

 

Площадь крыла (S) - это размах помноженный на среднюю геометрическую хорду (не путать со средней аэродинамической, есть разница).

-Размах крыла: a=1520 мм
-Средняя геометрическая хорда: b=145 мм

            Площадь крыла – S = a*b

           S=15,2дм*1,45дм= 22дм²

 

При определении нагрузки на крыло может учитываться площадь хвостового оперения,  а также фюзеляжа и других несущих плоскостей.

            -Длина: 925 мм

-Вес: 620г

Удельная нагрузка - σ

σ=

 σ=  = 28г/дм2

Вывод: Модель с малой удельной нагрузкой может лететь быстро, но весьма капризна к ветру.

 

3.4 Технологическая последовательность изготовления электролета

Этапы  изготовления электролета  с учетом полученных расчетов, аэродинамических законов физики и выбранных материалов.

3.4.1. Подготовка рисунка и чертежа.

Чтобы начать делать модель нужно узнать о ней как можно больше. В основном все чертежи я нахожу в Интернете или на кружке.  Чертёж — это документ, содержащий контурное изображение изделия и другие данные, необходимые как для изготовления, контроля и идентификации изделия, так и для операций с самим документом. Чертёж - один из видов конструкторских документов и, с другой стороны, - один из видов графической модели изделия. Когда изображают модель самолёта приёмами черчения, не полагаются на один глазомер и верность руки, а пользуются разными чертежными инструментами. От чертежа требуется точное воспроизведение размеров самолёта, в определённом масштабе (Рисунок 7).

                          Рисунок 7. Чертёж крыла

 

3.4.2. Сборка крыла

Крыло — поверхность для создания подъёмной силы.  На этом этапе начинается самое интересное.  Для того  чтобы собрать модель, нужно не забывать про чертёж и иметь терпение и креативное мышление.  Для изготовления крыла необходимо перенести чертеж крыла выбранного типа авиамодели.  Изготовить лонжерон, для этого использовать сосну.  Затем приклеить нервюры к лонжерону (Рисунок 8).  Нервюры изготовлены из бальзы.  Обшить крыло бальзой, затем приклеить переднюю кромку, законцовки и обработать их.  Вырезать элероны, подготовить отверстия под шарниры, атакже под провода сервомашинок.  Покрыть крыло эмолитом и отшлифовать (Рисунок 9). Обтянуть крыло плёнкой (Рисунок 10).

 

Рисунок 8. Лонжерон с нервюрами

 

 

 

Рисунок 10. Готовое крыло

 

 

 

3.4.3. Изготовление V-стабилизатора (руля высоты)

Рисунок 11. Собранный стабилизатор

Рисунок 12. Обтянутый стабилизатор

Руль высоты́ — аэродинамический орган управления самолёта, осуществляющий его вращение вокруг поперечной оси. Разработать эскиз стабилизатора. Изготовить части стабилизатора. Изготовить отверстия под шарниры. Изготовить уголок из стеклотекстолита в 110 градусов и вклеить его в стабилизатор, после закруглить кромки. Изготовить костыль и приклеить его к стабилизатору. Обтянуть стабилизатор плёнкой.

 

 

3.4.4. Выклейка фюзеляжа

Фюзеляж — корпус летательного аппарата. Связывает между собой крылья и оперение. Через форму выклеиваем фюзеляж, затем шлифуем и красим (Рисунок 13).

                            

Рисунок 13. Выклеенный и покрашенный фюзеляж

3.4.5.Сборка самолета

Заключительный этап. Все собираем вместе (Рисунок 14). Устанавливаем электронику.

Рисунок 14. Готовый электролёт

Вывод

Особенность разработки — отказ от применения углепластика и достаточно простая силовая схема. Несмотря на это, удалось добиться от модели хорошего аэродинамического качества. Данный профиль крыла способствует хорошему моторному взлету и улучшенным характеристикам планирования.

При полетах модель показала очень хорошие результаты. Отлично планирует, хотя больше предназначена для скорости. Несмотря на то, что углепластиковый лонжерон заменён сосновым,  модель выдерживает все возможные нагрузки (резкие повороты, петли).  Электролет получился замечательным и теперь показывает прекрасные результаты на соревнованиях!

 

Заключение

В ходе проведенной работы  изучены  понятия аэродинамики.

Авиамодель  практична  и  обладает определенными свойствами:

—устойчива, то есть, без вмешательства пилота держится в воздухе некоторое время.

—пригодна для ремонта.

—прочна.

В ходе выполнения данной работы поставленные задачи  были выполнены:

1.Изучена дополнительная литература по тематике работы

2. Произведены расчеты площади крыла и удельные нагрузки крыла

3. Смоделировано крыло.

4. Изготовлена  модель электролета с радиоуправлением.

5. Летные качества электролета испытаны в ходе соревнований  Первенство России по авиационным радиоуправляемым моделям. За достигнутые результаты в ходе соревнований получен диплом 1 степени.

 

 

Список литературы

  1. Голубев Ю. А., Камышев Н. И. Юному авиамоделисту: Пособие для учащихся. М.: Просвещение, 1979.

2.                  Ермаков А. М. Простейшие авиамодели. М.: Просвещение, 1984

3.                  Советский Энциклопедический Словарь, Москва, 1988

  1. Гаевский О.К. Авиамоделирование.М.:Патриот,1990.
  2. Свободная энциклопедия Википедия //Интернет ресурс: http://www.ru.wikipedia.org/wiki/
  3. Интернет ресурс: http://www.hiperton.narod.ru
  4. Интернет ресурс: http://www. BiblioFond.ru
  5. Интернет ресурс: http://www. worldofwarplanes.ru
  6. http://www.masteraero.ru/radio_mode_samolet-96.php
  7. http://skyflex.air.ru/pages/rce_about.shtml

 

 

[1] Гаевский О.К. Авиамоделирование.М.:Патриот,1990.

 

[2] Свободная энциклопедия Википедия //Интернет ресурс: http://www.ru.wikipedia.org/wiki/

 

Категория: Тринадцатая олимпиада (2015/16 уч.год) | Добавил: Service (30.12.2015) | Автор: Семин Никита Александрович W
Просмотров: 811 | Комментарии: 1 | Рейтинг: 4.5/6
Всего комментариев: 1
1  
Семин Никита АлександровичВозраст: 17СЮТ г.Ревда
ДОЛЖНО БЫТЬ В ОСНОВНОМ ТЕКСТЕ РАБОТЫ!! см. образец оформления.

Добавлять комментарии могут только зарегистрированные пользователи.
[ Регистрация | Вход ]
Переводчик
...
ВНИМАНИЕ!
14-Я ОЛИМПИАДА ЗАВЕРШЕНА!
ИТОГИ ПОДВЕДЕНЫ!
ПРИЁМ ЗАЯВОК НА УЧАСТИЕ В 15-Й ОЛИМПИАДЕ НАЧНЕТСЯ
1 ОКТЯБРЯ 2017 ГОДА!

Google+
Их многие читают
Збарский Даниил Павлович (12319)
Щур Илья Андреевич (11640)
Кузьминова Анастасия Олеговна (9097)
Бадакова Анастасия (9058)
Чеховская Алена Алексеевна (5263)
Рафаэль (4812)
Иванов Семен Владимирович (4730)
Кошманов Илья Игоревич (4599)
Беляева Александра Сергеевна (4590)
Пушинская Кристина Валерьевна (4060)
Мини-чат
Техподдержка
E-mail отправителя *:


Тема письма:


Текст сообщения *:



Форум техподдержки
Наш логотип
«Олимпиада Можайского»
Организатор

Copyright: Клуб авиастроителей ©2017