Автор: Валеев Алан Алекович

Возраст: 14 лет

Место учебы: МБОУ СОШ с. Райманово 

Город, регион:  г. Туймазы, республика Башкортостан.

Руководитель: Сафаргалиева Фируза Азхаровна ( учитель математики МБОУ СОШ с. Райманово)

Историко-исследовательская работа " История создания планеров с гибким крылом"

План:

Ведение

Глава 1.Теоретическая часть

1.1    Что такое дельтаплан?

1.2    Почему летает дельтаплан? 

1.3    История создания дельтаплана 

1.4    Крыло Рогалло

1.5    Рождение дельтапланеризма

1.6    Развитие крыла Рогалло

Глава 2.Практическая часть

2.1 Описание этапов исследования

Заключение

Источники информации

Введение

Эта работа посвящена истории создания дельтаплана. Дельтапланами я заинтересовался после того, как побывал на дельтадроме Юца в Ставропольском крае,и совершил полет на дельталете. Дельтаплан - это небольшой по размеру и весу летательный аппарат, что позволяет пилоту, стартовать и  приземляться  на ноги.

История создания дельтаплана связана с именем Френсиса Мелвина Рогалло. Он придумал и запатентовал  гибкое крыло, треугольной формы, которое называют именем его создателя, крылом Рогалло.

Дельтапланеризм – это молодой вид спорта, свой отсчет он ведет с 1971 года. Но планеры с гибким крылом можно применять в других областях, в частности дельталеты, в сельском хозяйстве - для обработки полей, в лесном хозяйстве - для  обнаружения пожаров и имеется возможность применения во многих других сферах.

Предполагаю, что именно совершенствование формы крыла Рогалло способствовало развитию дельтапланеризма как спорта.

Цель исследования, изучить историю создания планеров с гибким крылом, и  дельтапланы различных конструкций, что бы понять, повлияла ли эволюция формы крыла на становление дельтапланеризма.

Задачи

1)Изучить научную литературу и интернет источники по данной теме.

2)Изучить принципы полета дельтаплана.

3)Изучить особенности конструкции дельтапланов.

4)Создать уменьшенные копии дельтапланов с разной формой крыльев для сравнения летных характеристик.

5) Произвести расчеты площади, удлинения созданных моделей дельтапланов.

Объект исследования  история создания планеров с гибким крылом и сами дельтапланы разных поколений.

Предмет исследования  изменение формы крыла дельтаплана, как фактор, повлиявший на становление дельтапланеризма.

Теоретическая значимость этой работы состоит в систематизации материала по данной теме

Практическая значимость  в том, что  данное исследование находится на стыке нескольких наук. Полученные знания расширят мой кругозор и позволят глубже изучить разделы этих наук.

Методы исследования - изучение  литературы и поиск информации по данной теме, анализ полученных данных, выполнение простейших аэродинамических расчётов, изготовление и опытные запуски миниатюрных  моделей с последующей доводкой и регулировкой.

Глава 1 Теоретическая часть

1.1 Что такое дельтаплан?

Русский летчик и планерист К.К. Арцеулов писал: «Если вы захотите испытать подлинное чувство полета, полетайте на планере... Хотя бы пассажиром»[5]

Дельтаплан – это безмоторный летательный аппарат тяжелее воздуха, позволяющий парить, пролетая большие расстояния. В полете пилот находится в подвесной системе, это обеспечивает ему свободу телодвижений для балансирного управления.

Рис.1 Схема дельтаплана классической формы( крыло Рогалло)

Рис. 2 Конструкция дельтаплана:

1 – гибкая поверхность крыла (купол); 2 – центральный узел; 3 – верхние стяжки; 4 – мачта; 5 – килевая балка; 6 – носовой узел; 7 – боковая балка; 8 – поперечная балка; 9 – нижние растяжки; 10 – рулевая трапеция; 11 – подвесная система; 12 – латы [8]

1.2. Почему летает дельтаплан.

Дельтаплан подчиняется законам аэродинамики. Перемещаясь по воздуху крыло, производит подъёмную силу. Как правило, профиль крыла летательного аппарата несимметричен и по форме напоминает каплю.Передняя часть профиля - передняя кромка, ее закругляют. Задняя часть - задняя кромка, она делается конической, узкой. В полете на крыло действуют четыре основные силы, это – сила тяжести, подъемная сила, сила тяги и сила сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). 

Рис.3 Силы, действующие на дельтаплан

Если полет прямолинейный и горизонтальный, то эти силы взаимно уравновешены. Если соотношение этих четырех основных сил  меняется, то горизонтальный и прямолинейный полет невозможен, траектория полета летательного аппарата будет искривлена в сторону преобладающей силы.

Для понимания возникновения  подъёмной силы, необходимо исследовать феномен, открытый ученым Бернулли, названный принципом Бернулли: давление газа уменьшается там, где скорость газа увеличивается.  Бернулли обнаружил, что при движении газа, в данном случае воздуха, высокая скорость потока соответствует низкому давлению, а низкая скорость потока – высокому давлению. [11]

Уравнение Бернулли имеет следующий вид:

Где ρ - плотность жидкости, ν - скорость потока, h - высота, на которой находится рассматриваемый элемент жидкости, p - давление. 

У крыла верхняя часть более выпуклая, чем нижняя, и верхние струйки воздушного потока проходят больший путь.Количество воздуха, набегающего на крыло и стекающего с него, одинаково. Значит, верхние струйки, чтобы не отстать от нижних, должны двигаться быстрее. В соответствии с принципом Бернулли, если скорость воздушного потока под крылом меньше, чем над крылом, то давление под крылом, наоборот, будет больше, чем над ним. Разность давлений и создает аэродинамическую силу, одной из составляющих которой является подъемная сила. [15]

Подъемная сила  возникает при обтекании не симметричного профиля потоком воздуха. Но,обычно, крыло не параллельно потоку воздуха, а расположено под углом к нему.   Поэтому еще одна важная составляющая – это угол атаки. Минимальное расстояние по прямой от передней кромки крыла до задней кромки называется хордой. Угол между хордой и направлением движения набегающего потока – это  угол атаки. Подъемная сила крыла увеличивается, при увеличении угла атаки, площади крыла, скорости полета, кривизны профиля и плотности воздуха. Если передняя часть крыла приподнята вверх, то подъемная сила и сопротивление возрастают. Но когда крыло задрано вверх слишком круто, дальнейший рост сопротивления приводит к тому, что дельтаплан теряет скорость, подъемная сила становится недостаточной, и дельтаплан падает на землю в неуправляемом штопоре. [14]

При высокой скорости полета, дельтаплан,имеет достаточную подъемную силу  для преодоления силы тяжести. Для набора высоты суммарная подъемная сила, действующая на крыло дельтаплана, должна превосходить вес пилота и дельтаплана. Дельтаплан остается в полете только в том случае, если крыло правильно отрегулировано для поддержания необходимого баланса действующих на него сил. [14]

Для регулирования высоты полета, пилот, находящийся в подвеске, выверяет угол полета летательного аппарата, перемещая управляющую перекладину. Выдвигая перекладину вперед, крыло поднимается, и дельтаплан набирает высоту, но теряет скорость.Оттягивая перекладину назад, происходит снижение.

Рис.4 Регулирование высоты полета.      

Что бы осуществить поворот на дельтаплане пилот перемещает тело, в сторону поворота, относительно рулевой трапеции. 

У классического дельтаплана нет двигателя, он летит вниз. Но, атмосфера турбулентна, воздух движется. Движение  воздуха вверх позволяет дельтаплану взлететь  и набирать высоту. В полете высота теряется, когда дельтаплан пролетает через воздух, движущийся вниз или стоящий на месте.Пилот ищет поток воздуха,  движущегося вверх, для набора высоты. Парение делится на три типа: волновое парение вместе с ветром, дельтаплан перемещается вперед быстро поднимающимися потоками воздуха, обтекающего горную цепь. 

Парение во встречном восходящем потоке воздуха. Дельтапланерист использует восходящее движение воздуха, образующееся при встрече господствующего ветра с горным массивом или крутым холмом

И  парение в термическом потоке. Термические или тепловые токи — восходящие струи теплого воздуха — поднимают дельтаплан по спирали вверх, а нисходящие токи могут вызвать его падение. [14]

1.3 История создания дельтаплана

Отто Лилиенталь один  из первых кто  совершил полет на  планерах с балансирным управлением. Он изучал полет птиц с 1871 до 1896 г., создавал летательные аппараты и летал на них, совершил больше 2000 полетов. В 1889 г. он опубликовал труд «Полет птиц, как основа авиации». В 1891 г. построил первый летательный аппарат, моноплан. Крыло было выполнено из ивовых прутьев и обтянуто хлопчатобумажной тканью имело искривленную форму и размах в семь метров. Управление было балансирным, в центральной части крыла было два параллельных бруса, к ним прикладывался вес пилота. Во время полета в 1893 г. из за ветра аппарат перевернулся, и упал с 18 метровой высоты. Лилиенталь отделался травмами. В ходе экспериментов ему пришла идея сделать аппарат с двумя крыльями,  расположив их, друг над другом, по схеме биплана. На новом аппарате он поднимался на высоту  до 22 м, дальность полета составляла  около 400 м. 9 августа 1896 года испытывая новую модель,  потеряв управление, упал на землю с высоты 15 метро. Был сломан позвоночник, и 10 августа 1896 Отто Лилиенталь скончался. 

1.4 Крыло Рогалло.

Следующий этап в развитии планеров, связан с именем американского ученого польского происхождения - Френсиса Мелвина Рогалло.  В 1936 г. в научном центре Лэнгли, Френсис начал работать инженером в группе занимавшейся  испытаниями в аэродинамической трубе. На основе исследований свойств воздушных змеев было изобретено крыло треугольной формы, названое «змеем Рогалло», и запатентованное в 1951 г.  Национальное управление по аэронавтике и исследованию космического пространства США объявило конкурс на лучшее средство приземления космических аппаратов. Френсис Рогалло принял участие в этом конкурсе и победил. Его «змея», названного сотрудниками НАСА  «крылом Рогалло», подвергли различным  испытаниям и подтвердили приемлемые летные характеристики крыла, но, в итоге, система раскрытия была признана ненадежной, и предпочтение отдали парашюту.По заказу армии и ВМС США американские фирмы  исследовали  гибкое крыло. Пентагон засекретил итоговые результаты исследований. Но эти работы помогли развитию нового вида спорта. 

1.5 Рождение дельтапланеризма.

В 60-х годах 20-го века в научно-популярных изданиях мира было множество статей об испытаниях крыла Рогалло. Спортивные возможности в крыле Рогалло первыми разглядели австралийские воднолыжники. Они, используя для старта водные лыжи, стали совершать полеты, буксируя крыло катером. Последователи Лилиенталя, при изобретении новых конструкций, усовершенствуя летные качества крыла, использовали прежние принципы управления: пилот управлял аппаратом, вися на двух параллельных брусьях и балансируя ногами. Австралийские летающие воднолыжники внесли в схему крыла Рогалло изменения: сиденье для пилота и треугольную рукоятку управления. В Калифорнии 23 мая 1971 года в день рождения Отто Лилиенталя происходила встреча авиаторов. В процессе обсуждений - возникла мысль объединить все  в единой конструкции. Так изобрели дельтаплан. Впоследствии этот день стал международным днем дельтапланеризма, а 1971 год считается датой его рождения.[1, стр.30]

1.6 Развитие крыла Рогалло.

Желание лететь как можно дальше, а  парить выше и  дольше подталкивало конструкторов к изменению формы дельтаплана. Конструкторы  пытались улучшить аэродинамическое качество. Аэродинамическое качество – это коэффициент, который показывает, сколько метров по горизонтали пролетит летательный аппарат, потеряв один метр высоты при условии, что воздух неподвижен. То есть К = L / H.[12]

Аэродинамическое качество крыла будет больше, чем меньше лобовое сопротивление и больше подъемная сила. Лобовое сопротивление и подъемная сила зависят от геометрических характеристик крыла.

Дельтапланы, выполненные по схеме Рогалло, имеют низкое аэродинамическое качество (К=3÷4) из за малого удлинения (2,5÷3,5); большой купольности (3÷5°).

Разберемся, что такое удлинение, купольность, и как эти показатели влияют на летные характеристики дельтаплана.

Что бы понять, что такое удлинение крыла, нужно знать, что такое размах крыла. Размах крыла - это расстояние по прямой, от вершины левой части до вершины правой части крыла.  Это габаритный термин, и характеризует аэродинамические свойства крыла только косвенно. К примеру, два разных в плане крыла могут иметь одинаковый размах, но  разную аэродинамику.

Рис.5 Размах крыла

Удлинение крыла - Отношение площади крыла к его размаху называют средней геометрической хордой (b_ср), а отношение размаха крыла к b_ср – удлинением крыла . Удлинение как раз и учитывает размах крыла в соответствии с его формой в плане. И выражается оно так: λ= L²/S , где λ – это удлинение, l – размах крыла, S – площадь крыла. Чем больше удлинение крыла, тем выше аэродинамическое качество.[3]

Купольность. Гибкому крылу свойственно изменение  формы в зависимости от распределения воздушной нагрузки. На это сильно влияют свойства ткани. Чем сильнее «растягивается» ткань, тем больше изменения формы крыла. А значительное изменение формы гибкого крыла приводит ухудшению устойчивости и управляемости дельтаплана.

Совершенствование формы иногда отрицательно влияло на безопасность полета, и задача конструкторов была улучшить летные характеристики, но при этом не ухудшить безопасность полета. Так для уменьшения флаттера, задней кромке крыла Рогалло придали отрицательную серповидность и установили латы, которые  увеличили жесткость этой кромки. Но стало понятно, что с помощью лат можно формировать профиль передней части крыла, а это позволит увеличить аэродинамическое качество. Так появилось второе поколение дельтапланов. Первоначально латы делали из алюминия, в современных моделях используют карбон. Вес карбоновых лат меньше, но при этом они имеют большую жесткость. Это означает, что профиль крыла более стабилен на разных режимах, что обеспечивает большее качество.

Следующим шагом, позволившим практически полностью устранить флаттер, было введение серповидности между латами.

Рис.6 Схема дельтаплана с установленными латами, общей и локальной серповидностью задней кромки.

Концевые части крыла при этом работали неэффективно из за малой площади и большой отрицательной крутки. Это недостаток устранили путем развития концевых частей крыла.

Рис.7 Схема дельтаплана с увеличенной площадью концевых частей крыла и укороченной килевой балкой

Что бы повысить эффективность работы концевых частей крыла и сохранить приемлемые значения отрицательной крутки в схему дельтаплана внедрили концевые хорды (законцовки). 

Рис.8 Схема дельтаплана с концевыми хордами

Их устанавливали параллельно килю (плановая проекция) и под отрицательным углом к плоскости каркаса.  Это уменьшает величину индуктивного сопротивления  и  увеличивает дальность полета. Вихри как бы смещаются на концы «крылышек» . Это уменьшило купольность до 1,5÷2°, увеличило угол при вершине до 110° и удлинение до 5 без ухудшения продольной и поперечной устойчивости. Качество возросло до  K=6÷7. Увеличивая удлинение, уменьшили длину купола по килевой балке, но это увеличило чувствительность по управлению в продольном направлении. Что бы повысить продольную устойчивости, применили профилированный S-образный килевой карман, который, ещё и является дополнительной поверхностью, повышающей путевую устойчивость.

Рис.9  Килевой карман и его работа по демпфированию кренов

Рис.10 S - образный килевой карман

Следующий шаг  улучшивший аэродинамическое качество, это  улучшение распределения воздушной нагрузки по размаху крыла. Для этого увеличили площади концевых частей. Для поддержания  формы купола в этих местах применили радиальные латы .

Рис.11 Схема дельтаплана с радиальным расположением лат.

Благодаря этому устранили излишнюю крутку, и увеличили угол при вершине каркаса и уменьшили купольность почти до 0°.Исключив из схемы поперечную балку, создали дельтаплан высокого класса.  Поперечная балка создает сильное сопротивление, ее заменили большим количеством тросовых растяжек. Примером является дельтаплан «Грифон».

Рис.12 Схема дельтаплана «Gryphon» (Великобритания) фирма Wasp.

Далее для повышения аэродинамического качества стали применять обтекатель верхней передней кромки. Чтобы увеличить спектр скоростей крылья стали делать объемными. Для этого  поперечную балку стали располагать внутри бокового кармана. На некоторых моделях стали делать двойную обшивку. Она потребовала полностью отказаться от формирования профиля передней части крыла потоком, набегающего воздуха и стали устанавливать жесткие профилированные латы.Это было третье поколение дельтапланов. В журнале "Крылья Родины" опубликовали чертеж аппарата Atlas французской фирмы La Mouette  этот аппарат, а также его варианты, созданные нашими конструкторами, стали наиболее распространенными в СССР аппаратами третьего поколения.[6] 

Рис.13 Дельтаплан «Atlas» (Франция) фирма La mouette

Улучшение аэродинамических качеств привело к ухудшению  управляемости. Решением  стала "плавающая" поперечина. Если раньше поперечина имела жесткое крепление к килевой балке, то теперь посередине поперечной трубы делается шарнир, и она крепится к килевой трубе с помощью системы тросов, от складывания поперечину удерживает центральный трос, который крепится к килевой балке.  Это решение повысило эффективность управления дельтапланом. И позволило поперечную трубу спрятать внутрь двойной обшивки и, доведя ее площадь до 80, а на некоторых моделях и до 100 % площади крыла. Что бы сохранить форму двойной обшивки, стали применять нижние латы. Так появилось четвертое поколение дельтапланов. В СССР серийно выпускался аппарат "Славутич-Спорт-5" (или просто С-5), который являлся типичным представителем первых дельтапланов четвертого поколения . [6]

Конструкции дельтапланов четвертого поколения продолжают совершенствовать.Конструкторы борются за повышение скорости, увеличение аэродинамического качества, улучшение управляемости и взлетно-посадочных характеристик.[5]

Следующее (пятое) поколение дельтапланов – жесткокрылы – по большому счету, дельтапланами не являются. От крыла Рогало у них осталась, разве что, трапеция, да и то не у всех.[6]

Глава 2.Практическая часть

2.1 Описание этапов исследования

Для сравнения летных характеристик дельтапланов последних поколений и аппаратов, созданных по схеме «крыла Рогалло», решено было сделать уменьшенные модели дельтапланов, запустить их и сравнить.  Предполагаю, исходя из теоретических знаний, что модель дельтаплана «Атлас» будет пролетать большее расстояние. Для того что бы обе модели были в равных условиях их вес и площади крыльев должны быть равны.  

Для создания модели по схеме разработанной Френсисом  Рогалло (Дельтаплан №1), мы взяли за основу чертеж который был опубликован на сайте « Авиамоделизм - мир увлеченных»[16] Для каркаса мы взяли тонкие деревянные рейки,используя ткань от старых зонтов изготовили купол.
Для второй модели  дельтаплана (Дельтаплан №2) мы взяли за основу чертеж дельтаплана третьего поколения « Атлас»,  он опубликован на сайте «Дельтапланеризм. ру» [19]. Чертежи увеличили до необходимых размеров, из реек собрали каркас, раскроили, сшили купол, и объединили все в единую конструкцию.

Рис.14

Вес обеих моделей составил 40г. Важным условием эксперимента является то, что площади крыльев обеих моделей  должны быть одинаковы. В пособии - «Практическая аэродинамика»  клуба «Аист»[17] приведена формула для расчета площади крыла: 

Где b₀ - корневая хорда,м; b_к- концевая хорда,м; l – размах крыльев,м; 

Средняя геометрическая хорда крыла рассчитывается по формуле:

bср=b₀+b_k  / 2

Используя линейку,  замерил необходимые параметры у обоих дельтапланов, полученные данные выразил в сантиметрах.Данные приведены в таблице №1

Таблица №1

Используя эти значения вычислил bср, площадь крыльев и удлинение, для вычисления удлинения воспользовался  следующей формулой :

λ= l/bср

Полученные данные приведены в таблице №2.

Таблица №2.

1. "Дельтапланы" В.В. Козьмина и И.В. Кротова.Издательство ДОСААФ СССР, 1989 г.  

2. «Основы аэродинамики летательного аппарата» Стариков Ю.Н., Коврижных Е.Н. Ульяновск: УВАУ ГА, 2004. – 151 с.

3.« Авиамоделизм - мир увлеченных» 

Источник:http://www.avmodels.ru/models/kids/modeli.html

5. Виктор Гончаренко "Как люди научились летать"

Источник:http://: http://www.deltaclub.ru/gonch2/

6.Дельтапланерный спорт. История возникновения 

Источник:  http://sportcom.ru/portal/deltaplane_sport/info/231.html

8. История воздухоплавания

 Источник:http://fly-history.ru/aeronautic/item/f00/s00/e0000001/index.shtml

11. Подъемная сила: закон Бернулли.

Источник: сайт

12.Понятие аэродинамического качества.

Источник: http://www.aerodriving.ru/aerokach

14. Почему дельтапланы могут летать?

Источник: http://information-technology.ru/sci-pop-articles/23-physics/183-pochemu-deltaplany-mogut-letat

15.Почему и как возникает подъемная сила 

Источник: http://www.masteraero.ru/lp-2.php

16. Почему и как летает дельтаплан.

Источник: http://www.deltaplanerizm.ru/novice/whyfly/

17. Практическая аэродинамика.

 Источник: http://www.reaa.ru/yabbfilesB/Attachments/Prakticheskaja_ajerodinamika_Aist.pdf

19. Удлинение крыла

 Источник: сайт