X Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Конструирование модели-копии самолёта истребителя Ла-7
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Поскольку я увлекаюсь авиамоделированием и изучаю историю мировой авиации, мне стало интересно расширить свои знания о истребительной авиации СССР и построить модель-копию легендарного советского самолёта периода Великой Отечественной войны.
Актуальность данной работы заключается в следующим: в разные времена люди создавали летательные модели с разными целями, но неоспорим тот факт, что авиамоделизм сыграл определяющую роль в развитии мировой авиапромышленности.
Цель исследовательской работы: разработка и изготовление модели самолёта-истребителя Ла-7, исследуя чертежи для изготовления.
Задачи исследовательской работы:
расширить и уточнить знания о военной авиации, а именно о самолётах-истребителях СССР периода 1941-1945 гг.;
осуществить исследование чертежей и выбор подходящих материалов для работы;
разработать чертежи;
определить тип и конструкцию модели;
создать летающую модель-копию самолёта-истребителя Ла-7.
Предмет исследования: самолёт-истребитель Ла-7;
Объект исследования: моделирование модели-копии истребителя Ла-7 посредством доступных материалов.
Проблема данного проекта заключается в познании возможности создания модели самолёта-истребителя «Ла-7» после исследования его чертежей и выполнении необходимых расчётов.
Самым важным этапом при изготовлении летающей модели самолёта является его проектирование. Перед тем как начинать изготовить модель самолёта, мне необходимо провести некоторые исследования для того, чтобы понять, как создавать мою будущую модель.
|
ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Анализ исторических данных |
Большую роль в ходе Второй Мировой войны сыграла авиация. Именно при поддержке авиации осуществлялась высадка в Нормандии, бомбились немецкие промышленные центры уже в первые дни войны, жглись немецкие танки на Курской дуге, благодаря сталинским соколам небо над Советской Россией навсегда было очищено от стервятников Геринга.
Увлёкшись изучением истории авиации, я пришёл к выводу о том, что лучшими советскими самолётами периода ВОВ стали штурмовик Ил-2 «Летающий танк» (Приложение №1), истребитель Як-3 (Приложение №2), истребитель Ла-7 (Приложение №3), бомбардировщик Ил-4 (Приложение №4). Поскольку я также занимаюсь авиамоделизмом, у меня появилась мысль «возможно ли создание модели-копии самолёта легендарного самолёта-истребителя Ла-7, исследуя его чертежи»
Я отдал предпочтение именно самолёту-истребителю Ла-7, поскольку он прост в изготовлении и имеет прекрасные лётные характеристики.
Истребитель Ла-7 разработан в ОКБ С.А.Лавочкина в 1943 году и является дальнейшим развитием истребителя Ла-5ФН (Приложение №5). Так как установить более мощный двигатель возможности не было (точнее — двигателя не было), улучшить лётные качества самолета можно было только за счёт совершенствования аэродинамики и снижения массы. Совместно со специалистами ЦАГИ был проведён комплекс мероприятий по улучшению аэродинамики: герметизированы планёр и винто-моторная группа, полностью закрыты ниши шасси, маслорадиатор перенесён под фюзеляж, улучшена форма зализов крыла, доработан капот двигателя.
Организация производства алюминия в достаточных масштабах позволило шире его использовать в конструкции самолётов. Одна только замена деревянных лонжеронов крыла на дюралевые со стальными полками позволила сэкономить 100 кг веса. В январе 1944 года на заводе №21 был изготовлен самолёт «Ла-5 эталон 1944 г.». 2 февраля лётчик-испытатель Г.М.Шиянов впервые поднял его в небо. Через две недели, 16 февраля, самолёт был передан на государственные испытания. После проведения испытаний самолёт был запущен в серию в мае 1944 года под обозначением истребитель Ла-7. К ноябрю он полностью заменил на конвейере Ла-5ФН.
Производство Ла-7 продолжалось до 1945 года. Всего на трёх заводах (№21 в Горьком, №99 в Улан-Удэ и №381 в Нижнем Тагиле) было изготовлено 5905 самолётов.
Ла-7 построен по аэродинамической схеме свободнонесущего низкоплана. Фюзеляж типа полумонокок, крыло оснащено автоматическими предкрылками. Шасси трёхопорное с хвостовым убирающимся колесом. Силовая установка состояла из поршневого звездообразного двигателя воздушного охлаждения АШ-82ФН с трёхлопастным воздушным винтом изменяемого шага ВИШ-105В.
Самолёт Ла-7 считается одним из лучших истребителей Второй мировой войны. В первую очередь оснащались гвардейские полки, многие советские асы летали на этом истребителе, в том числе Иван Кожедуб — трижды Герой СССР. О боевой эффективности Ла-7 можно судить хотя бы по такому эпизоду: В 1944 году, первыми партиями Ла-7, в 47 воздушных боях над территорией Литвы сбито 55 самолётов противника при потере 4 своих (причем все из-за отказов двигателей). Истребитель был снят с вооружения в 1947 году. Кроме Красной Армии самолёты Ла-7 стояли на вооружении ВВС Чехословакии, где использовались до 1950 года.
Поскольку я увлекаюсь историей авиации и авиамоделизмом у меня появилась мысль «возможно ли создание модели-копии самолёта легендарного самолёта-истребителя Ла-7, исследуя его чертежи»
Математическое моделирование самолёта
Первое с чего я начал было сравнение проектируемой модели с настоящим самолётом. Конечно, из сравнения можно сделать лишь некоторые выводы. При этом они не будут полными и не дадут ясного представления о лётных характеристиках разрабатываемой модели. Но всё же и этим не следует пренебрегать.
Имея в своём распоряжении подробный чертёж выбранного прототипа и его описание, нетрудно определить его геометрические размеры, лётные данные и технические характеристики.
К основным геометрическим данным самолёта (в зависимости от типа) относятся: размах крыла, его площадь и профиль, длина САХ, удлинение крыла, поперечное V, угол установления, размах и площадь горизонтального оперения, длина самолёта, высота на стоянке, ширина колеи и база шасси, размер колёс.
Основные лётные данные включают: максимальную скорость горизонтального полёта, минимальную скорость (скорость отрыва и посадки), крейсерскую скорость, взлётную массу, положение центра тяжести в процентах САХ.
Вот, например, какими характеристиками обладал самолёт Я-6 (Приложение №6) с двигателем М-11 мощностью 100 л.с. (74 кВт), сконструированный в 1932 году А.С. Яковлевым: длина 7,8 м, размах крыла 12,08 м, площадь крыла 19,8 м2, взлётная масса 961 кг, максимальная скорость 168,5 км/ч, посадочная скорость 80 км/ч, разбег 85 м, пробег 165 м.
Сначала мне пришлось осуществить поиск и исследование чертежей из различных источников, для построения именно модели-копии лучше всего использовать чертежи настоящего самолёта, после долгих изысканий я нашёл необходимые чертежи в журнале «Моделист конструктор» (Приложение №7)
Так же мной были проведены необходимые расчёты. Определяя силы, возникающие в полёте модели, вводят в расчёт массовую плотность воздуха. Она получается путём деления плотности воздуха на ускорение силы тяжести. Если при нормальных условиях масса 1 м3 воздуха составляет 1,226 кг, то с высотой плотность воздуха уменьшается, он становится более разрежённым и лёгким. Как правило, воздух находится в постоянном движении. Горизонтальное передвижение воздушных масс называется ветром, а вертикальные перемещения – восходящими и нисходящими потоками. Когда масса воздуха перемещается относительно земли, то у приземного слоя возникает зона, где воздух находится в вихревом состоянии, которое называется динамической турбулентностью.
Модель, летающая в турбулентном потоке воздуха, испытывает на себе действие сил движения воздуха с различных направлений. Это действительно можно рассматривать во времени относительно к скорости турбулентного потока и к скорости модели.
Чем меньше скорость модели, тем больше отклонения от перемещения частиц воздуха, и наоборот, чем больше скорость модели, тем меньше она подвержена воздействию перемещения воздушной среды в единицу времени. Изменение угла обдувки модели, летящей со скоростью 4 м/с, изображённого графически в Приложении №8, достигает величины 14 градусов в секунду. Для самолёта, летящего в тех же условиях (Приложение №9) со скоростью 180 км/ч (50 м/с), изменение угла обдувки потоком будет около 1 – 2 градусов. Такое отклонение практически неощутимо.
Значительное изменение направления обдувки вызывает соответствующие внезапные изменения сил, действующих на модель. Поэтому для устойчивого полёта модель должна обладать значительно большей устойчивостью, чем самолёт, и меньше реагировать на изменение направления обдувки.
Ещё одним основным свойством воздуха является вязкость. Вязкость объясняется силами внутреннего сцепления между молекулами вещества. Вследствие вязкости в движущемся воздухе возникают вихри и из-за неё же они рассасываются. Силы вязкости проявляются при движении в воздухе каких-либо тел. Чем более вязкой является среда, в которой происходит движение, тем большие силы нужно прилагать для осуществления этого движения.
Вязкость всякого вещества учитывается коэффициентом внутреннего трения, он называется коэффициентом вязкости. Вязкость не зависит от плотности и давления, а зависит только от температуры.
Английский учёный Рейнольдс, изучая характер течения жидкостей по трубам, пришёл к выводу, что переход ламинарного течения в турбулентное для жидкостей (газов), имеющих различную вязкость, должен всегда осуществляться всегда при одном и том же значении величины Re. Значение Re, при котором осуществляется переход ламинарного течения в турбулентное, называется критическим числом Рейнольдса. Число Рейнольдса является важнейшим понятием аэродинамики вообще и аэродинамики летающих моделей в частности.
П одставив в формулу
где V – скорость потока, м/с;
l - линейный размер тела вдоль движения (для крыла – хорда, для фюзеляжа – длина), м;
v – кинематический коэффициент вязкости.
з начения известных величин, которые в наших расчётах (температура 15 градусов Цельсия и полёт над уровнем моря) будут оставаться неизменными, получим упрощённую формулу
Так же всякое тело, движущееся в воздухе, испытывает сопротивление. В зависимости от положения тела относительно направления движения сила сопротивления может меняться как по величине, так и по направлению. Если представить себе плоскую пластинку, движущуюся в воздухе так, что её плоскость составляет некоторый угол с направлением движения, то возникающая при этом сила сопротивления будет направлена не по направлению движения, а под некоторым углом к нему (Приложение №10).
Если силу R разложить по правилу параллелограмма на два направления – одно совпадающее с направлением движения, а другое ему перпендикулярное, то получается две силы. Силу Y в этом случае называют подъёмной силой, а силу Q – лобовым сопротивлением.
Угол, составленный плоскостью пластинки с направлением движения, называется углом атаки a.
В еличина лобового сопротивления выражена формулой:
где F – сила лобового сопротивления, кгс;
V – скорость движения, м/с;
S – наибольшая поперечная площадь тела, м2;
p – плотность воздуха;
- безразмерный коэффициент лобового сопротивления.
З начение коэффициента обычно получают опытным путём в аэродинамических трубах. Их можно найти в соответствующих авиационных справочниках.
Лобовое сопротивление тел, имеющих обтекаемую форму, возникает в основном от сил трения, которые проявляются в очень тонком так называемом пограничном слое воздуха, непосредственно прилагающем к поверхности движущегося крыла. Рассмотрим обтекание крыла, установленным под небольшим углом атаки а = 4 – 5 градусов. (Приложение №11)
При небольших числах Рейнольдса пограничный слой будет ламинарным. В случае увеличения числа до критического ламинарный пограничный слой переходит в турбулентное состояние в точке, называемой точкой перехода. Ламинарный пограничный слой устойчив до тех пор, пока поток над ним ускоряется. По мере удаления от передней кромки профиля трение тормозит воздух в пограничном слое и снижает его кинетическую энергию пока она не упадёт до нуля. Кроме того, в пограничном слое благодаря возрастающему давлению в кормовой части профиля возникают противотоки. Вблизи точки нулевой скорости происходит накопление воздуха и отрыв пограничного слоя (Приложение №12).
Оторвавшийся ламинарный пограничный слой на расстоянии от точки отрыва переходит в турбулентный, который, расширяясь, может вновь примкнуть к крылу, если кривизна спинки профиля не слишком велика.
В турбулентной части пограничного слоя скорость частичек воздуха по мере из продвижения к задней кромке падает, а давление возрастает. Вследствие этого вновь возникают противотоки, и происходит окончательный отрыв потока, приводящий к вихреобразованию, падению подъёмной силы и увеличению сопротивления. Если угол атаки крыла увеличится, то картина обтекания при небольших числах Рейнольдса будет выглядеть так, как показано в Приложении №13.
Любая модель имеет свой центр тяжести. Расположение центра тяжести относительно средней аэродинамической хорды крыла, выраженное в процентах, называется центровкой.
Центр тяжести не обязательно должен находиться на средней аэродинамической хорде. Как раз чаще всего он на ней и не расположен, а находится выше или ниже САХ. Модели неустойчивы, если центр тяжести расположен выше САХ. Если же центр тяжести расположен ниже САХ, то такие модели тем более устойчивы, чем ниже расположен центр тяжести. Я заранее по чертежу продумал конструкцию в целом, чтобы потом на готовой модели не пришлось загружать нос или хвост, левой или правое крыло, ведь это будет паразитный груз.
ПРАКТИЧЧЕСКАЯ ЧАСТЬ
После тщательного исследования всех полученных данных и на основании результатов, полученных в процессе математического моделирования, я определился каким образом строить модель и обозначить её размеры так, чтобы она могла быть летающей. Я решил строить самолёт по классической схеме с помощью шпангоутов. Самолёт имеет скелет, состоящий из профильных шпангоутов (рис.1).
Рис.1. Скелет самолёта Ла-7
Для создания модели мне понадобились следующие материалы и инструменты (таблица 1)
Таблица 1. Материалы и инструменты, используемые в работе
-
№
Материалы
Инструменты
потолочная плитка
линейка
древесина (липовые и бальзовые рейки)
пила
бумага
наждачная бумага
металлическая проволока
сверло
нитрокраска (голубая, зелёная, красная, белая)
надфиль
клей («Титан» и «Момент»)
токарный станок
фанера
паяльник
пластик
дрель
П роектирование началось с изготовления фюзеляжа самолёта. Из потолочной плитки была сделана центральная держащая конструкция в форме параллелепипеда, на неё согласно чертежу (рис.2 и рис.3)
Рис.2. Чертёж фюзеляжа самолёта Ла-7
Рис.3. Общий чертёж самолёта Ла-7 в трёх проекциях с шпангоутами
Потом потолочкой обклеивался скелет фюзеляжа. Для того, чтобы придать ему нужный профиль и не сломать обшивку применялся фен, который с помощью горячего воздуха придавал нужный профиль. По той же технологии с помощью нервюр (рис. 4)
рис.4. Нервюры крыла самолёта Ла-7
было изготовлено наборное крыло с использованием реек, которое состоит из двух частей, они впоследствии были склеены между собой. Крыло так же внешне обшито потолочной плиткой. Несмотря на лёгкость и видимую хрупкость крыла, благодаря рейкам и нервюрам оно является очень прочным и противоударным.
Киль и стабилизатор были собраны с помощью нервюр для создания профиля и обшиты пенопластом и обклеены бумагой так же, как и крылья.
После сбора модели устанавливается радиоаппаратура и сервоприводы на рули поворота: киль, стабилизатор, элероны.
Для покраски необходимо было обклеить самолёт бумагой, поскольку краска может разъесть пенопласт. Окрашивал я самолёт по стандартной схеме, нижние плоскости – голубе, верхние – зелёные, поставил на него бортовой номер 27 и опознавательный знак ВВС СССР – красную звезду на киле.
Электродвигатель устанавливался на площадку моторамы в капот самолёта. Вся остальная радиоаппаратура (приёмник, сервоприводы, механизмы рулей управления) устанавливаются на специально подготовленные площадки внутри фюзеляжа самолёта. Для облегчения доступа в моторный отсек капот я сделал съёмным.
ВЫВОД
Практический результат построенной модели заключается в колоссальном мето-предметном значении. Исследовательскую работу можно использовать на уроках физики при изучении законов аэродинамики, на уроках истории при изучении темы Великой Отечественной войны и стратегических операций, осуществляемых в её период при массовой поддержки авиации, при знакомстве с лётчиками-героями России, на уроках математики в качестве задач реальной математики и геометрии, на уроках информатики данные и саму модель можно использовать как эталон для создания 3D копии самолёта. Так же этот самолёт является экспонатом нашего школьного музея.
Подводя итог исследовательской работы, можно утверждать, что я разработал и изготовил по выбранному мною типу конструкции модель-копию истребителя Ла-7 в масштабе 1:10 (Приложение №14), применяя исследованные чертежи и результаты формул. Расширил и уточнил знания о военной истребительной авиации 1941-1945 гг.
СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
Боголюбов А. Н. Математики. Механики. Биографический справочник. — Киев: Наукова думка, 1983;
Демьянов В. П. Рыцарь точного знания (П. Л. Чебышёв). — М. : Знание, 1991. (Творцы науки и техники);
Жирохов М.А. Рождение советской штурмовой авиации. История создания «летающих танков». 1926 – 1941. – М.: ЗАО Издательство Центрполиграф, 2014. – 221 с. – (Военная авиация ХХ века);
Жирохов М.А. Большое небо советской авиации. Советские самолёты в Великой Отечественной войне. 1941 – 1945. – М.: ЗАО Издательство Центрполиграф, 2014. – 221 с. – (Военная авиация ХХ века);
Журнал «Моделист-конструктор», выпуск №5, 1985 г.;
Тарадеев Б.В. Модели-копии самолётов. – М.: Патриот, 1991. – 239 с., ил.;
http://armedman.ru/samoletyi/1937-1945-samoletyi/istrebitel-la-7.html.
Приложение №1
Приложение №2
Приложение №3
Приложение 3
Приложение №4
Приложение №5
Приложение №6
П риложение №7
Приложение №8
Приложение №9
Приложение №10
Приложение №11
Приложение №12
Приложение №13
П риложение №14
22