XII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Кордовая модель самолета По-2 с электромотором
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Тема летательных аппаратов меня интересует давно. Всегда было интересно: как это такая тяжелая многотонная машина может подниматься в воздух и лететь. В 2016 году я начал заниматься в кружке авиамоделирования и тем самым приблизился к изучению интересующей меня темы. На кружке по готовым шаблонам я мастерил модели, способность летать у которых была основана на различных принципах (свободнолетающие, кордовые, резиномоторные). В 2019 году мною была успешно изготовлена резиномоторная модель самолета, который существует в реальной жизни. У нее были максимально соблюдены пропорции и внешний вид прототипа. Таким самолетом стал самолет типа Terri. С данной моделью в мае 2019 года я победил в городском конкурсе исследовательских проектов среди учащихся 5-8 классов.
Участвуя в различных творческих конкурсах и занимаясь в кружке, я видел множество различных моделей самолетов, но среди них не было ни одного биплана. Почему-то авиалюбители необоснованно обходят этого двукрылого красавца стороной. А ведь у такого самолета есть масса преимуществ. Самое главное – это большая площадь крыльев при сравнительно небольшом размахе крыла, поэтому таким самолетам подходит минимальная взлетно-посадочная полоса. Помимо этого данный самолет обладает большой грузоподъемностью, лучшей маневренностью и устойчивостью, и, как следствие, большей надежностью, так как на нем практически невозможно уйти в штопор.
2020 год для нашей страны был юбилейным. Россия отмечала 75-ю годовщину Победы в Великой Отечественной войне 1941-1945 годов. Я смотрел много художественных и документальных фильмов о войне, читал воспоминания фронтовиков, и идея нового проекта родилась сама собой. Огромный вклад в Великую победу внесли именно самолеты-бипланы, названные в честь своего создателя Н. Н. Поликарпова - ПО-2. Кордовую модель именно такого замечательного самолета мне и захотелось сделать, чтобы выразить дань уважения летчикам того времени и, конечно же, самому легендарному самолету [4]. (Приложение №4)
Вместе с преподавателем кружка авиамоделирования – Кругловым О. В. мы разработали чертеж модели и схему её сборки.
Для изготовления модели самолёта По-2 мне понадобились материалы и инструменты, которые частично были в моей домашней мастерской, а частично на кружке авиамоделирования. (Приложение №3) Все материалы очень доступны. Так же я пользовался материалами из журнала «Авиация чемпионов» [1].
Мне очень нравится получившийся самолет, так как это не просто изделие, имеющее крылья, винт и хвостовую часть, а уменьшенная копия существующего самолета. Кроме того, получившаяся модель хорошо летает. И даже когда мой самолет просто стоит дома на полке, он выглядит очень красиво и смотрится как украшение интерьера. (Приложение №1)
2. ОБОСНОВАНИЕ ТЕМЫ ПРОЕКТА
2.1. Выбор идеи проекта
Летательные аппараты интересуют меня давно, и я уже создавал летающие модели самолетов ранее. Мною в прошлом году была успешно создана уменьшенная летающая копия самолета, существующего на самом деле, максимально похожая на прототип - легкомоторный самолет типа Terri.
В 2020 году я поставил перед собой более сложную и не менее интересную задачу – создать уменьшенную летающую модель реально существующего самолета, но только теперь - биплана, и при этом – кордовую. Участвуя в различных конкурсах и соревнованиях, я видел множество различных моделей самолетов, но среди них не было ни одного биплана. Почему-то авиалюбители не уделяют должного внимания данной модели. Я решил исправить эту досадную ошибку и создать кордовый биплан. Мой интерес подогревался еще и тем, что кордовые модели до этого я никогда не делал, плюс военная тематика усиливала желание создать что-то редкое и необычное времен первой половины XX века. Мною было решено разработать чертеж модели, опираясь на источники в журналах и интернете. Все материалы легко приобрести в магазинах, а что-то есть дома почти у каждого.
Я доволен результатом, мой самолет получился даже лучше, чем я представлял, но несть одно «но»! Такую модель самолета необходимо запускать на специально оборудованных для этого, огороженных и с ровной поверхностью площадках, очищенных от снега, которых, к сожалению, в нашем городе нет. Учитывая природно-климатические условия нашего региона, мне пришлось испытывать готовую модель на заснеженной площадке, что затруднило осуществить правильный взлет и посадку модели. Но главное, мой самолет отлично летает! Следующей моей работой в этом направлении будет кордовая модель самолета МБР-3, так называемого легендарного «Амбарчика», который тоже внес неоценимый вклад в Великую Победу и при этом незаслуженно обделен вниманием.
2.2. Цель проекта:
Создать кордовую летающую модель самолета По-2 с электромотором, соблюдая пропорции и внешний вид прототипа для демонстрации на различных мероприятиях, посвященных 75-летию Победы в Великой Отечественной войне. Изучить аэродинамические свойства биплана.
2.3. Задачи проекта:
наметить план работы, правильно спланировать рабочее время, позволяющее совместить работу над проектом с учёбой;
изучить источники информации, касающиеся изготовления модели самолета;
выбрать оптимальный вариант предполагаемого изделия;
приобрести необходимые комплектующие, соответствующие предполагаемому бюджету (приблизительно 500 руб.);
правильно организовать работу, на рабочем месте соблюдать порядок и организованность;
обеспечить соблюдение безопасных приёмов работы, соблюдать ПТБ при правильной утилизации отходов; соблюдать ПТБ при эксплуатации готового изделия;
подготовить видео-презентацию и выступить перед одноклассниками для демонстрации на уроках технологии, истории и других мероприятиях, посвящённых 75-летию Победы в Великой Отечественной войне;
подготовить материал для публикации в Молодёжном информационно-развлекательном журнале TIMIX, Шмаков М. «Мне бы в небо», организовать переписку с читателями. http://timix.nios.ru/
3. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
3.1. Понятие кордовой модели самолета
Кордовой моделью самолета называется модель, совершающая управляемый с земли полет по кругу на корде. Полеты самолетов на корде представляют большой спортивный интерес. Запуская их, авиамоделисты могут управлять взлетом и посадкой модели, а также полетом модели в воздухе, соревноваться на лучший пилотаж. Моделями, летающими на корде, можно управлять с земли от момента старта и до посадки с помощью корды (прочная тонкая стальная проволока - струна или тросик) [1].
Кордовая модель летает виражами - движется по окружности, в центре которой находится запускающий авиамоделист. Он вращается на месте вслед за моделью и управляет ее полетом, удерживая в руке рукоятку с нитями корды.
3.2.Виды кордовых моделей. По своему назначению кордовые модели можно разделить на виды, классы:
Скоростные - предназначены для достижения максимальной скорости полета по кругу.
Модели-копии самолетов - представляют собой точное геометрическое и внешне конструктивное подобие настоящих самолетов.
Гоночные - являются полукопиями настоящих самолетов и строятся обязательно с кабиной для летчика, постоянно закрепленным шасси и закапотированным двигателем.
Пилотажные модели - предназначены для выполнения различных фигур высшего пилотажа.
Модели воздушного боя. Класс кордовых моделей воздушного боя очень зрелищный. Двое спортсменов стоят в круге управляя кордовыми самолетами в виде летающего крыла. К моделям привязаны цветные ленточки. Спортсмены авиамоделисты соревнуются кто большее количество раза сделает отруб ленточки, за это начисляются очки [1].
3.3. История создания самолета По-2
Начальные навыки пилотирования советские летчики 20-х годов получали на отечественном биплане У-1 («Учебный-1»), прототипом которого послужил английский самолет-разведчик, сбитый во время гражданской войны. Но этот У-1 не прощал грубых ошибок и невнимательности во время пилотирования. Поэтому в 1923 году конструктор Николай Николаевич Поликарпов занялся проектированием нового перспективного учебного самолета, эдакой «летающей парты», которую было бы легко ремонтировать и, которая позволяла бы выполнять все необходимые воздушные маневры [2].
К 1927 году проект был готов, а после серии испытаний теперь уже У-2 («Учебный-2») поступил в серийное производство. Все летчики отмечали высокие пилотажные характеристики У-2, хотя на первый взгляд фанерно-полотняная конструкция не внушала доверия. Что являлось крайне важным для новичков, самолет непроизвольно не входил в штопор, это можно было сделать только намеренно, а чтобы вывести его из штопора, достаточно было отпустить ручку штурвала, и самолет стабилизировался. У-2 позволил поставить выпуск летчиков военной и гражданской авиации на поток, а простота управления привлекала даже девушек, что сыграло немаловажную роль в годы Великой Отечественной войны.
В годы Великой Отечественной войны У-2 использовался в качестве ночного бомбардировщика, как самолет связи и разведки, а также как санитарный самолет. Он сыграл в нашей авиации огромную роль. Мало того, что на бортах У-2 помещались бомбы, они были еще и практически невидимыми для обстрела, поскольку были очень легкими и это позволяло им лететь либо на крайне низкой высоте, либо на «черепашьей» скорости. Кроме того, бипланы выполняли разведывательные функции и функции самолета-связиста. На бипланах осуществляли также ночные налеты на вражеский стан, У-2 постоянно взаимодействовал с партизанскими отрядами. У-2 был гораздо маневреннее немецких бипланов. Маломощные и невысокие технологические показатели У-2 оказались весьма кстати, так как самолет на малой скорости и высоте мог подойти к позициям противника незамеченным. В 1944 году в память о конструкторе Н.Н. Поликарпове самолету дали название «По-2». После Великой Отечественной войны простой и недорогой в постройке По-2 был модифицирован для нужд сельского хозяйства. Он использовался для опыления посевов с целью борьбы с вредителями и для аэрофотосъемки [5].
4. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОБОСОВАНИЕ
4.1. Выбор оптимального варианта изготовления модели самолета
Когда возникла идея создать модель самолета, у меня было два варианта выполнения изделия:
- создать модель радиоуправляемого самолета;
- создать кордовую модель самолета – она удобна для показов, так как летает по кругу за счет разной длины крыльев.
Я остановил свой выбор на кордовой модели самолета по следующим причинам: данная модель проще в изготовлении и подходит для моего уровня подготовки, она дешевле, а главное, для ее запуска не требуется специальная лицензия (в соответствии с действующим законодательством).
4.2. Выбор прототипа
Повторюсь, что на конкурсах и соревнованиях мне не встречались модели бипланов, а между тем, у таких самолетов есть масса преимуществ. Данные самолеты незаслуженно обделены вниманием. Биплан обладает большой грузоподъемностью, лучшей маневренностью и устойчивостью, и, как следствие, большой надежностью, так как на нем практически невозможно уйти в штопор. За счет таких качеств эти самолеты используются как в военной, так и в гражданской авиации. Чтобы выразить дань уважения всем военным летчикам, я решил изготовить модель легендарного биплана По-2 (Приложение 4), который внес огромный вклад в Великую Победу.
4.3. Конструктивные особенности биплана
У самолетов-бипланов немало достоинств. Главным их плюсом является большая площадь крыльев при сравнительно небольшом размахе крыла и необходимость всего лишь минимальной взлетно-посадочной полосы. Вместе с тем бипланы обладают большей грузоподъемностью, возможностью использовать данную машину в качестве учебной, лучшей маневренностью за счет двух плоскостей крыльев, большей надежностью – по той же самой причине, большей же устойчивостью и гораздо более редким уходом в штопор. Но нельзя полагать, будто самолеты-бипланы не имели никаких минусов.
Серьезный расход топлива из-за взаимного влияния двух пар крыльев друг на друга, бесспорно, является минусом данной конструкции. Крылья же способны и несколько ограничивать обзор пилоту. Однако, расположение пилота в кабине варьируется – он может находиться и впереди крыльев, тогда этот недостаток также становится незначительным. Основным же минусом самолетов-бипланов принято считать повышенное профильное сопротивление (это разность между аэродинамическим сопротивлением крыла и его индуктивным сопротивлением) [2].
4.4. Аэродинамика биплана
Следует понимать, что любой самолет поднимается в воздух за счет подъемной силы. Подъемная сила – это сила, создаваемая крылом самолета на большой скорости и толкающая самолет вверх. За счет особенности конструкции крыла, воздух над крылом совершает больший путь, поэтому двигается быстрее, чем воздух под крылом. Таким образом, увеличение скорости потока приводит к снижению давления над крылом. Поскольку под крылом давление выше, чем над крылом, то оно начинает толкать крыло вверх, а вместе с ним и весь самолет.
У бипланов аэродинамика сложнее. В данном случае одно крыло находится над другим. А если над одним крылом находится другое, то зона высокого давления над верхним крылом соприкасается с зоной низкого давления, расположенной над нижним крылом. Из-за такого соседства снижается подъемная сила обоих крыльев, но больше – у нижнего крыла, так как подъемная сила по большей части создается все же верхней поверхностью крыла. Чтобы избежать такого «вредного» влияния крыльев, их смещают по горизонтали относительно друг друга. Все же, за счёт двойных крыльев подъёмная сила биплана увеличивается приблизительно на 20%, однако, профильное сопротивление тоже увеличивается, следовательно, биплан может взлететь и оставаться управляемым на небольшой скорости (около 40 км/ч), но максимальная скорость полета будет уступать моноплану [1].
5. ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ МОДЕЛИ
Кордовая авиамодель летает по кругу. Моделями, летающими на корде, можно управлять с земли от момента старта и до посадки с помощью корды (прочная тонкая стальная проволока — струна или тросик). Кордовая модель летает виражами — движется по окружности, в центре которой находится запускающий авиамоделист. Он вращается на месте вслед за моделью и управляет ее полетом, удерживая в руке рукоятку с нитями корды. Другие концы корды с помощью крючков или специальных карабинчиков присоединяются к тягам, которые проходят внутри крыла модели к подвижной качалке. Эта качалка шарнирно связана жесткой тягой с качалкой руля высоты на хвостовом оперении. Движениями рукоятки авиамоделист может изменять положение руля высоты, т. е. управлять моделью в горизонтальной плоскости, снижая ее к земле или поднимая выше. Если рукоятку управления держать ровно (вертикально), то руль высоты модели будет занимать среднее положение (горизонтальное) и модель летает по кругу на уровне горизонта. Если же рукоятку (верхний ее конец) наклонить к себе, руль высоты отклонится вверх, увеличивая этим угол атаки крыла модели, которая начнет набирать высоту. Для снижения модели рукоятку нужно наклонить от себя и руль высоты, отклонившись вниз, уменьшит подъемную силу крыла, благодаря чему модель снизится. Изменяя таким образом положение рукоятки, можно управлять взлетом модели, полетом по горизонту, посадкой, а также различными маневрами в воздухе [1].
6. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ДОКУМЕНТАЦИЯ
Используемые инструменты и приспособления (Приложение №2): клей (“Момент” и “Контакт”); лобзик; нить; напильник; наждачная бумага; плоскогубцы; ножницы; ручка; резак.
Используемые материалы (Приложение № 3): пенопласт; фанера; рейка; проволока; бутылочный пластик; бумага, цветной скотч;
6.1. Подготовка к работе рабочего места, инструментов и комплектующих
Освободить рабочее место, разложить перед собой все необходимые инструменты и материалы. Обеспечить достаточное освещение.
6.2. Порядок работы
-создание чертежа
-черчение и вырезание шаблонов
на плотной бумаге вычерчиваем шаблоны деталей, строго соблюдая размеры
- вырезание деталей из пенопласта
начерченные бумажные шаблоны переносим на пенопласт и вырезаем строго по контуру
- склейка всех деталей
детали аккуратно склеиваются клеем «момент» в соответствии с чертежом. Получается каркас самолета
- изготовление механики
из фанеры выпиливаются «качалки» и тяга для крепления корды и управления рулем высоты
- обтяжка собранной модели цветным скотчем
- установка электрооборудования
Электрооборудование включает в себя электромотор, аккумулятор, контроллер, корды и тестер, регулирующий обороты мотора. В носовую часть монтируются электромотор, контроллер и аккумулятор. Остальное оборудование находится вне самолета.
- декорирование
Для полного сходства с военным прототипом я наклеил звезды и «посадил» в кабину пилотов.
Самолет готов! На реализацию проекта, начиная с возникновения идеи и до конечного продукта, мною было затрачено примерно 12 месяцев. Ускорению процесса помешали пандемия и режим самоизоляции.
7. ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ
Для изготовления модели самолета ПО-2 мне понадобилось приобрести предметы, которые отражены в таблице 1.
Таблица 1. Предметы необходимые для изготовления модели
|
ПОЗИЦИЯ |
НАИМЕНОВАНИЕ |
КОЛ-ВО |
Цена |
|
клей |
момент |
1 |
120 руб. |
|
Наждачная бумага |
мелкозернистая |
1 |
20 руб. |
|
Клей для пенопласта |
Creativ |
1 |
250 |
|
пенопласт |
Толщина 5 мм |
1 |
40 руб. |
|
Цветной скотч |
зеленый |
1 |
50 руб. |
Электрооборудование я брал в авиакружке на прокат бесплатно.
Итого на изготовление модели самолета мои затраты составили 480 рублей, то есть, приблизительно столько, сколько и предполагалось при планировании работы.
8. ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ И БЕЗОПАСНОСТЬ
8.1. Правила безопасного труда
У тех, кто ознакомился с этой работой, может возникнуть желание повторить или придумать что-то новое, но эта работа не безопасна, так как мы используем острые инструменты: резак и лобзик. Так же в работе необходим клей с довольно резким запахом. Поэтому:
необходимо знать, помнить и соблюдать ПТБ при работе с режущими инструментами;
работа с клеем должна проводиться в хорошо проветриваемом помещении или можно сделать вытяжку над рабочим местом;
желательно иметь защитные очки и рабочую сменную одежду.
Правильно и в установленном порядке утилизировать отходы.
Соблюдать правила эксплуатации готового изделия.
Для того чтобы изделие прослужило дольше, необходимо:
избегать попадания воды на изделие;
не ронять;
запускать изделие в специально отведенных и оборудованных местах;
перед запуском убедиться в надежности крепления электрооборудования.
8.2. Экологическое обоснование
Способы изготовления и конечный результат позволяет утверждать, что готовое изделие не наносит вред окружающей среде, если конечно соблюдать правила техники безопасности при его изготовлении и утилизации отходов, об этом говорилось выше.
8.3. Рекомендации по использованию готового изделия
Модель самолета По-2 имеет практическое значение. Изделие можно использовать, в том числе и на соревнованиях, как спортивный снаряд (запускать по кругу), можно использовать в качестве наглядного пособия на различных исторических и патриотических мероприятиях, а можно выставить как украшение интерьера.
9. ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ВЫВОДЫ
Цель создать кордовую летающую модель самолета По-2, соблюдая пропорции и внешний вид прототипа для демонстрации на различных мероприятиях, посвященных 75-летию Победы в Великой Отечественной войне можно считать достигнутой.
Поставленные задачи решены: модель самолёта создана по определённому плану, соблюдены все правила техники безопасности.
Подготовлена видео-презентация для демонстрации на уроках технологии, истории и других мероприятиях, посвящённых 75-летию Победы в Великой Отечественной войне.
Подготовлены и проведены выступления перед одноклассниками на уроке технологии и мероприятиях, посвящённых 75-летию Победы в Великой Отечественной войне, демонстрировалась видео-презентация.
Подготовлен и опубликован материал для Молодёжного информационно-развлекательного журнала: TIMIX, Шмаков М. «Мне бы в небо», организована переписка с читателями. (http://timix.nios.ru/) Это позволило существенно дополнить материал по теме проекта [3].
Я успешно изготовил летающую модель самолета По-2 с электромотором и проверил ее в действии. Модель отлично летает! Так же я изучил аэродинамику самолета-моноплана и самолета-биплана, их принципиальные отличия, преимущества и недостатки. Изучил принципы управления кордовыми и резиномоторными моделями самолетов. Немного познакомился с электротехникой. Кроме того, я узнал много интересных исторических фактов о женщинах-летчиках Великой Отечественной войны, знаменитых «Ночных ведьмах», которые внесли бесценный вклад в Победу [3].
10. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
Журнал «Авиация чемпионов», 1978 год
Заглиа Карло, Аракелов Артем «Легендарные самолеты». Издательство: Клевер Медиа Групп, 2014 г.
Шмаков М., «Мне бы в небо», Молодёжный информационно-развлекательный журнал TIMIX , 2020 г. http://timix.nios.ru/
https://oruzhie.info фото прототипа модели
https://pikabu.ru/story/chto_byi_pomnili588_zhenskiy_polk_nochnyie_vedmyi_5896555
Приложение №1. Готовое изделие
Приложение №2. Инструменты и приспособления
Приложение №3. Материалы
Приложение №4. Фото прототипа – самолета По-2 [4]