XV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Создание самолета «Летающее крыло»
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение.
Российская авиация всегда ценилась во всем мире. Конечно, бывали и негативные страницы авиастроения в нашей истории. Но все же Россия смогла удержать лидирующие позиции в авиастроении. Но, а что же ждет нашу авиацию в ближайшем будущем и что придет со временем на смену нашим легендарным Ту-160? “Летающее крыло” – одна из самых перспективных конфигураций для будущих дозвуковых самолетов пассажирской и грузовой авиации. Ее основное преимущество – возможность получить высокое аэродинамическое качество на крейсерском режиме полета и кардинально уменьшить шум на местности путем экранирования двигателей элементами планера. Это позволит не только перевозить больше людей, но и улучшить удельные характеристики воздушного судна, включая аэродинамику, вес и потребление топлива.
В этом году я сделал свой первый самолёт на пульте управления - летающее крыло1. С детства я люблю конструировать, собирать конструктор лего. С первого класса хожу в секцию по авиомаделированию и занимаюсь изготовлением самолетов разных видов.
Цель исследования: изучение типа самолета «Летающее крыло». Перед собой я поставил следующие задачи: сбор и изучение материалов об истории создания летающего крыла (ЛК); анализ типов самолетов по их характеристикам; создание модели самолета и запуск самолета.
Объект исследования: тип самолета «Летающее крыло».
Методы исследования: изучение научной литературы, анализ электроники, используемой в самолете.
Практическая значимость: материалы и выводы исследования могут быть использованы учителями и учениками на уроках физики, на внеклассных мероприятиях в школе.
Основная часть.
1.История создания самолета
Идея создать самолет без фюзеляжа и хвостового оперения созрела у конструкторов давно. Ведь фюзеляж и хвостовое оперение мешают самолёту быстро летать, так как создают сопротивление, а скорости не прибавляют. Если их убрать, то можно снизить массу самолета. При этом улучшится аэродинамическое качество, уменьшится вес, будет летать дольше и возить больше. Летающее крыло имеет и преимущества, и недостатки.
Еще на самой заре авиации в 20-30-х годах велись разработки самолета компоновки ЛК. Первыми были военные. Идея создать бомбардировщик, который бы мог перевозить 1000 кг бомб со скоростью 1000 км/ч, да еще и на расстояние 1000 километров очень манила авиаконструкторов Германии. И в 1943 году там занялись разработкой такого передового бомбардировщика Horten Ho IX. В 1946 первый полет, совершил перспективный бомбардировщик Northrop YB-35. Через год появились сразу 2 прототипа с реактивными двигателями бомбардировщик YB-49 и разведчик YB-49A.
В России ведутся работы по разработке перспективного авиационного комплекса дальней авиации «ЛК".
Это новый проект российского стратегического бомбардировщика-ракетоносца нового поколения, разрабатываемый компанией ПАО «Туполев».
В СССР с 1922 года Б.Черановский занимался конструированием и постройкой планёров и лёгких самолётов типа «ЛК». В 1930—1940 годах авиаконструктором Никитиным разрабатывался лёгкий торпедоносец-планёр специального назначения «ЛК» в двух вариантах: пилотируемый тренировочно-пристрелочный и беспилотный с полной автоматикой.
2.Выбор типа самолета. Какие самолеты бывают.
Прежде чем приступить к созданию самолета я изучил все радиоуправляемые модели самолетов.
Они подразделяются на несколько основных типов и категорий. По размеру (размаху крыльев): условно разделяются на три типа: малые - размер крыла до 400 мм, средние с размером крыла до 900 мм, большие - если размер крыла более 900 мм.
Малые модели предназначены для запуска в закрытых помещениях большой площади или на открытых площадках, где отсутствует ветер, который очень сильно может помешать полету. Чтобы обеспечить полет такой модели необходим ее малый вес, из-за этого приходится использовать минимум элементов и только электродвигатель. Моделью с малым размахом крыла трудно управлять на расстоянии дальше чем 50 метров, поскольку затруднительно будет различить ее силуэт.
Модели среднего размера предназначены для запуска на открытой площадке, стадионе, поле. Они хорошо различимы на расстоянии до 200 метров, более устойчивы к потокам ветра (безопасно запускать пари ветре со скоростью до 2 м/с.), позволяют на своем борту разместить необходимый набор электроники. Полетный вес (вес самолета в воздухе) в среднем составляет от 400 до 1000 грамм, что позволяет использовать разные типы двигателей.
Модели большого размера имеют все преимущества средней модели. Считается, что чем больше размах крыльев самолета, тем им легче управлять. Такой самолет позволяет разместить всю электронику, запас топлива или объем аккумулятора для долгих и дальних полетов. Он более устойчив к потокам ветра. Но, одним из недостатков - это как раз большие размеры. Такую модель трудно перемещать на взлетные площадки, необходимо больше пространства для запуска.
Для своего первого самолета я выбрал среднюю категорию – 800 - 900 мм. (размах крыла – 940 мм, длина в центре – 340 мм, длина на концах – 150 мм.)
Типы двигателей самолетов. В радиомоделировании применяются три основных типа двигателей: - электродвигатель, ДВС (двигатель внутреннего сгорания), реактивный.
С появлением легких и емких LiPo (литий-полимерных) аккумуляторов электродвигатели для малых и средних моделей занимают лидирующее положение из-за большого КПД, малого веса и небольшой стоимости по сравнению с другими типами двигателя. В свою очередь, электродвигатели по типу устройства делятся на коллекторные и бес коллекторные. [3, 112]). Коллекторные двигатели более дешевые, но имеют ограниченный ресурс и меньшую надежность из-за наличия коллекторных щеток - источника трения и плохих контактов, которые со временем становятся причиной отказа двигателя. Бесколлекторные двигатели лишены этих недостатков, т.к. не имеют трущихся частей и контактов. У них наибольший КПД и меньший вес. Но, данные двигатели более сложны в исполнении и по этой причине гораздо дороже (в разы) коллекторных двигателей.
Двигатели внутреннего сгорания в основном используют на самолетах больших размеров, т.к. по сравнению с электродвигателями, более тяжелые и объемные - требуют большего места для установки. В отличие от электродвигателей, стоимость ДВС в разы больше, к тому же они нуждаются в постоянном обслуживании до и после полетов. Все эти причины не позволяют их применять начинающим авиамоделистам. К преимуществам можно отнести более длительное время полета и развиваемую мощность. Звук от работы двигателя больше приближает модель к реальному самолету. По типу устройства ДВС подразделяются на самые распространенные калильные, реже компрессионные, пневматические и бензиновые.
Турбореактивные двигатели из-за особенностей и размеров конструкции используются на больших моделях самолетов весом от 3 до десятков килограмм.
Проанализировав все двигатели для своей модели самолета мы выбрали бесколлекторный электродвигатель.
Расположение двигателя. Тянущий двигатель - если он и пропеллер расположены спереди самолета, тем самым, как бы тянущий за собой самолет.
Толкающий - когда двигатель расположен в задней части самолета и как бы толкающий самолет.
В зависимости от расположения двигателя пропеллеры так же подразделяются на прямые и обратные вращения. Прямой ставиться на тянущий, обратный на толкающий двигатель. Это тоже надо учесть при конструировании самолета.
Для своей модели я выбрал толкающий двигатель и обратный пропеллер.
По расположению крыла. По расположению крыла модели можно разделить на три типа: с верхним, средним и нижним расположением крыла относительно фюзеляжа.
Верхнее расположение крыла обеспечивает стабильность, устойчивость и плавность полета. При среднем расположении крыла модель более маневренная и скоростная, но при этом сохраняются плавность полета и устойчивость. Такие модели более сложны в исполнении, так как требуют надежного закрепления крыльев к фюзеляжу. Нижнее расположение крыла обеспечивает самолету скорость и маневренность и позволяет выполнять пилотажные фигуры различной сложности. Но, требует определенных навыков и умения в управлении.
Наша модель представлена четвертым типом самолетов - так называемое, летающее крыло (ЛК). В такой модели самолет выглядит как одно крыло, выполняющее дополнительно функции фюзеляжа, грузового отсека и так далее.
Практическая часть создания самолета.
Выбор материала для изготовления корпуса самолета.
К материалу, из которого будет изготовлен наш самолет, предъявляется два основных требования: легкость и прочность. Мы выделили два основных типа материалов: это пенопласт (все его разновидности) и легкое дерево – бальза. (Приложение 1. Характеристика самолета)
Модели из бальзы более прочные, но сборка корпуса достаточно трудоемка и состоит из двух частей. Сначала из бальзы вырезают детали и склеивают каркас (скелет) крыльев и корпуса, а затем на него делают натяжку пленки. Для начинающего моделиста слишком сложная задача. Бальза продается в виде листов (обычно 1000х100мм) различной толщины (от 1мм до 10мм), брусков и всяких профилей. Бывает различной плотности. Детали легко вырезаются ножом. В продаже встречаются готовые наборы деталей из бальзы для дальнейшей сборки.
Мы выбрали самый распространенный материал для корпуса самолета - пенопласт. Среди моделистов такие самолеты называют "пенолеты". Пенопласт бывает многих видов. Чаще всего встречаются модели, сделанные из «потолочки» — так называемые пенопластовые потолочные плиты 500х500мм и толщиной около 4мм. Одним из разновидностей пенопласта является депрон — марка тепло и звукоизоляционных плит, размером 1200х500мм и толщиной 3мм или 6мм. Депрон сложнее найти.
Для своей модели я выбрал потолочную плитку.
Электроника в модели самолета.
Электроника - это основная и самая дорогая часть модели. Минимальный набор в нашем самолете включает в себя: передатчик (он же пульт в руках пилота), приемник сигналов с пульта, сервопривод (управление рулями высоты, поворотов, элеронами), контроллер скорости двигателя ESC (Electronic Speed Controller), сам двигатель и аккумулятор, от которого запитывается вся бортовая электроника.
В более широкой комплектации в набор могут входить контроллер полетов, телеметрия, GPS навигация, бортовая видеокамера, устройства выпуска шасси, световая индикация и т.д. Как правило, такое оснащение устанавливается на модели больших размеров, т.к. необходимо место для размещения, дополнительное питание и запас по весу. Самолет средних размеров все это на своем борту "не потянет".
Элелементы электроники:
Передатчик(пульт)- это пульт управления полетами, сигналы с которого передаются на приемник, установленный в модели. Поэтому передатчик и приемник должны быть взаимосвязаны между собой, работать на одной частоте, быть защищены от помех и сигналов с других передатчиков специальным алгоритмом шифрования. Иными словами приемник и передатчик должны быть "привязаны" друг к другу. Привязать между собой можно далеко не все приемники и передатчики, поэтому перед покупкой передатчика нужно узнать у производителя с какими приемниками он совместим и покупать приемник только из совместимых.
Передатчики различаются по частоте несущего сигнала, количеству каналов, расположению элементов управления.
Приемник- располагают на борту самолета. Его главная задача суметь принять через антенну сигнал от пульта и передать его на соответствующее устройство. Каждому устройству соответствует свой канал, заранее назначенный авиамоделистом при сборке.
Контроллер скорости двигателя- ESC - на него обычно возложены две функции: основная - управлять оборотами двигателя, а вторая - преобразовывать напряжение от аккумулятора (от 7,4 до 14,8 Вольт) в напряжение 4,8 или 6 Вольт для питания всей бортовой аппаратуры. Для коллекторных и бес коллекторных двигателей необходимы разные контроллеры. Коллекторные имеют два вывода на мотор, бес коллекторные – три.
Сервопривод - устройство, преобразующее сигнал с пульта в механическое действие - отклонение поворотного вала по часовой или против часовой стрелки в зависимости от длительности импульса сигнала. Чем больше длительность, тем на больший угол отклоняется поворотный механизм. Основными параметрами для сервопривода являются его вес, мощность, и скорость отклонения (за какое время вал привода отклониться на определенный градус). По конструкции сервоприводы бывают аналоговые, цифровые, с пластмассовыми или металлическими шестернями.
Аккумулятор- аккумулятор является одним из важнейших элементов самолета. От его параметров зависит вес модели и время полета. Чем больше емкость аккумулятора, тем дольше время полета, но тем больше его вес, а значит тяжелее самолет и больше энергии требуется для взлета и удержания в воздухе. Зачастую, увеличивая вдвое емкость аккумулятора, время полета с трудом увеличивается на четверть. Немаловажный параметр аккумулятора, его ток отдача - максимальный ток за единицу времени, который может отдать в нагрузку аккумулятор. От этого зависит максимальная мощность, развиваемая двигателем.
Подготовка к запуску.
По практике всех авиамоделистов, первые запуски самолетов в 90% случаев ведут к неудачам в случае, если пилот никогда до этого не пробовал управлять моделью. Чтобы этого не случилось я предварительно поучился управлению на компьютерном симуляторе. Есть различные программы с достаточно реалистичными изображениями окружающей среды, моделями, похожими на настоящие. Самое главное, что тот же самый пульт управления можно при помощи специального кабеля подключить к компьютеру и уже им управлять в симуляторе, максимально приближаясь к реальным полетам.
При помощи симулятора я научился взлетать и приземляться в заданную точку, управлять поворотами вправо и влево, пользоваться рулем высоты, учитывать влияние ветра и конструктивные особенности самолета. Очень важно понять, что когда самолет улетает от нас, то управление вправо и влево совпадают, а когда самолет летит на нас, то все отрабатывает в зеркальном отражении. Я поставил себе задачу 10 раз подряд успешно взлететь и успешно сесть. После ее достижения я пошёл на поле.
Первый полет. После того, как рука на симуляторе набита, пульт стал привычным инструментом управления, я отправился на первые реальные запуски!
Лучше всего свои первые запуски осуществлять в поле, где нет поблизости, кустов, деревьев, проводов. Почему-то они обязательно выскакивают навстречу... Мы старались выбирать место там, где нет поблизости людей и животных. В человека можно нечаянно попасть, а собака может не понять и наброситься на самолет. Желательно, чтобы поле было с достаточно высокой травой, которая спасет от жесткого приземления и ошибок пилотирования при взлете и посадке. Запускать лучше в безветренную погоду. Обычно это бывает утром на восходе солнца и вечером при закате. Если есть небольшой ветер, то взлетать и садиться надо против ветра, тогда он будет Вам в помощь. Обязательно надо учитывать положение солнца - очень неприятно быть ослепленным и на какое-то время потерять самолет из виду. Особенности конструкции данного самолета подразумевают запуск рукой, держась за фюзеляж сверху.
Тут надо быть внимательным, чтобы расположенный сзади винт не поранил руку при броске. Сажать самолет нужно стараться, развернув на себя, тогда Вы отчетливо будете видеть его высоту, понимать расстояние до посадки и положение крыльев.
Заключение.
Работая над данным проектом мы узнали, над созданием самолета «Летающее крыло» работают ученые всего мира. На данный момент Летающее крыло еще не вышло в эксплуатацию. “Летающее крыло” – одна из самых перспективных конфигураций для будущих дозвуковых самолетов пассажирской и грузовой авиации.
Я собрал модель самолета «Летающее крыло», которая сделана из пенопласта, имеет аккумулятор, пульт управления. Летающее крыло довольно быстро и просто собирается. Чтобы самолет не разбился я предварительно поучился управлению на компьютерном симуляторе. Мы успешно запустили модель самолета в поле и сделали вывод о том, что модель отлично летает и слабо чувствительна к порывам ветра в пределах до 4-ех метров в секунду. Еще уникальна модель тем, что умеет планировать. Впечатляет и скорость передвижения летающего крыла, при установке нужной электроники самоделка разгоняется до целых 80-ти км/ч.
Список литературы
Самолет «летающее крыло». [Электронный ресурс] https://interesnye-istorii.in.ua/flying-wing (дата обращения: 28.08.2021).
Интересные истории. Рубрика «Авиация» [Электронный ресурс] //URL: https://interesnye-istorii.in.ua/category/all-stories/aviation (дата обращения: 06.08.2021).
Капровский Я. Летающие крылья, Москва, издательство СССР, 1988 год.
Клименко А.П., Никитин И.В. Мотодельтапланы: Проектирование и теория полета — М.: Патриот. 1992.
Приложение 1. Процесс изготовления модели.
Шаг первый. Разметка
Чертили мы при помощи шаблона. В первую очередь с краев листа я срезал по 4 мм, тем самым мы уберем округлые края, которые для модели не понадобятся. Далее разметили нижнюю обшивку крыла. Также я вырезал разметку для установки лонжеронов.
Шаг второй. Усиливаем крыло
Далее из пенопласта мы вырезали две полоски, их ширина составляет 2 см. Затем эти полоски приклеивали к крайней части крыла. Всего полосок должно быть 4, то есть клеить нужно в два слоя с каждой стороны. Таким образом, мы укрепляем лоб крыла. Когда клей высохнет, крылья нужно сточить. Сначала подрезать канцелярским ножом, а затем подшкурить.
Шаг третий. Лонжероны
Сперва мы разметили лонжероны. Ну а затем я вырезал при помощи линейки и канцелярского ножа. Лонжероны мы сделали двухслойными, для большей прочности.
Лонжероны я приклеил к нижней части летающего крыла, а затем я разметил заднюю часть крыла для стачивания.
Шаг четвертый. Верхняя обшивка
Верхняя обшивка делается точно так, как и нижняя, но она больше по размерам. Чтобы обшивку было проще приклеить к лонжеронам, мы ее изогнули.
Шаг пятый. Завершающий этап сборки
Особенностью сборки этой модели является то, что начинать склеивание следует не с лобика, а исключительно с задней кромки крыла. После сборки детали я выровнял с помощью канцелярского ножа и хорошенько обработал наждачной бумагой до гладкого состояния. Впоследствии консоли склеиваются вместе. В итоге должно получиться готовое крыло.
Затем мы изготовили и установили на крыло элевоны. Также в заключении мы сделали Винглеты и установить их к торцовым частям крыла.
Я изготовил для этих целей специальный коробок, размещенный под крылом.
Сервомашинки крепятся к крылу с помощью тонкого двустороннего скотча.
Центр тяжести у модели размещен на расстоянии в 135 мм от задней кромки.
В конце я приклеил разноцветный скотч чтобы его было видно издалека.
Приложение 2. Характеристики модели «Летающее крыло»
Вес модели: 420 грамм.
Размах крыльев составляет: 940 мм.
Длина в центре: 350 мм.
Длина на концах: 150 мм.
Материалы и инструменты для модели:
1. В модели использовался двигатель – толкающий, бес коллекторный А2212
2. Регулятор хода – 30 ампер
3. Сервопривод
4. Аккумулятор – 1500 миллиампер, 11.1 вольт
5. Воздушный винт – обратный 8 x 6
6. Приёмник – FS-iA6B
7.Пульт – FLYSKY. FS-16
8. Потолочная плитка.
9. Линейка.
10. Канцелярский нож.
11. Шариковая ручка.
12. Клей для потолочки.
13. Цветной скотч.
Приложение 3. Фоторепортаж
«Самолет - Летающее крыло»
Пульт управления самолетом.
Аккумулятор для самолета
Внутреннее устройство летающего крыла
1 «Летающее крыло» — разновидность схемы «бесхвоста» с редуцированным фюзеляжем, роль которого играет крыло, несущее все агрегаты, экипаж и полезную нагрузку.