XXI Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
РЕКОНСТРУКТИВНАЯ АДАПТАЦИЯ БЕСПИЛОТНОГО ЛЕТАТЕЛЬНОГО АППАРАТА
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Разработан системный комплекс технических решений, обеспечивающих авторскую реконструктивную адаптацию беспилотного летательного аппарата для оперативного оповещения чрезвычайных ситуаций.
Летающая модель — уменьшенная копия летательного аппарата, содействуя научным открытиям, принесла человечеству огромную пользу. Под БПЛА понимают дистанционно управляемые летательные аппараты, применяемые для проведения воздушной разведки. Беспилотные летательные аппараты принято делить по таким взаимосвязанным параметрам, как масса, время, дальность и высота полёта. Публикационным предпроектным анализом определено, что изначальное применение беспилотных летательных аппаратов определялось как боевое. С начала 2000-х годов колоссальное значение стали приобретать «микро-беспилотники», разрабатываемые не для военных, а сугубо для гражданских целей. Беспилотные летательные аппараты дают возможность исключить присутствие человека при трудновыполнимых и опасных задачах.
Цель работы: разработка и создание реконструктивной авиамодели для оперативного воздушного оповещения чрезвычайных ситуаций.
Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:
1. осуществлён поиск наиболее подходящей конфигурации летательного аппарата;
2. реконструирован радиоуправляемый БПЛА, с установкой необходимого оборудования и органов управления;
3. проведены испытания летательного аппарата с полезной нагрузкой – камерой наблюдения;
4. сделана фотосъёмка местности при помощи БПЛА и установленного оборудования.
Техническая новизна:
использование летательного средства для критического обзора и оценки оперативного пространства с разрешением высоты наблюдения 200 м для оповещения чрезвычайных ситуаций.
Методы и средства решения:
Публикационный предпроектный анализ, авторская реконструктивная адаптация и последующая сборка летального аппарата с определённой разрешающей способностью высоты наблюдения 200 м для оперативного оповещения чрезвычайных ситуаций.
Актуальность проблемы вытекает из необходимости и потребности выполнения полёта и аэрофотосъёмок в труднодоступных оперативных зонах в случаях чрезвычайных ситуаций для получения необходимой и достаточной информации и принятия решения.
В настоящее время авиамоделизм набирает популярность. Использование уменьшенных копий летательных аппаратов в целях спасения людей при наводнениях и землетрясениях является большой редкостью. Данные обстоятельства привели нас к осуществлению реконструктивной адаптации беспилотного летательного аппарата.
Базой исследования явилась МОУ СОШ №51 им. Числова А.М. г. Волгограда.
ГЛАВА I. Виды самолётных крыльев, их достоинства и недостатки.
1.1Силы, действующие на самолет в полете.
В полете самолет подвергается влиянию многих сил, обусловленных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). Сила тяжести остается всегда постоянной, если не считать уменьшения ее по мере расхода горючего. Подъемная сила противодействует весу самолета и может быть больше или меньше веса, в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперед. Силе тяги винта противодействует сила сопротивления воздуха (иначе лобовое сопротивление).
При прямолинейном и горизонтальном 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
1.2Виды и формы крыльев, их достоинства и недостатки.
Размах крыла - расстояние между плоскостями, параллельными плоскости симметрии крыла, и касающимися его крайних точек. Размах крыла - это важная геометрическая характеристика летательного аппарата, оказывающая влияние на его аэродинамические и лётно-технические характеристики, а также является одним из основных габаритных размеров летательного аппарата. [6]
Удлинение крыла- отношение размаха крыла к его средней аэродинамической хорде. Для непрямоугольного крыла удлинение равно (квадрат размаха) /площадь. Это можно понять, если за основу возьмём прямоугольное крыло, формула будет проще: удлинение равно размах/хорду. Т.е. если крыло имеет размах 10 метров, а хорда равно 1 метр, то удлинение будет равно 10.
Чем больше, удлинение- тем меньше индуктивное сопротивление крыла, связанное с перетеканием воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю через законцовку с образованием концевых вихрей. В первом приближении можно считать, что характерный размер такого вихря равен хорде- и с ростом размаха вихрь становится всё меньше и меньше по сравнению с размахом крыла. Естественно, чем меньше индуктивное, сопротивление- тем меньше и общее сопротивление системы, тем выше аэродинамическое качество. Естественно, у конструкторов возникает соблазн сделать удлинение как можно больше. И тут начинаются проблемы: наряду с применением высоких удлинений конструкторам приходится увеличивать прочность и жёсткость крыла, что влечет за собой непропорциональное увеличение массы крыла.
С точки зрения аэродинамики наиболее выгодным будет такое крыло, которое обладает способностью создавать возможно большую подъемную силу при возможно меньшем лобовом сопротивлении. Для оценки аэродинамического совершенства крыла вводится понятие аэродинамического качества крыла.
Аэродинамическим качеством крыла называется отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления крыла. [4]
Наилучшей в аэродинамическом отношении является эллипсовидная форма, но такое крыло сложно в производстве, поэтому редко применяется. Прямоугольное крыло менее выгодно с точки зрения аэродинамики, но значительно проще в изготовлении. Трапециевидное крыло по аэродинамическим характеристикам лучше прямоугольного, но несколько сложнее в изготовлении.
Стреловидные и треугольные в плане крылья в аэродинамическом отношении на дозвуковых скоростях уступают трапециевидным и прямоугольным, но на околозвуковых и сверхзвуковых имеют значительные преимущества. Поэтому такие крылья применяются на самолетах, летающих на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях.
Крыло эллиптической формы в плане обладает самым высоким аэродинамическим качеством- минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе. К сожалению, крыло такой формы применяется не часто из-за сложности конструкции, низкой технологичности и плохих срывных характеристик. Однако сопротивление на больших углах атаки крыльев другой формы всегда оценивается по отношению к эллиптическому крылу. Наилучший пример применения крыла такого вида- английский истребитель "Спитфайер». Крыло прямоугольной формы в плане имеет самое высокое сопротивление на больших углах атаки. Однако такое крыло, как правило, имеет простую конструкцию, технологично и имеет очень неплохие срывные характеристики.
Крыло трапецеидальной формы в плане по величине воздушного сопротивления приближается к эллиптическому. Широко применялось в конструкциях серийных самолетов. Технологичность ниже, чем у прямоугольного крыла. Получение приемлемых срывных характеристик также требует некоторых конструкторских ухищрений. Однако крыло трапецеидальной формы и правильной конструкции обеспечивает минимальную массу крыла при прочих равных условиях. Истребители Bf-109 ранних серий имели трапецевидное крыло с прямыми законцовками:
Стреловидность крыла — угол отклонения крыла от нормали к оси симметрии самолёта, в проекции на базовую плоскость самолета. При этом положительным считается направление к хвосту. Существует стреловидность по передней кромке крыла, по задней кромке и по линии четверти хорд.
1.3Нагрузка на крыло
— отношение веса летательного аппарата к площади несущей поверхности. Выражается в кг/м² (для моделей- гр/дм²). Величина нагрузки на крыло определяет взлетно-посадочную скорость летательного аппарата, его маневренность, и срывные характеристики.
По-простому, чем меньше нагрузка, тем меньшая скорость требуется для полета, следовательно, тем меньше требуется мощности двигателя.
Средней аэродинамической хордой крыла (САХ) называется хорда такого прямоугольного крыла, которое имеет одинаковые с данным крылом площадь, величину полной аэродинамической силы и положение центра давления (ЦД) при равных углах атаки. Или проще- Хорда — отрезок прямой, соединяющей две наиболее удаленные друг от друга точки профиля.
Величина и координаты САХ для каждого самолета определяются в процессе проектирования и указываются в техническом описании.
Если величина и положение САХ данного самолета неизвестны, то их можно определить.
Для крыла, прямоугольного в плане, САХ равна хорде крыла.
Для трапециевидного крыла САХ определяется путем геометрического построения. Для этого крыло самолета вычерчивается в плане (и в определенном масштабе). На продолжении корневой хорды откладывается отрезок, равный по величине концевой хорде, а на продолжении концевой хорды (вперед) откладывается отрезок, равный корневой хорде. Концы отрезков соединяют прямой линией. Затем проводят среднюю линию крыла, соединяя прямой середины корневой и концевой хорд. Через точку пересечения этих двух линий и пройдет средняя аэродинамическая хорда (САХ).
Зная величину и положение САХ на самолете и приняв ее как базовую линию, определяют относительно нее положение центра тяжести самолета, которое измеряется в % длины САХ.
Вес самолета складывается из веса пустого самолета (планер, двигатели, несъемное оборудование), веса топлива и т. д. Если найти равнодействующую сил веса всех частей самолета, то она пройдет через некоторую точку внутри самолета, называемую центром тяжести.
Расстояние от центра тяжести до начала САХ, выраженное в процентах ее длины, называется центровкой самолета.
ГЛАВА II. Конструктивные особенности адаптации.
2.1Конструкция
Для решения поставленных задач, в качестве основы для моделирования, была выбрана конструкция авиамодельного самолёта "ЛМ-19"
В данной модели самолёта используются крыло трапецеидального типа.
Данный тип крыла не отличается особенными аэродинамическими свойствами, но благодаря своей простате и устойчивости в полёте он используется в авиамодельных реконструкциях. [5]
В
используемой нами модели самолёта лонжероны обеспечивают основную жёсткость конструкции крыла. Для управления моделью в воздухе используются элероны и руль высоты, которые приводятся в движение сервоприводами. [8]
Движение самолёта вперёд осуществляется с помощью двигателя, установленного на мотораму.
2.2Материалы
Корпус модели самолёта собран из потолочной плитки (пенополистирол). Силовая установка (электродвигатель) устанавливается на пластиковую (органическое стекло) раму. Все детали корпуса летательного аппарата соединяются с помощью клея, устойчивого при сменах температур и деформации плоскостей управления.
Корпус мотора состоит из алюминиевых деталей. Обмотка ротора – из медной проволоки. Конструкция сервоприводов предусматривает большое количество пластиковых деталей, что делает их очень лёгкими.
2.3Сборка самолета
Первым делом необходимо вырезать все заготовки из пенополистирола. Далее нужно склеить все детали. Для упрощения и усиления конструкции было решено совместить два крыла и в его основу вклеить один лонжерон.
После чего, для усиления конструкции в крыло вклеиваются деревянные рейки и перегородки из пенополистирола. Для жёсткости фюзеляжа так же используются деревянные рейки. Для размещения электроники используется внутренний полезный объём фюзеляжа. [9]
Соединение элеронов, руля высоты используется шарнирное соединение, осуществлённое с помощью нейлоновых петель. Для управления рулём высоты в хвосте самолёта устанавливается один сервопривод. В центре масс самолёта, в крыле, вырезается углубление под сервопривод, который необходим для управления элеронами. К основанию самолёта привинчиваем шасси, изготовленное из полоски металла и прорезиненных колёс от игрушки.
В заранее подготовленные углубления помещаются сервоприводы, в данном случае - это 5-тиграммовые TGY 1550A. Сервопривод, она же рулевая машинка - устройство, обеспечивающее преобразование сигнала в строго соответствующее этому сигналу перемещение (как правило, поворот) исполнительного устройства.[10]
На вал надевается рычаг в форме круга, креста или перекладины для передачи вращающего движения на рабочий орган. После поворота вал остается в этом положении, пока не придет иной управляющий сигнал. Смысл сервопривода в гарантированном выполнении заданной команды. Воспрепятствовать этому может лишь разрушение сервопривода, снятие внешнего управляющего сигнала или пропадание напряжения питания. К рычагам сервоприводов присоединяются тяги (металлическая проволока) с клипсами на концах. В элевоны устанавливаются ответные соединения из проволоки и соединяются с тягой.
Готовая конструкция летательного аппарата имеет размах крыльев 980 мм, самая длинная хорда (место соединения двух крыльев) - 370 мм. Масса самолёта, оснащённого всеми органами управления, без полезной нагрузки равна 800 г. При установке камеры самолёт приобретает вес около 900 г. Рядом с камерой установлен сервопривод, который отвечает за фокусировку и спуск затвора.
ГЛАВА III. Электросхема модели.
3.1Электросхема
п редставленного нами беспилотного летательного аппарата очень проста. Она состоит из пяти частей: 1) силовая установка – бесколлекторный микроэлектродвигатель AX-2308N-1100 (1100 об/мин на 1В, при использовании трёхбаночного аккумулятора (12,5В) – 13750 об/мин). Данный мотор позволяет очень точно регулировать силу газа и плавно управлять снижением или повышением оборотов.2) Трёхбаночная аккумуляторная батарея (12,5В). Заряда данной батареи хватает на 20 - 25 минут полёта с полезной нагрузкой в зависимости от температуры воздуха. 3) Регулятор мощности двигателя, который позволяет набирать и сбрасывать обороты, а также полностью отключать питание двигателя. 4) Приёмник радиосигнала, работающий на одной частоте с пультом управления – 2,4 ГГц, такая частота делает аппаратуру самолёта почти неуязвимой для внешних радиопомех. Как уже было сказано раньше, на самолёте установлено три сервомеханизма (5) TGY 1550A, они также являются неотъемлемой частью электросхемы.
3.2Выводы третей главы:
-
Большим плюсом модели является простота пилотирования.
-
В ходе испытаний было выявлено, что используемые нами элементы управления справляются со всеми нагрузками, действующими накрыло вовремя тангажей и кренов.
-
Завершив практическую часть работы, мы пришли к выводу, что 20 – 25 минут полёта достаточно для наблюдения за сравнительно небольшим участком местности.
ГЛАВА IV. Практическое применение реконструированной модели.
4.1Ведение аэрофотосъёмки
Для проведения аэрофотосъёмки задаются высота полёта относительно фотографируемой местности, фокусное расстояние камеры аэрофотоаппарата, сезон, время и порядок прокладывания маршрутов.
Из-за подвижности основания при аэрофотосъемке в каждый момент фотографирования центр проектирования объектива и плоскость аэроснимка занимают произвольное положение. Величины, определяющие пространственное положение снимка относительно принятой системы координат, называются элементами внешнего ориентирования снимка. Это три линейные координаты центра проектирования xs, ys, zs и три угла, определяющие поворот снимка вокруг трёх осей координат.
Аэрофотосъёмку мы проводили с высоты 60 м. Данная высота является наиболее подходящей для наблюдения за небольшими по площади участками местности. С такой высоты не составляет труда обнаруживать небольшие строения, автомобили, а также деревья и кустарники. Фокусное расстояние объектива составило 28 мм.
О бработка снимков производилась в графическом редакторе PhotoshopCS6. При помощи данной программы на снимке были сведены к минимуму оптические искажения, вызванные объективом, которые могли повлиять на точность исследований. Также был поднят контраст снимков для визуального отделения объектов на местности.
4.2Перспективное военное применение
Использование летающих моделей самолетов в военных целях стало возможным лишь в результате интенсивного развития электроники и автоматики.
Относительно недавно появился новый класс летательных аппаратов – дистанционно пилотируемые летательные аппараты (ДПЛА). Их использование наметилось прежде всего в военных целях – в качестве разведчика прифронтовой зоны. Преимущество такого беспилотного разведчика прежде всего в том, что небольшая по размеру модель имеет малое радиолокационное сечение и противнику трудно её обнаружить. Кроме того, потеря модели в случае уничтожения не сравнима с потерей полноразмерной машины или пилота.
4.3 Выводы четвёртой главы:
-
При помощи фотоаппарата была проведена плановая съёмка местности.
-
В ходе испытаний было выявлено, что оптимальной высотой для съёмки небольших участков местности является высота 60 м.
-
После обработки снимков был получен окончательный результат, который можно применять в учебных и показательных целях.
Заключение.
В данной работе был проведён подробный обзор реконструктивной адаптации беспилотного летательного аппарата. Были выявлены физические величины, от которых зависят основные аэродинамические характеристики модели, влияющие на её устойчивость при полёте. Во время испытаний проводились наблюдения за устойчивостью аппарата с полезной нагрузкой и без неё. Основным материалом для изготовления корпуса модели послужил пенопласт, который является очень лёгким, благодаря своей пористой структуре. Жёсткость конструкции была достигнута путём внедрения в неё ребер жёсткости (лонжеронов).
Был определён центр тяжести модели путём нахождения длины аэродинамической хорды. В соответствии с полученными данными практическим путём было найдено место для расположение фотокамеры на корпусе модели (по центру тяжести). Законцовки на крыльях в виде шайб помогли снизить срыв потока воздуха с крыльев, уменьшив неустойчивость самолёта в воздухе из-за снижения давления около концевых хорд. Была установлена зависимость числа Рейнольдса от скорости самолёта, а именно, воздействие ламинарных и турбулентных потоков воздуха в пограничном слое крыла.
В результате была разработана и создана реконструктивная авиамодель для оперативного воздушного мониторинга.
Список используемой литературы:
1. http://ochumelye.ru/book/3/
2.http://modernlib.ru/books/gallay_mark_lazarevich/aviatori_ob_aviacii/red
3. http://ru.wikipedia.org/wiki/Авиамоделизм
4. Пышнов В. С., Аэродинамика самолета, М., 1943;
5. Остославский И. В., Титов В. М.. Аэродинамический расчет самолета, 1947;
6. Глауэрт Г., Основы теории крыльев и винта, пер. с англ., М.—Л., 1931. М. Я. Юделович.
7. http://ru.wikipedia.org/wiki/Аэрофотосъёмка
8. В.С. Рожков., Авиамодельный кружок для руководителей кружков школ и внешкольных учреждений., 1980
9. Заворотов В.А., От идеи до модели., 1988
10. В.И. Костенко, Ю.С. Столяров, Модель и машина., 1981