XXII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Прототип БПЛА самолётного типа с несущим корпусом

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Гостев С.А. 1

---

1ГБОУ "Бауманская инженерная школа № 1580"

Безенков Ю.В. 1

---

1ГБОУ "Бауманская инженерная школа №1580"

Работа в формате PDF

1.2 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

«Попробовав однажды полёт, вы всегда будете ходить по земле,

глядя в небо, ибо там вы были и туда всегда будете стремиться вернуться»

Леонардо до Винчи

Существующие самолёты имеют традиционную классическую аэродинамическую компоновку. Для неё свойственно наличие крыла, фюзеляжа, органов аэродинамической стабилизации и управления, а также посадочного устройства. Проблема в том, что существует потребность в разработке беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) нового типа, способных решать нетрадиционные задачи, невозможные при аэродинамической компоновке.

Актуальностьзаключается в том, что в условиях военных действий необходимы летательные аппараты, обладающие большой грузоподъёмностью, способные производить посадку и взлёт с небольших грунтовых площадок.

Цель – разработать проект модели самолёта с аэродинамически несущим корпусом, который будет прототипом БПЛА с несущим корпусом.

Задачи: изучить основы аэродинамики; проанализировать устройства современных БПЛА; определить преимущества конструкции с несущим корпусом; собрать модель, установить электронику и провести испытания.

Объектом исследования являются беспилотные или пилотируемые летательные аппараты с аэродинамически несущим корпусом. Предмет исследования – БПЛА, обладающие большой грузоподъёмностью, экономически выгодные в эксплуатации, способные взлетать с небольшой площадки.

После изучения соответствующей литературы по теме, выдвинута гипотеза: особенная конструкция корпуса рассматриваемого типа самолёта позволяет распределить воздушные массы наиболее эффективно, в частности при боковом ветре, так как в этих условиях взлететь и посадить летательный аппарат становится очень тяжело, а также есть специфические задачи для БПЛА, работающего в военных условиях. В частности, он должен обладать большой грузоподъёмностью и быть способным переносить более тяжёлые заряды или выполнять более точную видеосъёмку.

ГЛАВА 1. ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА О САМОЛЁТОСТРОЕНИИ

1. 1. Воздушный шар. Первые полёты

Середина XVIII столетия. Юг Франции, город Аннон, близ Лиона. Семья бумажного фабриканта Пьера Монгольфье пополнилась двенадцатым ребёнком – Жозефом. Это был способный, наблюдательный и настойчивый мальчик. Талант Жозефа–изобретателя проявился в улучшении технологического процесса бумагоделательного производства, он оборудует новые мастерские.

Братья Монгольфье занимались изучением энергии ветра, они наблюдали за воздушными потоками, следили за облаками, движущимися по небу под воздействием ветра. А что, если сделать искусственное облако, заключить его в оболочку и заставить подняться в небо? Братья увлеклись этой идеей. Они делали шарообразные бумажные оболочки и наполняли их паром. Братья решили использовать в качестве топлива водород, но опыты провалились, бумага пропускала газ. Далее они провели испытания с мешком, сделанным из материи и наполненным дымом от горящей бумаги, он быстро поднялся вверх.

5 июня 1783 года многочисленные зрители увидели подвешенный на высоте трёхэтажного дома огромный мешок, спускавшийся до земли. Внизу, под кольцевым отверстием, была установлена сковорода – на ней развели костёр. Дым стал наполнять оболочку, и она быстро приняла форму шара. Вот по команде отпущены верёвки, и баллон ушёл в небо. Полёт его продолжался около 10 минут. Шар поднялся на высоту около 2000 метров, и пролетев 2,5 км, опустился на землю.

21 ноября 1783 года в пригороде Парижа из сада замка де ла Мюэт, состоялся первый полёт человека на воздушном шаре, построенном братьями Монгольфье (Рис. 1).

Рис. 1. Первая публичный полёт в Аннене, 5 июня 1783 г

1.2. Вертолёт М.В. Ломоносова

1 2 июля 1754 года, на заседании петербургской Академии наук знаменитый русский учёный и естествоиспытатель Михаил Ломоносов представил своё новое изобретение, названное им «воздухобежной аэродинамической машиной». Это было не что иное как первая в истории модель вертолёта (Рис. 2).

П

Рис. 2. Чертёж «воздухобежной аэродинамической машины»

осле гибели коллеги Рихмана Ломоносов решил создать машину, с помощью которой можно было бы поднимать различные метеорологические приборы для исследования атмосферных явлений без участия человека. Спроектированная им модель летательной машины состояла из корпуса с двумя винтами, которые приводились в движение часовой пружиной, помещённой в коробку. Оба винта вращались в противоположные стороны, взаимно уравновешивая реактивную силу и тем самым обеспечивая неподвижность корпуса. Воздушный поток, отбрасываемый при движении винтов, способствовал вертикальному подъему аппарата. Таким образом, это был самый настоящий прототип вертолёта.

Презентация машины (Рис. 3) состоялась 1 (12) июля 1754 года на заседании Петербургской академии наук. Представленная на заседании Академии наук модель поднялась вверх на 20 метров.

В

Рис. 3. Модель вертолёта М.В. Ломоносова.

1907 г. состоится первый вертикальный полёт летательного аппарата, построенного братьями Луи и Жаком Бертье. Их машина поднимется в воздух всего на полметра и через минуту опустится вниз.

1.3. Самолёт А.Ф. Можайского

В 1903 г. в истории началась новая эпоха – управляемые полёты. Братья Уилбер и Орвилл Райт впервые в мире подняли в небо управляемый аппарат (Рис. 4) тяжелее воздуха с двигателем внутреннего сгорания «Флайер-1» и пролетели на нём 30 метров. Но мало кто знает, что за 20 лет до их первого полёта, русский офицер совершил полёт на прообразе самолета. Этим офицером был А.Ф. Можайский – изобретатель и пионер авиации.

В

Рис. 4. Самолёт братьев Райт. 1903 г.

середине XIX в, под влиянием наблюдения за полётом птиц, А.Ф. Можайский задумался над идеей создания летательного аппарата, основанного на принципе аэродинамики. Одна из его моделей способна была взлетать после разбега на собственном шасси, совершать довольно устойчивый полёт со скоростью до 10 км/ч и поднимать кортик морского офицера.

П еред постройкой аэроплана Можайский сделал летающую модель, прототип. Для взлёта и посадки модель имела 4 колеса, расположенные под фюзеляжем. Модель могла совершать устойчивые полёты со скоростью до 10 – 15 км/ч (Рис. 5).

И

Рис. 5. Чертёж летательного аппарата А.Ф. Можайского.

звестный инженер, член Морского технического комитета, полковник П.А.Богословский писал: «Аппарат, при помощи своих двигателей летает изумительно быстро, не боится ветра и может летать в любом направлении...»

1.4. Аэродинамическая труба Н.Е. Жуковского

В 1897 г. калужский учитель К. Циолковский построил прототип аэродинамической трубы собственной конструкции и первым в России применил её для изучения эффектов, проявляющихся при обтекании твёрдых тел воздушным потоком. Уже в 1902 году Н. Жуковский соорудил свою первую аэродинамическую трубу при Московском университете.

В посёлке Стаханово – трубы начали строить практически «в чистом поле». Уже 15 августа 1939 года в ЦАГИ была введена в эксплуатацию аэродинамическая труба Т-101, самая большая в Европе и вторая в мире по размерам рабочей части. В ней можно было проводить испытания не только полномасштабных моделей, но и самих реальных объектов.

Именно в этой аэродинамической трубе Т-101 (Рис. 6) были испытаны почти все отечественные самолёты и вертолёты, многие образцы аэрокосмической техники, а также объекты промышленности различного назначения.

Рис. 6. Аэродинамическая труба Н.Е. Жуковского.

1.5. Самолёты будущего

Две пары крыльев и удлинённое стройное брюшко – и это не о стрекозе, а о самолётах, на которых мы, возможно, скоро будем летать. Двигатели на основе холодного ядерного синтеза. Скорость больше 4000 км/ч. От Москвы до Пекина всего 1,5 часа лёта, а до австралийского Сиднея – меньше 6! Но это в теории [6].

С верхзвуковой самолёт: от Парижа до Нью-Йорка за 4 часа

П ассажирский, сверхзвуковой, бесшумный. В 2014 г. авиакомпания из Невады представила авиалайнер будущего – «Aerion AS-2». Конструкторам решили главную проблему сверхзвука. Обычно полёт сверхзвукового самолёта выглядит так: лайнер обгоняет звуковые волны, которые сам же и создаёт, и с грохотом о них бьется. Конструкторы из Невады придумали, как сделать самолёт более обтекаемым и смягчить удар. В нём есть один недостаток – в реальности этот самолёт никогда не существовал (Рис.7).

31 декабря 1968 года впервые в истории сверхзвуковой пассажирский лайнер преодолел звуковой барьер. Это был советский ТУ-144 (Рис. 8). Франко-британский «Конкорд» поднялся в воздух на три месяца позже нашего ТУ-144. И всё это время был убыточным. Роковым для сверхзвука в гражданской авиации стало 25 июля 2000 года. В Париже самолёт загорелся при взлёте и рухнул на жилые дома. После этого «Конкордам» запретили летать.

Самолёт с двумя пассажирскими салонами

Конструкторы из Нидерландов считают, что будущее за новым форм-фактором. Их «Flying V», летая на традиционном авиационном керосине, позволяет сэкономить место и увеличить пассажировместимость. Он может взять на борт 320 пассажиров и заменить современные широкофюзеляжные самолёты. Такая экономия – за счёт изменения аэродинамики лайнера (Рис. 9). Футуристичный, экономичный, практичный самолёт будущего. Совсем скоро нам придётся привыкать, что у авиалайнеров не один, а целых два пассажирских салона: правый и левый. А двигатели расположены между крыльями. Осталось его построить.

Авиаинженеры уверены, что сегодня надо делать ставку на электросамолёты. Они позволят сделать перелёты намного дешевле.

2 7 сентября 2022 года свой первый полёт совершил созданный с нуля электрический самолёт, сделанный в Израиле, – «Авиэйшн Алис». Компания-разработчик уверено заявляет, что им удалось найти оптимальные пропорции цены, качества, дальности полёта и пассажировместимости (Рис. 10). Вот только на таком самолёте далеко не улетишь. Максимальное расстояние, которое он преодолевает – 500 км. И перевезти он может всего 10 человек.

К

Рис.11. Модель хвостовой части самолёта на гибридной тяге.

онцерн Airbus, объявил, что к 2022 г. намерен провести испытания электрического самолёта с гибридной тягой. Разработка ведётся в рамках проекта DISPURSAL по технологии «движущего фюзеляжа». Здесь используются 2 турбовентиляторных двигателя, отвечающие за движение самолёта и за выработку электричества (Рис. 11).

ГЛАВА 2. ОСНОВЫ АЭРОДИНАМИКИ

2. 1. Теоретические основы

Аэродинамика – это наука об общих законах движения газа и взаимодействии его с движущимися телами. Это взаимодействие может быть механическим и тепловым, в результате чего на летательном аппарате (ЛА) в процессе его полёта в атмосфере действуют аэродинамические силы. Именно благодаря аэродинамическим силам возможен полёт ЛА тяжелее воздуха [1].

Полеты ЛА происходят в атмосфере Земли, поэтому при создании и эксплуатации нужно учитывать строение и параметры атмосферы.

Атмосферой называют газовую оболочку, которая благодаря воздействию гравитационного поля Земли удерживается ею и вращается вместе с планетой как единое целое. Атмосфера Земли имеет чёткое слоистое строение. Нижний слой атмосферы (от земли до высоты 8 км над полюсами и 18 км над экватором) называется тропосферой. Здесь характерно интенсивное перемещение воздушных масс, наличие облачности.Стратосфера простирается до высоты приблизительно 55 км. В нижних слоях стратосферы и в верхних слоях тропосферы, встречаются струйные течения шириной в сотни километров со скоростью потока до 100 – 150 м/с. Практическое значение для авиации имеют нижние слои атмосферы: тропосфера и нижняя часть стратосферы.

В аэродинамике используют принцип обращения движения, который заключается в изучении обтекания неподвижного ЛА набегающим потоком воздуха. При этом скорость набегающего потока равна по величине скорости полёта ЛА, но противоположна по направлению. Основными параметрами воздуха являются: температура, плотность и давление. К свойствам воздуха относятся вязкость и сжимаемость. При обтекании поверхности набегающим потоком воздуха на некотором удалении от этой поверхности скорость частиц воздуха начинает уменьшаться до полного торможения частиц, контактирующих с поверхностью (Рис. 12).

В

Рис.13. Схема обтекания тела вязким газом.

лияние вязкости на поток проявляется на небольшом удалении от поверхности тела. Такой слой воздуха называется пограничным. Толщина пограничного слоя невелика, на носке тела она минимальна и увеличивается вниз по потоку (Рис. 13). Максимальная толщина пограничного слоя во много раз меньше характерного линейного размера обтекаемого тела.

С

Рис.15. Формы крыла в плане.

Рис.14. Общий вид самолёта.

реди всего многообразия ЛА наибольшее распространение получил самолёт – это летательный аппарат тяжелее воздуха, который имеет крыло для создания подъемной силы и силовую установку для создания тяги. Основными его частями являются: крыло, фюзеляж, оперение, шасси, силовая установка, бортовое оборудование (Рис. 14). Формы крыла и формы профилей очень разнообразны. На современных самолётах чаще всего используются прямоугольные, трапециевидные, стреловидные и треугольные крылья (Рис. 15). Форма крыла в плане сильно влияет на лётно-технические характеристики самолёта и выбирается исходя из условия их обеспечения. Механическое воздействие набегающего потока на самолёт сводится к нагрузкам, непрерывно распределённым по его поверхности. Распределённые нагрузки приводят к результирующей силе, приложенной в центре масс самолёта, которая называется аэродинамической силой и обозначается R_A (Рис. 16), а также моменту вокруг центра масс, который называется аэродинамическим моментом и обозначается M.

А эродинамическим качеством называется отношение аэродинамической подъемной силы к силе лобового сопротивления или отношение соответствующих коэффициентов:

г

Рис.16. Аэродинамическая сила и аэродинамический момент, действующие на самолёт при его обтекании набегающим потом.

де Y – подъёмная сила, кг

Q – сила лобового сопротивления, кг

Аэродинамическое качество является одной из важнейших характеристик, отражающих техническое совершенство самолёта. Задаваясь величиной подъемной силы, нужно уменьшить лобовое сопротивление, чтобы увеличить качество.

Устойчивостью самолёта называется его способность без участия лётчика сохранять заданный опорный режим полёта, возвращаясь к нему после отклонения, вызванного воздействием внешних возмущений, после прекращения воздействия. Она бывает статическая и динамическая [2].

Статически устойчивым самолётом называют самолёт, у которого отклонение какого-либо параметра движения приводит к появлению силовых факторов, стремящихся уменьшить это отклонение. Если возникающие силовые факторы приводят к увеличению первоначальных отклонений, то самолёт считается статически неустойчивым.

Динамическая устойчивость – свойство самолёта без вмешательства пилота восстанавливать исходный режим полёта через некоторое время после прекращения действия возмущения.

2. 2. Профиль Жуковского

О дним из базовых положений существующей аэродинамической теории является основная теорема аэродинамики (теорема Кутта – Жуковского) о подъемной силе несущего профиля крыла (Рис. 17). В соответствии с этой теоремой [5] величина подъемной силы несущего профиля крыла может быть выражена с помощью следующей формулы:

где ρ – плотность воздуха;

V

Рис.17. Схема профиля Жуковского.

_∞ - относительная скорость невозмущённого потока;

Г – циркуляция скорости вдоль замкнутого цилиндрического контура вокруг присоединенного вихря, условно заменяющего несущий профиль крыла;

l - длина (размах) участка такого профиля, на котором оценивается величина создаваемой подъемной силы.

Р еальный воздух в действительности не обладает идеальными свойствами. В практике прикладных исследований эта формула в том же виде используется практически во всем диапазоне дозвуковых скоростей потока воздуха. Подъёмная сила крыла возникает благодаря тому, что поперечное сечение крыла представляет собой несимметричный профиль с выпуклой верхней частью. Крыло, перемещаясь, рассекает воздух. Одна часть струек встречного потока воздуха пойдёт под крылом, другая – над ним (Рис. 18).

Рис.18. Подъёмная сила крыла.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА СОБСТВЕННОЙ МОДЕЛИ САМОЛЁТА-ПРОТОТИПА БПЛА С АЭРОДИНАМИЧЕСКИ НЕСУЩИМ КОРПУСОМ

Геометрическую форму в плане аэродинамически несущего корпуса диктуют требования аэродинамики – обеспечение максимального коэффициента подъёмной аэродинамической силы и минимальное значение коэффициента аэродинамической силы лобового сопротивления.

Наибольшее распространение в экспериментальных самолётах с аэродинамически несущим корпусом получила форма в плане в виде треугольника. В соответствии с рассматриваемой концепцией такой корпус самолёта представляет собой удлиненное вдоль потока, хорошо обтекаемое профилированное тело, боковая поверхность которого может иметь плосковыпуклую или двояковыпуклую форму: верхняя часть выпуклая, нижняя часть – плоская. При этом, геометрическая форма в плане такого аэродинамически несущего корпуса представляет собой эллипс, большая ось которого расположена вдоль продольной оси самолета.

Для обеспечения необходимых аэродинамических характеристик [3] отношение малой оси эллипса к его большой оси должно находиться в диапазоне: .

Такая форма корпуса напоминает сплюснутый вдоль малой оси эллипсоид. Такая форма соответствует минимальному значению аэродинамического сопротивления и обеспечивает максимально возможное значение коэффициента подъемной аэродинамической силы на максимальных углах атаки, характерных для крыльев малого и сверхмалого удлинения, по сравнению со всеми другими возможными геометрическими формами корпуса в плане.

Применение аэродинамически несущего корпуса, имеющего предложенную форму, позволяет существенно увеличить полезный внутренний объём самолёта, в разы по сравнению с аналогичными самолетами традиционной классической аэродинамической схемы.

Такая форма корпуса позволяет использовать при взлёте и посадке не только шасси колесного типа, но и взлётно-посадочное устройство, основанное на принципе «воздушной подушки». Это обусловлено наличием относительно большой по размерам плоской поверхности нижней части корпуса, что отсутствует у самолётов с обычной аэродинамической компоновкой [4].

Возможен также полёт в режиме экраноплана таких самолётов. При посадке и взлёте на водную поверхность можно использовать специальные надувные поплавки, устанавливаемые на нижней плоской поверхности корпуса или придать нижней части корпуса форму лодки.

Наличие значительных внутренних полезных объёмов позволяет, без существенных затруднений использовать в качестве горючего сжиженные газы, топливные ёмкости которых превышают по объему соответствующие ёмкости с традиционным углеводородным горючим.

Для более чёткого представления о предложенной концепции применительно к дозвуковым пассажирским самолётам с аэродинамически несущим корпусом была спроектирована и построена модель, демонстрирующая упрощенную принципиальную схему, характеризующую состав и соотношение геометрических параметров такой конструкции.

В

Рис.19. Фотография готовой модели.

рамках данной работы были проведены испытания модели изолированного несущего фюзеляжа, который представляет собой удлинённое вдоль направления набегающего потока хорошо обтекаемое профилированное тело, верхняя часть которого выпуклая, а нижняя – плоская (Рис. 19). Геометрическая форма такого корпуса представляет эллипс, большая ось которого располагалась по потоку, а малая – перпендикулярно направлению набегающего потока.

Для изготовления модели были использованы облегчённые материалы, а также дополнительные детали: пеноплекс, низкотемпературная плёнка для обтяжки авиамоделей, двигатели и пропеллеры, провода 0,5 мм, тонкая фанера для моторамы. Модель кордовая, управление – проводное. Характеристики модели представлены в таблице 1.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЕКТИРУЕМОЙ МОДЕЛИ

Таблица 1

Характеристики проектируемой будущей модели-прототипа БПЛА представлены в таблице 2.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ПРОЕКТИРУЕМОЙ МОДЕЛИ БПЛА

Таблица 2

Заключение

Результатом данной проектной работы стала модель самолёта с аэродинамически несущим корпусом, разработанная под руководством ассистента кафедры СУНЦ-2, учителя физики Безенкова Юрия Владимировича. Эксперименты по запуску дали положительные результаты.

Предлагаемая форма аэродинамически несущего корпуса в плане, (при соблюдении надлежащей центровки самолёта) упрощает решение вопроса обеспечения продольной статической устойчивости и управляемости самолёта на всех режимах полёта. Это достигается за счёт возможности разнесения координат центра тяжести и центра приложения аэродинамической силы по большой оси эллиптического крыла.

Исследования показали, что геометрическая форма в плане аэродинамического несущего корпуса соответствует минимальному значению аэродинамического сопротивления. В ходе испытаний выявлены достоинства:

• модель совершила быстрый взлёт с минимальной площадки;

• большая манёвренность модели;

• устойчивость к боковому ветру;

• благодаря большому радиусу закругления, при малой толщине струй воздуха можно легко добиться проявления эффекта Коанда – прилипания струй к поверхности.

В ходе испытаний выявлены недостатки:

• модель требует доработки в уточнении центра тяжести, что обеспечит её стабильность.

После доработки потребуется ещё ряд испытаний. Модель возможно преобразовать в БПЛА и использовать в условиях СВО.

Список используемых источников и литературы

1. В.В. Ефимов. Основы авиации. Часть I. Учеб. Пособие. – М.: 2003.

2. Г.А. Никитин, Е.А. Баканов. Основы авиации: Учебник для вузов гражданской авиации. – 2-е изд., перераб. и доп. – М.: Транспорт, 1984. – 261 с.

3. А.Ф. Бочкарёв, В.В. Андреевский, В.М. Белоконов и др. Аэромеханика самолёта: Динамика полёта: Учебник для авиационных вузов; под ред. А.Ф. Бочкарёва и В.В. Андриевского. 2-е изд. перераб. и доп. – М.: Машиностроение, 1985. – 360 с, илл.

4. Г.А. Колесников, В.К. Марков, А.А. Михайлюк и др. Аэродинамика летательных аппаратов: Учебник для вузов по специальности «Самолётостроение»; под ред. Г.А. Колесникова. – М.: Машиностроение, 1993. – 544 с., илл.

5. Г.И. Карачевский. Об основной теореме аэродинамики. // Воздушно-космическая сфера. Текст электронный: электронный журнал. – URL: https://www.vesvks.ru/ . – Дата публикации 2019. № 4. С. 88-97

6. Д. Гернер. Как выглядят самолёты будущего: гиперзвуковая скорость и солнечная энергия. – URL https://hightech.fm/. – Дата публикации 2018.