XXIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Портативный аэростат

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Устенко И.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Специализированная физико-математическая школа №35 города Донецка"

Кучеренко М.В. 1

---

1Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение "Специализированная физико-математическая школа №35 города Донецка"

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя III степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Актуальность. Территория нашей большой Родины надежно защищена хорошо развитой системой ПВО. Укрепление обороны границ нашего государства наиболее актуально в настоящее время. Желание помочь нашим воинам в достижении целей СВО позволило вспомнить поговорку «Новое – это хорошо забытое старое» - применение аэростатов в военное время для контроля за воздушным и наземным пространством, а в последующем, в мирное время, в народнохозяйственных целях.

Цель работы: создать портативную модель аэростата в домашних условиях, испытать его в действии.

Для достижения цели были поставлены следующие задачи:

1. Изучить научную и популярную литературу по теме.

2. Произвести расчеты подъемной силы (грузоподъемности) модели.

3. Изготовить модель аэростата из подручных средств.

4. Экспериментально подтвердить законы физики при полете портативного аэростата.

Объект исследования: модель аэростата в масштабе 1:3.

Предмет исследования: физические основы процесса разработки и создание модели аэростата.

Гипотеза: возможность создания портативной модели аэростата и подтверждение физических законов воздухоплавания.

Методы: моделирование, демонстрация полета аэростата, эксперимент, анализ полученных данных.

Практическая значимость работы: применение полученных результатов работы для практического использования: для наблюдения за местностью как в военных, так и в мирных целях (сельское, лесное хозяйство), а также как школьное демонстрационное пособие для изучения принципов полета.

2. Основная часть.

2. 1. Изучение информации по теме «Воздухоплавание».

В соответствии с выбранной темой проекта «Портативный аэростат» был проведен самостоятельный патентный поиск на сайте Российского патентного ведомства https://www.fips.ru/iiss/search_res.xhtml?faces-redirect=true .

В ходе патентного поиска была изучена научно-техническая и патентная информация (21 документ):

• рефераты российских изобретений (РИ) - 17

• формулы российских полезных моделей (ФПМ) - 3

• перспективные российские изобретения (ПИ) - 1

В документах рассматривалось описание изобретений к патентам, чертежи. Результаты поиска сведены в таблицу 1 (Приложение 1). Поиск показал, что рассматриваемые устройства имеют основные части: оболочка, удерживающие тросы, устройства для нагнетания газа (легче воздуха) или электрические устройства для подъема аэростата, платформа для спецоборудования или перевозки грузов, шланги для подачи газа в оболочку или горелки. Все они имеют сложные конструкции и изготовлены из дорогостоящих материалов.

Можно ли сконструировать в домашних условиях мини аэростат при минимальных экономических затратах? Для подтверждения рабочей гипотезы были изучены материалы по темам «Закон Архимеда», «Плавание судов. Воздухоплавание».

Аэроста́т (от от греч. ἀήρ – воздух и греч. στατός – стоячий, неподвижный), летательный аппарат, использующий аэростатическую подъёмную силу, которая создаётся заключённым в газонепроницаемую оболочку газом (водород, гелий, нагретый воздух) с меньшей, чем у атмосферного воздуха, плотностью. [1]

Аэростаты подразделяют на свободные, привязные и управляемые (дирижабли). В интересующих меня целях целесообразно было изучить и проанализировать материал о привязных аэростатах, которые удерживаются закрепленными на земле тросами, позволяющими регулировать высоту их подъема.

7 февраля 1885 г. в Санкт-Петербурге была сформирована первая воздухоплавательная воинская часть — «Кадровая команда военных аэронавтов» под руководством Александра Матвеевича Кованько с целью ликвидации отставания России в области воздухоплавания, которая проводила опыты по боевому применению аэростатов: сигнализация с воздушных шаров посредством разноцветных лампочек, освещение местности с аэростата прожектором, участие в маневрах войск, розыск затонувших судов, первые аэрофотосъёмки.

Именно аэростаты принесли большую пользу в сражениях под Мукденом и при обороне Порт-Артура во время русско-японской войны 1904-1905 гг. «Нельзя нам идти в хвосте иностранцев, нельзя зависеть от иностранных заводов. «Мы сами должны научиться строить аэропланы и моторы и уметь управлять ими. Воздушный флот нужен России не только как средство сообщения…Нам нужны опытные мастера, предприимчивость и верфи, где все воздухоплавательное можно было бы делать дома, русскими руками, из русских материалов и по возможности русской системы». [2]

В годы Великой Отечественной войны привязные аэростаты сыграли большую роль. Они использовались для воздушного заграждения и корректирования огня артиллерии.

 При организации противовоздушной обороны в Москве и Ленинграде наши бойцы ПВО вывешивали аэростаты в шахматном порядке, а для верности на каждый трос подвешивали ещё и мину. Самолёт сталкивался с тросом, мина съезжала к крылу, и происходил взрыв. Аэростаты заграждения поднимали ночью на тросе, утром их опускали вниз, когда оканчивалось дежурство.

Первые успехи аэростатчики показали в небе Москвы уже 23 июля 1941 года. Над Москвой аэростатами заграждения было уничтожено не менее 150 самолётов врага. В 1943 году Москву защищали 440 заградительных постов, а всего на фронтах в воздух поднималось около трёх тысяч аэростатов. [3]

В настоящее время привязные аэростаты, как и в прошлом, состоят из каплевидного баллона-оболочки с хвостовыми стабилизаторами. Баллон изготавливают ткани или полимерных материалов. Заправляют аэростат водородом.  

Аэростат может быть удобной платформой для современных средств разведки. Для охраны российских объектов в Сирии применялись привязные аэростаты с оптико-электронными станциями, способные нести дежурство сутками, следить за местностью с наиболее выгодного ракурса. Пункт наблюдения на базе привязного аэростата не подвергается воздействию средств РЭБ.

2. 2. Расчет подъемной силы (грузоподъемности) аэростата.

В основе воздухоплавания лежит всем хорошо известный закон Архимеда: на тело, находящееся в газе (воздухе), действует выталкивающая сила, равная весу газа в объеме тела. [4]

Согласно условиям плавания тел, для плавания моего аэростата в воздухе, необходимо, чтобы подъёмная сила (архимедова сила) компенсировала силу аэростата: F_A = F_т (1). Но чтобы аэростат поднимался вверх выталкивающая сила была больше силы тяжести F_A F_т.

Используем формулы из курса физики, распишем каждую силу из указанного равенства.

Получим, что F_т = M_аэр·g (2), где М – это общая масса: оболочки аэростата (m_об), масса гелия (m_Не), обруча (m_о), веревочки (m_трос), кабеля для камеры (m_к), площадки для груза (видео камеры) (m_груз), g – ускорение свободного падения – 9,82 Н/кг. В качестве газа, которым будет наполняться аэростат, выбран гелий - газ, который легче воздуха и безопаснее водорода.

Выталкивающая сила находится по формуле F_A = ρ_в·g·V_аэр (3), где ρ_в – плотность воздуха, V_аэр – объем аэростата.

Подставим в равенство (1) выражения (2) и (3):

ρ_He·V_аэр + m_об + m_платф + m_о + m_к + m_трос + m_груз = ρ_в·V_аэр

Выразим из полученного равенства массу груза, которую может поднять портативный аэростат на свой борт:

m_груз = V_аэр · (ρ_в - ρ_He) – (m_об + m_о + m_платф + m_к + m_трос).

Результаты измерений:

Подставляя вычисленный ранее объём шара и плотности воздуха и гелия, имеем:

m_груз = 0,42 м³ · (1,29 – 0,1784 ) – (0,125 кг +0,155 кг + 0,01 кг +0,002 кг + 0,05 кг) = 0,174872 кг

Мой портативный аэростат может поднять груз, масса которого не должна превышать 174 г. Этого достаточно для того, чтобы установить на платформе видео камеру для коптеров, т.к. масса ее примерно не более 30 г.

2. 3. Разработка схемы и конструирование модели портативного аэростата.

Работа по созданию данной модели начата с создания схемы (Рис.1, Приложение 2).

Рис.1. Схема портативного аэростата

Для изготовления модели портативного аэростата в масштабе 1:3 понадобилось:

Стоимость рассчитана в соответствии с прайс-листом ТЦ «Галактика» города Донецка ДНР. Экономические затраты при изготовлении устройства составили 1992 рубля при покупке всех материалов (остатки материала пригодятся для изготовления других изделий), что на порядок дешевле приобретения квадрокоптера для известных целей.

Процесс изготовления модели аэростата:

1. Из полиэтиленовой пленки вырезаны два круга, диаметром 1,5 м.

2. Края двух кругов спаяны с помощью утюга. Сбоку припаяна трубочка из пленки для заполнения оболочки газом.

3. Взяты 2 пластиковых электрокабель-канала, используемых для прокладки электропроводов. Необходимо снять с них крышки и изготовить круглый обруч, который будет служить каркасом для аэростата. В каркасе дрелью нужно просверлить отверстия для крепления оболочки с помощью ниток. К этим же отверстиям крепится груз (камера на площадке) и удерживающий тросик.

4. Для изготовления лебедки нужно взять две металлические крышки от банок и небольшой деревянный цилиндр (кусочек ручки от лопаты). В цилиндре просверлить отверстие для оси. Ось изготовлена из металлической шпильки с резьбой М8. В цилиндр вставляется ось, к ней гайками прикручиваются круглые крышки. Из доски нужно выпилить опоры для катушки лебедки, скрепить их саморезами по дереву. Ось согнуть в виде ручки для вращения.

На катушку лебедки прикрепил техническую нить, которая выполняет роль тросика для удержания аэростата при подъеме.

Линзообразная форма аэростата выбрана для улучшения аэродинамических характеристик летательного аппарата. А также, использование в конструкции электрокабель-каната упрощает процесс изготовления, создает простой каркас аэростата. При изготовлении модели аэростата использовалась прозрачная плёнка. В случае использования портативного аэростата в военных целях цвет пленки будет способствовать маскировке на фоне неба. В случае пробития оболочки, произойдет спуск в режиме парашюта.

Фотографии процесса изготовления модели аэростата представлены в Приложении 3.

2. 3. Экспериментальное подтверждение законов физики при полете портативного аэростата.

Из школьного курса физики известно, что при увеличении высоты температура воздуха уменьшается, а плотность воздуха изменяется.

Проведем расчеты плотности воздуха и грузоподъемности на день запуска модели.

24 марта 2024г. – температура воздуха 10 ⁰С (10 + 273К = 283К), атмосферное давление 739 мм.рт.ст. (739 мм.рт.с. ·133,3 Па = 98508,7Па)

Рассчитаем плотность воздуха, используя уравнение Менделеева-Клапейрона:

ρ_в = = = 1,2126 1,213, где R – газовая постоянная для сухого воздуха.

Рассчитаем массу груза при этой плотности воздуха:

m_груз = 0,42 м³ · (1,29 – 0,213 ) – (0,125 кг +0,155 кг + 0,01 кг +0,002 кг + 0,05 кг) = 0,11234 кг

Поднять на борт аэростата можно груз не более 112 г, чтобы аэростат взлетел.

Повторный запуск производился в помещении при температуре воздуха 18 ⁰С (291К) при том же атмосферном давлении.

Плотность воздуха в комнате:

ρ_в = = 1,1793

Масса груза, который может поднять модель:

m_груз = 0,42 м³ · (1,29 – 0,1793 ) – (0,125 кг +0,155 кг + 0,01 кг +0,002 кг + 0,05 кг) 0,124 кг

Поднять на борт аэростата можно груз не более 124 г. Масса видео камеры 28г., запас еще есть.

Подъем портативного аэростата можно просмотреть по ссылке https://disk.yandex.ru/i/K6Gye1lyQwpxSg

Мой портативный аэростат взлетел в обоих случаях! Мои расчеты верны!

2. Заключение

У меня получилось самостоятельно в домашних условиях сконструировать портативную модель портативного аэростата и доказать гипотезу. В ходе работы понял физические принципы полета беспилотных летательных аппаратов типа привязной аэростат.

Мою модель можно усовершенствовать: выбрать материал для оболочки, который долгое время будет не пропускать газ из аэростата; на каркас-обруч можно укрепить электродвигатель (модель станет самостоятельным летным аппаратом).

Список использованных источников и литературы

1. Большая российская энциклопедия: официальный сайт. – Москва, 2022. - URL: https://bigenc.ru/s?q=аэростат&p=1 (дата обращения 20.12.2023).

2. Лагода, К. Этот день в военной истории/ Военно-исторический журнал «Имя Победы»: https://vk.com/club59254370 - 2013. - URL: https://vk.com/wall-59254370_38710 (дата обращения 17.01.2024).

3. Павлов, В. Как воевали дирижабли в Великую Отечественную/ В. Павлов// История РФ. Главный исторический портал страны: https://histrf.ru/ - 2012. - URL: https://histrf.ru/read/articles/kak-voievali-dirizhabli-v-vielikuiu-otiechiestviennuiu (дата обращения 12.01.2024).

4. Перышкин И.М. Физика 7 класс : учебник/ И.М.Перышкин, А.И.Иванов. – 2-е изд. стереотипное – Москва : Просвещение, 2022. – 240с. - Текст : непосредственный.

Приложение 1

Таблица 1. Результаты патентного поиска

Приложение 2. Схема модели портативного аэростата

Приложение 3. Процесс изготовления модели портативного аэростата