XXIV Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Материалы для создания беспилотных летающих моделей

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Чигинцев Г.И. 1

---

1МОУ СОШ №1 г. Копейск Челябинская область

Гофман Н.В. 1

---

1МОУ СОШ №1 г. Копейск Челябинская область

Работа в формате PDF

1.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение

Многие дети с самого детства любят делать самолётики, а потом устраивать соревнования. Со временем у некоторых желание летать не пропадает, лишь крепнет. Известно, что ряд знаменитых авиаконструкторов с детства строили самые простые модели самолёта у себя в гараже или в станциях юных техников. Авиамоделирование –это увлекательное хобби, которое сочетает в себе элементы инженерии, искусства и науки. Создание моделей самолётов, вертолётов и других летающих аппаратов не только приносит радость, но и развивает множество полезных навыков, даёт уверенность в своих силах, помогает определиться с выбором будущей перспективной профессии.

Сегодня современные технологии позволяют конструировать летательные аппараты и в домашних условиях. Мой папа с 2022 года, при поддержке Федерации авиамодельного спорта Свердловской области и Казанского Авиационного завода, начал заниматься производством авиамодельного планера «Буран». Конечно, меня это очень заинтересовало. Я захотел ему помогать.

С 22 октября 2024 г. в нашем городе начала работу лаборатория на базе СЮТа в кванториуме – БПЛА (Беспилотные летательные аппараты) с новыми кабинетами, оснащёнными современным оборудованием для обучения и исследований в этой области. А 23 января состоялось торжественное открытие лаборатории беспилотных летательных аппаратов (БПЛА).

Я посещаю кружок авиамоделирования уже второй год. Мне стало интересно узнать, какие материалы лучше всего подойдут для создания модели радиоуправляемого планера, сконструированного в домашних условиях.

Объект исследования:беспилотные летательные аппараты.

Предмет исследования:материалы, используемые дляизготовления радиоуправляемого планера.

Цель: сравнить материалы для создания модели радиоуправляемого планера, сконструированного в домашних условиях и выявить преимущества каждого из используемых материалов.

Задачи:

1. Изучить литературу и интернет-источники о понятии БПЛА, материалах и технологии их изготовления.

2. Провести опрос по выявлению лучшего материала для изготовления модели планера.

3. Повести эксперимент для сравнения материалов для изготовления модели.

4. Систематизировать полученные результаты.

5. Создать модель радиоуправляемого планера.

6. Опробировать свою модель.

Методы исследования:

1. Социологический опрос.

2. Эксперимент.

3. Наблюдения, сравнение, анализ, обобщение.

Практическая значимость: результаты исследования могут быть использованы мною в дальнейшей моей профессии.

Для осуществления поставленных задач мы изучили литературу, интернет- источники, различные статьи исследовательских институтов о композитных материалах, используемых в авиации. Дополнительно опросили действующих спортсменов авиамоделистов во время соревнований о приоритетных материалах для создания планеров, их характеристиках, чем именно они являются привлекательными. Всю полученную информацию мы апробировали экспериментальным путём. В результате мы изготовили планер из выбранных материалов, опробировали его.

Глава 1. Теоретическая часть

Слова «беспилотник», БПЛА, БАС и «дрон» слышны чуть ли не каждый день. Аппараты без пилота на борту придуманы давно, сейчас область их применения очень широка. Беспилотники снимают интересные видео, с их помощью предотвращают пожары и спасают людей, возможно искать беглых преступников, доставлять лекарства и даже обслуживать посетителей в кафе. И это только начало. Беспилотные летательные аппараты «впитывают» достижения самых современных технологий – из области IT, электроники, телекоммуникаций – «умнеют» и проникают во все сферы нашей жизни.

1.1Что такое БПЛА?

Итак, какими бывают беспилотники? Даже если говорить только о летательных аппаратах, перечислить всё невозможно. Есть огромные представители с размахом крыла больше 10 метров, есть «карманные» беспилотники. И у каждого – свои возможности и задачи. Что между ними общего? То, что они работают не сами по себе, а являются частью целой системы.

БПЛА – беспилотные летательные аппараты – это сам планер с двигателем, средства взлёта и посадки, информационно-командная радиолиния, система электроснабжения и целевое оборудование (камеры, тепловизоры). Самое главное в беспилотнике – связь. Существует множество разных БПЛА, но в каждом из них обязательно есть: автопилот, датчики, система навигации, каналы связи, источники энергии (питания) и двигатель. Это всё влияет науправление моделью и скорость.Она может поворачиваться и наклоняться при изменении скоростей, у самолёта для этого есть аэродинамические поверхности — элероны, рули высоты, киль. Вертолёт использует автомат перекоса для крена и тангажа и хвостовой ротор для изменения угла рыскания.

1.2 Материалы для изготовления БПЛА

На станции юных техников, которую я посещаю с прошлого года, модели самолётов изготавливаются из самых различных материалов: дерево, пенополистрол (потолочная плитка или подложка под напольные покрытия), клей, пластилин, композит и многого другого.

Композит –многокомпонентный материал, состоящий из пластичной основы (матрицы) и армирующего наполнителя, придающего композиту прочность и жесткость.Сочетание разнородных веществ приводит к созданию нового материала, свойства которого качественно и количественно превосходят свойства его составляющих. Многие композиты опережают по своим полезным свойствам традиционные материалы и сплавы и, в то же время, они легче. Использование композитов позволяет увеличить прочность конструкции, снизить вес и увеличить долговечность.
Перспективные пути открывают комбинированные материалы, усиленные либо волокнами, либо диспергированными твёрдыми частицами. У первых в неорганическую металлическую или органическую полимерную матрицу введены тончайшие высокопрочные волокна из стекла, углерода, бора, бериллия, стали или нитевидные монокристаллы. В результате такого комбинирования максимальная прочность сочетается с высоким модулем упругости и небольшой плотностью. Именно такими материалами будущего являются композиционные материалы.
Кроме авиационно-космической, ракетной и других специальных отраслей техники, они могут быть успешно применены в энергетическом турбостроении, в автомобильной и горнорудной, металлургической промышленности, в строительстве и т.д. Диапазон применения этих материалов увеличивается день ото дня и сулит еще много интересного. Можно с уверенностью сказать, что это материалы будущего.
Композиционные материалы встречаются нам везде, во всей нашей повседневной жизни. Сидите дома, а вокруг вас окружает один из самых простейших видов композиционных материалов – железобетон. Пошли в гараж, отопление в котором проведено армированными трубами. Выезжаете на машине, у которой бампера из стеклопластика, не говоря уже о поршнях, шатунах, покрышках, тормозных колодках и т.д. Соберётесь на рыбалку, как же обойтись без суперлёгкой и прочной углепластиковой удочки. А если вас заберут в армию, бронежилеты, броня для танков, приклады автоматов, всё состоит из композиционных материалов.

Что привело к использованию этого материала? Ну, конечно, же уменьшение веса, громоздкости и одновременно увеличение прочности и повышение других качественных показателей.

Углепластик – наиболее широко используемый в аэрокосмической отрасли ПКМ, обладающий низкой тепло- и электропроводностью, невысоким температурным коэффициентом линейного расширения, износостойкостью при трении. Он отвечает основным требованиям, предъявляемым к материалам для авиационных конструкций, таким как жесткость, усталостная долговечность и коррозионная стойкость. Но главной особенностью углепластика является его исключительное соотношение прочности к массе: высокие показатели прочности и модуля упругости при растяжении сочетаются с низкой плотностью. Это позволяет производить более лёгкие конструкции летательных аппаратов, что, в свою очередь, повышает их энергоэффективность, увеличивает полезную нагрузку и продолжительность полёта. Из углепластиков часто изготавливают фюзеляж, силовой набор и обшивку крыла, различные типы оперения, шасси.
Углепластики чаще всего изготавливают с применением связующих на основе эпоксидных смол. Среди видов армирующих волокон широко распространены однонаправленные жгуты и тканые полотна. Строение ткани (в частности, толщина нити и вид переплетения) влияют на характеристики готового материала.

Для изготовления БПЛА не только из углепластиков, но и из других композитов используются относительно малозатратные методы, такие как контактное или вакуумное формование. Это обусловлено требованием низкой себестоимости.

К приоритетным технологиям изготовления деталей для летательных аппаратов относится препреговая технология. Препрег – это полуфабрикат композита на основе тканого или жгутового наполнителя, предварительно пропитанного связующим. Процесс производства препрега позволяет точно регулировать массовую долю связующего в полуфабрикате, благодаря чему удается избежать разнотолщинности и получить стабильные физико-механические свойства в готовом отвержденном материале. Препреги выпускают на различных типах связующих – как для автоклавного формования, так и для пропитки под вакуумом. Бо́льшая часть углепластиков в авиационных конструкциях изготовлена с использованием препрегов. Материал выбрали из-за высокой прочности, жесткости и простоты создания из него многоэлементных деталей.
Дополнить список подходящих композитов по соотношению «прочность/масса» смог стеклотекстолит, его используют для изготовления рамы. Данный материал, помимо оптимальных механических свойств, удобен в обработке – можно использовать различные методы, такие как фрезерование, лазерная и гидроабразивная резка.
Радиопрозрачность стеклопластиков делает их незаменимыми материалами при изготовлении радиотехнических деталей летательных аппаратов. Их использование не только снижает массу конструкции, но и повышает ее технические характеристики благодаря своим диэлектрическим свойствам. В беспилотных аппаратах активно используются радиопрозрачные обтекатели антенн и крышки люков из стеклопластиков, которые должны обеспечивать защиту оборудования от влияния внешней среды и минимальные искажения электромагнитных волн.

Но как известно, композиты это не единственные материал в авиастроении. Сегодня алюминий занимает 50-90% от массы самолётов, именно он позволяет инженерам создавать лёгкие, энергоэффективные, не поддающиеся коррозии машины с максимальной вместительностью. Но в авиастроении используют не чистый алюминий, а так называемый «авиаль», это сплав, состоящий из цинка, магния и меди. По прочности сплав не уступает среднепрочной стали, но при этом имеет меньший вес. Существуют ещё и композитные материалы на основе алюминия. Это очень сложные композиты, в составе которых нерастворимые или малорастворимые друг в друге материалы. Они имеют высокую прочность, жаропрочность, упругую и термичную стабильность.

Помимо алюминия возможно и использование самой стали и титана. Из титана, вернее так же из его сплава, делают крылья самолета, шасси ИЛ-76 и 86. Каждый из перечисленных материалов имеет определённые превосходства в качестве или иное преимущество.

ГЛАВА 2. Практическая часть

Перечисленные свойства имеют отношение к профессиональной большой авиации. Нас интересует построение модели планера. Для нашей работы подойдут алюминий, композиты, пластик и дерево. Кстати, почему древесина больше не используется в самолётах?Всё просто, дерево хоть лёгкое и прочное, но требует большого ухода, раскалывается значительно раньше других материалов. Поэтому, со временем и было вытеснено качественными современными производными металлов.

Для того чтобы выяснить, какой материал лучше использовать для построения модели, алюминий или композит,мы решилиузнатьмнение действующих спортсменов-авиамоделистов. Нами было опрошено 12 человек, двое из которых увлекаются производством летательных планеров для спортсменов, остальные служат на военных объектах по производству БПЛА. Мы предложили ответить на вопрос: «Какой материал лучше использовать для построения модели планера: алюминий, композит или стеклопластик?» (См. приложение №1)

Собранные ответы мы зафиксировали в диаграмме откуда видно, что композитные материалы лидируют. (См. приложение №1)

Узнав мнение специалистов, мы сделали следующие выводы:

композитный профиль обладает существенными преимуществами по сравнению с алюминиевым. Он не корродирует и не проводит ток. Сварка и покраска алюминия трудоёмкий и дорогостоящий процесс. В отличии от металла стеклопластик обладает низкой теплопроводимостью. Поскольку, в авиамоделизме идёт борьба за каждый грамм веса, то в этом пункте стеклопластик уникален, он обладает высокой прочностью, небольшим весом. Материал не восприимчив к воздействию внешней среды, воде и т.д. Его прочность сравнима только с металлом. При незначительном увеличении массы применяются композиты.

2.1 Эксперимент

Всю полученную информацию мы решили проверить экспериментально. Взяли две одинаковыедетали(тягу) из алюминия и из углепластика

(композита) и проверилиих в равных условиях. Результаты эксперимента внесли в таблицу. (См. приложение №2)

Ход эксперимента.

1. Взяли две тяги.

2. Взвесили их.

3. Замерили длину и ширину.

4. Подвергли одинаковой нагрузке.

5. Подвергли одинаковому термовоздействию.

Из полученной таблицы мы можем сделать вывод, что при равных условиях воздействия тяги вели себя одинаково, но, если учесть, что композит весил в половину меньше, значит он в два раза прочнее алюминия, и,в нашем случае, является лучшим вариантом, благодаря свойствам которыми он обладает.

2.2 Изготовление модели планера

Нашу модель планера будем изготавливать из композитных материалов.

Она состоит из крыла, хвостового оперения, фюзеляжа.

Подробноостановимсяна изготовление фюзеляжа.
1. Перед тем как качественно изготовить фюзеляж, необходимо подготовить матрицу:покрыть её разделяющим составом, во избежание прилипания матрицы к композитному составу. Например, состав на основе пчелиного воска.

2. Красимматрицу лаком. Лак устойчив к ультрафиолетовым лучам. В последствии он останется на поверхности изделия и защитит его от выгорания, обеспечит долговечность яркого покрытия и дизайна.

3. Пока сохнет матрица, подготавливаем материал. У нас это будет углеткань. Нарезаем её на полоски нужной длины и ширины, учитывая направления нитей. Это очень важная часть, она обеспечивает жёсткость полученного продукта. Секрет заключается в использовании двух видов тканей: «шашка» с направленными волокнами 45\45 гр. и «однонаправленная» ткань, данное чередование обеспечивает жёсткость по всем трём осям фюзеляжа.

4. Пропитываем все слои смолой.

5. Обрезаем по форме шаблона иукладываем в две половины матрицы. Внутрь матрицы кладём трубку с камерой и смыкаем. Стянув их струбцины, накачиваем камеру до 2,5 атмосфер.

6. Помещаем в печку с температурой 50-60 градусов для кристаллизации смолы. Через 24 часы вытаскиваем и охлаждаем до комнатной температуры.

7. Открываем матрицу, распустив струбцины. Спускаем давление с матрицы.

8. Раскрыли матрицу на две половины. Достали фюзеляж. Очищаем изделие полировочными материалами отоплоя.

9. Вырезаем все необходимые технические отверстия.

Наш фюзеляж готов! (См. приложение №3)

Для изготовления других частей планера используем данный алгоритм.Создание такой модели занимает в среднем 2 недели. Первая модель, в производстве которой я принимал участие, планер F3K (См. приложение №4). Вот с таких моделей обычно и начинаются первые серьёзные соревнования в авиамодельных кружках. Следующая модель была уже серьёзней: большой 4-х метровый планер. Он, конечно, рассчитан не на новичка.Делается он по той же самой технологии и из тех же материалов и занимает время изготовления 14 дней.

Этим летом мы опробовали наш большой планер, участвовали в чемпионате России по авиамодельному спорту в классе F3В в Нижнем Новгороде,в котором я занял третье место среди юношей, и местных областных мероприятиях г. Екатеринбурга, Казани, Тюмени, Перми. (См. приложении №5).

Заключение

Сегодня трудно представить наш мир без самолётов, которые за ограниченное время доставляют нас из одной точки в другую с расстоянием в тысячи километров. В последние годы в нашу жизнь вошли БПЛА – дроны. В чём польза дрона? Наиболее важным преимуществом БПЛА является их способность к выполнению задач в зоне риска без угрозы жизни человека. Дроны экономически выгоднее для воздушного наблюдения, они сокращают время и рабочую силу для выполнения сельскохозяйственных задач, расширяют возможности производителей по контролю за посевами и скотом. Эффективно применяются в военных целях. Профессиональные БПЛА отличаются от обычных дронов рядом важных особенностей. БПЛА малой размерности используют как хобби и в качестве игрушек.

Цель нашего исследования достигнута, мы сравнили материалы для создания модели радиоуправляемого планера, сконструированногов домашних условиях и выявили преимущества каждого из используемых материалов. В ходе проделанной работы по теме проекта мы решили поставленные задачи и сделали следующие выводы.

1.Изучив литературу и интернет-источники, были выявлены приоритетные материалы для авиационного строения.

2. Опросив спортсменов, определили подходящие материалы для самостоятельного изготовления модели планера.

3. Провели эксперимент для сравнения материалов. Систематизировали полученные данные.

4. Создали модель радиоуправляемого планера и опробировали его.

Несмотря на открытие лаборатории,посвященной освоению БПЛА,в нашем городе не хватает классов с технической направленностью, где ребята могли бы изготавливать самостоятельно такие аппараты, активно участвовать в соревнованиях. Такая работа – подготовка к выбору профессий, обучение по сборке, пилотированию дронов, их программированию и конструированию.

Считаем нашуработу актуальной и практически значимой, результаты исследования могут быть использованы не только мной. Будем рады, если представленный материал замотивирует и поможет сделать игрушку своими руками, а мы продолжим свои исследования, планируем результаты оформить в сборник.

На достигнутом мы не останавливаемся, в планах изготовление БПЛА, дронов, планеров другого класса, например, с использованием электрического мотора.

Список литературы

1.  Л. Пеленицын Энциклопедия авиации для детей среднего школьного возраста, Ростов-на-Дону: ИД «Проф-Пресс», 2017г-128с., цв.ил.

2. Технологии//Беспилотны летательные апппараты. Иноземцев Д.П. Беспилотные летательные аппараты:теория и практика. 2013.№2-54с.

3. https://apni.ru/article/5109-Композиционные материалы в современной авиации

4. https://viam.ru/publicНАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЦЕНТР «КУРЧАТОВСКИЙ ИНСТИТУТ» ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ УНИТАРНОЕ ПРЕДПРИЯТИЕ
   ВСЕРОССИЙСКИЙ НАУЧНО-ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ИНСТИТУТ
   АВИАЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НАУЧНЫЙ ЦЕНТР РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Научные публикации сотрудников центра

5. https://cyberleninka.ru/article/n/ применениекомпозитныхматериалов в авиастроении

Приложение № 1 Бланк с вопросом и обработанные ответы, на выявление приоритетных материалов.

Приложение №2 План эксперимента проведенного на основании изученного материала и опроса спортсменов.

Приложение №3 готовый фюзеляж из композитного материала и матрица.

Приложение №4 Планер F3К

Приложение №5 Планер F3В

Диплом с Кубка России по авиамодельному спорту