Методические пособия

ВВЕДЕНИЕ

В конце шестидесятых годов в США, странах ' За­падной Европы, а в семидесятых—и в СССР сформиро­валось новое направление в развитии авиационной тех­ники—сверхлегкие летательные аппараты (СЛА).

В 1981 г. Международная авиационная федерация (ФАИ) определила, что к данному типу летательных аппаратов относятся одно- и двухместные самолеты с массой пустого не более 150 кг. Были определены и другие ограничения [16]. В ряде стран (США, Англии, Испании, Франции и др.) существуют свои ограничения по СЛА. В отечественной практике это название укре­пилось за любым ЛА самодеятельной постройки. Про­шедшие смотры-конкурсы вопрос о классификации ЛА выдвинули в число наиболее важных.

Особое место среди других летательных аппаратов занимают сверхлегкие самолеты (СЛС).

Подобные самолеты строились и раньше, начиная еще с двадцатых годов. Это были одиночные образцы, выполненные конструкторами-любителями, многие из которых всю последующую жизнь посвятили авиации. Некоторые из построенных самолетов, например АНТ-1 А. Н. Туполева (1923 г.), ВОП-1 В. О. Писаренко (1923 г.), РАФ-1 А. Н. Рафаэлянца (1925 г.), С-4 В. П. Невдачина (1926 г.) и многие другие, имели до­статочно хорошие летно-технические характеристики. Но так как в эти годы начиналось покорение больших высот и скоростей, то малые самолеты остались в тени действительно громадных достижений в развитии «боль­шой» авиации.

Возобновление интереса к СЛС обусловлено их ши­рокими возможностями для решения учебных, спортив­ных и хозяйственных задач, а также появлением современных материалов и технологий, мощных и экономич­ных двигателей.

В зависимости от количества и взаимного располо­жения несущих поверхностей СЛС могут выполняться по трем аэродинамическим схемам: нормальной (клас­сической), «утка» и «бесхвостка».

В СЛС, выполненном по нормальной схеме, опере­ние расположено позади крыла. Крыло такого самолета обтекается невозмущенным потоком, в то время как опе­рение находится в зоне вихрей, стекающих с крыла. Несмотря на это, хвостовое оперение способно обеспе­чить хорошую продольную устойчивость и управляе­мость СЛС.

В самолете схемы «утка» горизонтальное оперение расположено впереди крыла на носовой части фюзеля­жа и так же, как и крыло, создает подъемную силу. Аэродинамическое сопротивление самолета, выполненно­го по схеме «утка», меньше аэродинамического сопро­тивления такого же самолета, но выполненного по нор­мальной схеме. Это объясняется отсутствием так назы­ваемых потерь на балансировку. Эти преимущества были замечены конструкторами-любителями, в результа­те многие СЛС в первой половине восьмидесятых годов были выполнены по этой схеме. Несмотря на красивые аэродинамические формы, высокую культуру изготовле­ния, большинство из них так и не летало. Причиной этого являются трудности, связанные с вопросами обе­спечения хорошей устойчивости и управляемости.

СЛС схемы «бесхвостка» обладают меньшим вред­ным сопротивлением, чем при нормальной схеме (из-за отсутствия горизонтального оперения), но требуют при­нятия специальных мер для обеспечения необходимых в полете устойчивости и управляемости. К этой схеме от­носятся дельтапланы и мотодельтапланы.

По конструктивным признакам все СЛС можно раз­делить на три основных класса: мотодельтапланы; уль-тралайты с жестким силовым набором и мягкой ткане­вой или пленочной обшивкой; сверхлегкие летательные аппараты, выполненные по самолетной схеме.

Отличительными признаками мотодельтапланов яв­ляются балансирная схема системы управления, мягкое крыло с растяжками, препятствующими его изгибу.

Силовой каркас крыла схематичных СЛС (ультра-лайтов) выполняется обычно в виде трубчатого лонже­рона. Такая схема достаточно популярна среди конст­рукторов-любителей. Популярность схемы объясняется относительной простотой изготовления такого СЛС, но требует больших мощностей двигателя из-за невысокого аэродинамического качества.

СЛС, выполненные по самолетной схеме, конструк­тивно существенно сложнее двух предыдущих классов, но они имеют более высокие летно-технические харак­теристики, особенно по скорости и дальности полета.

Самодеятельное любительское конструирование СЛА в СССР получило в последнее время довольно активное развитие. Решению многих проблем любительского конструирования способствовало создание постоянно действующей технической комиссии.

Настоящей школой для начинающих конструкторов-любителей стали уже традиционные смотры-конкурсы сверхлегких летательных аппаратов, организацию кото­рых взяли на себя ЦК ВЛКСМ, ЦК ДОСААФ и Ми­нистерство авиационной промышленности.

Большое количество удачных полетов, выполненных на последних смотрах-конкурсах летчиками-испытате­лями, показали незаурядные способности конструкторов-любителей. В то же время они выявили и проблему:

многие самодеятельные конструкторы строят на свой страх и риск, пытаются поднять в воздух аппараты без элементарных знаний в области аэродинамики, проч­ности, основ конструирования и технологии изготов­ления.

В сентябре 1988 г. опубликованы общие технические требования (ОТТ) к ЛА любительской постройки. Эти ОТТ в процессе создания СЛА могут быть выдержаны только при наличии у разработчиков проекта определен­ных знаний по расчету, конструированию и технологиям изготовления подобных ЛА. Специальная литература, посвященная этим проблемам, рассчитана на промыш­ленную технологию, требует соответствующей подготов­ки и, как правило, не охватывает все этапы созда­ния ЛА.

Возникла необходимость в пособии по расчету, про­ектированию и технологии изготовления СЛА для широ­кого круга самодеятельных конструкторов. Именно эти цели, применительно к СЛС, ставили перед собой авто­ры, приступая к работе над книгой.

Книга посвящена вопросам расчета, проектирования и изготовления СЛС нормальной схемы и базируется на курсах математики и физики в объеме средней шко­лы. Особое внимание уделено вопросам расчета и из­готовления воздушных винтов.

Книга рассчитана на широкий круг любителей, не имеющих специальной подготовки, однако, знакомых с основами авиации в объеме популярных изданий.

Глава 1. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОСНОВНЫХ ПАРАМЕТРОВ И ОБЛИКА СВЕРХЛЕГКИХ САМОЛЕТОВ

1. 1. ПРОЦЕСС СОЗДАНИЯ СЛС
 

Создание СЛС—это процесс непрерывного творче¬ского поиска, направленного на оптимальное решение задач проектирования и изготовления конструкции. Он включает в себя:
определение цели создания летательного аппарата;
разработку технического задания;
формулировку концепции и их анализ;
разработку эскизного и рабочего (технического) проекта
изготовление частей и всего ЛА в целом;
подготовку к испытаниям и сами испытания.
Одним из наиболее трудоемких и сложных этапов создания СЛС является процесс его проектирования.
Под проектированием самолета обычно понимают процесс разработки технических материалов (докумен¬тации), определяющих его летно-технические характе¬ристики, схему и конструкцию отдельных агрегатов [5].
Процесс проектирования включает в себя разработку эскизного и рабочего проектов.
В эскизное проектирование СЛС входят:
а) определение основных параметров и облика СЛС;
б) вычерчивание предварительного чертежа общего вида;
в) расчет взлетной массы и центровки;
г) аэродинамический расчет, рассмотрение вопросов устойчивости и управляемости.
В рабочее проектирование СЛС входят:
а) разработка чертежей общего вида СЛС и отдель¬ных его частей;
б) разработка сборочных и деталировочных чер¬тежей;
в) расчет на прочность всех силовых элементов кон¬струкции;
г) уточнение массы конструкции и центровки ЛА;
д) отработка технологии изготовления отдельных элементов конструкции;
е) проведение исследовательских и эксперименталь¬ных работ.
Все дозвуковые летательные аппараты, использую¬щие подъемную силу крыла, независимо от их массы, аэродинамической схемы, компоновки, назначения и других характеристик, подчиняются одним и тем же законам аэродинамики. Одними и теми же методами можно вести и их прочностные расчеты. Однако, что ес¬тественно, как аэродинамические, так и прочностные расчеты СЛС любительской постройки существенно от¬личаются от расчета промышленных образцов авиацион¬ной техники и носят несколько упрощенный характер. Это вызвано тем, что самодеятельные СЛС проектиру¬ются и строятся небольшой группой исполнителей. При этом точный расчет ведется только для основных, наи¬более ответственных конструктивных элементов лета¬тельного аппарата (лонжеронов, стрингеров, нервюр, стенок, балок, стыковочных узлов и т. д.), для осталь¬ных — приближенный.
Процесс проектирования и создания СЛС должен соответствовать имеющимся в наличии материалам, по¬луфабрикатам и элементам конструкции.
Изготовление СЛС во многих случаях начинается еще до окончания его проектирования, что позволяет корректировать прочностные расчеты и существенно уменьшать их объем, используя результаты испытаний отдельных элементов конструкции. Технология изготовления элементов и узлов разрабатывается одновременно с проектированием и окончательно доводится в про¬цессе постройки летательного аппарата.
Примерная последовательность разработки, проектирования и изготовления СЛА показана на рис. 1. 1.
 

 

 

1.2. ОЦЕНКА ВОЗМОЖНОСТИ ПОСТРОЙКИ СЛС И ПРИНЯТИЕ РЕШЕНИЯ НА ЕГО СОЗДАНИЕ
Расчет, проектирование и особенно изготовление СЛА требуют определенных финансовых и существенных трудовых затрат. Достаточно сказать, что трудозатраты на создание СЛА, выполненного по самолетной схеме, составляют не менее 2000...3000 человеко-часов. Поэто¬му прежде чем приступать к разработке СЛС, необхо¬димо оценить возможности созданного или создаваемо¬го коллектива.
Наиболее важным фактором является уровень тех¬нической подготовленности членов коллектива и особеино его лидеров. Прежде всего важны знания по аэро¬динамике малых скоростей, сопротивлению материалоз, основам конструкции и прочности самолетов. Практиче¬ские навыки должны быть по выполнению слесарных, столярных, токарных и, желательно, фрезерных работ. Если есть возможность работать с ЭВМ, нужны специ¬алисты, хорошо знающие алгоритмические языки и име¬ющие назыки программирования и решения инженерных задач.
Размеры помещений, примерный перечень необходи¬мого оборудования и приспособлений приведены в гла¬ве 7 (п. 7.1).
Еще до начала постройки СЛС должны быть проду¬маны и решены вопросы материального и финансового обеспечения. Для частных лиц—вопросы закупки необ¬ходимых материалов, двигателей, инструмента.
 

 

 

1. 3. РАЗРАБОТКА ТЕХНИЧЕСКОГО ЗАДАНИЯ
Техническое задание при любительском конструиро¬вании может разрабатываться как заинтересованными организациями, так и самими исполнителями. В любом случае разработка технического задания остается очень важным и ответственным этапом, предшествующим рас¬чету и проектированию. Именно на этом этапе задают¬ся основные характеристики будущего СЛС. И от того, насколько обоснованно будет разработано техническое задание и насколько грамотно будет выбрана группа определяющих характеристик, во многом зависит ко¬нечный успех всей работы.
При разработке технического задания должны быть учтены общие технические требования, предъявляемые ко всем ЛА любительской постройки независимо от их назначения, аэродинамической схемы и конструктивного выполнения. Так, например, определены ограничения по скоростям: сваливания, отрыва при взлете, захода на посадку, посадочной и крейсерской [24].
Важное значение для обеспечения безопасности по¬летов имеют ограничения по минимальной скороподъ¬емности; нормированию минимальных перегрузок и коэффициентов безопасности для всего ЛА и отдельных его узлов.
Данные ОТТ являются обязательным минимумом требований, без выполнения которых СЛС к полетам не допускается.
Вторая группа требований разрабатывается заказчи¬ком или самими же разработчиками проекта, исходя из назначения ЛА, замысла конструкторов, материальной базы и реальных возможностей творческого коллектива.
Прежде чем приступить к разработке частных тре¬бований, необходимо изучить уравнение существования ЛА, сущность которого изложена практически во всех учебниках по конструкции самолетов. При этом важно уяснить, что для удовлетворения любого требования технического задания необходимо «затратить» определенную массу ЛА и что улучшение одних качеств ЛА не¬редко ведет к ухудшению других, а некоторые сочетания таких требований вообще невыполнимы. Так, например, можно построить СЛС с мощностью двигателя в 10 кВт. . Можно построить СЛС с размахом крыла, равным 5 м. Но крайне сложной является задача создания СЛС с силовой установкой в 10 кВт и размахом крыла, рав¬ным 5 м.
Рассмотрим частные требования (табл. 1. 1), кото¬рые можно было бы предъявить к некоторым типам СЛС. В качестве примера рассмотрим три СЛС различ¬ного назначения:
а) патрульный самолет;
б) спортивно-пилотажный самолет;
в) экспериментальный СЛС с минимально возмож¬ной мощностью силовой установки.
Для патрульного самолета определяющими частными требованиями являются:
большая дальность и продолжительность полета;
высокая топливная экономичность;
возможность взлета с мягкого грунта с травяным по¬кровом.
Для спортивно-пилотажного:
максимально допустимая эксплуатационная пере¬грузка;
максимальная высота полета;
высокие маневренные характеристики.
Для экспериментального самолета с минимальной мощностью силовой установки:
потребная мощность двигателя;
недефицитные доступные материалы, применяемые в конструкции.
Каждый раз встает задача правильного, рациональ¬ного выбора тех частных Требований, которые являются основными, определяющими для данного класса СЛС.
Попытки постройки многоцелевого СЛА, как прави¬ло, хороших результатов не дают.

 

Вся книга в ZIP архиве - скачать