Позашкільний навчальний заклад
центр дитячої та юнацької творчості
Комсомольської міської ради
Полтавської області
Методичні рекомендації до проведення заняття на тему:
“Повітряні гвинти авіаційних моделей”
Сорокін Олександр Олексійович,
керівник гуртка «Авіамодельний»
м. Комсомольськ
2012р.
ТЕМА ЗАНЯТТЯ : Повітряні гвинти авіаційних моделей
Мета заняття: навчальна – сформувати уявлення про принцип та значення сили тяги;
розвивальна – розвинути практичні навички з розрахунку та виготовлення повітряних гвинтів авіаційних моделей;
виховна – створити можливість для усвідомлення значення літакобудівництва
Тип заняття: комбінований
Обладнання: картки зі схемами та формулами, калькулятори, набори для креслення
Техніка: розрахунки
ХІД ЗАНЯТТЯ
І. Активізація опорних знань гуртківців.
Сьогодні на занятті ми розглянемо деякі відмінності літака від планера, поговоримо про силу тяги та спробуємо розрахувати повітряний гвинт.
- Метод мікрофону.
Скажіть мені, будь ласка, з яких конструктивних груп складається літак?
(Літак складається з наступних конструктивних груп: крила, фюзеляжу, оперення, злітно-посадочних пристроїв, силової установки, системи керування, різного обладнання. Тобто за своєю будовою та загальним виглядом літак дуже подібний до планеру. Призначення агрегатів на літаку (стабілізатору, кіля, кермових поверхонь) – таке ж, як і на планері. Призначення інших агрегатів і вузлів літака будуть розглянуті в подальшому).
1. Мозковий штурм.
Як ви гадаєте, завдяки чому літак рухається і прискорюється?
Тяга (літак) — це сила, яка виробляється двигунами і штовхає літак крізь повітряне середовище. Тязі протистоїть лобовий опір. У сталому прямолінійному горизонтальному польоті вони приблизно рівні. Якщо пілот збільшує тягу, додаючи звороти двигунів, і зберігає постійною висоту, тяга перевершує опір повітря. Літак при цьому прискорюється. Досить швидко опір збільшується і знов зрівнює тягу. Літак стабілізується на постійній, але вищій швидкості.
Тяга — найважливіший критерій для визначення швидкопідйомності літака (як швидко він може набирати висоту). Вертикальна швидкість набору висоти залежить не від величини підіймальної сили, а від того, який запас тяги має літак.
Літак – ЛА важчий за повітря з силовою установкою, яка створює необхідну для здійснення польоту тягу. Тяга -–діюча (рушійна) сила, яку розвиває на землі або в польоті рушій ЛА (повітряний гвинт або реактивний двигун). Якщо гвинт розташований перед двигуном, він має назву тягнучого, а якщо позаду – штовхаючого.
Таким чином, рушій створює поступальний рух ЛА відносно навколишнього середовища, в даному випадку – відносно повітря. Разом з ЛА рухається відносно повітря і крило, яке створює під¢йомну силу в результаті цього поступального руху. Тому літак може триматися в повітрі тільки при наявності швидкості (як велосипед).
Звичайний літак вимагає для зльоту та посадки значних за розмірами злітно-посадкових смуг (ЗПС).
Основна відмінність літака від планеру – він має двигун. Наявність двигуна дуже ускладнює ЛА в порівняні з планером. Для роботи двигуна потрібний запас палива – звідси наявність на літаку паливних баків. Паливо від баків треба подати до двигуна – для цього служить паливна система. Для заправки паливних баків є спеціальна система заправки паливом. Для нормальної роботи паливної системи треба ще одна – система дренажу та наддування. А у разі вимушеної посадки з повними баками бажано мати систему аварійного зливу палива. Паливо є пожежонебезпечним матеріалом, тому потрібні системи запобігання пожежі та її гасіння. Для керування роботою двигуна потрібна спеціальна система. Якщо для роботи двигуна потрібна велика кількість повітря, потрібні спеціальні повітрозабирачі. Для роботи двигуна також потрібна система змащування. Двигун треба закріпити до конструкції літака – звідси система кріплення двигуна.
З двигуном на ЛА можна перевозити пасажирів, тому потрібні спеціальні системи життєзабезпечення. І так далі, і тому подібне. А це все додаткові об¢єми і маса…А підйомна сила одна – на крилі. Тому площа крила суттєво збільшується, але, знову таки, зросте і його маса.
З двигуном можна отримати значно більші швидкості, ніж на планері, а це призводить до збільшення навантаження на конструкцію, і, відповідно, маси. При цьому злітно-посадкові пристрої повинні витримати таку велику масу, та ще й на великих посадочних швидкостях (які незрівнянно більші від посадкової швидкості планеру).
Тому можна сказати, що літак – це важкий планер з двигуном. Але цей додаток маси з лихвою компенсується перевагами: самостійний зліт, велика швидкість, велика дальність, велика вантажепідйомність, велика маневреність, незалежність від умов навколишнього середовища, і т.д. і т.п.
ІІ. Вивчення нового матеріалу.
1.Розрахунок повітряного гвинта.
Для поступального руху моделі літака необхідно застосувати до неї силу тяги. Її створює повітряний гвинт, який приводить до обертання авіамодельний двигун. Лопаті гвинта, обертаючись, відкидають потік повітря назад – в бік, протилежний направленню польоту
Чим більша маса і швидкість повітряного потоку, який відкидає гвинт, тим більша сила тяги гвинта.
Повітряні гвинти мають різні геометричні характеристики. Одна з них – це діаметр Dг, а інша – крок до гвинта H.
Діаметр гвинта – це діаметр кола, який описується під час обертання кінцями лопатей.
Крок гвинта – відстань, яку проходить елемент лопаті в напрямку польоту, за один оберт гвинта. При цьому покладається, що гвинт обертається в твердому середовищі. Проте, оскільки гвинт обертається в повітрі, то його частинки прослизають по поверхні гвинта і він за один оберт проходить насправді меншу відстань. Фактично пройдена відстань називається кроком гвинта, а різниця між геометричним кроком і дійсним – ковзанням.
Дійсний крок гвинта можна обчислити за формулою
де v – швидкість моделі, км/год.
n – частота обертання гвинта об/хв.
Для порівняння різних гвинтів введено поняття відносний крок
В пілотажних моделях відносний крок повітряних гвинтів рівний 0,4 – 0,6 Dг.
Для отримання повної потужності двигуна моделі потрібно правильно підібрати розміри гвинта – діаметр, крок, ширину лопаті.
2.Практична робота.
Пропонується спрощений спосіб розрахунку повітряного гвинта радіо моделі, швидкість польоту 80 км/год., частота обертання гвинта 10000 об./хв.
Визначимо частоту обертання в 1 сек.:
10000 : 60 = 166 об./сек.
Потім обчислимо швидкість польоту моделі м/сек. тобто
80 * 10000 : 3600 = 22 м/сек.
За один оберт гвинт проходить відстань
тобто крок гвинта H= 130 мм
Як показала практика, найбільш оптимальним діаметром гвинта d 210 – 220 мм, а ширина лопаті 8 – 12 % від його діаметра.
Якщо вибрати діаметр 210 мм, ширина лопаті буде 24мм.
На міліметровому папері проводимо осьову лінію і креслимо вигляд лопаті спереду (рис. 2), потім ділимо довжину лопаті на кілька відрізків (наприклад, 0,3; 0,45; 0,6; 0, 75; 0,9) і проводимо перпендикуляри до осьової лінії. Чим більше точок перетину лопаті, тим точніше буде виконаний гвинт. Паралельно осьової проводимо ще одну лінію для побудови вигляду збоку і ділимо її на стільки ж перерізів. Від центра гвинта вгору відкладаємо величину В, знайдену за формулою:
З отриманої точки проводимо похилі лінії, які перетинають точки перетину лопаті. На ці похилі прямі з вигляду спереду вимірювачем переносимо ширину відповідних перетинів лопаті. З′єднуючи точки,отримуємо вигляд лопаті повітряного гвинта збоку. Таким чином ми отримали шаблони гвинта з потрібним нам кроком і діаметром.
ІІІ. Заключна частина.
Існує багато легенд та історій щодо появи літаків. Перші спроби побудувати літак робилися ще в дев’ятнадцятому столітті, зокрема літак з паровим двигуном був побудований російським інженером Можайським. Проте жодна з цих конструкцій не змогла піднятися в повітря. Причинами цього служили: дуже висока маса і непристосованість тодішніх двигунів (парових машин) до умов авіації, відсутність теорії польоту, у зв’язку з чим літаки будувалися «навмання», відсутність інженерного досвіду у багатьох піонерів авіації.
Першим літаком, що зміг самостійно відірватися від землі і зробити горизонтальний політ, став «Флаєр», побудований братами Орвіллом і Вілбером Райт в США. Перший політ літака в історії був здійснений 17 грудня 1903-го року. «Флаєр» протримався в повітрі 59 секунд і пролетів 260 метрів. Винахід Райтів було офіційно визнано першим у світі апаратом важчим за повітря, який здійснив пілотований політ з використанням двигуна.[1]
Їх апарат був біпланом типу «качка» — пілот розміщувався на нижньому крилі, кермо напряму ззаду, кермо висоти спереду. Дволонжеронні крила були обшиті тонким небіленим мусліном. Двигун «Флаєра» був чотиритактний, із стартовою потужністю 16 кінських сил і важив всього 80 кілограм.
Апарат мав два дерев’яні гвинти. Замість колісного шасі Райти використовували стартову катапульту, що складається з пірамідальної башти і дерев’яної направляючої рейки. Привід катапульти здійснювався за допомогою масивного вантажу що падав, пов’язаного з літаком тросом через систему спеціальних блоків.
У Росії практичний розвиток авіації затрималося через орієнтацію уряду на створення повітроплавних літальних апаратів. Ґрунтуючись на прикладі Німеччини, російське військове керівництво робило ставку на розвиток дирижаблів і аеростатів для армії і не оцінило своєчасно потенційні можливості нового винаходу — літака.
Свою негативну роль щодо літальних апаратів важчих за повітря зіграла й історія з «Аеромобілем» В. У. Татарінова. У 1909 р. винахідник одержав 50 тисяч рублів від Військового міністерства для споруди вертольота. Крім того, було багато пожертвувань від приватних осіб. Ті, хто не міг допомогти грошима, пропонували безкоштовно свою працю для втілення задуму винахідника. Росія покладала великі надії на цей вітчизняний винахід. Але затія закінчилася повним провалом. Досвід і знання Татарінова не відповідали труднощам поставленого завдання, і великі гроші було викинуто на вітер. Цей випадок негативно вплинув на долі багатьох цікавих авіаційних проектів — російські винахідники не могли більше добитися державних субсидій.
У 1909 році російський уряд нарешті виявив цікавість до літаків. Було вирішено відхилити пропозицію братів Райт про покупку їх винаходу і будувати літаки своїми силами. Конструювати літаки доручили офіцерам-повітроплавцям М. А. Агапову, Би. У. Голубеву, Би. Ф. Гебауєру і А. І. Шабському. Вирішили будувати тримісні літаки різних типів, щоб потім вибрати найбільш вдалий. Ніхто з проектувальників не тільки не літав на літаках, але навіть не бачив їх в натурі. Тому не доводиться дивуватися, що літаки терпіли аварію ще під час пробіжок по землі.
Перші успіхи російської авіації датуються 1910 р. 4 червня професор Київського політехнічного інституту князь Олександр Кудашев пролетів декілька десятків метрів на літаку-біплані власної конструкції.
16 червня молодий київський авіаконструктор Ігор Сікорській вперше підняв свій літак в повітря, а ще через три дні відбувся політ літака інженера Якова Гаккеля незвичайної для того часу схеми біплан з фюзеляжем (бімоноплан).
