Творческая работа "Экологический видеоролик "Свет"

Муниципальная научно – практическая конференция

«ЛОМОНОСОВСКИЕ ЧТЕНИЯ»

Создание модели самолёта Mark-1 на базе самолёта Ту-154

                                                                      Автор: Чемезов Данил Павлович

курсант профильного 11  класса МЧС  МБОУ «СОШ № 39»

Руководитель: Пушилина Елена Анатольевна,

учитель физики МБОУ «СОШ № 39»

Ангарск, 2017г

Содержание

1.     Введение……………………………………………………….………..…3

2.     Теоретические сведения…………………………………..…...............4-6

3.     Гипотеза……………………………………………………….…..……....7

4.     Цель и задачи………………………………………………….….….…...8

5.     Техническое выполнение работы………………………….....................9

6.     Описание модели самолёта Mark–1……………………..…….........10-13

7.     Расчёты……………………………………………………….…..…...14-15

8.     Экономическая часть…………………………………………………....16

9.     Вывод……………………………………………………………......…...17

10. Литература и электронные ресурсы……………………..…………..…18

11. Глоссарий……………………………………………………….………..19

1.                 Введение

Первые упоминания о полётах человека пришли к нам из Древней Греции. Всем известна легенда о молодом юноше, по имени Икар и его отце, которые сделали крылья скрепленные воском, чтобы спастись с острова Крит. Человек издавна наблюдал за полётом птиц, изучал их, чтобы понять, как они поднимают себя в воздух и все эти накопленные знания пытается воплотить в жизнь с помощью технических установок и машин.

В современной авиации используют два вида техники полёта, схожих с полётом птиц – планирование и зависание. Все эти виды характеризуются особыми свойствами.

Сегодня человечество развивает самолётостроение, находит новые подходы к их конструированию, задаёт новые технические характеристики, которые бы гарантировали надёжность и долговечность летательных машин.

2.      Теоретические сведения

В полёте на самолёт действуют: подъёмная сила, сила тяжести (вес самолета), лобовое сопротивление, сила тяги. 

Подъёмная сила (Y) - составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания крыла потоком. Возникает в результате разницы давления над крылом и под крылом самолёта.

Сила тяжести (G) - сила, действующая на любое материальное тело, находящееся вблизи поверхности Земли или другого астрономического тела. В полёте, сила тяжести возникает из-за веса самолета, который тянет его к земле.

Лобовое сопротивление (Q) - сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.

Сила тяги (P) – реактивная сила, являющаяся результирующей газодинамических сил давления и трения, приложенных к внутренней и наружной поверхностям двигателя.

Рисунок 1

             

Крыло в авиационной технике – это поверхность, имеющая в сечении по направлению потока профилированную форму и предназначенная для создания подъёмной силы.

Крыло можно разделить на три части: левую и правую полуплоскости или консоли и центроплан. Полуплоскости в свою очередь могут включать наплыв крыла и законцовку.

По форме крылья бывают:

1)                прямые;

2)                стреловидные;

3)                с наплывом (оживальное);

4)                обратной стреловидности;

5)                треугольное крыло;

6)                трапециевидное крыло;

7)                эллиптическое крыло;

8)                крыло арочного типа.

По конструктивно-силовой схеме крылья бывают:

1) ферменное крыло;

2) лонжеронное крыло;

3) кессонное крыло.

Лётно-технические характеристики пассажирских самолётов, согласно ГОСТу 17228-87. (Таблица 1)

Таблица 1

Масса	Габариты	Летные данные
Максимальная взлётная (21-640т)	Высота салона (1,5-5м)	Количество пассажиров
Максимальная посадочная (13-570т)	Ширина салона (3-11,2м)	Крейсерская скорость
Расход топлива (4300-300000кг/час)	Диаметр фюзеляжа (1,9-30м)	Максимальная скорость
Запас топлива (7000-1500000т)	Высота (5-24м)	Экипаж
Коммерческая нагрузка (189кг-390т)	Площадь крыла (50-845м2)	Высота полёта
	Размах крыла(20-85,7м)	Длина разбега
	Длина (23,53-84м)	Максимальное число М

Самолёт Ту-154. Это - трёх двигательный реактивный пассажирский самолёт, рассчитанный на 152-180 пассажиров, для авиалиний средней протяжённости, разработанный в 1960-х годах в СССР в КБ Туполева для замены Ту-104. По своим летно-техническим характеристикам, Ту-154 зарекомендовал себя отличной машиной, выдерживающей высокие перегрузки и любые погодные условия.

Этот самолёт вызывает интерес, так как,  усовершенствовав его, он прослужит гражданской авиации РФ ещё очень долгий срок.

Преимущества Ту-154: большая тягововооружённость, чем у модели с двумя двигателями (под крыльями), следовательно, в нормальных условиях, имеет большую приёмистость, более быстрый набор высоты, требует меньшей полосы для взлёта;

1)                в случаи отказа одного из двигателей, то есть в ситуации, когда любому лайнеру с двумя силовыми агрегатами предписывается немедленно сесть, Ту-154 способен продолжать полёт в штатном режиме;

2)                 при нормальной длине ВПП и не запредельной загрузке, Ту-154 способен взлететь при отказе одного из двигателей уже после скорости принятия решения (т.е. самолёт может выжить в той ситуации, когда катастрофа двухмоторного лайнера будет практически неминуема;

3)                особенности обтекания самолёта воздушным потоком на порядок снижают риск попадания птицы или иного предмета в двигатели;

4)                единственный из современных лайнеров, способен в штатном режиме использовать для взлёта и посадки грунтовые аэродромы.

Недостатками  Ту-154 являются:

1) высокая посадочная скорость;

2)расположение двигателей рядом с гидравлической системой управления;

3) экипаж - 4 человека;

4) узко фюзеляжный салон;

5)не соответствует требованиям гигиенического нормирования уровня шума;

6) огромный расход топлива, из-за устаревшей версии двигателей.

3.       Гипотеза

Можно вывести Ту-154 на новую ступень развития, за счёт:

1)                  изменения конструкции крыла;

2)                  использование для построения самолёта новых современных материалов;

3)                  уменьшения численности лётного состава;

4)                  использование современных технических автоматизированных устройств управления.

4.                 Цель и задачи

Цель работы: разработать  и построить компьютерную модель самолёта Mark-1(на основе Ту-154) с заданными параметрами.

Задачи:

1.                 Изучить технические характеристики самолёта Ту-154.

2.                 Спроектировать модель самолёта Mark-1.

3.                 Рассчитать выгоду использования Mark-1 перед Ту-154.

5.                 Техническое выполнение работы

Для выполнения работы понадобиться программа Blender. Blender — это свободный, профессиональный пакет для создания трёхмерной компьютерной графики, включающий в себя средства моделирования, анимации, рендеринга, постобработки и монтажа видео со звуком, компоновки с помощью «узлов» (Node Compositing), а также для создания интерактивных игр. В настоящее время программа пользуется наибольшей популярностью среди бесплатных 3D редакторов, в связи с её быстрым и стабильным развитием, которому способствует профессиональная команда разработчиков.

Данная программа является лицензионной и предлагается в свободном доступе.

6.                 Описание модели самолёта Mark-1

Mark-1-новая, усовершенствованная версия летательной машины на основе самолета Ту-154.

Предполагаемые лётно-технические характеристики Mark-1 и его особенности. (Таблица 2)

Таблица 2

	Планируемые характеристики
Длина	47,9м
Размах крыла	37,55м
Площадь крыла	202м2
Высота самолёта	11,4м
Диаметр фюзеляжа	3,8м
Ширина салона	3,58м
Высота салона	2,02м
Масса	600т
Максимальная взлетная	130т
Посадочная	80т
Масса пустого самолёта	58т
Нагрузка	25т
Топливо	45т
Расход топлива	6500кг/час

Преимущества, связанные с особенности Mark-1

1)                Установка двух криогенных двигателей (НК-89), работающих на сжиженном природном газе (водороде), позволяющих снизить шум, что приведёт к соответствию самолёта гигиеническому требованию.  Газ, при этом, является более экологичным видом топлива, при неизменной мощности двигателей.

2) Установка двух дополнительных ТРД (НК-8-4) в хвостовой части, служащих для сохранения характеристик полета, при отказе криогенных двигателей, которые запускаются только при выходе из строя основных криогенных двигателей.

3) Особенная конструкция крыла, позволяющая самолету совершать взлет с коротких полос, увеличивает шансы на безопасную посадку на воду, позволяет совершить посадку на низких скоростях (200-210км/ч), за счёт системы механизации дополнительной конструкции. Конструкция крыла Mark-1 состоит из двух частей: основное крыло и дополнительная составляющая крыла. Крыло трехланжеронное. Механизация основного крыла состоит из закрылков и гасителей подъёмной силы. Закрылки трехстворчатые с отклонением 45 градусов

Дополнительная часть крыла так же трехланжеронное. Имеет двустворчатые предкрылки (на передней части) с отклонением 5 градусов. Система выпуска закрылков основного крыла и система выпуска предкрылков дополнительной конструкции не совмещена. (Фото 1)

Фото 1

4)                Внедрение выступа дренажной системы на хвостовом оперении – служит для поддержания внутри баков давления, гарантирующего надежное питание двигателей топливом, заправку и его слив. Дренажная система должна обеспечивать одинаковое давление во всех баках и сообщение их с атмосферой, а также не должна допускать выброса топлива в дренаж. (Фото 2)

Фото 2

6) Установка дополнительных систем: гелиевой - для управление ВСУ, азотной - для замещения обычной атмосферы в отсеках самолета и предупреждения об утечке криогенного топлива и контроля вакуума в теплоизоляционных полостях.

7) Использование второстепенного вида топлива – керосина, для запуска ТРД.

8) Использование новых современных материалов, уменьшающих массу машины, обладающих  более стабильными физическими свойствами к деформации и изменению температур. (Таблица 3)

Таблица 3

(в таблице выделены материалы, которые в современном самолётостроении не применяются)

Материал	Предназначение
Магниевый сплав +титан + легированная сталь	Стойки шасси
Сплав D-16 (титан + дюралюминий + сталь высоколегированная)	Скелет
Алюминий, стекло, пластмасса, провода, микросхемы, цифровые панели и ЖК-экраны	Приборы для оборудования кабины пилотов
Алюминий, велюр, дерево, кожа, пластмасса	Салон и материал сидений
Легированная сталь, титан	Двигателя
Высоколегированная сталь, титан, углеводородное волокно	Крыло (дополнительная  часть)
Дюралюминий	Обшивка

9)                Изменение численности лётного состава. Достаточно: командир – 1 человек,  второй пилот – 1 человек, борт – инженер - 1 человек. Такой состав команды исключает не согласованность действий, уменьшает вероятность ошибки, обусловленной человеческим фактором.

Дизайн и расположение приборов в кабине Mark-1.(Фото 3)

                                                                      Фото 3

7.           Расчёты

Рассчитаем некоторые основные лётные характеристики предлагаемой модели самолёта Марк-1 и сравним их с самым технически выгодным самолётом на сегодняшний день Boeing737-900.

1) Подъёмная сила крыла (Y):

(Y) = 2Pv2S sin2a

Y (Mark-1) = 2*1,225 кг/м3*2752 м/с*58 м2*0,16 = 386000 Н

Y (Boeing737-900) = 276000 Н

Y (Mark-1)/Y (Boeing737-900) = 1,4

Вывод: выигрыш подъёмной силы крыла Mark-1 в сравнении с Boeing737-900 составляет  1,4 раза

2) Расход топлива и тяга двигателей:

Mark-1

НК-89 (Криогенные двигатели):

Удельный расход топлива: 0,737 кг/кгс*ч *2=1,474 кг/кгс*ч

Тяга: 103 кН*2=206 кН

НК-8-4 (ТРД):

Удельный расход топлива: 0,78 кг/кгс*ч

Общий удельный расход: 2,254 кг/кгс*ч

Тяга: 103 кН

Общая тяга: 309 кН

Boeing-737

JT8D (ТВД):

Удельный расход топлива: 0,689 кг/кгс*ч=1,378 кг/кгс*ч

Тяга: 95 кН*2=190 кН

Удельный расход топлива (Mark-1)/Удельный расход топлива (Boeing737)=1,547

Тяга (Mark-1)/Тяга (Boeing737)=1,523

Вывод:

- удельный расход топлива у самолета Mark-1 выше в 1,547 раза, чем у самолёта Boeing737, но эти затраты оправданы другими выигрышными параметрами.

- тяга у самолета Mark-1 выше в 1,523 раза, чем у самолёта Boeing737.

3) Угол атаки:

Угол атаки у самолета  равен углу выпуска закрылков. Чем меньше угол атаки самолета, тем эффективнее его крыло.

Угол атаки (Mark-1):  35о

Угол атаки (Boeing 737): 45о

Угол атаки (Mark-1)/ Угол атаки (Boeing737)=1,3

Вывод: крыло самолёта Mark-1 эффективнее в 1,3 раза, чем крыло самолета Boeing737.

8.                 Экономическая часть

 Заправка данного типа самолета будет менее затратная, так как газ дешевле керосина. (66 рублей за 1 литр керосина против 43 рулей за 1 м³ газа на 20.03.2017). Примерные затраты на материалы для 1 единицы самолёта. (Таблица 4)

Таблица 4

Материал	Площадь, вес	Приблизительная цена
Плита дюралюминия	1*1м2 ,100кг	200000р
Магниевый сплав	1*1м2 , 90,7кг	195000р
Легированная сталь	1*1м2 , 12кг	120000р
Титан	1*1м2 , 25кг	2500000р
Спецстекло для мониторов	Экран 30*36см	1 экран -33220р
Алюминий	1*1м2 , 1718кг	1254440р
Плита дюралюминия	1*1м2 ,100кг	200000р
Магниевый сплав	1*1м2 , 90,7кг	195000р
Легированная сталь	1*1м2 , 12кг	120000р
Титан	1*1м2 , 25кг	2500000р
Спецстекло для мониторов	Экран 30*36см	1 экран -33220р
Алюминий	1*1м2 , 1718кг	1254440р

Приблизительная цена самолёта Mark-1 равна 107 000 000$ по сравнению с Ту-154 такая же, но при использовании новейших материалов и устройств. Стоимость других современных самолётов, используемых сегодня в гражданской авиации в среднем составляет порядка 110  000 000 $, что превышает стоимость Mark - 1.

9.                 Вывод:

Mark-1 может явится достойной альтернативой современным самолётам, как российского, так и зарубежного самолётостроения. Данная модель может эксплуатироваться как в гражданской, так и в боевой авиации. Mark-1 может быть гордостью российской авиации.

10.              Литература  

1.     Асланов В. С. «Управление самолётом ТУ-154»

2.     Книга пилота Ту-154 В. В. Ершова «Раздумья ездового пса»

3.     Список потерянных самолётов Ту-154 на Aviation Safety Network

4.     ГОСТы

Электронные ресурсы

5.     http://avia.pro/blog/zakrylki-samoleta

6.     ОАО «Туполев» — официальный сайт

7.     Ту-154 на сайте «Сервис и Технологии»

8.     Реестр Ту-154 на сайте Russianplanes.net

11.  Глоссарий

Аэродинамика - учение о движении воздуха и других газов и о воздействии газов на обтекаемые ими тела.

Борт – инженер - член лётного экипажа воздушного судна, обеспечивающий контроль и управление силовыми установками и рядом самолётных систем во время полёта.

ВПП – взлётно - посадочная полоса.

ВСУ – вспомогательная силовая установка.

Второй пилот - в гражданской авиации, специалист на борту воздушного судна со свидетельством пилота, исполняющий функции пилота, но не являющийся командиром воздушного судна.

ГОСТ - региональный стандарт, принятый Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации Содружества независимых государств.

Законцовка - это оконечная часть конструкции крыла, оперения или лопастей воздушного винта у летательных аппаратов.

Закрылки основного крыла - это профильные отклоняемые поверхности, которые расположены симметрично к задней кромке каждого крыла.

КБ Туполева – конструкторское бюро Андрея Николаевича Туполева.

Предкрылки - отклоняемые поверхности, установленные на передней кромке крыла. При отклонении образуют щель, аналогичную таковой у щелевых закрылков. Предкрылки, не образующие щели, называются отклоняемыми носками.

Ту-154 - трёхдвигательный реактивный пассажирский авиалайнер, рассчитанный на 152-180 пассажиров и для авиалиний средней протяжённости. Разработан  он в 1960-х годах в СССР в ОКБ Туполева.

ТРД – топливо реактивный двигатель.

Хвостовое оперение - аэродинамические профили, расположенные в хвостовой части самолета.