Улучшение летных характеристик крыла резиномоторной модели

Муниципальное бюджетное учреждение дополнительного образования "Станция юных техников" города Сарова

Муниципальное бюджетное общеобразовательное учреждение “Школа №16” города Сарова

УЛУЧШЕНИЕ ЛЁТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК КРЫЛА РЕЗИНОМОТОРНОЙ МОДЕЛИ ПРИ ИСПОЛЬЗОВАНИИ ПРОФИЛЯ КУПФЕРА.

Автор: Тютина Софья

Руководители:

педагог дополнительного образования высшей категории

Тютин Владимир Федорович

учитель начальных классов 1 категории

Киселёва Юлия Александровна

Оглавление

1.     Введение…………………………………………………………………….2

2.     Теория крыла……………………………………………………………….3

3.     Аэродинамическое качество профиля…………………………………….4

4.     Выбор оптимального профиля…………………………………………….7

5.     Результаты лётных испытаний……………………………………………9

6.     Выводы………………………….…………………………………………11

7.     Список использованных источников…………………………………....12

Введение

"Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов он в 72 раза слабее птицы…. Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума." Н.Е. Жуковский

         Моделизмом можно заниматься по-разному. Для людей амбициозных это спорт, соревнования и утверждение своего «Я» среди коллег. Для остальных это просто хобби. Кто-то больше любит летать, кто-то строить самолеты. Есть еще категория людей творческих, стремящихся не просто ходить по проторенным дорожкам, но и пробовать, а что там, рядом, может более интересно? Это категория конструктора-любителя. От профессионала он отличается чаще всего отсутствием специального образования. Читать учебники по аэродинамике для «Большой» авиации дело непростое. А привнести в модель что-то свое хочется. Экспериментировать же наобум – малопродуктивное занятие. Из этого тупика часто раздаются возгласы: дескать, нечего тут придумывать, все уже придумано до нас; бери и делай по готовым чертежам. Но разве это интересно, всегда же хочется придумать что-нибудь новое. И не просто новое, а чтобы это ещё и работало.

         Целью данной работы является:

Исследование процессов и сил, действующих на движущееся в потоке воздуха крыло резиномоторной модели чемпионатного класса и усовершенствование его с целью получения наилучших характеристик.

         Задачи данной работы следующие:

·        Выбрать оптимальный профиль крыла.

·        Исследовать характеристики выбранного профиля и сравнить их с характеристиками существующих профилей.

·        Построить резиномоторную модель с использованием данного профиля.

·        Провести лётные испытания и проверить характеристики новой модели.

Теория крыла.

         Всем известно, что крыло создает подъемную силу, только тогда, когда оно движется относительно воздуха. Т.е. характер обтекания воздухом верхней и нижней поверхностей крыла непосредственно создает подъемную силу. Как это происходит? Рассмотрим профиль крыла в потоке воздуха:

         Здесь линии течения элементарных струек воздуха обозначены тонкими линиями. Профиль к линиям течения находится под углом атаки α – это угол между хордой профиля и невозмущенными линиями течения. Там, где линии течения сближаются, скорость потока возрастает, а абсолютное давление падает. И наоборот, где они становятся реже, скорость течения уменьшается, а давление возрастает. Отсюда получается, что в разных точках профиля воздух давит на крыло с разной силой. Разницу между местным давлением у поверхности профиля и давлением воздуха в невозмущенном потоке можно представить в виде стрелочек, перпендикулярных контуру профиля, так что направление и длина стрелочек пропорциональна этой разнице. Тогда картина распределения давления по профилю будет выглядеть так:

Здесь хорошо видно, что на нижней образующей профиля имеется избыточное давление – подпор воздуха. На верхней же, - наоборот, разряжение. Причем оно больше там, где выше скорость обтекания. Примечательно здесь то, что величина разряжения на верхней поверхности в несколько раз превышает подпор на нижней. Векторная сумма всех этих стрелочек и создает аэродинамическую силу R, с которой воздух действует на движущееся крыло:

Разложив эту силу на вертикальную Y и горизонтальную X компоненты, мы получим подъемную силу крыла и силу его лобового сопротивления. Из картины распределения давления видно, что львиная доля подъемной силы образуется не из подпора на нижней образующей профиля, а из разряжения на верхней, что опровергает весьма распространенное заблуждение начинающих моделистов.

         Зависит ли характер обтекания от размеров профиля и фактической скорости движения крыла относительно воздуха? Да, и очень сильно.

Аэродинамическое качество профиля.

Аэродинамическим качеством профиля называется отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению. Сам термин качество происходит из функции крыла – оно призвано создавать подъемную силу. А то, что при этом появляется побочный эффект – лобовое сопротивление, явление вредное. Поэтому логично отношение пользы к вреду назвать качеством.

Подъемная сила крыла:

Y= Cy*p*V^2*S/2

Сила лобового сопротивления:

X= Cx*p*V^2*S/2

Здесь:

p - массовая плотность воздуха

V - скорость движения крыла относительно воздуха

S - площадь крыла

Cy - коэффициент подъемной силы крыла (читается – це игрек)

Cx – коэффициент лобового сопротивления крыла (читается – це икс)

         Совершенно понятно, что вся «собака зарыта» в этих коэффициентах подъемной силы и лобового сопротивления. Оба они сильно зависят от угла атаки крыла, но по-разному. Для типичного несимметричного профиля зависимости эти выглядят так:

         Здесь много интересного. Попробуем разобраться, почему графики идут так, а не иначе. Начнем с нулевого угла атаки. Как видно из графика при нем подъемная сила не равна нулю. Это связано с разными верхней и нижней образующими профиля, т.е. с ненулевой его кривизной. Верхняя образующая более выпуклая, чем нижняя поэтому давление распределяется так:

         Чтобы подъемная сила несимметричного профиля стала бы равной нулю, его надо расположить под отрицательным углом атаки.

         По мере увеличения угла атаки, коэффициент подъемной силы растет почти пропорционально. При этом подпор на нижней образующей профиля растет не сильно, а разряжение на верхней образующей растет в разы. Если внимательно посмотреть на распределение давления по верху профиля, можно заметить большой перепад давления с задней половины профиля на переднюю, то есть перепад направлен навстречу потоку обтекания. Пока он не слишком велик, скоростной напор обтекающего воздуха справляется с ним. Но, начиная с некоторого угла атаки, этот перепад становится причиной возникновения обратного тока воздуха вдоль второй половины верхней образующей профиля:

В точке В происходит отрыв пограничного слоя от поверхности крыла. За точкой отрыва возникает вихревое обтекание с линиями обратного тока. Происходит срыв потока. При дальнейшем небольшом увеличении угла атаки Су вначале слегка возрастает. Но точка отрыва быстро перемещается вперед по верхней образующей, после чего Су начинает падать. Угол атаки, на котором достигается перегиб кривой Су, называется критическим углом атаки.

Выбор оптимального профиля.

         И так мы выяснили, что подъёмная сила зависит от характера обтекания и размеров профиля крыла. Выбор правильного профиля очень непростая задача. Этим занимаются целые научные институты. Этому же и посвящена моя работа.    Что же такое профиль и как выбрать правильный? Профиль – это поперечное сечение крыла. Типовые профили крыла выглядят так:

Каждый профиль подходит для определённого вида моделей. Например, моя резиномоторная модель летает медленно её основная задача хорошо и долго планировать. Для неё больше подходит выпукло вогнутый профиль.

         Просмотрев большое количество профилей я решила остановится на профиле доктора технических наук М. Купфера.

                В школьные годы Марк Александрович Купфер начал заниматься авиамоделизмом, и к тридцати годам стал мастером спорта по авиамоделизму, установил три мировых рекорда. Окончив Московский Авиационный институт, он 45 лет проработал в ОКБ Н.И. Камова, играл в ряде проектов роль главного конструктора, стал лауреатом Ленинской премии «за участие в создании соосных вертолетов для Военно-Морского флота СССР».

         И так я выбрала профиль Купфера

Его профиль в конце 50-х годов прошлого века был продут в аэродинамической трубе и показал выдающиеся характеристики. Аэродинамическое качество профиля (поляра) у Купфера самое лучшее.

         Однако из-за малой толщины он тогда не получил распространения. Сейчас техника шагнула далеко вперёд и создание жестких крыльев малой толщины уже не представляет большой проблемы. Поэтому я решила дать вторую жизнь этому уникальному профилю и использовать его в крыле своей резиномоторной модели.

Мне удалось создать сверхлёгкую и сверхпрочную резиномоторную модель. В основе крыла которой лежит профиль Купфера.

Результаты лётных испытаний.

         И вот наконец переходим к лётным испытаниям новой модели. Закручиваем резиномоторный двигатель.

Запуск

Результаты лётных испытаний представлены в таблице:

№ запуска	1	2	3	4	5	6	7
	Обычный профиль
Время полёта, с	32	75	56	105	86	46	77
	Профиль Купфера
Время полёта, с	115	125	147	138	186	149	136

ВЫВОДЫ

ü В ходе работы мы выяснили за счёт чего модель парит в воздухе

ü Определили что профиль сильно влияет на подъёмную силу крыла

ü Выбрали наилучший профиль для крыла резиномоторной модели

ü Изготовили резиномоторную модель из современных материалов используя профиль Купфера

ü Провели лётные испытания и доказали, что характеристики нашей модели заметно улучшились

Список использованных источников.

«Теория полета летающих моделей.» Болонкин А.А.

«Наследники инженера Да Винчи.»

«Несущие крылья. Часть 1. Профиль крыла.» Владимир Васильков

Краткое описание документа:

Работа Тютиной Софьи была представлена на областной конкурс проектор "Я познаю мир".

Целью данной работы является:

Исследование процессов и сил, действующих на движущееся в потоке воздуха крыло резиномоторной модели чемпионатного класса и усовершенствование его с целью получения наилучших характеристик.

Задачи данной работы следующие:

• Выбрать оптимальный профиль крыла.
• Исследовать характеристики выбранного профиля и сравнить их с характеристиками существующих профилей.
• Построить резиномоторную модель с использованием данного профиля.
• Провести лётные испытания и проверить характеристики новой модели.