Выкос двигателя

Для себя, полезно про выкос hobbyarea.ru/article_info.php?articles_id=123

Что такое выкос двигателя
и с чем его едят?

В одной из наших статей, про установку двигателей на модель, внимательный читатель заметил и написал комментарий к статье. Где справедливо было замечено, что нет ни слова о выкосе двигателя на модели. Эта статья поможет заполнить пробел по теме выкоса двигателя. Начнем с теории, не сильно углубляясь в формулы. Посмотрим, какие процессы происходят с моделью оснащенной силовой установкой.
1. Реактивный момент

По третьему закону Ньютона - для каждого действия есть равное по силе и противоположное по направлению противодействие. Применительно к самолету, это означает, что пропеллер вращается в одну сторону, а самолет должен вращаться в другую сторону. Если бы в место самолета был точно такой же пропеллер, то один бы крутился в одну сторону, другой в противоположную. А так как площадь и вес крыльев и хвостового оперения значительно больше площади и веса пропеллера - вращается пропеллер. На моделях с большим диаметром и шагом этот эффект будет заметен сильнее. Кстати, именно поэтому в одну сторону самолет делает бочку быстрее, чем в другую.
На старых самолетах эта проблема решалась разными способами от разного угла установки крыла слева и справа, что бы компенсировать наклон вдоль оси полета (крен), до использования триммеров. Без этого пилоту бы пришлось постоянно выравнивать самолет элеронами. Как правило, эти настройки делались для крейсерской скорости. Большинство маневров выполняются именно на этой скорости. Естественно, если мотор прекращал работу в воздухе, то реактивный момент исчезал и самолет начинал крениться в другую сторону.
Но это еще не все про реактивный момент. Оказывается, во время разгона по взлетно-посадочной полосе из-за реактивного момента нагрузка на стойки шасси получается разной. Поэтому, за счет разных сил трения и сопротивления самолет начинает разворачивать по курсу влево или вправо, в зависимости от направления вращения пропеллера. Это будет заметно на модели с большим диаметром и шагом винта на взлетно-посадочной полосе, если дать полный газ.

2. Закручивание воздушного потока после пропеллера

Пропеллер вращаясь, закручивает воздушный поток после себя. Воздушный поток обтекает модель по спирали. Действие этого явления сильнее заметно, когда скорость самолета не высока. Взлеты, посадки и другие маневры на малых скоростях. Закрученный поток воздуха оказывает влияние в основном на вертикальное оперение - руль направления. Давление, оказываемое закрученным потоком на стабилизатор - поворачивает модель влево или вправо. На больших скоростях полета, воздушный поток выпрямляется, и действие его уменьшается. На спортивных самолетах ЯК для компенсации этого момента ставили на стабилизатор специальные пластинки, для компенсации этого момента.

3. Гироскопический эффект

Можно сказать, что это самый загадочный эффект для понимания, если Вы не физик и не проходили аэродинамику. Однако его можно вполне доступно объяснить, а если еще и примеры привести, то все станет ясно.
Если без формул, то гироскопический эффект состоит в следующем: если на ось раскрученного гироскопа приложить усилие, то реакцией будет гироскопический эффект, направленный под 90 градусов в сторону вращения гироскопа. На картинке: гироскоп вращается по часовой стрелке. Усилие приложено вверх, фактически это тоже, что приложить усилие к верхней части гироскопа вдоль оси вращения (будем считать, что гироскоп вращается вокруг центра масс - место крепления гироскопа). Гироскопический эффект будет направлен под 90 градусов (вправо) относительно приложенного усилия. Это начнет разворачивать гироскоп вправо относительно центра масс.
Кажется, не совсем понятно, давайте посмотрим опыт, который все это подтверждает:

В данном опыте если смотреть со стороны человека с дрелью блины раскручиваются по часовой стрелке, усилие человека будет приложено влево (крутит вокруг себя), а гироскопический эффект будет направлен в сторону вращения под углом 90 градусов, т.е. вверх. Вот почему он с легкостью так крутит эту “половину штанги” держа ее за другой конец.
Давайте посмотрим еще один опыт с велосипедным колесом:

Вот здесь уже можно провести аналогию. Дело в том, что пропеллер и механические части двигателя, которые вращаются с ним - имеют достаточно большую массу и скорость вращения. По сути, представляют собой тот же гироскоп. Если посмотреть на колесо и представить, что колесо это пропеллер и когда другой конец оси перестает на что то опираться - под действием силы тяжести колесо начинает опускаться вниз. Вот тут и возникает этот эффект, который начинает вращать колесо в сторону. Если представить, что ось колеса - самолет, колесо - пропеллер и руль высоты вниз, т.е. нос самолета опускается вниз, то для самолета тоже возникнет этот эффект и его начнет разворачивать. Скорость разворота будет зависеть от величины усилия, приложенного для изменения положения самолета.

В общем, можно сказать, что поворот самолета вверх или вниз будет вызывать эффект рыскания (поворот самолета влево, вправо), а поворот вверх или вниз будет вызвать эффект тангажа (поворот самолета вверх или вниз). Проявление этого эффекта будет зависеть от массы пропеллера, двигателя, самолета, скорости вращения и других конструкционных особенностей.

4. Разность тяги винта

Этот эффект получается когда угол атаки лопасти идущей вниз имеет больший угол атаки чем лопасть идущая вверх. Как такое, может быть? - спросите Вы. Примером для такой ситуации может быть взлет самолета с большим углом атаки и малой скоростью. В этом случае самолет движется вперед, а нос задран вверх. Получается, воздух, в котором находится самолет, набегает не перпендикулярно плоскости вращения винта, а немного снизу.

А теперь, давайте обратим внимание, под каким углом находятся лопасти к набегающему потоку. Когда угол атаки самолета не велик, углы лопастей одинаковые (красные линии). Когда самолет находится под большим углом атаки к набегающему потоку воздуха, то лопасть, идущая вверх - практически не имеет угла атаки (мало захватывает воздуха), чего не скажешь о лопасти идущей вниз так угол атаки профиля лопасти становиться больше. Другими словами с одной стороны пропеллер создает тягу больше, а с другой - меньше. Это разворачивает самолет в сторону с меньшей тягой. У моделей я столкнулся с этим в такой ситуации: большой угол атаки при взлете, средние обороты, взлет против ветра. В какой-то момент модель почти остановилась, развернулась в сторону и - морковка…

Вот, пожалуй, и все из теории! На практике, в моделизме, реактивный момент неудобно компенсировать с помощью триммеров или разных углов установки крыльев. Иначе после отключения двигателя модель начнет делать крен в другую сторону. Обычно этот вопрос решается выкосом вправо - поворотом оси вращения пропеллера или вала двигателя в сторону вращения пропеллера на 1-3 градуса. В таком случае ось тяги смещается относительно оси симметрии модели и между центром тяжести и осью тяги возникает плечо, которое создает момент. Этот момент при правильной настройке может полностью компенсировать реактивный момент от пропеллера.

Выкос вниз - поворот оси пропеллера или вала двигателя вниз. Часто центр тяжести модели находится выше оси тяги. В этом случае создается момент, который тянет модель вверх. Особенно это заметно у верхнепланов (крыло расположено вверху). У модели появляется кабрирующий эффект. Что бы снизить влияние этого эффекта делают выкос вниз на 1-3 градуса.
Идеально настроенная модель должна планировать без изменения траектории по прямой, при включении двигателя, поведение модели не должно меняться. На практике такое сделать не представляется возможным в виду того, что на разных режимах работы разные эффекты ведут себя по разному. Поэтому выкос для двигателя настраивают в режиме таком режиме работы двигателя, в котором модель чаще всего находится в воздухе. Отдельно хочется сказать о моделях с задним расположением двигателя. Если оперение не попадает под обдув пропеллера, то влияние закрученного воздушного потока практически не будет. Для компенсации кабрирующего эффекта нужно обратить внимание на расположение двигателя относительно центра тяжести модели. Допустим если пропеллер впереди, а центр тяжести выше оси пропеллера, то выкос делается вниз. Если пропеллер находится сзади и выше центра тяжести, то ось пропеллера должна быть направлена тоже вниз (если смотреть по ходу модели), что бы уменьшить плечо между центром тяжести и осью двигателя (вектором тяги) модели. В этом случае поведение модели в безмоторном и моторном режиме будет отличаться меньше. Теперь, Вы знаете, что такое выкос двигателя!

Владимир Масленников