Полёт мысли в стиле "Стэлс" - 1

Anatol_Brand

Полёт мысли в стиле Стэлс (ЭКО Джет)
Беспилотники на МАКС-2007
Купание в облаках (аэрофото- и видеосъёмка)
Бабье лето (аэрофотосъёмка, Смоленск)
Тюнинг Omei2000EP
VIVA JET
На стыке двух стихий
По следу ящера

Полёт мысли в стиле “Стэлс”
или как разрезать две доски чтобы получился самолёт

Пожалуй пришло время выйти из режима “стэлс” и самостоятельно опубликовать результаты работы, которой были посвящены очередные полгода моей жизни в моделизме. Чтобы легче осилить “полёт мысли”, предлагаю сначала насладиться полётом моей модели:

www.youtube.com/watch?v=PfK2Kps0gd4

А также УЛЁТНЫЙ ролик озвученный рёвом реальных турбин!!!

www.youtube.com/watch?v=eQjizmUuW6c

Впечатляет? :thumbsup: Тогда вперёд!

Начало начал

Многие моделисты, особенно те, кому уже за … или кто живёт вдалеке от столичного модельного изобилия ещё помнят те времена, когда построить модель самолёта целиком из бальзы было непомерной роскошью на грани непозволительного китча. Потому что бальзы было мало. Очень мало. И тот, кто имел бальзу, имел силу и свободу. Свободу творить и силу воплощать свои творения в драгоценной древесине. Один раз в год осенью к нам в кружок юных техников приходил начальник авиамодельного клуба АСК ДОСААФ и приносил брус бальзы, который надо было поделить на всех воспитанников кружка так, чтобы каждому хватило на планер А-2, который надо было весной представить на городские соревнования. От их результата зависело, получишь ли ты бальзу на следующий сезон или будешь довольствоваться липой и сосной. Однако некоторые несознательные кружковцы и так довольствовались липой и сосной, а из сэкономленной бальзы строили чудо техники – кордовые электролёты с моторчиками от железной дороги. Руководитель авиамодельного кружка закрывал на это глаза, потому что имел столько бальзы, что мог позволить себе нечто в нашем понимании совершенно фантастическое и недосягаемое! – радиоуправляемую пилотажку с ДВС! Фюзеляж этого здоровенного монстра был целиком изготовлен из бальзы, а кое-какие элементы сложной формы были выдолблены из цельного бруса бесценного дерева! Впрочем, щедрость его не знала границ, и мне доставались великолепные остаточные продукты этого «долбления», которые шли в дело все до последнего грамма. А когда у него ломалась очередная сервомашинка, он великодушно отдавал мне пятиполюсный коллекторный электродвигатель от неё, который тут же облегчался, перематывался и устанавливался на очередной модели:

Именно тогда, много лет назад зародилась любовь и приверженность электротяге и диковинной заморской древесине…

Поиск формы.

Но пришли другие времена, и бальзы стало много. Очень много! Настолько много, что её можно купить в любом модельном магазине в любом виде и количестве. Теперь, когда сердца моделистов отданы «потолочке» и EPP, великолепные распилы бальзы, всевозможные профили, рейки, и тончайший шпон, уныло пылятся на полках магазинов, а в квартире представляют собой просто пыльный хлам, от которого надо как-то избавляться в свете предстоящего переезда. Выбросить рука не поднимается. Это будет не менее кощунственно, чем на глазах жителя блокадного Ленинграда, выбросить буханку хлеба. Что же остаётся? Применить ценный материал для постройки летающей модели самолёта!

Разные самолёты проектируются исходя из разных начальных условий. Военные – в соответствии с боевой задачей, гражданские – по экономическим показателям, большинство СЛА делаются под имеющийся двигатель, а мы построим самолёт исходя из наличия материалов, которые надо как можно более рационально и эффективно использовать. В конце концов, все как-то режут доски чтобы получить модели самолётов, кто-то режет крупнее, кто-то мельче, кто-то вообще стирает их в пыль. Любой путь, приводящий к цели, имеет право на существование, даже если цель проясняется лишь в процессе этого пути…

Итак, что нам дано, и что необходимо доказать? А дано нам две пластины легчайшей бальзы 1000х100х8мм и мешок мелких обрезков различной толщины и плотности. Всё это надо воплотить в некий летательный аппарат и доказать что он способен подняться в воздух, обеспечить восторг зрителей и порцию адреналина у пилота, и сделать это может любой моделист начального уровня, владеющий канцелярским ножом и обладающий необходимой мерой аккуратности и терпения, в домашних условиях. Можно, конечно, построить очень сложную модель, которой все будут восхищаться, но которую никто никогда не сможет воспроизвести сам чтобы оценить её качества. Не совсем ясно, зачем тогда тратить драгоценное время на подробное описание своих конструкторских подвигов? Нет, модель должна быть простой и доступной для повторения, чтобы этот рассказ был не только декларацией собственного мастерства, но и руководством к действию для тех, кто будет его читать.

Каким образом можно применить для этого исходные пиломатериалы? Очевидно можно отказаться от сложного и неремонтопригодного наборного крыла, и построить модель с крылом из сплошного профилированного массива бальзы, как у гоночных моделей. Такое решение вполне сочетается с накопившимся после 2-х летней эксплуатации Торнадо ХХ, желанием других скоростей. Больших скоростей! Начитавшись разных статей и материалов форумов, я оказался подвержен распространённому мнению, что искомую скорость и динамику полёта может обеспечить только импеллер. На полке давно пылился пресловутый “импеллер на коленках”, явление которого миру вызвало град насмешек в Интернете из-за отсутствия какой-либо теоретической базы проекта. А что, собственно говоря, мешает распотрошить кулер от компьютерного блока питания, начинить его бесколлекторным двигателем и поместить в корпус из стеклопластика, склеенный на пластиковой бутылке из-под Боржоми? Уж точно не личное знакомство со стариком Бернулли 😉

Хотя сказать по секрету, кое-какие рациональные соображения всё же пришлось применить, иначе не получился бы агрегат весом всего 70 гр создающий статическую тягу 150 гр от четырёх полимеров и потребляющий ток 10А.

Статор двигателя, по принятой классификации – 2404/12, намотан проводом 0,2мм в шесть жил «дельтой»:

Ротор усилен металлической вставкой по месту крепления оси и содержит 12 неодимовых магнитов 5х5х2:

Кок и спрямляющие лопатки - бальза, склеенная перекрещивающимися слоями:

На что можно поставить такую энергоустановку? Прикинем. При тяговооружённости 0.5, вес гипотетической модели составляет 300 гр. Из них пусть 100 гр - аккумуляторы, 70 гр - импеллер, 30 гр электроника. Остаётся 100 гр на планер. Теоретически построить такой планер можно. При нагрузке на крыло пускай не более 30 гр/дм2 несущая площадь от 10 дм2. Это может быть какой-то совсем маленький самолётик, или лёгкий мотопланер наборной конструкции, который будет кое-как болтаться в воздухе и рассыплется в щепки при первом же столкновении с твердью земной, что совершенно не входит в мои планы. Таким образом “импеллер на коленках” отправляется назад в музей и ждёт там своего часа. Нет, в голове уже готов был взреветь мотором, вырваться из рук и устремиться ввысь совсем другой самолёт. Неординарный, экстремальный, горячий! Какой?

Гоночная модель классической схемы. Надо ли? Ничего нового явить миру явно не удастся, гоняться я ни с кем не собираюсь, а хочу применить на своей модели импеллер, что никак не сочетается с требованиями класса. С другой стороны последнее время наблюдается бум импеллерных копий. Чем это грозит: сразу много вопросов в плане следования прототипу, усложнение технологии и моё убеждение, что если уж копия, то она должна быть абсолютно безупречна, сверкать идеальной глянцевой поверхностью и быть изготовленной методами формования из композитных материалов. Такая технология к сожалению мне пока недоступна. К тому же с земли едва ли разберёшь, что там проносится мимо на бешеной скорости, и насколько это похоже на какой-нибудь «МИГ» или «Су», поэтому гнаться за копийностью я не вижу для себя никакого смысла.

Ни копия, ни гонка, тогда что же? Что-то чего не свет белый не видывал! Абсолютный полёт мысли, вольная фантазия, полная свобода творчества в рамках отпущенных пиломатериалов! А фантазия давно уже подсказывает мне скоростную модель, некое подобие реактивного истребителя с импеллером. Ничего подобного я никогда до сих пор не строил, ни на чём подобном никогда не летал и был уверен, что это невозможно, потому что летать могут только планера и немного пилотажки. 😊

От модели истребителя следует ожидать весьма проблемной аэродинамики, плохой устойчивости и управляемости как следствие малого удлинения крыла и малых размеров вообще, склонности к сваливанию и прочих неприятностей таких, что караул! Впрочем, у меня пока есть шансы как-то преодолеть эти напасти, поскольку я не связан никакими требованиями копийности и пока ещё могу выбирать любую форму и наполнять её соответствующим содержанием.

Наполнение содержанием.

Однако что мы строим, мы до сих пор сами пока не знаем, но будем пытаться понять. Надо как-то подружить то, что мы имеем с тем, что хотим получить, и понять, при помощи чего всё это будет преодолевать силу тяготения земли и сопротивление воздуха. Но для начала доски - на весы! Получаем: одна пластина бальзы 1000х100х8 мм весит 130 гр. Соответственно две - это 260 гр, плюс ещё 50% на прочие расходы, грубо говоря 390 гр будет весить планер. на аккумуляторы закладываем 200 гр, мотоустановка пока под вопросом, но пускай импеллер Vasa 65G+Mega1615/3 =130 гр, регулятор оборотов 20 гр, прочая электроника 40 гр, и… шок! Вес модели в первом приближении
780 гр! Это же утюг! Впрочем, если посмотреть, что делается в мире, то всё не так страшно. Ну вот хотя бы L-159 от Vasa с таким же импеллером и мотором:

L159 - technical data the kit:
Length: 1020 mm
Wingspan: 820 mm
Weight: 1100 - 1350g (dle vybavení)
Area wing: 13.3 dm2
Profil wing : NACA 2409
Profil elevator : NACA 0007-0008

Это означает что нагрузка на крыло модели такого класса от 81 до 100 гр/дм2. И оно летает!
Впрочем, не стоит ориентироваться на столь экстремальный случай, важно уже то, что подобная практика существует. Возьмём что попроще:

Kyosho F-16:
размах 900мм,
площадь 19,5 дм2,
вес 1150гр,
нагрузка на крыло 58 гр/дм2.

Вот это пожалуй наш вариант. Модель весом пускай даже 800 гр при той же нагрузке на крыло потребует площади крыла 13,8 дм2. Пора резать доски! Если одну из них взять целиком, вторую разрезать пополам, каждую половину ещё раз по диагонали пополам, и сложить, то получится трапециевидное крыло площадью 15 дм2 - практически в яблочко и даже с запасом. Останутся ещё заготовки на треугольную носовую часть, и таким образом две пластины бальзы безотходно реализованы.

Из вариантов «дельта», «утка» или «классика» я остановился на классике. Понятная балансировка, много вариантов по схеме управления, да и хочется уже всё-таки что-то похожее на самолёт, а не на бумеранг 😄 . Таким образом, к полученной сложной геометрической фигуре добавляются хвостовое оперение и то, к чему оно будет крепиться - тоже, в общем, какая-то несущая поверхность. Плечо стабилизатора получилось небольшим, зато размеры ЦПГО развиты до предела. В плане устойчивости и управляемости штучка будет ещё та…

И вот наконец, после тренировки на бумажных шаблонах, я вооружился новеньким канцелярским резаком и раскупорил бутылочку свежего циакрина. Вот чем это закончилось:

Жить стало легче, жить стало веселее. Получилась плоская поверхность сложной формы, которая составит силовую и несущую основу будущей модели. Теперь примерно ясно, с чем мы имеем дело, и что с этим делать дальше. Попробуем проанализировать полученную весьма сложную геометрическую фигуру, напоминающую самолёт B)

Размах крыла:

L=960мм,

корневая хорда:

Bкорн=200мм,

концевая хорда:

Bконц=100мм.

Таким образом:

САХ=156 мм,
Sкр=14,4 дм2,

Удлинение:

Л=L/САХ=6,15

При таком удлинении крыла можно ожидать, что его качество в первом приближении будет около 10 и центр давления крыла при стреловидности 12 градусов по передней кромке будет на уровне 24-25% САХ. Пойдём со стороны профиля крыла. Со всех точек зрения, и аэродинамики, и простоты исполнения, разумно придать полученной поверхности плосковыпуклый профиль. Для этого передняя и задняя кромки крыла аккуратно и по возможности максимально ровно сведены «на нет» при помощи нождачной бумаги и плоского бруска. Спереди поменьше, сзади побольше. Получился тонкий остроносый профиль, толщина которого изменяется от 4% в корне крыла до 8% на конце, и выглядит это примерно так:

То, что получилось на конце крыла вполне похоже на самолётный профиль. То, что в корне ближе к плоской пластине. Попробуем найти в базе данных что-то похожее. Для приблизительной оценки были рассмотрены профили: DAE51, S2055, SD2030, E374 и некоторые другие похожие. Типичная поляра подобных профилей:

Имеются также результаты продувок для тонкого двояковыпуклого профиля и плоской пластины:

Похожего много, но подходящего как обычно нет. Истина где-то между, поэтому попробуем выявить некоторые общие закономерности тонких и остроносых профилей. Угол атаки при максимальном качестве у всех у них колеблется около 4 градусов, при этом оптимальные:

Cy=0,6
Cx=0,01

Коэффициент Cx крыла складывается из коэффициентов профильного из индуктивного сопротивления:

Cx=Cx проф + Cy**2/пЛ, где п = 3,14, Л – удлинение крыла.

Получается:

Cx инд = 0,019
Kmax=20,6

Но не стоит обольщаться. Наиболее рискованные и ответственные режимы – это взлёт и посадка. Очевидно, что в районе критического угла атаки наблюдается резкое увеличение коэффициента Cx. Критический угол атаки определяет скорость сваливания и находится в области 9-10 градусов, при этом:

Cy крит=0,9
Cx крит=0,03
Cx инд=0,041
Kкрит=12,7

Это качество крыла. Качество самолёта будет значительно хуже, если учесть сопротивление фюзеляжа, оперения, гондолы импеллера и их взаимного влияния. Точный результат даст лишь продувка модели в трубе, однако, не влезая в дебри, можно ожидать, что с учётом всех этих факторов, реальное качество будет около:

Kmax=15
Kкрит=8

Отсюда при расчётной массе модели 800 гр и нагрузке на крыло 55,6 гр/дм2,
нижний предел располагаемой тяги:

Pmin=m/Kкрит=100 грс.

Теперь самое время проанализировать, на что способны доступные на рынке импеллерные установки. Для этого воспользуемся онлайн-калькулятором для импеллеров. Vasa Fan65 с двигателем MEGA1615/3 и 4s LiPo даёт весьма неплохой результат:

Такая установка с аккумуляторами 4s Lipo будет выдавать 770 гр статической тяги, потреблять ток 27А, весить с регулятором оборотов 328 гр, и на планер остаётся 472 гр. Получается вес модели:

m=800 гр

тяговооружённость в статике :

T=0,96

Нагрузка на крыло:

Q=55,6 г/дм2,

Однако достать такой мотор нелегко даже в Москве, весит он немало, стоит недёшево, да и нужно ли столько статической тяги скоростному самолёту? Может быть можно сэкономить на весе и мощности мотора и соответственно аккумулятора? Рассмотрим другие варианты. Давненько я облизывался на инранер Mini AC 1215/12 от Model Motors. Он рассчитан на применение с импеллерами до 65мм (по крайней мере так заявлено в его характеристиках), и в базе калькулятора есть такой мотор. Вот что получилось:

От трёх полимеров тяга 633 гр, но ток зашкалил за 35А. Случай, конечно, экстремальный в плане КПД и перегрева, однако можно считать это форсажным режимом, а летать в пол-ручки. Второй вариант с двумя полимерами весьма привлекательный: 340 гр статической тяги, при этом масса мотоустановки с аккумуляторами обваливается до 213 гр. Если постараться уложиться в 400 гр на планер, то вес модели во втором приближении составит:

m=613 гр

Нагрузка на крыло:

Q=42,5 гр/дм2

и тяговооружённость:

T=0,55

в целом хуже, но летать будет. Вариант с «Мегой» держим пока в уме. Принимаем данную конфигурацию за базовую, и таким образом, определены основные параметры самолёта. Впрочем, в теории данного проекта более уместно было бы применять слова “понять”, “поверить”, “предсказать”, чем слова “вычислить”, “узнать”, “определить”. Поэтому мои методы скорее можно назвать иррациональными, интуитивными, чем научными или инженерными.

продолжение