Тема 4. Модель планера А-1

Цель. Рассчитать и изготовить фюзеляжную модель планера.

Методические рекомендации. Летные качества фюзеляжной модели намного лучше, чем схематической, но на постройку ее требуется значительно больше времени. На эту тему рекомендуется отвести 48 ч, из них 4 ч на теоретические занятия, а 44 ч на практические. На теоретических занятиях производится выбор и расчет фюзеляжной модели планера, на практических - изготовление, регулировка и запуски модели. Занятия целесообразно проводить в такой последовательности: выбор схемы, определение основных размеров и распределение площадей, выполнение эскиза, выбор и расчет профиля крыла и стабилизатора, выполнение рабочего чертежа, постройка модели, регулировка и запуск.

Расчет модели. Расчет ведется исходя из технических требований к моделям планеров класса А-1: общая площадь несущих поверхностей не более 18 дм², масса не менее 220 г, длина леера не более 50 м.

Схему модели планера выбирают самую простую - прямоугольную форму крыла и стабилизатора с небольшими скруглениями на концах. Площадь несущих поверхностей берут равной S_сум = S_кp + S_ст = 18 дм², где S_кp - площадь крыла; S_ст - площадь стабилизатора.

Площадь стабилизатора для подобных моделей в практике авиамоделизма принимают S_ст = (20-25%)S_кp, или S_кp/S_ст = 4- 5.

Принимаем S_кp = 4S_ст, тогда S_сум = 4S_ст + S_ст = 5S_ст = 18 дм², откуда S_ст = 3,6 дм²; S_кp = 14,4 дм².

Определим основные размеры крыла и стабилизатора. У крыла, имеющего в плане прямоугольную форму, удлинение λ_кр = l_кр/b_кр, или λ_кр = l2_кр/S_кр, где l_кр - размах крыла; b_кр - длина хорды крыла; S_кp - площадь крыла.

Для моделей планеров наиболее выгодные удлинения крыла λ_кр = 10-20. Выбираем λ_кр = 11,5; для обеспечения высокой прочности крыла длину его хорды берем b_кр = 112 мм, тогда размах крыла l_кр = λ_кр/b_кр = 11,5×112 = 1290 мм.

Из опыта известно, что наивыгоднейшее удлинение стабилизатора λ_ст = λ_кр/2 - λ_кр/3, причем λкр/2 соответствует малым, а λ_кр/3 большим удлинениям крыла. Для нашей модели выбираем λ_ст = 4,5. Удлинение стабилизатора λ_ст = l_ст/b_ст, где l_ст - размах стабилизатора; b_ст - длина хорды стабилизатора. Рекомендуемая длина хорды стабилизаторов для таких моделей b_ст = 90 мм, тогда l_ст = λ_стb_ст = 4,5×90= 410 мм; после уточнения берем 400 мм.

Теперь требуется определить плечо L_го горизонтального оперения стабилизатора - расстояние между центром тяжести модели и центром давления стабилизатора. Упрощенно можно считать плечом расстояние между точками, находящимися на 1/3 длины хорды от передней кромки крыла и стабилизатора. Плечо L_го - один из важнейших факторов, обеспечивающих продольную устойчивость модели в полете. Влияет на продольную устойчивость и профиль горизонтального оперения. Все это учитывает коэффициент эффективности А. Его значения для моделей планеров равны 0,7-1,2. Для профилей создаваемой модели примем А = 1,1; тогда

Lго = AbкpSкp/Sст = (1,1×1,12×14,4/3,6) дм = 4,92 дм ≈ 500 мм.

Площадь киля определим по формуле S_K = A_кS_кpL_кp/l_к, где А_к - коэффициент эффективности киля, равный 0,016; l_к - плечо киля. Примем плечо киля равным плечу горизонтального оперения стабилизатора, т. е. l_к = L_го = 500 мм, тогда S_к = (0,016×14,4×13/5) дм² = 0,6 дм².

Длину LH носовой части фюзеляжа примем равной 150 мм (по статистике это значение находится в пределах 150-200 мм).

Определив основные размеры, выполняют в масштабе 1:1 рабочий чертеж модели планера в трех проекциях - в плане (сверху), спереди и сбоку в следующем порядке: вычертив крыло в плане, на продольной оси модели указывают ЦТ и отмечают L_го. Затем вычерчивают стабилизатор, причем его хорда на 0,3 своей длины должна перекрывать L_го. Отложив длину носовой части фюзеляжа, наносят его контур; максимальная толщина фюзеляжа 12 мм. На продольную ось фюзеляжа (вид сбоку) переносят с вида сверху ЦТ и проводят относительно него хорду крыла под углом 3° к продольной оси фюзеляжа; строят вид крыла сбоку. Фюзеляжу и килю придают аэродинамически целесообразную форму, наносят профиль стабилизатора, приняв его установочный угол равным 2-3°. Обмечают на фюзеляже место крепления стартового крючка - в 10-15 мм от ЦТ ближе к передней кромке. Выполнив две проекции, вычерчивают вид модели спереди, после чего делают чертежи отдельных ее элементов.

Выбор и расчет профиля. Профиль крыла или оперения - это сечение их плоскостью, параллельной обтекающему потоку. Такое сечение может иметь разную форму.

Рис. 32. Геометрия профиля крыла. b - длина хорды; у_в - верхняя ордината профиля; y_н - нижняя ордината профиля; с - толщина профиля; f - относительная вогнутость; х_f - расстояние наибольшей вогнутости профиля

Отрезок прямой от передней точки (носика) профиля до задней (хвостика) называется длиной b хорды (рис. 32). Расстояние по перпендикуляру от хорды до точек обвода профиля изменяется; суммарное расстояние, равное у_в + у_н, также меняется. Наибольшая сумма этих значений называется толщиной профиля и обозначается с. Для сравнения профилей в большинстве случаев толщину их задают не по абсолютному значению, а в процентах от длины b хорды, т. е. по относительной толщине . Важная геометрическая характеристика профиля - форма средней линии. Средняя линия соединяет переднюю и заднюю точки профиля и делит пополам отрезки, определяющие толщину профиля. Наибольшая величина прогиба f средней линии относительно хорды называется вогнутостью профиля, а отношение вогнутости к длине хорды - относительной вогнутостью.

Положение наибольшей вогнутости относительно носика профиля определяется расстоянием х_f. Размеры, характеризующие профиль, обычно приводят в процентах от длины хорды. Каждый профиль имеет свое обозначение: буквы указывают инициалы автора профиля или учреждение, где он создан, цифры - геометрические характеристики. Например, NACA-6409 расшифровывают так: Национальный авиационный консультативный комитет (США), первая цифра показывает относительную вогнутость f = 6%, вторая и третья - положение максимальной вогнутости от носика профиля x_f = 40%, последняя - относительную толщину профиля = 9%. При выборе профиля для модели следует учитывать его характеристики. Для изготавливаемой модели планера можно выбрать профиль В-8356 (автор его Г. Бенедек). Здесь число 8356 означает: = 8%, x_f = 35%, f = 6%. Для вычерчивания профиля пользуются системой прямоугольных координат. Предварительно составляют таблицу, в которую вписывают координаты профиля, выраженные в миллиметрах и в процентах от длины хорды. Для хорды длиной 112 мм профиля В-8356 она примет вид (табл. 3).

Таблица 3. Таблица, в которую вписывают координаты профиля, выраженные в миллиметрах и в процентах от длины хорды

В таблицах профилей Г. Бенедека дополнительно дают радиус носика в процентах от длины хорды (r = 0,9).

Рис. 33. Откладывание точек ординат (а) и вычерчивание профиля крыла летающих моделей (б)

На базовой прямой (ось х, рис. 33) откладывают длину b хорды. На ней отмечают точки, отстоящие от начала координат на расстояниях (%): 0; 1,25; 2,5; 5; 7,5; 10; 15; 20; 30; 40; 50; 60; 70; 80; 90; 95; 100. Через эти точки проводят перпендикуляры, на которых откладывают ординаты точек контура профиля вверх и вниз - в зависимости от знака: положительные - вверх от оси х, отрицательные - вниз. Полученные точки соединяют плавной линией, которая и образует контур профиля. Носик его вычерчивают так: от начала координат откладывают вверх размер, равный 1,11% длины хорды - 1,24 мм; на этом уровне вправо от вертикали откладывают размер r = 0,9% от длины хорды (1,00 мм). Полученная точка и будет центром, из которого радиусом r = 1,00 мм описывают контур носика профиля. Аналогично рассчитывают профиль стабилизатора. Для него можно выбрать профиль Gottingen 564, обеспечивающий широкий диапазон рабочих углов атаки. Для хорды стабилизатора, равной 90 мм, таблица координат примет вид (табл. 4). Постройка модели. По вычерченным профилям крыла и стабилизатора тщательно выполняют шаблоны из листового дюралюминия или фанеры. Заготовив необходимый материал, приступают к постройке модели.

Таблица 4. Для хорды стабилизатора, равной 90 мм, таблица координат примет вид

Носовую часть фюзеляжа изготавливают из липовой пластины толщиной 10 мм (рис. 34). Ее вырезают по контуру, делают внутри отверстия и приклеивают к пластине две липовые рейки сечением 10X2 мм. С вклеенными четырьмя распорками они образуют хвосто-вую балку. На свободном ее конце закрепляют сосновый брусок, в который на эпоксидной смоле вставляют крючок из проволоки ОВС диаметром 1 мм. Площадку для крепления стабилизатора делают из липы толщиной 3 мм, упор на ней из липовой рейки сечением 4X4 мм. Крючок для буксировки модели из проволоки ОВС диаметром 2 мм вклеивают в носовую часть фюзеляжа на расстоянии 206 мм от переднего края. Боковые стороны фюзеляжа оклеивают фанерой толщиной 1 мм в носовой части и липовым шпоном - в хвостовой.

Рис. 34. Модель планера A-1. а - чертеж; б - профили крыла и стабилизатора

Штыри для стыковки половин крыла выполняют из стальной проволоки ОВС (передний - диаметром 2,6 мм, задний - диаметром 2 мм) и закаливают. Затем их туго вставляют в гнездо носовой части фюзеляжа. Киль из липовой пластины толщиной 1,5 мм врезают в фюзеляж. Руль направления на петлях из лески прикрепляют к задней кромке киля.

Собранный фюзеляж обрабатывают шлифовальной шкуркой и оклеивают длинноволокнистой бумагой, после чего 4 раза покрывают эмалитом. Масса фюзеляжа 151 г.

Крыло наборное, из двух половин; на каждой из них расположено 16 основных нервюр из бальзы или липового шпона толщиной 0,7 мм и 4 силовых из фанеры толщиной 1 мм. Порядок изготовления их таков: из фанеры вырезают 10 заготовок, слегка склеивают их и тщательно обрабатывают в тисках напильником, держа его параллельно верхней плоскости тисков (иначе можно исказить профиль нервюр). После этого сверлят в нервюрах два отверстия под штыри. Затем берут две нервюры, обрисовывают их по контуру чернилами, приклеивают к бруску размером 120 X 20 X 80 мм и обрабатывают ножом; кривизну профиля и правильность обработки контролируют линейкой. Для лонжеронов и передней кромки делают вырезы. Полученную заготовку разрезают вдоль на нервюры толщиной 1,6-2 мм по линейке острым скальпелем. Дальнейшую доводку нервюр до толщины 1,5 мм выполняют шлифовальной шкуркой, наклеенной на брусок. Затем нервюры покрывают эмалитом.

Для лонжеронов крыла используют сосновые рейки сечением 4X2 мм, для передней кромки - рейку из липы сечением 4X3 мм. Заднюю кромку выстругивают из бальзы сечением 15x3 мм, вырезы для нервюр на глубину 4 мм делают скальпелем. Пользуясь чертежом, отмечают карандашом на лонжеронах и передней кромке места, где будут крепиться нервюры.

Нервюры устанавливают на лонжеронах, прикрепляют переднюю и заднюю кромки, места соединений промазывают клеем. Законцовку делают из пенопласта. Заднюю кромку крыла, пока еще прямоугольную, состругивают рубанком и обрабатывают шлифовальной шкуркой, чтобы она имела треугольное сечение и являлась продолжением профиля нервюры. Лобовую часть крыла на ширину 10 мм покрывают липовым шпоном толщиной 1 мм. Корневую часть обеих половин крыла (в месте силовых нервюр) также усиливают липовым шпоном.

Каждую половину крыла собирают отдельно. Надо быть внимательными, чтобы не сделать их "на одну сторону". В том месте, где должен быть угол поперечного V, крыло разрезают и склеивают с помощью уголков из 3-миллиметровой фанеры. Места соединений кромок усиливают уголками из целлулоида; угловую нервюру вырезают из липы. Собранное крыло тщательно зачищают шлифовальной шкуркой, наклеенной на деревянный брусок.

Конструкция стабилизатора аналогична конструкции крыла. Нервюры (16 шт.) - из бальзового шпона толщиной 1 мм (или липового - 0,5 мм); передняя и задняя кромки - бальзовые, сечением соответственно 8 X 6 и 10 X 2,5 мм. Лонжероны выструганы из липовых реек сечением 2,5 X 1,5 мм. Крючки из проволоки ОВС диаметром 1 мм привязывают нитками с клеем к центральной нервюре, выполненной из липы, среднюю часть усиливают тонким шпоном.

Стыки нервюр с кромками и лонжеронами промазывают клеем, кладут на ровную поверхность и сверху прижимают грузом. Стабилизатор получится ровным, без перекосов. После сборки неровности горизонтального оперения зачищают шлифовальной шкуркой.

Обычно модель начинают оклеивать с фюзеляжа. Фюзеляж данной модели можно не обтягивать бумагой, а покрыть нитрокраской или бесцветным лаком (эмалитом). Крыло и стабилизатор оклеивают длинноволокнистой бумагой, предварительно окрашенной анилиновым красителем и разглаженной. Полосы бумаги должны быть на 30-40 мм шире оклеиваемой поверхности. Перед обтяжкой нервюры, кромки и лонжероны промазывают жидким эмалитом. Крыло начинают склеивать снизу: накладывают полосу бумаги и промазывают жидким клеем по нервюрам, лонжеронам и кромкам. Особой тщательности требует склеивание при сильновогнутом профиле крыла. Бумагу необходимо приглаживать в местах соприкосновения с нервюрами, добиваясь ее приклеивания. Обтянутое крыло слегка прошкуривают по кромкам и покрывают двумя слоями эмалита. Просохшую обтяжку зачищают мелкой шкуркой и дважды покрывают жидким эмалитом. Готовое крыло устанавливают в стапель на 5-7 дней.

Аналогично обтягивают стабилизатор, но покрывают его двумя-тремя слоями жидкого нитролака.

Масса крыла данной модели 58 г, стабилизатора 12 г; полетная масса модели 221 г.

Готовую модель собирают, т. е. крыло устанавливают с помощью штырей на фюзеляже, стабилизатор привязывают резиновой нитью к площадке на хвостовой балке фюзеляжа. Собранную модель центруют. Для этого в камеру носовой части фюзеляжа загружают дробь или мелкие кусочки свинца. Центр тяжести данной модели должен быть на расстоянии 38-40 мм от задней кромки крыла.

Регулировка и запуск. Первые регулировочные полеты следует проводить в безветренную погоду. Перед запуском тщательно проверяют, нет ли перекосов крыла и оперения.

Регулируют модель путем подбора угла установки стабилизатора. Модель берут за фюзеляж под крылом и плавно запускают по наклонной траектории. Модель должна пролететь по прямой 20-25 м. Если модель поворачивает вправо или влево, отклоняют руль направления. При кабрировании модели немного опускают заднюю кромку стабилизатора, подрезая хвостовую стойку фюзеляжа, или добавляют груз в носовую часть. В случае резкого снижения модели поднимают заднюю кромку стабилизатора, помещая под нее тонкие прокладки из плотной бумаги, или уменьшают груз в носовой части.

Отрегулировав модель на планирование с рук, приступают к запускам на леере (рыболовная леска диаметром 0,5-0,6 мм).

Длина леера по условиям соревнований не должна превышать 50 м. Предварительно леер растягивают с силой 20 Н.

При первых запусках желательно размотать леер на 15-20 м. После нескольких полетов на коротком леере модель запускают на длинном леере, внимательно наблюдая за взлетом. При недостаточном угле поперечного V или слишком высоком коэффициенте эффективности киля модель, находясь на леере, меняет направление полета - "рыскает". Такой взлет опасен и не дает возможности запустить модель на всю длину леера. Добиться хорошего взлета можно, увеличив угол V крыла или уменьшив площадь киля (последний вариант более целесообразен).

Характерные недостатки полета модели после отделения леера - волнообразное движение или спиральная неустойчивость. Причина таких полетов, а иногда и преждевременного срыва с леера заключается чаще всего в том, что буксировочный крючок расположен слишком близко к ЦТ модели. Этот недостаток устраняют, перенося крючок вперед.

Иногда после отделения леера модель входит в вираж и не выходит из него до посадки. Как правило, такой полет сопровождается заметным увеличением скорости, уменьшением радиуса виража, быстрой потерей высоты и опусканием носовой части модели. Это свидетельствует о спиральной неустойчивости. Чтобы решить, каким образом улучшить устойчивость, необходимо попытаться разобраться в происходивших во время полета явлениях, пользуясь сведениями из аэродинамики. В большинстве случаев спиральную неустойчивость можно устранить следующими способами:

• а) увеличением боковой площади носовой части фюзеляжа - установкой гребня;
• б) уменьшением площади киля;
• в) увеличением угла поперечного V крыла модели;
• г) перемещением ЦТ назад, что требует повторной регулировки модели на планирование.

К нежелательным явлениям относится и чрезмерная путевая устойчивость. Ее признак - прямолинейный устойчивый полет модели даже при небольшом боковом ветре. Чтобы сделать модель менее устойчивой, можно уменьшить угол V крыла или увеличить площадь вертикального оперения, а также переместить ЦТ модели вперед, увеличивая груз в носовой части фюзеляжа.

Рис. 35. Модель планера 'Аист': а - чертеж; б - профили крыла и стабилизатора

На рисунке 35 показана модель планера "Аист". Ее фюзеляж, выполненный из липовой пластины толщиной 5 мм, в передней части оклеен фанерой толщиной 1 мм. Расположение киля и стабилизатора Т-образное (стабилизатор находится на киле). Крыло состоит из двух половин, прикрепленных к фюзеляжу с помощью основного и вспомогательного штырей из стальной проволоки диаметром соответственно 3 и 1 мм.

Площадь крыла 14,3 дм², стабилизатора 3,6 дм². Масса крыла 107 г, масса фюзеляжа с оперением 133 г.