Конструирование сложных змеев

Почти у каждого авиамоделиста, после того как он научится делать летающие модели или змеи по готовым чертежам, появляется желание конструировать и изобретать самому. Но для того чтобы изобрести лучшее, необходимо знать существующие конструкции, необходимо разобраться в их положительных и отрицательных качествах.

Описанные выше конструкции змеев Коди-Сакконея и Харграва настолько удачны, что основные элементы их содержатся почти в каждой из современных конструкций.

К конструкциям змеев предъявляются следующие основные требования:

• змей должен быть достаточно прочным и жестким. Необходимо учесть, что давление на несущую поверхность змея при средней скорости ветра 7-8 м/с доходит до 2 кгс/м². Кроме того, змей под действием ветра в полете не должен складываться;
• змей должен быть достаточно легким. Желательно, чтобы его нагрузка не превышала 0,3-0,4 кгс/м², тогда змей может летать при ветрах со скоростью 3-4 м/с. Змей с малой нагрузкой способен подниматься на большую высоту, чем змей с большой нагрузкой;
• змей должен быть портативным, легко собираться и разбираться, в собранном виде должен занимать небольшое место для хранения, быть удобным в перевозке и переноске.

Всем этим требованиям может удовлетворить мягкая, но одновременно прочная и тонкая плоская пластинка. Ее можно свертывать в трубку, и в то же время она выдерживает большие нагрузки на разрыв. Материалом для плоского змея служат обычные ткани, а специальные змеи строятся из синтетической или прорезиненной ткани.

Наивыгоднейшие формы сочетания пластинок. При практических запусках воздушных коробчатых змеев и при исследовании в аэродинамических трубах установлено, что у обычного змея, например конструкции Харграва, задние несущие плоскости коробок используются в полете только на 70-75%. Это является результатом вредного влияния завихрений воздуха, образующихся на передних несущих плоскостях и вредно действующих на задние плоскости. Конструкторы для уменьшения действия завихрений и для увеличения подъемной силы как одно из серьезных усовершенствований вводят вынос задних плоскостей коробок змея (рис. 35), т. е. коробчатый змей делается так, чтобы его задние несущие плоскости Б-Б были выше, чем передние А-А.

Рис. 35. Различные углы выноса у змеев: А-А - передняя плоскость: Б-Б - задняя плоскость

Испытания показали, что чем больше делается угол выноса, тем большая создается подъемная сила, а лобовое сопротивление возрастает незначительно.

Несмотря на явную выгоду наибольшего выноса, конструктивные требования заставляют ограничиться некоторым пределом. При увеличении выноса задней плоскости центр тяжести змея переносится к его вершине, а с центром тяжести змея связано место привязи и направление уздечки. Чрезмерный вынос с задних плоскостей коробок значительно усложняет конструкцию. Практически установлено, что угол выноса целесообразно делать в пределах от 15 до 45°.

Уменьшение нагрузки змея. Выше было указано, что чем меньше нагрузка змея (отношение массы змея к его несущей площади), тем меньшая скорость ветра требуется для его подъема. Чтобы уменьшить нагрузку, обычно подбирают наиболее легкие материалы для каркаса и обтяжки, а лонжероны изготовляют минимального сечения. Но чрезмерное облегчение каркаса в большинстве случаев ведет к снижению прочности змея. Можно добиться снижения нагрузки без уменьшения прочности путем увеличения площади змея за счет добавления компенсаторов. Компенсаторы имеют формы прямоугольника, трапеции, двух треугольников и т. д. (рис. 36).

Рис. 36. Компенсаторы в форме: а - прямоугольника; б - треугольника; в - трапеции; г - двух треугольников

Практика и исследования в аэродинамических трубах показали, что компенсаторы значительно улучшают аэродинамические качества змея.

При продувке в аэродинамической трубе модели змея с компенсаторами оказалось, что:

• наибольшая эффективность змея была при полетном угле атаки, равном 20-25°;
• компенсатор целесообразно устанавливать сверху (имеется в виду, что змей лежит передней несущей площадью на горизонтальной поверхности);
• компенсатор в форме треугольника значительно увеличивает подъемную силу змея.

На устойчивость змея в полете значительное влияние оказывают место привязи уздечки (относительно центра тяжести змея), а также форма и конструкция змея.

Рис. 37. Крепление леера к змею: а - плоскому; б – коробчатому

На рис. 37 показана схема сил, действующих на воздушные змеи. Здесь А-В - поверхность змея; С - центр тяжести (взят в середине, но он может находиться в зависимости от конструкции и в другом месте); О - центр сопротивления; а - угол наклона поверхности змея к направлению ветра, или угол атаки; АСВ - уздечка змея и СТ - леер. На змей действуют силы: G - сила тяжести, направленная перпендикулярно к земле и приложенная в центре тяжести змея, в данном случае посредине, R - полная сила сопротивления воздуха, направленная перпендикулярно к АВ и лежащая примерно на 1/3 длины змея, считая от верхней кромки.

Перенеся первые две силы по их направлению в точку К и построив по ним параллелограмм, получим их равнодействующую силу G_p. Сила G_p будет стремиться унести змей в воздух. Для противодействия этому к змею нужно приложить силу, равную G_р, но действующую в обратную сторону. Такая сила создается натяжением леера. Поэтому нужно уздечку поместить, так, чтобы сила натяжения леера Т лежала на одной линии с силой G_p. Если этого не будет, то змей сам изменит угол атаки и повернется.

С изменением центра тяжести змея нужно изменить и место расположения уздечки, потому что равнодействующая G_p займет новое положение. При изменении силы ветра изменится и сила R, что, в свою очередь, вызовет необходимость изменения направления леера.

По формуле (1) определяется сила Р - она равна силе тяжести G. Сила Q (сила лобового сопротивления) при летных углах атаки 10-15° примерно в два раза меньше силы Р. Начертив в масштабе силы Р и Q, строят параллелограмм и находят силу R (общее сопротивление змея).

Длина строп уздечки определяется практически. Для определения направления леера и устройства уздечки у коробчатого змея следует в масштабе начертить его боковую проекцию (см. рис. 37,б).

Если такой змей имеет одинаковые коробки и равные сечения лонжеронов, то центр тяжести его будет в середине линии АВ. Центр давления будет лежать также примерно на 1/3 высоты коробки.

По такому принципу находят направление и место привязи уздечки.