science-review.ru
Экспериментальный авиамоделизм, эксперимент, как инструмент исследований может стать доступным не только специалистам, ученым, инженерам, но и авиамоделистам – любителям, даже школьникам. Это очень важно для подготовки будущих специалистов – исследователей. Именно с детских лет, со школьной скамьи, возможно, сформировать инновационно мыслящего человека, способного наиболее быстро и эффективно включаться в создание объектов высоких технологий. Это реально достижимо благодаря использованию неисчерпаемых воспитательных возможностей, предлагаемых самой природой, когда в начале подросткового возраста школьника закладывается в его формирующуюся личность энергичное творческое начало.
Подготовку таких ребят необходимо проводить путем привлечения их к техническому творчеству как проектировщиков, разработчиков новых технических средств, а не репродуктивных исполнителей давно существующих моделей, стендов и устройств. Принципиально новые конструкции, разрабатываемые школьниками с элементами их творческой фантазии, на основе полученных знаний, умений и опыта, способны преобразить юного человека, обогатить его внутренний мир, нацелить на дальнейшее творческое созидание, воспитать внутреннюю потребность к поиску новых, необычных, неожиданных решений. В конечном счете, такая высокоэффективная, с практическими навыками, подготовка молодых людей, будет всегда оправдана и востребована.
Рис. 1. Летающая модель самолета А.Ф. Можайского
Летающая модель и рождение самолета
В нашей стране летающая модель, эксперимент, сопутствовали исследованиям по созданию первого в мире самолета. Так еще в 1873 – 1876 годах нашим соотечественником Александром Федоровичем Можайским были построены летающие модели изобретенного им самолета, одна из которых демонстрировалась его друзьям. Это событие описывал корабельный инженер П.А. Богуславский: «В нашем присутствии опыт был произведен в большой комнате над маленькой моделью, которая бегала и летала совершенно свободно и опускалась очень плавно. Полет происходил даже тогда, когда на модель клали кортик, что сравнительно представляет груз весьма значительного размера».
Летающие модели А.Ф. Можайского в основных чертах имели вид будущего самолета и состояли из пяти основных частей, характерных для современных самолетов: крыло, фюзеляж, винтомоторная установка, хвостовое оперение и шасси, причем взлетали модели, не с рук, а после разбега на колесиках [4].
Идея использования летающих моделей для исследования характеристик проектируемых летательных аппаратов, была теоретически обоснована академиком Б.Н. Юрьевым. Борис Николаевич неоднократно подчеркивал, что методы исследований на летающих моделях необычайно перспективны. Они позволяют ценой малого времени и ничтожных затрат, без риска человеческой жизнью изучать сложные явления, подчас недоступные исследованиям в аэродинамических трубах и в летном эксперименте. При соблюдении законов подобия можно построить летающую модель, значения характеристик полета которой будут соответствовать значениям характеристик полета полноразмерного летательного аппарата. Такой эксперимент несравненно проще, дешевле и скоротечнее всех других. На такой модели можно с успехом изучать вопросы устойчивости, управляемости, гидродинамики и т.п., не исключая, при этом, результатов математического моделирования аналогичных динамических параметров, которые можно сравнивать с параметрами, полученными в полете физической модели. Особенно удобными являются эксперименты, проводимые на летающих моделях: на этапе поисковых исследований при создании новых типов летательных аппаратов, при выявлении новых физических эффектов, при опробовании новых технических идей [5].
В нашей стране имеется богатейший многолетний опыт использования модельных экспериментов при создании новых образцов техники. Так еще в СССР, в Научно – Исследовательском Институте Проблем Физического Моделирования Харьковского Авиационного Института (НИИ ПФМ ХАИ), проводились исследования динамически подобных летающих моделей ряда самолетов четвертого поколения, и +,++. Современная практика полностью подтвердила высокую эффективность применения экспериментальных летающих моделей для решения различных научно – технических проблем.
Сложности привлечения опытных авиамоделистов в сферу науки
К сожалению, как и в недалеком прошлом, так и в настоящее время, большая часть известных нам опытных авиамоделистов строит свою работу преимущественно для достижения спортивных и коммерческих результатов. Преследование целей любой ценой участвовать в соревнованиях с выездом за границу, с любыми результатами, заставляет их слепо копировать уже давно спроектированные и построенные модели зарубежных призеров. По мнению таких моделистов, в результате приобретения недешевой импортной модели или набора готовых деталей и узлов для её сборки, не надо самостоятельно выполнять аэродинамические, прочностные и т.д. расчеты. Выбирать или разрабатывать технологический процесс её изготовления. Нет надобности в приобретении знаний и опыта для выбора подходящих материалов, позволяющих получать легкую, прочную и жесткую конструкцию. Постановка задач поиска новых технических решений, при этом полностью исключена. Вооружившись призрачным утверждением – «Все лучшее на Западе», такие авиамоделисты совершают сами и передают молодежи непоправимую ошибку – ошибку репродуктивного использования чужих разработок. Ошибку, ведущую к отказу от использования и развития собственных знаний, умений, и навыков, и в целом, к застою в разработке новой техники у нас в стране. При этом не стоит забывать, что многообразие форм творческого процесса создания такой импортной продукции, как и права на интеллектуальную собственность, а также рабочие места, принадлежат западным фирмам, имеющим высокий технический уровень и конкурентоспособность на мировом рынке.
Следует, также, отметить, что авиационные специалисты недостаточно используют возможности авиамоделизма для своих исследований, редко привлекают авиамоделистов к модельным экспериментам, к поиску новых технических решений. Объединение в выполнении общих целей и задач по возрождению отечественного авиамоделизма, по подготовке молодых функционально грамотных специалистов для авиационной промышленности, в современных условиях, весьма желательно и полезно для обеих сторон.
Эксперимент и его научноприкладное значение
При создании различных технических устройств, в том числе авиационной и ракетно – космической техники, различных сооружений и комплексов, приходится решать огромную массу научно – технических проблем. Для их решения применяются теоретические и экспериментальные методы исследований.
- Теоретические методы исследований обеспечивают возможность научного предвидения, с весьма приближенным отображением действительного. Они не могут охватить полностью все изучаемое явление, так как оперируют не с самим явлением, а лишь с его упрощенной схемой.
- Экспериментальные методы значительно точнее, так как в их основе лежит изучение действительного явления, а не его схемы. Теория без опытов может дать неверный результат, а без теории трудно, а иногда просто невозможно объяснить результаты опытов. Поэтому экспериментальные и теоретические работы всегда проводятся совместно. Эксперимент, в этом случае, позволяет формировать и проверять теорию, которая, в свою очередь, обеспечивает правильное обобщение опыта.
Эксперимент выполняет иногда и самостоятельную роль в исследованиях. Так во многих областях науки, при изучении новых проблем, не располагая теоретическими знаниями, исследователи обращаются непосредственно к экспериментам. И здесь, даже единичный удачно поставленный опыт может дать ценнейшую информацию способную дополнить и даже изменить существующие взгляды на проблему.
Сложность решаемых задач заставляет исследователей обращаться не к самим явлениям, а к их упрощенным схемам – моделям. При этом различают физические и математические модели.
- Физические модели воспроизводят явление природы в миниатюре. Такие модели, повторяя все основные черты действительного явления, позволяют в лаборатории исследовать и полет летательного аппарата, и работу элементов крыла необычной формы, и определить различные характеристики аппарата с нетрадиционными способами создания подъемной силы. Эксперименты с физическими моделями позволяют исследовать сложные процессы относительно простыми средствами с учетом всех основных особенностей явления.
- Математическое моделирование с применением ЭВМ имеет неоспоримые преимущества: оно позволяет воспроизводить явление в самых различных вариантах с учетом множества вводных. Являясь основой теоретических методов исследования, математические модели во многом определяют их точность. Потребность увеличить точность теории приводит к усложнению математической модели, усложняет её решение и не всегда оправдывает затраты на её формирование.
При увеличении точности математической модели, физическая модель, с соблюдением критериев подобия, все же достовернее и нагляднее отражает суть изучаемого явления. При отсутствии теории, эксперимент – единственное средство изучения явления. Без проведения экспериментов, без изучения физической модели, невозможно построить правильную теорию и в этом решающую положительную роль играет физическое моделирование. Это является объяснением тому, что наряду с теоретической аэродинамикой существует экспериментальная аэродинамика, которая основывается на проведении экспериментов (продувок изучаемых объектов) в аэродинамических трубах. Такие опыты позволяют подробно изучить силы, моменты, действующие на летательный аппарат в установившемся полете. Однако такие опыты не дают ответа на вопросы динамики полета, например, при выполнении исследуемым аппаратом маневров. И хотя на сегодняшний день можно исследовать динамику полета посредством ее моделирования на ЭВМ, наиболее точные сведения получаются на динамически подобных летающих моделях исследуемых аппаратов.
Управление динамически подобной моделью
- В ручном режиме полета модели оператор пункта управления ведет двухсторонний радиотелеметрический обмен информацией с бортовым комплексом управления и контроля полетом летающей модели в реальном масштабе времени. Бортовой комплекс управления моделью получает команды на отклонение исполнительных органов управления, изменение режимов полета модели, её пространственно – временное положение, а также обеспечивает контроль этих параметров. Одновременно оператор пункта управления полетом модели получает текущую информацию в реальном масштабе времени о состоянии испытываемых агрегатов, узлов и систем модели.
- В автоматическом режиме управления полетом модели, бортовой микрокомпьютер обеспечивает выполнение заданных на земле программ с корректировкой их выполнения в зависимости от пространственно – временного положения модели, окружающих метеоусловий, этапов и результатов выполнения программы испытаний. В этом режиме управления может быть предусмотрена экстренная передача на пункт управления информации о результатах испытаний в связи с попаданием модели в неожиданно возникшие критические режимы полета. В таких случаях приближение и возникновение аварийных ситуаций, которые происходят внезапно, подконтрольны только бортовым автоматическим средствам управления. Человек в данной скоротечной ситуации – практически бессилен.
Синергетическое управление малоразмерным летательным аппаратом
Алгоритмы управления экспериментальной летающей моделью (малоразмерным летательным аппаратом) могут формироваться на основе универсальных базовых законов управления её пространственным движением с учетом особенностей компоновочной схемы данного летательного аппарата.
При таком подходе к построению системы управления моделью, в регуляторе формируется вектор управляющих воздействий с учетом всех переменных состояния системы, т.е. разбиение на отдельные контуры и построение изолированных следящих систем для каждого канала управления не производится. Последнее позволяет учесть динамические свойства математической модели полноразмерного летательного аппарата и использовать их при аналитическом конструировании законов управления, что обеспечит наибольшую адекватность системы управления физическому объекту.
Синергетические законы управления с автоматическим изменением режимов работы исполнительных органов, в том числе с изменением угловых отклонений аэродинамических поверхностей управления, обеспечивают в присутствии внешних возмущающих факторов координирующее управление с учетом естественных свойств летательного аппарата как нелинейного объекта механической природы. При этом достигаются поставленные цели управления – ведение аппарата в автоматическом режиме по заданному маршруту (траектории полета) с контролем его положения по данным навигационной системы. Управление пространственным движением аппарата, при этом, обеспечивает автоматический вывод аппарата из предкритических режимов полета и предотвращает его попадание в критические режимы.
Данная стратегия управления имеет принципиальные отличия от традиционных систем автоматического управления полетом:
- Разбиение на отдельные изолированные контуры управления для каждого канала не производится, управляющие воздействия вычисляются совместно, на основе универсальных синергетических алгоритмов управления пространственным движением, с учетом информации обо всех переменных состояния системы. Таким образом, при вычислении вектора взаимосвязанных управляющих воздействий учитываются перекрестные связи между каналами управления, взаимное влияние которых на некоторых этапах полета испытываемого аппарата может иметь большое значение.
- Используемые универсальные синергетические алгоритмы пространственного движения получены в аналитическом виде без линеаризации математической модели, что позволяет наиболее адекватно описать процессы пространственного движения, а также не «привязывать» алгоритмы управления автопилота к конкретному объекту и его параметрам. Аэродинамические параметры и компоновочная схема данного ЛА задаются в виде специальных алгебраических уравнений связи, с помощью которых вычисляются непосредственно уставки для исполнительных органов и систем аппарата.
Экспериментальные летающие модели, оснащенные подобной аппаратурой, могут иметь наименьшие ограничения при всех циклах испытаний, но они не могут полностью заменить натурные летные испытания проектируемых летательных аппаратов. Такие летающие модели могут обеспечить решение многих вопросов еще на начальной стадии проектирования полноразмерного летательного аппарата.
Рис. 2. Схема управления экспериментальным малоразмерным летательным аппаратом на основе синергетической теории управления
Экспериментальный летательный аппарат для изучения спектра обтекания крыла
В качестве примера экспериментального летательного аппарата, посильного для выполнения старшими школьниками в рамках обновленных программ технического творчества, рассмотрим экспериментальный летательный аппарат, предназначенный для изучения вопросов обтекания крыла с увеличенным наплывом.
Экспериментальный малоразмерный летательный аппарат выполнен по схеме среднеплана с трехопорным неубираемым в полете шасси с носовой стойкой. Аэродинамическая схема аппарата – «бесхвостка», оснащенная составным треугольным крылом с увеличенным наплывом
Наземный пункт управления таким летательным аппаратом может быть оформлен в виде «Ноутбука», на экране которого должны обязательно отражаться кадры снимающие аппарат во время полета со стрелкой секундомера и углами отклонения управляющих поверхностей, а также с показаниями датчиков, регистрирующих обороты двигателя.
Рис. 3
Рис. 4
Рис. 5
Рис. 6
Конструкция аппарата (рис. 4) представляет собой следующее техническое решение. Цилиндрический фюзеляж 1 аппарата, с целью сокращения затрат на его производство, выполнен методом обтяжки круглого в сечении пуансона увлажненной листовой бальзой, что придает сечениям отформованной, таким образом, трубы, форму окружности. Ребро атаки 2 воздухозаборника и ребро схода 3 (сопло) в хвостовой части фюзеляжа 1 окантованы профилированными кольцевыми шпангоутами равными диаметру фюзеляжа. Они выгнуты из деревянных реек твердых пород древесины (например, бук, граб). Выполненная, таким образом, труба – фюзеляж 1, сверху обклеивается микалентной бумагой на эмалите, несколько раз покрывается жидким эмалитом с последующей просушкой на круглом пуансоне, для сохранения формы. В соответствии с чертежом, снаружи носовой части фюзеляжа, посредством специальных накладок 4, устанавливается носовая стойка шасси 5. Внутри носовой части фюзеляжа 1, размещен и закреплен импеллер 6 в металлическом или пластмассовом корпусе, с неподвижно закрепленными лопатками спрямляющего аппарата 7. Перед импеллером, после его установки, вставлен носовой обтекатель 8 на 8-ми пилонах 9 (2 ряда по 4 пилона) в котором, в изолированном кожухе размещены аккумуляторы 10 питания силовой установки. Носовой обтекатель 8 позволяет организовать упорядоченный воздушный поток перед импеллером.6.
Для уменьшения аэродинамического сопротивления всего воздушного тракта 11 силовой установки, за мотогондолой электродвигателя 12, установлен удлиненный стекатель 13, на восьми пилонах 14. Стекатель 13 выполнен из полимерной пленки, внутри усилен кольцевыми шпангоутами 15 и конической насадкой 16 на конце. Внутри цилиндрической части стекателя 13, установлены сервоприводы 17 и качалки с тягами 18 системы управления по, курсу, крену и тангажу аппарата. Размещенные внутри цилиндрической части стекателя 13 элементы управления 18, изолированы от скоростного воздушного потока и не создают дополнительного аэродинамического сопротивления в воздушном тракте 11. Там же, в удлиненном стекателе 13, установлен приемник 19 аппаратуры радиоуправления.
Подъемная сила аппарата создается составным треугольным в плане крылом 20 (рис. 6), состоящим из 2х консолей. Каждая из консолей содержит центроплан 21, являющийся удлиненным наплывом крыла 20, с прикрепленным к нему крылышком 22. Основой составного крыла летательного аппарата является каркас 23, в котором бальзовые, липовые и сосновые детали, образуют нервюры, лонжероны и вспомогательные балки. Пространство 24 носовой части удлиненного наплыва 21 может быть заполнено пенопластом или покрыто, после профилирования, бальзовым шпоном. Каркас всего крыла 23 собран на эпоксидном клее. Все крыло 20 после отверждения клея, спрофилировано в соответствии с заданным аэродинамическим профилем. В нервюрах хвостовой части крыла, выполнены отверстия 25 и в них уложены специальные трубки 26 для тросов канала управления элеронами 27.
В качестве исполнительных органов управления аппаратом по тангажу, применены, отклоняемые «вверх» – «вниз» основные аэродинамические рули 28, размещенные на крыле 20 (ОРВ). Они установлены шарнирно в хвостовой части крыла 20, имеют возможность отклонять воздушный поток, омывающий крыло сверху и снизу, и изменять картину обтекания крыла 20. Это приводит к возникновению управляющих сил и моментов по тангажу.
Внутри воздушного тракта 11 фюзеляжа 1 установлены дополнительные рулевые поверхности 29 (ДРВ) отклоняемые, также, сервоприводами. При своем отклонении, рулевые поверхности 29 отклоняют скоростной поток воздуха внутри фюзеляжа 1, позволяя получить отклоняемый вектор тяги силовой установки. Основные рули ОРВ 28 и дополнительные рулевые поверхности ДРВ 29, могут работать независимо друг от друга.
Вертикальное оперение 30 (ВО) (рис. 4), состоит из двух вертикально расположенных поверхностей. Их хвостовые части представляют собой рули направления 31 (РН) и поворачиваются «вправо» – «влево» в параллельном режиме посредством сервопривода РН.
Основные стойки шасси 32 (рис. 5) аппарата установлены и закреплены в конструкции центроплана крыла 21.
После монтажа в крыле 20 основных стоек шасси 32, элементов тросовой проводки управления в трубках 26, датчиков, электрические соединения выводятся наружу и фиксируются.
Каждая из консолей крыла, с двух сторон обклеивается микалентной бумагой и несколько раз покрывается жидким эмалитом. Для обшивки аппарата не исключено применение современных термоусадочных пленок.
Подготовленные к сборке агрегаты: консоли крыла 20, фюзеляж 1, с размещенным внутри удлиненным стекателем 13, стыкуются между собой при помощи стержня или тонкой алюминиевой трубки. Бортовые нервюры 33 консолей крыла вместе с наплывами, посредством клея, фиксируются под нужным установочным углом на поверхности фюзеляжа 1. Собранный воедино фюзеляж 1, с консолями крыла 20, окончательно проклеивается по местам стыков полосой микалентной бумаги на эмалите. Проводятся соединения электрических проводов системы питания агрегатов, управления, съема и передачи видеоинформации, телеметрии и т.д.
В соответствии с чертежом аппарата, на консолях крыла 20 посредством алюминиевой спицы, производится установка двухкилевого вертикального оперения 30, и нижних фальшкилей 34. Установка вертикальных аэродинамических поверхностей 30, тщательно нивелируется с устранением всех перекосов. Сверху фюзеляжа 1, в его носовой части, по чертежам аппарата, устанавливается макет фонаря кабины экипажа 35 и антенна 36. На стойки опор, переднюю 5 и основные 32, надеваются резиновые колеса 37 с металлическими ступицами, и фиксируются гайками с шайбами, обеспечивая возможностью свободного вращения колес 37.
Основными целями экспериментов, проводимых на данном летательном аппарате, является изучение формирования воздушных вихрей, генерируемых удлиненными наплывами крыла. Этот процесс фиксируется видеосъемкой в виде спектра обтекания скоростным потоком воздуха места стыка крылышка 22 с удлиненным наплывом 21. Обеспечивают видеосъемку миниатюрные видеокамеры 38, установленные на передней кромке крылышек 22, в специальных обтекателях 39. Приемник видеосигнала 40 и аппаратура передачи сигнала 41 располагаются во внутреннем отсеке крыла 20.
Выводы
1. Спроектированный малоразмерный экспериментальный летательный аппарат с импеллером для изучения спектров обтекания крыла с увеличенным наплывом, при соблюдении критериев подобия, является средством изучения натурных аэродинамических процессов обтекания составных крыльев, применяемых на современных реактивных самолетах. Аппарат наглядно может демонстрировать в полете и на земле спектр обтекания составного крыла на его различных углах атаки в радиоуправляемом полете с использованием методов шлирен – визуализации воздушных потоков. Шлирен-метод получил особенно широкое распространение для визуализации воздушных потоков образующихся при обтекании аэродинамических моделей.
2. Для изучения, оценки и необходимой корректировки свойств испытываемого летательного аппарата, может быть рекомендован миниатюрный комплекс контроля и записи следующих параметров его полета
- Скорости полета Vx; Vy; Vz;
- Угловых скоростей Wx; Wy; Wz;
- Угловых отклонений ?; ?; ?;
- Линейных положений аппарата в пространстве X; Z;
- Тяги силовой установки и её изменение T; ?T;
- Оборотов двигателей n1; n2 и их разницы ? n;
- Углов отклонения рулевых поверхностей dрп;
- Времени проведения процессов t и т.д.
Эти параметры могут передаваться на командный пункт управления полетом модели в реальном масштабе времени или записываться на специальные накопители информации.
Рис. 7. Экспериментальный летательный аппарат «Голубая стрела»
Для авиамоделиста – школьника, запись и расшифровка указанных параметров будет представлять определенный интерес, так как он участвует не только в строительстве экспериментальной летающей модели, но и может оценить результаты её испытаний с возможностью внесения последующих изменений в конструкцию модели для улучшения её летно-технических характеристик.