- зміст
- Вступ
- I. Літаки особливих схем
- IB Літаки схеми «качка»
- IC Літаки схеми «тандем»
- II. Застосування «особливих» схем
- II.B. Застосування схеми «качка»
- II.C. Застосування схеми «тандем»
- Висновок
- Список літератури:
Студентка: Красильникова Юлія Анатоліївна
4 липня 2001 року (16 років)
ПАТ ім. А. Д. Швецова
Керівник: Смагіна Галина Олегівна
Місце роботи: Пат ім. А.Д. Швецова
зміст
Вступ
I. Літаки особливих схем
I.А. Літаки схеми «бесхвостка»
IB Літаки схеми «Качка»
IC Літаки схеми «Тандем»
II. Застосування «особливих» схем
II.A. Застосування схеми «бесхвостка»
II.B. Застосування схеми «качка»
II.C. Застосування схеми «тандем»
висновок
Список літератури
Вступ
У сучасному світі існує безліч різних літальних апаратів. Багато з них звичні нам, а деякі змушують нас здивуватися і навіть засумніватися в їх існуванні. Все літальні апарати мають свої схеми, і створенням цих схем займаються конструктора.
Вибравши дану тему, я спробую проаналізувати і зрозуміти причини створення незвичайних літальних апаратів. Для досягнення цієї мети мені необхідно вивчити і проаналізувати розвиток схем літальних апаратів, таких як «бесхвостка», «качка», «тандем» і «літаки з трикутним крилом».
Мета роботи: Провести дослідження схем самих незвичайних літальних апаратів, розглянути і вивчити конструкції і історію літальних апаратів.
I. Літаки особливих схем
I.А. Літаки схеми «Бессхвостка»
Людина зазвичай шукав прообрази своїх творінь в навколишньому світі. Не дивно, що багато літаків, запропоновані в проектах піонерів авіації, мали форму птахів, кажанів і т. П.. Як відомо, ряд птахів, а також більшість інших тварин, здатних літати, не мають хвостового оперення. Тому в проектах перших літаків поряд з іншими розглядалася і схема «бесхвостка». Таким чином, ідея безхвостого літака виникла в процесі спостереження людиною природи, зародилася одночасно з ідеєю літака взагалі. Часто в якості зразка для перших «бесхвосток» служив повітряний змій, давно відомий в Європі.
Малюнок 1: Ш. де Лувр, проект «Аеронав»
Перша згадка про безхвостих літаку відноситься до 1865 У цьому році французький дослідник Ш. де Лувр розробив проект літака під назвою «Аеронав» (рис.1). Літак повинен був мати одну горизонтальну поверхню у вигляді прямокутної равносторонней площині і був, фактично, збільшеним варіантом повітряного змія. Передбачалося застосування гвинтокорилої силової установки, що працює на стисненому повітрі, або реактивного двигуна. Поздовжнє керування літаком мало здійснюватися переміщенням вантажів в гондолі, підвішеною знизу до крила, або зміною нахилу крила.
У 1870 р англійський винахідник Р. Харт отримав патент на «удосконалений апарат для повітряних сполучень». Це був проект безхвостого моноплана з високорасположенним крилом у вигляді прямокутної пластини. Літак передбачалося забезпечити штовхає гвинтом, що приводиться в обертання паровим або будь-яким іншим двигуном. Поздовжня балансування мав би будуватись переміщенням центру мас літака. У проекті Харта пропонувалися також органи управління у вигляді елевонов, які могли відхилятися окремо для протидії реактивному моменту гвинта і одночасно - для поздовжнього керування. Кермо напряму не був передбачений.
В кінці XIX ст. в Росії було створено два проекти безхвостих літаків. Автором першого проекту був Ф. Р. Гешвенд, другого - В. А. Татаринов. В обох проектах основна увага приділялася конструкції двигунів, питання стійкості і керованості практично не розглядалися.
Вельми успішні досліди з моделями безхвостих літаків були проведені в кінці XIХ ст. в Австралії. Конструктор цих моделей, Л. Харгрейв, відомий як винахідник коробчатого повітряного змія, випробував більше десяти «бесхвосток», дальність польоту деяких з них перевищувала 100 м. В якості джерела енергії використовувалися розтягнута гума, стиснене повітря, пар; рушієм служив гвинт або махають крилами - нерухоме крило мало помітне V і гнучку задню кромку.
IB Літаки схеми «качка»
Як відомо, ідея літака виникла на основі спостереження за польотом птахів. Копіюючи їх форму, піонери авіації створювали проекти літаків, в яких горизонтальне оперення мало розташовуватися позаду крила, З цієї так званої класичною схемою створювали літаючі моделі Д. Кейп, А. Пено, будував літак А. Ф. Можайський.
Назва «качка», що характеризує схему літака з розташованим спереду горизонтальним оперенням, відбулося. Мабуть, через зовнішньої схожості таких апаратів з качкою - птахом, широкий дзьоб якої нагадує стабілізуючу площину літального апарату.
Перші літальні апарати не мали ніякого приладового обладнання. Розташування стабілізуючих і керуючих поверхонь перед крилом допомагало льотчику орієнтуватися в просторі, стежити за дією керма при маневруванні. Це зіграло істотну роль при виборі схеми літаків братами Райт і А. Сантос-Дюмоном (рис.2).
Малюнок 2: Літак Л-Сантос-Дюмона «14 bis»
Як відомо, балансувальна сила, що виникає на переднерасположенном горизонтальному оперенні на режимах зльоту, набору висоти і горизонтального польоту спрямована вгору і збільшує загальну підйомну силу системи крилонопереніе. Не виключено, що ця обставина також бралося до уваги піонерами авіації.
В кінці XIX ст. широке поширення одержав принцип) балансирного керування літальним апаратом, вперше здійснений в планерних дослідах О. Лилиенталя. Прихильники, цього принципу вважали, що стійкість і керованість планера або літака може бути забезпечена тільки за допомогою, безперервної зміни положення тіла льотчика щодо крила. Компенсацією недостатньою стійкості літального апарату. на якому не передбачалося встановлювати стабілізуючі поверхні, мало служити майстерність пілота.
В кінці першого десятиліття ХХ ст. набуває поширення схема літака, в якій горизонтальне і вертикальне оперення розташовувалися на балках за критому, а перед крилом встановлювався кермо висоти (літаки «Фарман», «Вуазен» і ін.). Це дозволяло домогтися задовільною поздовжньої і шляхової стійкості. І при цьому зберегти переваги переднерасположенного керма висоти. Позитивні сторони такої конструкції оцінили брати Райт, які в 1910 р додали до свого літака горизонтальне оперення за крилом.
Незважаючи на загальну тенденцію до відмови від застосування схеми «качка» в авіації, до початку першої світової війни мали місце окремі роботи по літаках цього типу.
IC Літаки схеми «тандем»
Однією із спонукальних причин створення літаків з тандемними крилами є уявлення про те, що таким чином можна отримати велику площу поверхні, що несе, ніж в разі використання одного крила і невеликого горизонтального оперення на літаку тієї ж геометричній розмірності (в межах тих же розмаху крила і довжини фюзеляжу ).
Одним з перших практичних висновків, який зробили творці перших літальних апаратів, стало розуміння принципової важливості такого параметра, як питоме навантаження на крило число кілограмів маси літака, що припадають на квадратний метр площі крила. Середні персональні літаки сьогоднішнього дня типу «Цессна-152» (рис. 3) мають навантаження на крило близько 50-60 кг / м2. На зорі авіації величина цього параметра зазвичай становила 6-7 кг / м2; незважаючи на це, піонери авіації боролися за економію кожної унції маси своїх літальних апаратів. Малопотужні силові установки тих років робили кожен зайвий кілограм маси конструкції літаків серйозною перешкодою на шляху до бажаної мети.
Малюнок 3: «Цессна-152»
Одним із шляхів зниження навантаження на крило є збільшення його площі. У минулому, коли літаки були відносно легкими, можна було досягти більшого темпу збільшення площі крила в порівнянні з масою його конструкції, тому перетворення звичайного горизонтального оперення в крупну несе поверхню, аналогічну крила, було дуже природним справою. Крім того, при використанні крил схеми «тандем» набагато простіше отримати задану площу крила при невеликому розмаху без необхідності долати конструктивні складності і знижувати опір інтерференції, характерне для біплан схем.
НЕДОЛІКИ
У наведених вище міркуваннях зазвичай не враховується той факт, що створення літаків з крилами схеми «тандем», крім описаних вигод, супроводжується збільшенням маси планера; поряд зі збільшенням підйомної сили зростають аеродинамічний опір і моменти інерції, що в результаті веде до необхідності використання більш потужної силової установки.
У перших літаках тандемной схеми, крила яких були побудовані з використанням недосконалих профілів, що характеризуються значною зміною положення центру тиску при зміні кута атаки (через зміни швидкості), зазвичай виникали серйозні проблеми з поздовжньою балансуванням літального апарату. Зазвичай у міру збільшення швидкості і зменшення кута атаки центр тиску більшості профілів зсувається назад. Так як обидва крила мають приблизно однакову несучу здатність, центр мас літака повинен знаходитися приблизно посередині між ними (а не поблизу центру тиску, як це зазвичай робиться на літаках традиційних схем). У міру того, як центр тиску на обох крилах зсувається назад, створюваний переднім крилом момент (на плечі, рівному відстані від центру тиску до центру мас) зменшується, а створюваний заднім крилом момент збільшується. Таке несприятливе зміна моментів зазвичай перевищує можливості балансувальних поверхонь (рулів висоти або тримерів), і літак починає пікірувати. Літаки з вузьким діапазоном польотних швидкостей (типу планерів і ультралегких літальних апаратів) або сучасні літаки, на яких використовуються профілі з нульовим зсувом центру тиску, як правило, не стикаються з цією проблемою, але в той же час і не демонструють істотних переваг, які могли б переважити властиві даній схемі недоліки.
Ще однією характерною для таких схем проблемою є більш високий у порівнянні з традиційними схемами момент інерції в каналі тангажу (при русі щодо поперечної осі літака). На літаках традиційних схем ця вісь знаходиться досить близько до центральної лінії крила, і момент інерції в каналі тангажу обмежується масою фюзеляжу.
На літаках з тандемними крилами вісь руху тангажу знаходиться приблизно посередині між крилами. На додаток до необхідності підняти фюзеляж, наприклад, вгору в русі тангажа, необхідно перемістити вгору масу переднього крила і вниз-масу заднього крила. Таким чином, виникає необхідність переміщення значної додаткової маси; крім того, потрібно і велика за величиною керуюча сила. Виникає і ще один недолік з точки зору аеродинаміки - значно збільшується балансувальне опір.
На деяких літаках з крилами схеми «тандем» використовуються керма висоти, розміщені безпосередньо на крилах (на інших літаках цієї схеми органи управління по тангажу розміщені на традиційному горизонтальному оперенні). У деяких випадках кермо напряму знаходяться в межах розмаху крил (зазвичай заднього); в інших же випадках кермо напряму встановлюються в хвостовій частині літака.
В цілому можна сказати, що літаки з крилами схеми «тандем» виявилися найменш вдалими з усіх нетрадиційних схем літальних апаратів, але технічні можливості сьогоднішнього дня дають цій схемі ще один шанс довести свою життєздатність і доцільність.
II. Застосування «особливих» схем
II.A. Застосування схеми «бесхвостка»
На початку ХХ ст. у багатьох країнах з'являються аеродинамічні лабораторії. На зміну експериментів з літаючими моделями прийшли дослідження в аеродинамічних трубах.
Існував ряд причин, які гальмували розвиток літаків схеми «бесхвостка». Основний з них було те, що багато конструктори, які розробили перші проекти безхвостих літаків, не ставили перед собою завдання створення літака саме цієї схеми, а прагнули лише побудувати літак, що володіє задовільними льотними характеристиками. Не бачачи переваг схеми «бесхвостка» перед іншими, вони не займалися подальшої доведенням запропонованої ними схеми і при перших же труднощах, пов'язаних з її специфікою, додавали до своїх початкових конструкцій хвостове оперення.
У США фірмою «Нортроі» в 1943 р був побудований експериментальний винищувач ХР-56. Цей безхвостий літак мав ряд цікавих конструктивних особливостей. Поліпшенню спритною стійкості літака повинен був сприяти додатковий підфюзеляжний кіль. Для збільшення ефективності органів шляхового керування літаком були застосовані матеріали, що розщеплюються елерони. Всього було побудовано два екземпляра літака ХР-56. Дані про льотних характеристиках і випробування цього літака не публікувалися.
Перший бомбардувальник схеми «бесхвостка» був побудований в СРСР в 1936 р в КБ, керованому К. А. Калініним, і отримав позначення К-12 (ВС-2) (рис. 4). Згідно з даними цей літак повинен був мати два мотора М-25 по 700 л. с. (518 кВт) і шасі, що забирається. Дві кулеметні турелі, розташовані в носовій і хвостовій частинах фюзеляжу, повинні були забезпечувати хороший захист літака в бою. Низкорасположенное трапециевидное крило мало підвісні кермові закрилки зворотного профілю, розташовані 110 всьому розмаху задньої кромки крила. Внутрішня пара закрилків працювала як кермо висоти, зовнішня - виконувала функції елеронів. Шляхова стійкість і керованість забезпечувалися вертикальними шайбами на кінцях крила. Для підвищення ефективності шайб їм було надано крильевой профіль.
Малюнок 4: К-12 (ВС-2)
Для перевірки теоретичних розрахунків був побудований безхвостий планер в половинному розмірі від натурального літака. Льотчик В. О. Борисов виконав на ньому близько ста випробувальних польотів. За спогадами А. Н. Грацианского, багато років працював разом з К. А, Калініним, планер мав високу стійкість. Про це переконливо свідчить незвичайний випадок, що стався в одному з польотів: «... При випробуваннях на висоті 3000 м через руйнування качалки керма висоти планер зробив різкий клевок. Льотчик обірвав кріплення ременями, ударом голови вибив ліхтар і вилетів з планера, після чого розкрив парашут і благополучно спустився. Планер, звільнившись від випробувача, вирівнявся, перейшов в пологе планування зі спіралі і зробив нормальну посадку неподалік від місця приземлення льотчика. Які приїхали до планеру механіки знайшли льотчика в кабіні за з'ясуванням причини такого незвичайного поведінки планера. Після заміни гойдалки подальші льотні випробування тривали. Згодом було встановлено, що використання матеріалів, що розщеплюються елеронів як керма напряму небажано, так як на великих кутах атаки ці органи управління викликають несприятливі моменти крену.
Розвиток літаків схеми «бесхвостка», протягом якого було побудовано понад 100 типів таких літальних апаратів, являє собою складний і неоднорідний процес. Зміна цільової спрямованості роботи по безхвостим літакам призводило до значних змін в їх конструкції. Це викликало, в свою чергу, стрибкоподібне зміна параметрів і характеристик «бесхвосток».
Історичний аналіз зародження і розвитку літальних апаратів схеми «бесхвостка» показує, що цей процес носив інтернаціональний характер. Вагомий внесок у прогрес даного типу літаків зроблений вітчизняними конструкторами і вченими. Істотну роль в розвитку безхвостих літаків зіграла також діяльність авіаційних фахівців Англії, Франції, Німеччини та США. Розвиток літаків схеми «бесхвостка» справило значний вплив на прогрес всієї авіації. Зокрема, такі конструктивні особливості, як стреловидное крило, самобалансірующіхся & подібний профіль і т.д.
II.B. Застосування схеми «качка»
У 1908 р в Німеччині В. Фокке отримав патент на літак моноплан схеми «качка» з штовхає гвинтом 1, а рік по тому за допомогою інженера Альберти втілив свій задум в життя.
Незадовго до початку першої світової війни літак схеми «качка» був створений в Росії. Його конструктор - Л. В- Шиуков. У 1908- 1910 році він побудував і випробував кілька планерів різних схем- найкращі результати були досягнуті при польотах на планері схеми «качка».
Перші піднялися в повітря гідролітаки також були виконані за схемою «качка».
Літак французького конструктора А. Фабра «Гідроавіон» представляв собою Незвичайна даже для дере років літакобудування конструкцію. Крило моноплан типу і розташоване перед ним бііланное горізонтальпое оперення з'єднувалися плоскою фермою, утвореної двома дерев'яними брусками. Горизонтальне оперення складалося з накладених одна на одну керма висоти і стабілізатора. Всі горизонтальні поверхні були зроблені гнучкими і кріпилися передніми крайками до ферменную лонжеронам. За аналогією з вітрилом корабля обшивка крила при стоянці могла бути підтягнута до лонжерону (Фабр народився і виріс в родині судновласників). У центрі крила було вертикальне оперення, за ним - двигун з штовхає пропелером. Поплавці (один спереду під горизонтальним оперенням, два інших-під крилом) представляли собою вносять зміни тіла, плоскі знизу і опуклі зверху, встановлені під кутом до горизонту. Як і крило, ці тіла при русі створювали спрямовану вгору силу, що виштовхує літак з води. У роки першої світової війни почалося масове виробництво літаків, сформувалася найбільш раціональна для цього періоду аеродинамічна схема - біплан з тягне пропелером і хвостовим оперенням позаду крила. До 1918 р переважна більшість літаків, що випускаються мало саме цю схему.
До кінця 20-х років авіаційна техніка досягла досить високого досконалості. У зв'язку з цим виникла ідея створення легкомоторного літака особистого користування, який був би також простий в управлінні, як автомобіль, порівняно дешевий і міг би знайти масовий ринок збуту.
Основною вимогою до «літаючого автомобіля» була безпеку експлуатації. З цієї причини в кінці 20-х і в 30-і роки знову відродився інтерес до літаків схеми «качка». Досвід показував, що розташування горизонтального оперення перед крилом сприяє зменшенню небезпеки попадання літака в сривной режим при великому куті атаки. Дійсно, при перетягуванні льотчиком ручки управління зрив спочатку наступав на крилі, як на літаках класичної схеми, а на горизонтальному оперенні, що має з умови поздовжньої балансування літального апарату схеми «качка» більший, ніж у крила, кут атаки. У зв'язку з цим виникало пікіруючий момент, автоматично виводить літак з небезпечного становища.
Єдиний літак «качка» 40-х років суто цивільного призначення був побудований в СРСР незабаром після закінчення Великої Вітчизняної війни. У пояснювальній записці до цього літака писалося: «Літак типу« качка »запроектований і побудований нами як експериментальний з метою перевірки стійкості і керованості машин даної схеми в повітрі і перевірки роботи крила з великою стреловидностью. На літаку встановлено штовхає гвинт, що дає можливість перевірити керованість літака на малих швидкостях, при відсутності обдування гвинтом. Це становить інтерес для літаків з чисто реактивними двигунами »f421.
Літак отримав позначення МіГ-8 «Качка» (рис.5). Це був тримісний моноплан цельнодеревянной конструкції з полотняною обшивкою, закритою кабіною і верхньорозташованим підкісний стрілоподібним крилом (рис. 2). В якості силової установки використовувався мотор M-ll.
Малюнок 5: МіГ-8 «Качка»
МіГ-8 з'явився першим радянським літаком із стрілоподібним крилом і одним з перших вітчизняних літальних апаратів, що мають триколісне шасі з носовим колесом. Для усунення небезпеки втрати динамічної стійкості переднього колеса при русі по землі - так званого
«Шиммі» - носова стійка була забезпечена масляним демпфером коливань. Як відомо, ці конструктивні рішення широко застосовувалися потім у реактивної авіації, в тому числі н на літаках з маркою «МіГ». Випробуванням літака МіГ -8 передували продувки його моделі в аеродинамічній трубі. Дослідження показали, що літак має задовільною шляховий, але зайвої поперечної стійкістю. У зв'язку з тим, що це могло викликати бічну нестійкість літака типу «голландський крок», крилу додали зворотне поперечне V в 1 0, а кильові шайби розгорнули на 100 верхніми кінцями всередину.
Перший політ літака МіГ-8 відбувся в Наприкінці 1945 р Його виконав один з найстаріших радянських льотчиків-випробувачів А. І. Жуков.
Першим і поки єдиним реактивним літаком схеми «качка», яке виробляється серійно, став шведський надзвуковий винищувач SAAB ЛЈ-З7 «Вігго» (рис.6).
Малюнок 6: шведський надзвуковий винищувач SAAB ЛЈ-З7 «Вігго»
Сучасні гвинтомоторні літаки схеми «качка». Завершить розгляд розвитку гвинтомоторних літаків схем «качка», відзначимо, що окремі роботи по створенню таких ле тательних апаратів мають місце і в наші дні, Наприклад в 70-і роки американський конструктор Б. лаяти побудував ря легкомоторних літаків з переднерасположенним горизон тальний оперенням. Деякі з них-двомісні «Вар винен», «Вари Езе» і «Лонс Езе» - стали дуже популярні і будуються конструкторами-любителями різних країн.
Зазначимо ще на одну, незвичайну область застосування гвинтомоторних літаків схеми «качка» в сьогоднішній авіації, В зв'язку зі значним загостренням енергетичних і екологічних проблем були зроблені спроби створення таких літаків, які в польоті взагалі не витрачали пального йди використовували невиснажливого види енергії-Прогрес в області розробки нових матеріалів забезпечив появу ультралегких конструкцій літальних апаратів і дозволив реалізувати давню ідею в історії авіації - ідею мускулолета.
Треба: однак, відзначити, що всі літаки Б-Рутана мають велику для свого класу машин навантаження на крило і значну посадкову швидкість ..
Менш ніж за два роки (12 липня 1979 г.) пілот Б Аллен, який виконав політ в 1977 р, на мускулолета перетнув протоку Ла-Манш. Літальний апарат «Альбатрос», також схеми «качка», представляв собою незначно модифікований варіант «Кондора». Його маса була трохи більше, так як в якості «палива» для «мотора» на борт було взято 2 л питної води. Крім цього, пілот мав мініатюрний радіопередавач. Весь політ зайняв 2 ч 49 хв, була пройдена дистанція 37 км на висоті від 0,5 до 2 м.
Польоти на мускулолета вимагали великих витрат енергії і були доступні лише дуже тренованим людям. Тому Мак-Креді забезпечив свій новий надлегкий літак схеми «качка» сонячними батареями. Сонячна енергія, перетворена в обертальний рух пропелера, забезпечувала політ апарату. У серпневих подіях 1980 року року на цьому літаку пілот Д. Браун виконав політ по прямій дальністю близько З км.
II.C. Застосування схеми «тандем»
Інтерес до літака з крилами схеми «тандем» практично повністю згас після створення літаків Делані та фірми «Уестленд». Але все ж в 1977 р ідея була відроджена і вельми успішно реалізована в новому літаку, що отримав назву «Квики» (рис.7), - легкому аматорському літальному апараті, спроектованому Томом джуту, Джином Шихен і Бертом Рутаном. В якості силової установки літака використовувався двоциліндровий двигун «Онан» потужністю 18 л. с. (13,2 кВт). Секрет досягнутих на лом літаку високих характеристик полягає в використанні нових конструкційних матеріалів - сгеклоткані і пінопласту, що дозволяють забезпечити високу якість поверхні літального апарату і використовувати дуже точні ламінарізованние аеродинамічні профілі.
Малюнок 7: «Квики»
Визначити схему цього літака досить складно. Крила мають практично однакові розмах і площа, тому «Квики» можна вважати тандемом. У той же час проектувальники вважають, що літак побудований за схемою «качка», так як кермо висоти знаходяться на передньому крилі, а елерони-на задньому. Цей же літак можна вважати безхвостим біпланом з дуже великим негативним зміщенням крил по горизонталі. Незвичайною компонувальною особливістю літака є розміщення коліс основного шасі в закінцівках нижнього (переднього) крила. З тих пір, коли «Квики» з'явився на ринку аматорських літаків в 1980 р, сумарне виробництво цих апаратів перевищило загальну чисельність, літаків схеми «тандем», побудованих з часів Ленглі. Успіх цієї машини привів до розробки кілька більшого варіанту з двомісним кабіною 0-2, а також двомісного літака «Дрегонфлай».
Висновок
У своїй роботі я розглянула літальні апарати особливих схем і з'ясувала, що з моменту створення перших літальних апаратів до теперішнього часу створені сотні і тисячі прототипів незвичайних літальних апаратів, але всі ці літальні апарати на відміну від класичних конструкцій мають низьку ефективність, погану керованість, дуже високу ціну і багато інших недоліків.
Список літератури:
- Д. А. Соболєв «Літаки особливих схем» М.: Машинобудування, 1989 г.
- П. Бауерс «Літальні апарати нетрадиційних схем» М.: Мир, 1991 р.
- Д.А. Соболєв «Експериментальні літаки Росії», М .: Російське авіаційне суспільство, 1941 р
- Д.А.Соболев «Столітня історія" літаючого крила "», видавництво: Русава, 1998 г.