Летающие модели самолётов

DjVu

      ПРЕДИСЛОВИЕ
      Постройка летающих моделей — интересная творческая работа, первый шаг к освоению сложной авиационной техники.
      Задачи, которые приходится решать авиамоделистам, становятся все сложнее и разнообразнее. Естественно поэтому, что без изучения основ авиационной теории проектирование моделей становится невозможным. Нельзя рассчитывать на удачный полет модели, если предварительно не учтены все влияющие на него факторы, если не сделан предварительный расчет модели.
      Для изучения всего материала, изложенного в книге, требуется подготовка в объеме не ниже семи классов средней школы.
      Круг вопросов, связанных с проектированием и постройкой летающих моделей самолетов, очень широк и поэтому автор в настоящей работе смог осветить только основные вопросы.
      Если настоящая книга поможет авиамоделистам разобраться в основных вопросах проектирования и постройки летающих моделей самолетов, автор будет считать, что поставленная задача им выполнена.
     
      ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ ПО АЭРОДИНАМИКЕ
     
      СВОЙСТВА ВОЗДУХА
      При движении в воздухе всякого тела, в том числе самолета и его модели, возникают полезные и вредные для полета силы. Полезные силы поддерживают летающее тело, вредные тормозят его движение. Чтобы сконструировать самолет и его летающую модель, надо знать эти силы и законы их возникновения.
      Наука, изучающая движение тел в воздухе и возникающие при этом силы, называется аэродинамикой. Первым объяснил сложные законы сопротивления воздуха движению тел и создал теорию полета великий русский ученый Николай Егорович Жуковский. Его многочисленные ученики — советские ученые обогатили аэродинамическую науку новыми исследованиями, благодаря которым советская аэродинамика занимает первое место в мире.
      На полет самолета и, особенно, летающей модели влияют не только силы, возникающие при движении их в воздухе, но и силы, обусловленные горизонтальными и вертикальными движениями самого воздуха, вследствие метеорологических причин.
      Воздух представляет собой смесь азота, кислорода, водорода, углекислоты, аргона, неона, гелия и водяных паров. Он имеет определенный вес и давит на находящиеся в нем тела. Один кубический метр воздуха на уровне моря при температуре 15° весит 1,226 кг. Плотность воздуха уменьшается по высоте и зависит от температуры и давления. Она выражается формулой: (...)
      Воздух, в отличие от жидкости, сжимаем. Влияние его сжимаемости на силы сопротивления ощущается лишь при движении с большими скоростями, близкими к скорости звука или превышающими ее. Поскольку скорости моделей значительно меньше, то в дальнейшем изложении воздух считается несжимаемым. На этом основании к движущемуся потоку воздуха можно применять законы движущихся жидкостей.
     
      ВЯЗКОСТЬ ВОЗДУХА
      Воздух обладает вязкостью, обусловливаемой силами внутреннего трения, которые возникают между его движущимися частицами. Представим себе две параллельные пластинки поверхностью 1 м2 каждая, находящиеся на расстоянии 1 мм друг от друга. Чтобы двигать одну пластинку относительно другой со скоростью 1 м/сек, нужно для преодоления вязкости приложить силу в 1,82 г. Сила, которую нужно приложить для движения пластинок, прямопропорциональна их площади и скорости движения и обратно-пропорциональна расстоянию между ними.
      Вязкость характеризуется коэфициентом вязкости ц. Для воздуха при температуре 15°
      (а = 1,82 КГ6 кг.сек/м2.
      Поскольку вязкость зависит от плотности (жидкости с большей плотностью более инертны и легче преодолевают силы трения), то для оценки сил вязкости и сил инерции часто пользуются кинематическим коэфициентом вязкости
      v = -у- мъ/сек. (3)
      Величину сил, действующих на движущиеся в воздухе тела, определяют экспериментально в аэродинамических трубах.
      Однако, так как в трубу не всегда можно поместить части самолета в натуральную величину, то приходится испытывать их модели, и результаты эксперимента переносить на натуру.
      Многочисленными исследованиями установлено, что характер обтекания двух геометрически подобных тел одинаков, если одинаковы числа Рейнольдса для этих тел.
      Числом Рейнольдса называют произведение скорости потока имсек на какой-либо линейный размер тела 1м, деленное на кинематический коэфициент вязкости v м2/сек. За линейный размер тела можно принимать, вообще говоря, любой размер. Обычно для крыла эго хорда, для фюзеляжа — его длина.
      Число Рейнольдса
      я*=4 (4)
      величина безразмерная.
      При нормальных условиях кинематический коэфициент вязкости для аэродинамической трубы и в полете одинаков, так как одинаковы р и р. Поэтому вместо числа Рейнольдса берут только его числитель
      E = vl м2/сек,
      который называется характеристикой опыта.
      Рассчитывая летающие модели, следует иметь в виду сравнительно малые размеры моделей и небольшие скорости полета. Моделисты обычно пользуются продувками при больших числах Рейнольдса, а при этом существенно меняются характер обтекания и величина коэфициентов сопротивления. Естественно поэтому, что расчеты могут не совпасть с практическими результатами.
      Профили крыльев современных самолетов продуваются при Re от 340000 до 3000000. Для модели с бензиновым мотором при скорости 20 м/сек, считая хорду крыла / = 0,15 м, получим
      Для моделей с резиновыми моторами при скоростях от 5 до 10 м/сек, при той же хорде / = 0,15 м, Re будет от 50000 до 100000.
      Аэродинамический расчет модели только тогда имеет смысл, когда учтены скорость и размеры модели и взяты соответствующие расчетные данные (продувки профилей см. приложения).
     
      ДВИЖЕНИЕ ВОЗДУХА
      Всякое тело, двигаясь в воздухе, раздвигает воздушные струи, заставляя их обтекать его. При этом можно считать, что тело неподвижно, а воздух движется.
      Движение воздуха при обтекании различных тел весьма сложно, поэтому при рассмотрении движущегося потока допускают ряд упрощений.
      В аэродинамике обычно рассматривают так называемое установившееся движение. При этом движении скорость и давление в разных точках воздушного потока могут быть различными, но в каждой данной точке эти величины не меняются с течением времени. При неустановившемся движении скорость и другие величины, характерные для каждой точки потока, изменяются во времени.
      Во всех случаях обтекания летающих моделей движение следует считать установившимся.
      Для уяснения картины обтекания какого-либо тела воздушный поток часто представляют разбитым на отдельные струйки и считают, что при установившемся движении эти струйки изолированы друг от друга и текут, как-бы в трубках с твердыми стенками.
      В движущемся воздушном потоке не может быть разрывов и пустот. Объемы воздуха, проходящие в одинаковые промежутки времени через любые два сечения потока, должны быть равны между собой. Такое равенство возможно лишь в том случае, если скорости движения обратно-пропорциональны площадям поперечного сечения.
      Объем воздуха, проходящий через любое сечение потока в единицу времени, равен произведению скорости потока на площадь его поперечного сечения (...)
      Это выражение называется уравнением неразрывности, или уравнением постоянства расхода.
      Из уравнения неразрывности следует, что в случае сужения потока, скорость его возрастает и, наоборот, при расширении потока — уменьшается.
      При рассмотрении обтекания тел воздушным потоком необходимо знать, как изменяется давление при изменении скорости потока. Аэродинамические силы возникают именно потому, что давление вокруг движущихся в воздухе тел в разных точках различно.
      Зависимость между скоростью и давлением в движущемся потоке определяется теоремой Бернулли, основанной на законе сохранения энергии для движущейся частицы воздуха или жидкости. Движущийся поток воздуха способен выполнять работу, т. е. обладает энергией.
      Если поток при своем движении не встречает препятствий, т. е. не выполняет работы, то, очевидно, энергия потока на всем его протяжении должна оставаться неизменной. Так бывает при отсутствии вязкости. Для этого случая, собственно,
      и выведена теорема Бернулли.
      Благодаря вязкости воздуха часть энергии потока уходит на преодоление трения и превращается в тепло, которое рассеивается в воздухе, окружающем поток. Этими потерями энергии потока можно пренебречь в том случае, если сечения потока (фиг. 1) достаточно велики и расстояние между ними мало.
      Бернулли доказал, что с увеличением скорости потока давление в нем уменьшается, а при уменьшении скорости — увеличивается. Уравнение Бернулли для любого сечения воздушного потока выглядит так:
      Фиг. 1. Зависимость скорости движения потока от площади поперечного сечения.
      Величина р называется статическим давлением, а скоростным напором. Сумма статического давления и скоростного напора называется полным давлением или полным напором и вдоль потока не изменяется. Скоростной напор обозначают буквой q
      Он имеет такую же размерность, как и давление, т. е. кг/мЧ
      Теорема Бернулли применима не только к случаю течения жидкости или воздуха по трубе переменного сечения, но и к любому случаю обтекания, когда воздушный поток по каким-то причинам сужается или расширяется. В случае сужения потока скорость его увеличивается, а давление падает, при расширении же потока скорость уменьшается, а давление растет.
      Теорему Бернулли можно иллюстрировать прибором, изображенным на фиг. 2. Сосуд 2 сообщается резиновой трубкой 3 с резервуаром 4, в который из водопроводного крана 5 подается вода. При заполнении прибора водой открывают зажим 7 для выпуска воздуха. Когда прибор заполнен водой, кран 5 и зажим 1 закрывают.
      Если вода в приборе не движется, уровень ее во всех вертикальных трубках одинаков. Открыв кран 5 и зажим 7,
      следят за тем, чтобы уровень воды в резервуаре 4 не понижался, т. е. чтобы течение воды было установившимся. В этом случае наиболее низкий столбик воды будет в той вертикальной трубке, которая соединена с самым узким сечением прибора, так как давление в ней будет наименьшим. Самым высоким столбик воды будет в трубке, связанной с наиболее широким сечением прибора.
      Иллюстрировать теорему Бернулли можно еще так.
      . Если подуть между двумя листками бумаги, изогнутыми и закрепленными, как показано на фиг. 3, то листки сблизятся, так как давление между ними будет меньше атмосферного.
      На теореме Бернулли, например, основано действие пульверизатора, карбюратора и указателя скорости полета.
      При движении воздуха или жидкости по изогнутым трубкам, а также при обтекании тел с криволинейной поверхностью, давление изменяется не только от изменения сечения потока и скорости, но и благодаря возникновению центробежных сил.
     
      СОПРОТИВЛЕНИЕ ВОЗДУХА
      Природу сопротивления движению тел в воздушном потоке нетрудно выяснить из рассмотрения характерных случаев обтекания.
      Если в движущемся потоке воздуха поместить какую-либо пластинку (фиг. 4) вдоль потока, то благодаря силам трения, возникающим из-за вязкости воздуха, частицы его, непосредственно прилегающие к поверхности пластинки, неподвижны. Они прилипают к поверхности пластинки и тормозятся. Но уже на небольшом расстоянии от пластинки частицы воздуха двигаются со скоростью, равной скорости набегающего на пластинку потока (фиг. 4, а). Прилегающий к пластинке тонкий заторможенный слой воздуха, в котором скорость изменяется от нуля до скорости потока, называется пограничным слоем. Толщина его по мере удаления от передней части пластинки к кормовой увеличивается. Влияние вязкости сказывается только в пограничном слое.
      Во внешнем потоке, окружающем пограничный слой, изменения скорости настолько малы, что ими пренебрегают, вязкость не учитывают и считают, что течение потока происходит без трения.
      Толщина пограничного слоя вокруг любого тела, помещенного в поток, зависит от формы тела, положения его в потоке,
      размеров, состояния поверхности тела, плотности и вязкости воздуха и скорости потока.
      Изменение скорости в пограничном слое зависит от характера течения.
      При движении воздуха по трубам, а также в пограничном слое у поверхности обтекаемых тел. течение может быть ламинарным и турбулентным (фиг. 5).
      Ламинарным называют такое течение, при котором воздух движется как бы параллельными не-смешивающимися слоями, без перемещения частиц воздуха в направлении, перпендикулярном потоку. При этом не исключается возможность вращения поступательно движущихся частиц воздуха, т. е. вихревого движения.
      Турбулентным (возмущенным) называют такое движение, при котором, помимо поступательного и вращательного движения, частицы воздуха беспорядочно движутся поперек потока. Благодаря такому беспрерывному перемешиванию средняя скорость частиц воздуха возрастает.
      Увеличение скорости частиц воздуха в турбулентном пограничном слое по сравнению с ламинарным увеличивает трение. Характер течения в пограничном слое, как показывают опыты, может быть ламинарным, турбулентным и смешанным. В большинстве случаев на некоторой длине тела пограничный слой ламинарен, а затем переходит в турбулентный. Положение точки перехода относительно передней части тела зависит от формы тела, шероховатости его поверхности и числа Рейнольдса.
      Для пластинки данной шероховатости условия перехода ламинарного слоя в турбулентный зависят только от числа
      1 Например, для пластинки длиной 31 см при скорости потока v = = 9 м/сек и Re = 200 000 толщина пограничного слоя у задней кромки пластинки б « 2,5 мм.
      При малых числах Рейнольдса ламинарный слой устойчив. При возрастании величины Re до 100 0С0 и выше ламинарный слой переходит в турбулентный внезапно и скачком.
      Число Рейнольдса, при котором ламинарный слой переходит в турбулентный, называется критическим числом Рейнольдса.
      На переход ламинарного слоя в турбулентный существенно влияет шероховатость поверхности тела, вызывающая начальное возмущение потока в пограничном слое с последующим отрывом образовавшихся вихрей. Характер обтекания крыла модели чаще всего ламинарный, так как Re С. 100000. Поверхность крыла, особенно передняя его часть, должна быть совершенно гладкой, без морщин и выступов. Только в этом случае удается сохранить ламинарный характер обтекания, при котором силы трения малы.
      Как было уже ранее указано, при обтекании пластинки частицы воздуха в пограничном слое затормозятся благодаря трению. При движении же пластинки в неподвижном воздухе трение в пограничном слое тормозит движение пластинки. Сопротивление движению пластинки, возникающее из-за трения воздуха о ее поверхность, называется сопротивлением трения.
      Если пластинку поместить перпендикулярно движению потока (фиг. 6), то струйки воздуха, набегающие на пластинку, тормозятся ею и скорость частиц воздуха уменьшается. Из теоремы Бернулли следует, что в этом случае давление перед пластинкой по сравнению с давлением невозмущенного потока за пластинкой увеличивается за счет скоростного напора. У краев пластинки струйки воздуха сжимаются и поэтому скорость их возрастает.
      Если бы характер обтекания за пластинкой был зеркальным отображением обтекания ее передней части, то давление за пластинкой и перед ней было бы одинаково и сила сопротивления не возникала бы. Однако для этого необходимо, чтобы частицы воздуха, двигаясь к центру пластинки, огибали ее на бесконечно малом радиусе, т. е. требуются бесконечно большие скорости, что практически невозможно. Поэтому струйки воздуха отрываются от краев пластинки и свертываются в вихри, которые уносятся потоком, окружающим пластинку.
      KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ