Юный моделист-конструктор

      ПОЛЕТ всякого пассажирского самолета состоит из взлета, полета по маршруту и посадки. Основная задача летчика — это произвести взлет, вывести самолет на требуемую высоту и, когда прилетели к месту назначения, осуществить посадку. При выполнении взлета и посадки v летчика много разных дел: надо убирать и выпускать шасси и закрылки, менять положение самолета в воздухе, производить развороты самолета, следя за аэродромом. При этом летчик должен все время работать рулями и элеронами, а также управлять сектором газа, изменяя число оборотов двигателя.
      Когда же самолет -после взлета выведен на полет по маршруту, работа летчика становится однообразней. Надо управлять рулями и элеронами так, чтобы возникающие порывы ветра не вызывали больших наклонов самолета и чтобы самолет не отклонялся от намеченного курса. Для этого летчик все время должен следить как за положением самолета, так и за направлением его полета.
      О положении самолета летчик узнает глядя на горизонт или по приборам, а о направлении полета — по земным ориентирам и по компасу. В течение всего полета по маршруту летчику приходится давать небольшие отклонения рулям, для того чтобы «подправлять» положение самолета в воздухе. Такой полет иногда длится часами. Например, перелет на «ТУ-114» из Москвы в Хабаровск происходит в течение 12 часов. Работа летчика в таком полете однообразна и утомительна. Для облегчения ее в этом случае применяют специальный прибор — «автоматический пилот», или «автопилот». Этот прибор во врем полета по маршруту автоматически управляет всеми рулями и элеронами самолета, сохраняя заданное положение в воздухе и обеспечивая полет в строго определенном направлении.
      Как же устроен автопилот?
      Самой главной частью автопилота — его «сердцем» — является быстро вращающийся волчок — гироскоп. Всем известно свойство волчка сохранять свое положение при вращении независимо от угла наклона плоскости, на которой он вращается.
      Проделаем опыт: запустим самодельный волчок, сделанный из спички и кусочка картона на листке фанеры или книги. Попробуем наклонить эту плоскость в любом направлении. Несмотря на наклон плоскости, волчок будет сохранять вертикальное положение (рис. 1). Это чудесное свойство волчка и используется в автопилоте.
      Представим себе, что вместо картонного волчка на спичечной оси у нас имеется массивный (рис. 2) металлический волчок/, вращающийся на оси, заключенной в рамке 2. Эта рамка, в свою очередь, укреплена в другой рамке 3 и может вращаться вокруг оси, расположенной поперек оси вращения волчка. Обе оси волчка и рамка 3 вращают-
      Работа всех этих каналов управления происходит почти одинаково. Посмотрим, как устроен один канал управления, например курсовой канал.
      На рисунке 2 показано примерное устройство курсового канала очень простого по конструкции автопилота, работающего на руль направления. Такой автопилот сам, без летчика, выдерживает направление полета по маршруту. Действие автопилота основано на использовании изменения давления воздуха в автопилоте и движения масляной жидкости, находящейся под давлением. Устройство автопилота состоит из двух частей (рис. 2). Одна часть — командная, связанная с отклонением гироскопа. Эта часть действует от разницы давления воздуха и дает команду на движение руля направления 22 в определенную сдорону. Требуемое давление воздуха в автопилоте создается воздушным насосом, работающим от авиационного двигателя. Командная часть (см. рис. 2) состоит из гироскопа 1, вращающегося в рамках 2 и 3, пневмореле 12 и распределительного устройства для воздуха. Это устройство имеет заслонку 8, укрепленную к рамке 3, и коллектор 6. Пневмореле соединено с коллектором трубками 11 и 9, по которым поступает воздух. Пневмореле представляет собой металлическую коробочку, разделенную на две части тонкой перегородкой— мембраной 13. Когда заслонка 8 расположена нейтрально, давление воздуха с обеих сторон мембраны 13 одинакво, и она не прогибается. Эта мембрана будет прогибаться в ту сторону коробкй, где создается меньшее давление воздуха. При этом, естественно, будет перемещаться и шток пневмореле 14, соединенный с золотником. Движением штока золотника заканчивается действие командной части. Золотник 15 является уже деталью исполнительной части канала управления. Исполнительная часть 18, называемая также рулевой машинкой, или бустером, представляет собой цилиндр с поршнем 19. Поршень движется в цилиндре от давления масляной жидкости, которая направляется в соответствующую полость цилиндра. Это передвижение жидкости управляется штоком 14, перемещающим золотник, соединенный с пневмореле. Шток бустера 20 соединен с проводкой управления руля 21. У автопилота имеется также помпа 16, которая вращается от двигателя и создает необходимое давление жидкости, обеспечивающей работу исполнительной части— бустера. Посмотрим, как действует автопилот, работающий на руль направления.
      Предположим, что самолет отклонился от курса, намеченного летчиком. Прнэтом гироскоп 1, сохраняя плоскость своего вращения, повернется вместе с рамкой 3 вокруг оси на тот угол, иа который самолет отклонился от курса. Одновременно с гироскопом отклонится и заслонка 8, связанная с рамкой гироскопа 3. Эта заслонка затормозит поступление воздуха через трубки 9 или 11 в одну из половин пневморсле. От этого с одной стороны мембраны давление воздуха будет больше и из-за возникшей разницы давлений мебраиа выгнется в сторону меньшего давления. Соответствующий выгиб мембраны переместит шток 14. От перемещения штока 14, как мы знаем, включается в работу бустер 18, который отклоняет руль направления. Отклонившийся руль направления будет устранять то движение самолета, которое вызвало поворот гироскопа.
      А если отклонение руля, происшедшее при смещении штока пневмореле, окажется слишком большим? Чтобы этого не случилось, в автопилот вводится так называемая «обратная связь», то есть специальное устройство, связывающее перемещение поршня бустера с положением золотника. Оно состоит из тросовой связи 25, поворачивающей посредством шестеренчатой передачи 5 коллектор 6 относительно заслонки 8. Обратная связь работает до тех пор, пока не будет устранен избыточный угол отклонения руля направления 22.
      Происходит это так. Чрезмерно большое смещение поршня
      бустера вызывает поворот коллектора 6 относительно заслонки 8. При этом количество воздуха, подаваемое по трубке 11, несколько изменится, мембрана 13 станет меньше прогибаться, и соответственно этому уменьшатся смещение поршня и угол отклонения руля направления. Если бы не было системы обратной связи, то автопилот мог бы раскачать самолет. Точно так же, как и канал курса, работают все остальные каналы автопилота.
      Кроме пневмогидравлических автопилотов, в настоящее время широко используются электрические автопилоты, причем точность выдерживания курса полета самолета с их применением получается ничуть не хуже, чем при пилотировании самым опытным летчиком. У электрических автопилотов гироскопы вращаются электродвигателями и рулевые машинки также приводятся в действие посредством специальных электромоторов. Всякий современный скоростной пассажирский самолет непременно оборудован автопилотом — верным помощником летчика.
      А можно ли применить автопилоты на летающих моделях?
      Оказывается, на некоторых типах летающих моделей, например на скоростной модели свободного полета, автопилот совершенно необходим. По существующим правилам Международной авиационной федерации, рекорд скорости модели в свободном полете должен осуществляться при запуске на расстоянии 100 м: один раз — по ветру, а другой раз — против ветра. При этом очень важно в обоих полетах выдержать прямолинейное направленйе. Ведь чем прямее будет линия полета скоростной модели, тем она быстрее преодолеет дистанцию 100 м и покажет большую скорость полета. Именно поэтому советский авиамоделист Б. Мартынов применил автопилот на руле направления своей рекордной скоростной модели свободного полета. Эта модель с поршневым двигателем (рис. 3) установила всесоюзный рекорд скорости — 117 км/час. Как при полете против ветра, так и по ветру автопилот, примененный Мартыновым, отлично выдерживал прямолинейный курс полета модели. Устройство этого автопилота показано на рисунке 5. Оно анало-
      гично устройству самолетного автопилота с той лишь разницей, что в автопилоте модели Мартынова отклонение гироскопа, от которого работает руль направления, вызывается не изменением угла курса самолета, как в том самолетном автопилоте, который мы только что описывали, а действием угловой скорости курса. При этом ось вращения рамки гироскопа располагается в пло-
      скости действия угловой скорости курса. Известно, что если быстро вращающийся волчок — гироскоп повернуть в какой-либо плоскости с некоторой угловой скоростью, то в перпендикулярной плоскости возникает момент, стремящийся отклонить гироскоп. Это явление называется «прецессией гироскопа» и широко используется во всех современных автопилотах. На рисунке 1 наглядно показано, как можно наблюдать прецессию волчка на письменном столе. Для этого надо запустить волчок и легким нажимом мизинца отклонить ось волчка. При этом диск волчка коснется стола, но (из-за действия прецессии) не той стороной, на которую мы нажимали пальцем, а обязательно стороной, расположенной поперек направления нажнма пальцем. Мы повернули волчок в плоскости X—X (рис. 1), а он сам под влиянием прецессии наклонился в плоскости У—У, перпендикулярной X—X.
      Мартынов использовал явление прецессии гироскопа для авиамодельного автопилота, потому что прецессионный момент, возникающий ка гироскопе, оказывается вполне достаточным, чтобы непосредственно без передаточных устройств в виде бустеров отклонять руль направления. Основной частью автопилота модели Мартынова, как и настоящего самолетного автопилота, является гироскоп 1, размещенный в фюзеляже на шпангоутах 2 и 3. Ось вращения гироскопа укреплена к рамке 4. Сама рамка 4 может свободно поворачиваться на оси 5, вращающейся в шпангоутах 2 и 3 (рис. 5).
      Гироскоп представляет собой металическнй цилиндр с вырезами-ступеньками с внешней стороны. Для того чтобы привести во вращение гироскоп, необходимо направить воздушную струю на вырезы — ступеньки из трубки от автомобильного насоса, резко качнув насосом два-трн раза. После этого гироскоп продолжает вращаться по инерции во все время полета. Для гироскопа авиамодельного автопилота очень хорошо подойдет гироскоп от старого указателя поворота самолетного прибора, отдельные части которого всегда можно найти в любом аэроклубе ДОСААФ.
      Как же передается движение рамки гироскопа на руль направления?
      К рамке 4 наглухо укреплен металлический рычажок, с которым шарнирно соединена качалка 6. К этой качалке прикреплена тяга 9 и пневматический демпфер 8. Тяга 9 идет вдоль фюзеляжа и крепится другим своим концом к рулю направления 10. Демпфер 8 установлен на шпангоуте. Как это видно по рисунку 5, у авиамодельного автопилота нет системы обратной связи, ее заменяет пневматический демпфер.
     
      Как же работает автопилот у летающей модели?
      Как только модель начинает уходить от прямолинейного полета, гироскоп 1 вместе с рамкой 4 под влиянием прецессии отклонится относительно оси, идущей вдоль фюзеляжа, переместит тягу 9 и повернет руль направления 10. Отклонившийся руль направления вернет модель в исходное положение. Для того чтобы гироскоп в полете не раскачивался из стороны в сторону и не раскачал бы модель, вводится демпфер 8. Он представляет собой герметически закрытый цилиндр с плотно притертым к нему поршнем 7. Воздух, заключенный между дном цилиндра и поршнем, сжимается ир"и движении поршня и гасит колебания гироскопа вокруг оси 5. так как рамка 4 гироскопа соединена с поршнем. Так Пневматический демпфер заменяет действие обратной связи.
      Авиамодельный автопилот Мартынова работает примерно так же, как и самолетный, только продолжительность работы модельного автопилота небольшая— 1,5 -г 2 мин., то есть пока вращается гироскоп, раскрученный от воздушной струи автомобильного насоса. Однако большей продолжительности и не нужно, так как полет скоростной модели длится не более 1 -г 2 мин. Кроме того, на скоростной модели Мартынова была с успехом применена также и система программного управления рулем высоты и двигателем 11. Для того чтобы после отрыва от земли модель развила наибольшую скорость полета, руль высоты должен отклоняться задней кромкой несколько книзу. Затем, при посадке, необходимо выдерживать возможно меньшую скорость полета. Для этого двигатель должен быть отключен, а руль высоты следует отклонить задней кромкой кверху.
      Чтобы осуществить всю программу полета, на модели Мартынова применен специальный программный механизм, приводимый в действие от фотографического таймера с часовым механизмом. Этот механизм 18 вращает два диска 16 и 17. Каждый из них имеет особую форму в соответствии с программой отклонения руля высоты и дросселя двигателя. К этим дискам пружинками 15 прижимаются рычажки 13 и 14. Один из них — 14 — управляет отклонением руля высоты, а другой — 13 — дросселем двигателя. Как рычажки, так и диски с часовым механизмом смонтированы на металлической рамке, укрепленной к одному из шпангоутов фюзеляжа. Посредством этого несложного устройства на скоростной модели Мартынова производилось управление скоростью во время ее рекордного полета.
      На рисунке 6 показана еще одна система автоматического управления летающей моделью. Этот автопилот успешно применялся на модели с поршневым двигателем, построенной московским авиамоделистом С. Маликом (рис. 4). Его модель, пролетевшая 220 км, была первой в мире моделью, пролетевшей больше 200 км. Автопилот модели С. Малика срабатывает при достижении определенной высоты полета. Если модель «заберется» на большую высоту, чем это требуется, то автопилот даст команду на руль высоты и на дроссель, регулирующий подачу горючей смеси в двигатель. Руль при этом отклонится автопилотом книзу, а дроссель сократит количество горючей смеси, поступающей в карбюратор. Двигатель уменьшит обороты, и в результате модель возвратится к исходной высоте полета. В рекордном полете автопилот модели был отрегулирован на высоту 600 -Р 700 м.
      Почему надо ограничивать высоту полета модели?
      Дело в том, что на большой высоте воздух более разрежен и содержащегося в нем кислорода не хватает для нормальной работы двигателя. При этом двигатель начинает «захлебываться» и может совсем остановиться. Предельная высота полета, при которой авиамодельный двигатель работает нормально, — 2000 м. Автопилот модели С. Малика состоит из высотной коробки 1, имеющей чувствительную диафрагму 3, и системы рычагов 4, передающих команду на Двигатель внутреннего сгорания с калильным зажиганием: I—картер; 2— цилиндр; 3 — винт МЗХЮ; 4— головка блока; 5 — прокладка; 6 — поршневое кольцо; 7 — поршень; 8 — поршневой палец; 9 — шатун; 10 — прокладка; 11—крышка картера; 12— валик клапана; 13 — клапан; 14 — коленчатый вал; 15 — подшипник 8 X 22 X 8; 16 — пружинная шайба (М3); 17 — передняя втулка; 18 — подшипник 7 X 19 X 6; 19— передняя шайба; 20 — конусная втулка; 21 — гайка; 22 — шайба; 23 — пропеллер; 24 — игла жиклера; 25 — корпус иглы жиклера; 26 — гайка жиклера; 27 — жиклер.
      ОТ РЕДАКЦИИ:
      В конце сентября 1962 года ленинградский авиамоделист Анатолий Кузнецов вписал в сетку мировых авиамодельных рекордов замечательное достижение абсолютный рекорд скорости полета кордовой модели с двигателем 10 см3. Модель развила скорость 316 км/час. О том, как была достигнута такая скорость и как устроена модель, рекордсмен рассказывает в этой статье.
      ТРЕТИЙ ВЫПУСК «ЮМКа» рассказал вам, ребята, что в начале сентября 1962 года на чемпионате мира по авиамодельному спорту в Киеве мне удалось превысить на 11 км/час мировой рекорд американца Лодертейла по классу кордовых моделей с объемом цилиндра 10 см3 . Модель, с которой я выступал, развила скорость 288 км/час. Она была снабжена двигателем, который я сам спроектировал и изготовил. Приехав с чемпионата мира домой, я решил еще улучшить свой результат и- перекрыть абсолютный рекорд скорости кордовой модели, удерживаемый по классу реактивных моделей авиамоделистом из г. Фрунзе Иваном Иванниковым (301 км/час).
      На чемпионате мира в Кневё я запускал модель на одной корде, применив управление «монолайн» с одной кордой, работающей на скручивание. Это заметно снизило лобовое сопротивление всей системы и дало возможность модели резко повысить скорость полета.
      После проведения рекордного полета в Киеве я занялся дальнейшей «доводкой» модели: подбором лучшего винта и лучшего режима работы двигателя. После тщательной подготовки и многочисленных тренировок я мог заявить о рекордной попытке. Во время осенних ленинградских соревнований авиамоделистов 30 сентября 1962 года моя модель показала среднюю скорость 316,812 км/час, превысив более чем на 15 км/час рекорд Ивана Иванникова. Свое достижение я посвятил 45-й годовщине Великого Октября.
      Такие хорошие результаты мне удалось получить главным образом благодаря прекрасной работе двигателя «Ленинград» объемом 9,8 см9. Двнга-тель этот с калильным зажиганием (рис. 1—7) разработан мною в 1958 году в результате многолетних экспериментов с двигателями такого типа.
      Основная цель, которую я себе поставил в 1958 году при создании двигателя «Ленинград», заключалась в том, чтобы поднять паши показатели по скорости полета кордовых моделей до уровня зарубежных достижений того времени — 220 4-230 км/час. С тех пор в течение пяти лет я постоянно модернизировал свой двигатель, улучшал его работу. С помощью этого двигателя мне удалось установить шесть рекордных показателей скорости полета по разным классам кордовых моделей самолетов. Двигатель «Ленинград» — миогооборот-ный, с распределением посредством клапанного диска, расположенного со стороны задней крышки картера. Вал двигателя размешен па двух шариковых подшипниках, расположенных на большом расстоянии друг от друга. Поршень — с двумя кольцами.
      Картер двигателя, отлитый из силумина, объединяет в одном блоке нижнюю часть двигателя и цилиндрическую часть головки воздушного охлаждения цилиндра. В эту чисгь картера запрессована стальная гильза цилиндра. Поверх картера па винтах крепится рсбристя верхняя часть головки с ввинченном в псе запальной свечой. Выхлопные окна размещены с левой стороны цилиндра. Крепится двигатель к моторной раме модели посредством боковых горизонтальных ушек на четырех болтах.
      Мощность двигателя «Ленинград» — 1,7; 1.S л. с. при 21—22 тыс. обмин. Диаметр поршня — 25 .и.», ход поршня — 20 мл. Bet двигателя — 340 г.
      Модель имеет обычную схему, применяемую для скоростных моделей (рве. 8). Выполнена она в основном из дерева, иодмоторпля рама фюзеляжа дюралюминиевая. Профиль, крыла КАСЛ-23012. Модель п.месг .мощный киль и песушнй профиль стабилизатора, руль высоты размещен на правой половине стабилизатора. Стартует модель с обычного четырехколесного шасси, которое остается па земле. Для зашиты фюзеляжа при посадке снизу в передней части модели имеется металлическая лыжа, а под оперением — костыль в виде киля.