Практическая аэродинамика самолёта для школьников

      Комментарии к записи Практическая аэродинамика самолёта для школьников отключены

Практическая аэродинамика самолёта для школьниковОглавление:

  • Практическая аэродинамика посредством KSP
  • центр масс и Центр давления
  • Каждому самолёту собственное крыло
  • С чего начать проектировать шасси
  • Лобовое его влияние и сопротивление на самолёт

Вопрос проведения теоретических занятий для школьников по авиационному профилю может стать головной болью для учителя, быть может подвигнуть его на творческие дела в плане разнообразия теоретического курса. Мой опыт преподавания занятий в тренажерном классе в качестве инструктора – тренажера планера для школьников побудил меня к такому поиску.

Вряд ли школьникам будут занимательны теоретические выводы уравнения Бернулли, и законы Гей-Люсака и Бойля-Мариотта совместно забранных. Значительно увлекательнее показывать что-то на практическом примере, к примеру, запустить планер и растолковать, из-за чего он летит как раз по таковой траектории, а не по второй. Как раз с этим вопросом столкнулся ваш покорный слуга, в то время, когда придумывал теоретические лекции для курса «Базы пилотирования самолёта через планер», связанный с полётами на планерном тренажере.

Мои поиски привели меня к статье «Базы авиамоделирования», по мотивам симулятора KSP, где несложным и понятным для всех языком были обрисованы аэродинамические истины с их использованием на практике. Предлагаю всем желающим погрузиться в проектирования и основы аэродинамики летательных аппаратов, а вдруг показаться желание то и самому испытать это в игре. В качестве проводника в базы аэродинамики будет выступать господин Кептин и игровое пространство программы KSP.

Оригинал статьи возможно отыскать по адресу: www.forum.kerbalspaceprogram.com.

Практическая аэродинамика посредством KSP

KSP – это игра, в которой игроки создают и руководят собственными космическими программами. Строительство челноков, управление ими и запуск миссий в открытый космос – вот пространство для творчества в KSP.

Желаете выстроить ракету и облететь планету, прошу вас, имеется все нужные инструменты. Вопрос в другом: хватит ли топлива, выдержит ли шасси при посадке, в том направлении ли опустится спасательная капсула. Вообщем все вопросы технического замысла, и независимого управления выстроенными летательными аппаратами, игроку нужно будет брать на себя.

При жажде ещё возможно обременить себя денежным бременем, и приобретать субсидии на космонавтику вместо на нужные изучения различного уровня. В качестве возможностей для развития имеется возможность осуществить выход человека в открытый космос, создать космическую станцию, а кроме того основать колонию-поселение на другой планете.

Одно из дополнений к игре связано с созданием самолётов: собрать самолёт из отдельных частей, запустить и взглянуть, что из этого окажется. Свобода творчества и, в следствии, познание законов аэродинамики. Потому, что по окончании нескольких неудач на посадке конструктор начнет думать головой по поводу усиления стойки шасси, или облегчения конструкции.

В случае если кому-то весьма интересно, вот так выглядит урок по созданию самолёта:

Игра всегда обновляется. Обновления и новшества происходят вероятно кроме того на данный момент, а на сайте лежит новый мод, в то время, когда вы просматриваете эти строки. Для знакомства с программой достаточно скачать с сайта игры демоверсию.

Что такое центр давления и из-за чего его сравнивают с центром весов

Перед тем как перейти к моделированию самолетов стоит мало погрузиться в теорию аэродинамики. Размышления на эту тему уместно начать с вопроса: «Что такое центр давления?». Центр давления – это точка, к которой приложена суммарная подъемных сил различных хвостового самолёта: оперения и частей крыльев.

На рисунке продемонстрированы аэродинамические поверхности, каковые создают подъемную силу. Суммарная подъемная сила находится в точке, которая именуется центром давления.

В том случае, если центр тяжести будет пребывать через чур близко к центру весов, летательный аппарат может стать чрезмерно маневренным (вторыми словами «нейтрально стабильным»), потому, что у него будут отсутствовать естественные тенденции к рвению двигаться в любом направлении. По большому счету нужно стремиться к тому, дабы центр давления был сзади центра тяжести. В этом случае летательный аппарат будет стремиться падать вперед.

Чем дальше центр давления (Ц.Д.) пребывать сзади центра весов (Ц.М.), тем посильнее тенденция аппарата к полёту вперед (от Ц.Д. к Ц.М.).

Правила центров

В случае если Ц.Д. в первых рядах Ц.М., то летательный аппарат подвержен неожиданным переворотам, в случае если Ц.Д. и Ц.М. совпали, то летательный аппарат имеет чрезмерную маневренность, в случае если Ц.Д. находится мало сзади Ц.Т., то летательный аппарат будет иметь высокую маневренность, в случае если мало подальше, то в полёте будет оказаться громадная устойчивость, в случае если очень сильно дальше, то окажется дротик для дартс.

Идем дальше…

В случае если забрать картонную модель самолета и подвесить его на нитке к потолку, то точка, в которой самолёт крепится к нитке, и будет являться центром давления.

Если вы строите летательный аппарат, у которого Ц.Д. находится очень сильно в первых рядах Ц.М., то это весьма близко будет похожим крепление носа самолёта за нитку. Любой раз при взлете он будет стремиться перевернуться вверх носом. Одновременно с этим, в случае если Ц.Д. у самолёта находится немного ниже Ц.М., то при взлёте летательный аппарат будет стремиться перевернуться вверх тормашками.

ориентация и Местоположение подъемных поверхностей определяет центр давления. К нему мы возвратимся через некое время.… Но сперва перейдем к рассмотрению ещё одной возможно точки и важной силы её приложения – центра тяги (Ц.Т.).

Центр тяги – это точка приложения всех суммарных сил тяги, действующих на летательный аппарат. В случае если у летательного аппарата один двигатель, то Ц.Т. будет пребывать именно в центре двигателя.
Все замечательно, но лишь , пока центр тяги вашего двигателя находится на одной линии с центром весов летательного аппарата. Что в случае если это не верно… В этом случае уместно сказать про несимметричную тягу.
Вот тут и начинаются разные конфузы:
Воздействие несимметричного центра тяги возможно сравнить по действию с моментом от приложения гаечного ключа. Негативные последствия от для того чтобы вмешательства возможно приуменьшить работой плоскостей управления либо повышением подъемной силы. Но тут заключен подвох: эффективность аэродинамических поверхностей изменяется в зависимости от плотности воздуха и высоты полёта.

Так что с трансформацией высоты и скорости полёта кроме этого должны изменяться и другие характеристики летательного аппарата (к примеру, посредством совокупности автоматической стабилизации полёта САСП).
Как раз исходя из этого у всех успешных проектов космических судов центр весов находится на одной линии с центром тяги.
Разглядим подробнее плоскости управления летательным аппаратом: движущиеся узлы, каковые разрешают руководить положением летательного аппарата. Все они действуют как рычаги на центр весов, причем, чем дальше точка приложения сил от центра весов, тем большее упрочнение возможно создать.
Органы управления на рисунке – это элевоны, гибрид рулей и элеронов высоты. Контрольные плоскости создают подъёмную силу, но они кроме этого создают сопротивление воздуха. Элевоны уменьшают количество подробностей, так уменьшая суммарное сопротивление.

Выбирая всевозможные варианты сочетаний плоскостей управления возможно встретиться с ними минусы и плюсы.

Каждому самолёту собственные крылья

Перейдем к волшебному слову – крылья! Начнем знакомство с соотношения сторон: размах, поделенный на хорду (ширины и отношение длины).
Любая из представленных схем летательных аппаратов имеет однообразную площадь, но различную форму. Любая форма имеет недостатки и свои преимущества. Эти различия становятся ещё более поразительными, в случае если подключить модуль Ferram Aerospace Research, что будет показывать более реалистичную модель сопротивлений.

Создатель предлагает применять в программе KSP крылья с громадным удлинением крыла, потому, что ими несложнее руководить и они структурно не сложнее крыльев с низким удлинением.

Возвратимся к вопросу стреловидности крыльев: угол, под которым находится крыло по отношению к фюзеляжу. Все видели ловкие истребители, но на что в действительности воздействует стреловидность крыла.

В то время, когда скорость самолёта делается близка к скорости звука, ударные волны становятся сверхзвуковыми. Стреловидность крыльев сокращает сопротивление на околозвуковых скоростях, потому, что изгиб крыла сокращает лобовое сопротивление, что возможно заметить по воздушному потоку.
Наикратчайшее расстояние между двумя точками – это прямая. Потому, что воздушный поток через стреловидное крыло проделывает больший путь, чем через прямое крыло и контур крыла, что пересекает поток, не выглядит как стена, то ударных волн при со стреловидным крылом не создается.

Что касается игры KSP, то в стандартной версии эффект стреловидности не играется громадного результата. Этим эффектом возможно насладиться в дополнительной версии игры, которая именуется Ferram Aerospace Research.

Идем дальше…. Разглядываем крепление крыла и поперечный угол крыла, другими словами угол наклона крыла. В случае если центр давления находится над центром весов, то увеличивается устойчивость летательного аппарата.

Перенос же крыльев наверх фюзеляжа формирует стабилизирующий эффект для летательного аппарата, что носит название поперечного результата.

Следовательно, в случае если центр давления находится ниже центра весов, или крылья переносятся вниз фюзеляжа, то самолёт делается более маневренный, но менее устойчивым в полёте.

Устойчивость летательного аппарата возможно осуществлять контроль переносом крыльев выше – ниже относительно фюзеляжа, вторыми словами переносом центра весов.
Использование на практике центров масс и комбинаций крыльев:
Наконец, маленький экскурс в тему повышения подъемной силы в игре KSP. Этого возможно добиться следующим путём:

  • Добавить площадь крыльям
  • Расширить скорость

Повышение количества крыльев, как и их площади, приведет к повышению лобового сопротивления и к замедлению самолёта, с одной стороны. Иначе, это приведет к минимальной скорости скорости и снижению сваливания полёта, а, следовательно, уменьшению взлетной и посадочной расстояний.

Через чур большое количество плоскостей и крыльев управлений приведет к тому, что летательным аппаратом придется сложнее руководить: мельчайшие колебания на ручке управления будут приводить к сильным изменениям в направлении полёта. Масса самолёта и его желаемая крейсерская скорость полёта (сваливания) будут определять количество подъемных сил, требуемых для самолёта.
Чем круче угол атаки, тем больше подъемная сила. Но это правило трудится до некоторых пор: «до критического угла атаки». После достижения критического угла аэродинамический поток начинает переходить в срыв, а самолёт теряет подъемную силу.

В KSP угол атаки делается критическим при 20°, в зависимости от модели.

Кроме этого стоит поведать про «углом падения». Угол падения — это угол, под которым крыло находится относительно фюзеляжа. Рост этого угла увеличивает полное значение угла атаки и повышает подъемную силу, но в также время увеличивает лобовое сопротивление.

Кому-то может показаться: «Оно того стоит!». Но конструкция крыла делается сложнее и изменяется темперамент полёта. Крыло с хорошим углом атаки имеет отличающиеся подъемные свойства если сравнивать с горизонтальным крылом.

Вторыми словами подъемная тяга у для того чтобы крыла делается значительно больше, чем у крыла с горизонтальным размещением.
Потому, что главное крыло формирует чрезмерно громадную подъемную силу, если сравнивать с хвостовым стабилизатором, пилоту нужно будет опускать вниз рычаг управления самолётом либо трудиться триммером на хвостовом оперении, но только бы не разрешить самолёту подняться вверх. И напротив, ручку убирать на себя в том случае, если шнобель самолёта опуститься через чур низко.
В Kerbal Space Program летательный аппарат, спроектированный с нулевым углом падения, несложнее поддается контролю, но имеются кроме этого аргументы в пользу трансформации этого угла:

  • возможно заблаговременно установить совершенный крейсерский угол тангажа
  • нет необходимости задирать быстро тангаж вверх на протяжении взлета (для предотвращения удара хвостом)

В тексте раздалось упоминание про «крейсерский режим полёта»: это относится к режиму, в котором летательный аппарат будет вести себя оптимальнее . В случае если самолёт не находится в таком режиме полёта, то все его сам полёт и узлы не будут пребывать в оптимальном режиме: повышенный расход горючего, увеличенный износ двигателя. Изначально в конструкции все закладывается как раз исходя из условий полёта в оптимальных условиях: оперение, двигатели, площадь крыльев, материалы и другое рассчитывается на полёт в оптимальных условиях.

С чего начать проектировать шасси

Сейчас перейдем к вопросу конфигурации шасси, вот кое-какие варианты:
Конфигурация «трицикл» несложнее в регулировке, чем четырехколесная: её несложнее посадить, чем конфигурацию с опорой на хвостовое колесо.

Верный подход при проектировании содержится в том, дабы разместить заднее шасси прямо под центром весов. При таких условиях летательный аппарат может вольно разворачиваться и набирать необходимый угол атаки при взлете.
В случае если по некоторым обстоятельствам появляется необходимость размещать заднее колесо дальше от центра весов, тогда необходимо задуматься над тем, дабы разместить его немного выше переднего шасси. В этом случае мы взял заблаговременно хороший угол атаки и, как следствие, упростим взлет летательного аппарата.
Посадочные шасси должны быть расположены так, дабы для взлёта требовалось от пилота только минимальное упрочнение на ручке.

Самолёты с хвостовым оперением взлетают как раз по этому принципу: сама схема для того чтобы самолёта гарантирует непроизвольный взлет при достижении определенной скорости.

Отклонение от курса при посадке может обозначать одно из двух:

  1. Взлетно-посадочная полоса не есть прямой в действительности, потому, что шасси находится перпендикулярно «взлётке» и наблюдают строго вперед.
  2. Чрезмерный вес, приходящийся на одно из шасси, может привести к прогибу стойки и, как следствие, уводу самолёта с траектории.
  3. Кроме этого через чур громадная прижимная сила на одном из шасси приведет к тому, что остальные не будут всецело пребывать в зацеплении с площадкой. Данный эффект именуется «колеса тачки».

Вероятные методы ответа данной задачи:

  • Выправить стойку шасси в редакторе
  • Укрепить стойку шасси посредством подкоса
  • Распределить вес на много стоек шасси
  • Снизить вес на шасси посредством облегчения конструкции самолёта
  • Сделать громадные шасси и преодолеть упрочнения в рулевом управлении

Лобовое его влияние и сопротивление на параметры самолёта

В программе KSP употребляется несложная модель лобового сопротивления. Чем больше массы будет добавлено (в виде подробностей), тем больше будет создаваться сопротивление воздуха, независимо от того, находится ли модель в воздушном потоке либо нет.
Любая подробность имеет большое значение лобового сопротивления (как правило это значение 0,2 от большого). Значение лобового сопротивления возможно посчитать по заданной формуле:

Лобовое сопротивление = Плотность воздуха * Скорость(в квадрате) * Коэффициент большого сопротивления * Массу

Увидьте, что лобовое сопротивление зависит от массы и от коэффициента и не зависит от числа подробностей. Уменьшение массы приведет к улучшению аэродинамики. Конструирование аэродинамического профиля довольно часто сводится к как возможно большему уменьшению количества подробностей, и двигателей, плоскостей управления, топливных баков, но при сохранении управляемости летательного аппарата.

Если вы желаете преуспеть в том, что нарисовано на картинах, Вам направляться воспользоваться модом KSP, что более реалистично подходит к расчету лобового сопротивления. Данный мод именуется Ferram Aerospace Research. Я обожаю Ferram, как раз исходя из этого я устанавливаю его везде, где лишь возможно.

Надеюсь, это повествование зарядило Вас энтузиазмом чтобы творить и создавать собственные самолёты и космические корабли! Удачи!

Лекция 1 Основы авиастроения. Часть 2 Практическая аэродинамика самолета

Увлекательные записи:

Похожие статьи, которые вам, наверника будут интересны: