содержание      ..     8      9      10      11     ..

Дельтапланы (Козьмин В. В., Кротов И. В.) - часть 10

Глава 10. ШАГ В ЗАВТРАШНИЙ ДЕНЬ?

Уменьшение угла стреловидности у современных дельтапланов до 30 и даже до 20 ° с одновременным ростом удлинения до 7 и даже 8, введение объемного крыла до 70, а на некоторых моделях и до 100 % по длине хорды, и плавающая поперечная балка, спрятанная в полости крыла,— таковы характерные особенности аппаратов пятого поколения, которые сейчас стали основными спортивными аппаратами ведущих спортсменов у нас в стране и за рубежом. Вводятся гибкие законцовки на концах боковых балок, улучшающие летные характеристики крыла.

По мнению опытных дельтапланеристов, в ближайшее время нужно ждать нового скачка в конструкции СЛА, который не только сравняет их с классическим планером по аэродинамическому качеству крыла и дальности полетов, но и вплотную приблизит человека к извечной мечте — летать как птица (рис. 70).

Балансирный планер Отто Лилиенталя, подаренный им Н. Е. Жуковскому (Москва, музей Н. Е. Жуковского)

В полете «Поиск-2», разработанный СКВ Московского института инженеров гражданской авиации

В 1935. году в Новочеркасске под руководством инженера С. Ченчиковского был создан аппарат с воздушным винтом от педального привода. Аппарат сам стартовать не мог, но во время обучения на нем планерным полетам дальность увеличивалась на 30 % за счет использования тяги винта. В 1938—1939 годах появляются мускулолеты в Италии и Германии, но они тоже не могли самостоятельно взлетать.

В 1966 году, т. е. чуть более 20 лет назад, И. К- Костенко, один из ведущих специалистов по аэродинамике и полетам на малых числах Рейнольдса, сделал математический анализ и показал, что СЛА с мускульным приводом летать не могут. Эти расчеты подтверждала тогдашняя практика.

Но вот проходят годы, и достижения в области таких наук, как материаловедение, возможность расчетов и математического анализа результатов на ЭВМ, принципиально новые подходы к проектированию общих видов СЛА, принципиально новые подходы в конструировании и технологии открыли широкие двери аппаратам, которые в 60-е годы были нереальны. И сегодня встречается немало трудностей, но это трудности создания реальных СЛА — сверхлегких летательных аппаратов.

Узлы конструкции дельтаплана «Атлас»:
а быстроразъемный узел на трапеции; б центральный узел; в носовой узел; г- боковой узел; д задний узел; е - установка антипикирующего устройства

Рис. 70. Первый проект мускулолета — чертежи Леонардо да Винчи

Появились материалы, которые, благодаря высоким удельным прочности и жесткости, позволили создать аппарат со значительно меньшим весом. А значит, теперь нужна меньшая подъемная сила. При равном аэродинамическом качестве лобовое сопротивление будет во столько раз меньше, по сколько уменьшится подъемная сила, а лобовое сопротивление уравновешивается тягой винта.

Тяга оказалась доступной для ее создания человеком средних физических возможностей.
 

Мускулолеты

Международная ассоциация по развитию средств передвижения, использующих му-скульную силу человека, поощряет создание и участие мускулолетов различного типа в конкурсах и соревнованиях на суше, на воде и в воздухе, не налагая каких-либо ограничений на их конструкцию. Человечество, в первую очередь, видит в таких аппаратах средство передвижения, незагрязняющее окружающую среду.

Из всех групп человеческих мускулов мускулы ног позволяют получить наибольшую отдачу при большой кратковременной нагрузке.

Круговое движение при вращении педалей, то есть велосипедного типа, остается на практике наиболее эффективным методом непрерывной передачи энергии от человека к машине. Велосипедист мирового класса может в течение нескольких секунд развивать

мощность около 2 л. с.

(1,472 кВт). В течение более продолжительного времени

(6 мин) он может развивать мощность не более 0,5 л. с. (0,368 кВт). Средний тренированный человек развивает мощность на крейсерском режиме не более 0,3 л. с. (0,221 кВт) (рис. 71).

Но и этого оказалось достаточно (рис. 72). При продолжительной работе — свыше 1 мин — преимущества педального привода теряются из-за ограничений, накладываемых возможностями кровеносной и дыхательной систем человека. Но этого времени достаточно для взлетного режима, набора высоты или выхода в восходящий поток.
На величину вырабатываемой мощности влияют многие факторы, в том числе высота сиденья, длина шатунов, а также физическое состояние пилота и его психологический настрой.

Из истории вопроса. Если не считать различных экзотических конструкций и «крылатых велосипедов», появившихся в начале нашего столетия, то всего в мире было построено около 60 летательных аппаратов с мускульным приводом. По аэродинамическим и конструктивным признакам все эти аппараты можно подразделить на три поколения (рис. 73).
 

Рис. 71. Мощность, развиваемая человеком при мускульном приводе в зависимости от физической подготовки и времени работы (1 кВт=1,3 л. с.)

Рис. 72. Ступени развития летательных аппаратов с мускульным приводом:

Рис. 73. Деление летательных аппаратов с мускульным приводом на три поколения, отражающее основные различия в конструкциях аппаратов:
а — первое поколение (аппараты имели внутренний ферменный деревянный каркас): б второе поколение (каркас из алюминиевых трубок); и — третье поколение (современные материалы, такие как углепластики, позволили использовать балочные конструкции)

Аппараты первого поколения заимствовали конструктивные

решения у планеров. Они могли летать только прямо и не более 1 км.

Аппараты второго поколения уже были управляемыми и могли долго держаться в воздухе благодаря физическим усилиям пилота.

Эти аппараты имели довольно необычные очертания, поскольку конструкторам удалось выйти за рамки привычных представлений. Эти аппараты были похожи на первые самолеты и дельтапланы 70-х годов. Они были громоздкими и хруп-кими, становились неуправляемыми даже при небольшом ветре. Они не получили распространения даже после нашумевшего перелета через Ла-Манш.

Аппараты третьего поколения предназначались для скоростных состязаний и поэтому по своим размерам значительно меньше. Внешне они несколько похожи на аппараты первого поколения, а также на свободнолетающие авиационные модели и даже модели некоторых ракетопланов.

Аппараты третьего поколения смогли появиться, так как они вобрали в себя лучшие достижения в области аэродинамики, методики конструирования, технологии и материаловедения, а также опыт, накопленный при расчетах и эксплуатации аппаратов второго поколения и авиационных моделей.

Поиски. Конструкторы му-скулолетов' всех трех поколений сталкивались с одной и той же проблемой — как снизить необходимую для полета мощность до уровня, доступного человеку. Если вспомнить о многочисленных исследованиях в этой области, то можно лишь удивляться, что до сих пор нет ответа на важный вопрос: следует ли пилоту

находиться в сидячем или в лежачем положении. При отсутствии точных физиологических данных выбор конструктивного решения определяется такими факторами, как динамика полета, используемые материалы и распределение массы.

Мощность, которой должен обладать мускулолет, равна
произведению его лобового сопротивления на скорость:

N=X*V.

Поэтому снизить требуемую мощность можно, создавая мускулолет с малым лобовым сопротивлением. Другой путь — эго уменьшение скорости полета.

Проблема уменьшения лобового сопротивления. Долгое время образцом аппаратов с малым лобовым сопротивлением служили планеры, поэтому естественно, что на них и были похожи первые летательные аппараты с мускульным приводом. Конструкторы стремились облегчить планер, снабдить его воздушным винтом, но не идти при этом на снижение аэродинамических характеристик. Детали каркаса и узлы крепления располагались внутри и были закрыты обшивкой. Сейчас мы понимаем, что с поставленной таким образом задачей существующая в то время технология и материаловедение справиться не могли. В результате появились аппараты тяжелые и с небольшими размерами. Малый размах крыла и относительно высокая скорость полета предъявляли такое требование в отношении мощности, которое оставляло пилоту мало возможностей для управления аппаратом.

Мы знаем из дозвуковой аэродинамики, что такую составляющую лобового сопротивления, как сопротивление трения, можно уменьшить за счет уменьшения площади по-верхности аппарата и в первую очередь площади крыла, выбора для него аэродинамически эффективной формы (снизив профильную составляющую лобового сопротивления). А для того, чтобы стало меньше индуктивное сопротивление, нужно увеличить размах крыльев и ограничить скорость полета. Мы сталкиваемся здесь с как будто бы взаимоисключающими тенденциями, хотя оба направления имеют теоретическое и практическое ограничения, которые не позволяют свести на нет влияние вредных факторов. Поэтому на аппаратах второго поколения, чтобы снизить потребную мощность, была поставлена задача снизить скорость.


Снижение скорости полета.

Выигрыш, достигаемый в планерах за счет снижения лобового сопротивления, был принесен в жертву ради конструкции с внешними расчалками и верхней мачтой, как у дельтапланов. Увеличение лобового сопротивления было компенсировано существенным увеличением размаха крыла и уменьшением массы аппарата. В результате потребная мощность уменьшилась за счет достигнутого снижения скорости до 16 км/ч.

Относительная малая скорость — это фактор, который усложняет конструирование аппарата с мускульным приводом с точки зрения принятых норм в большой авиации. Для мус-кулолетов с такой скоростью полета свойствен «необычный» аэродинамический режим, на котором летают лишь боль-шие птицы и авиамодели. С формальной точки зрения этот режим характеризуется относительно низким значением числа Рейнольдса. Обычные самолеты и планеры движутся при числах Рейнольдса от 2*100000 до 2 • 1000000. За время, прошедшее с первой мировой войны, эта область движения была хорошо изучена. Аппараты с мускульным приводом летают при числах Рейнольдса меньше 1 млн, а эта область движения изучена еще недостаточно, что очень хорошо ощущают авиамоделисты.
 

Выбор аэродинамического профиля. Малые числа Рейнольдса, а также необходимость иметь большой коэффициент подъемной силы, низкое лобовое сопротивление и небольшой момент тангажа вынудили конструкторов мускулоле-тов либо приспосабливать для своих аппаратов уже существующие аэродинамические профили, в том числе авиамодельные, либо разрабатывать новые. Целью является создание определенного распределения давления на поверхности крыла. Грубо говоря, в мускуло-летах могут использоваться два типа профилей — с задней нагрузкой и передней, когда большая часть аэродинамической нагрузки приходится в зависимости от выбранного профиля либо на заднюю, либо на переднюю часть крыла.

Типичный профиль крыла с задней нагрузкой обеспечивает большое аэродинамическое качество К = У/Х в широком диапазоне скоростей и углов атаки. Этот тип профиля хорош

для планеров, но не для му-скулолетов. Его основной недостаток — большой отрицательный момент тангажа. Правда, чем меньше размер аппарата, тем меньше сказывается этот недостаток. Так, в аппарате третьего поколения «Musculair» (ФРГ) был использован профиль с задней нагрузкой.

Профили с передней нагрузкой характеризуются большим отношением У/Х, а также наиболее высокими значениями мощностного параметра, но лишь в узком диапазоне скоростей и углов атаки (ламинарные профили). Из-за этих особенностей они непригодны для планеров и большинства самолетов, но идеально подходят для мускулолетов, диапазон скоростей которых вследствие ограниченной мощности невелик и летают они в узком диапазоне углов атаки. Кроме того, крылья с этими профилями имеют небольшой собственный момент тангажа, а значит, их можно сделать более легкими, так как у них получается меньший крутящий момент вдоль крыла, чем у крыльев с профилями задней нагрузки.

Движитель — это еще один ключевой элемент аппаратов с мускульным приводом. Воздушный винт остается наиболее эффективным средством для преобразования механической энергии, которая вырабатывается пилотом, крутящим педали, в тяговое усилие, необходимое для того, чтобы преодолеть аэродинамическое сопротивление аппарата. Можно представить себе и другие виды
движителей, например, машущие крылья или струю сжатого воздуха, но до сих пор все они оставались практически неосуществленными.

Любой движитель (за исключением ракетного) «входит» со скоростью летящего аппарата в воздух и отбрасывает его назад с большей скоростью. Воздушный винт создает за собой так называемую спутную струю. Машущие крылья с каждым взмахом отбрасывают назад некоторую массу воздуха.

В любом случае воздушный поток за аппаратом обладает кинетической энергией, которую передал ему движитель. Эта неиспользуемая энергия постепенно переходит в тепло. По мере возрастания скорости струи потери за счет уносимой ею энергии начинают преобладать над увеличением тяги. Возникает вопрос: нельзя ли создать движитель, который бы «входил» в большую массу воздуха и лишь незначительно ускорял ее? Например, воздушный винт большого диаметра или машущие крылья, имеющие большой размах? Использование сжатого воздуха заведомо непригодно в том диапазоне скоростей, который характерен для аппаратов с мускульным приводом, поскольку в этом случае скорость струи очень велика.

Хотя теоретически машущие крылья могут быть весьма эффективным движителем, они не нашли применения в аппаратах, приводимых в движение человеком или перевозящих пассажиров. Такое крыло долж-но обладать способностью скручиваться вдоль оси — в одном направлении во время маха вниз и в другом во время маха вверх. Птицы справляются с этим прекрасно, но в механическом аппарате сочетать машущие движения со скручивающими сложно, и тем сложнее, чем больше размер аппарата. По этой причине в аппаратах с мускульным приводом воздушный винт в настоящее время остается единственным практически используемым движителем.

Невозможно достичь максимальной эффективности движителя лишь за счет увеличения диаметра воздушного винта. Большой воздушный винт дает прибавку в весе, чего конструкторы всегда пытаются избежать. Кроме того, концы лопастей большого воздушного винта могут задевать землю при взлете и посадке. По этим причинам конструкторы вынуждены искать способ уменьшить паразитную кинетическую энергию в спутной струе за воздушным винтом, особенно тщательно следя за распределением нагрузки на лопастях. Трение воздуха о лопасти также влияет на выбор конструкции воздушного винта. Большие оптимально сконструированные воздушные винты на летательных аппаратах с мускульным приводом могут иметь КПД до 90 %.

Возможно, что дальнейшее развитие материаловедения и кинематики механических систем позволят получить в качестве движителя для мускуло-летов и машущее крыло. Но
этот полет требует, как минимум, двух движений крыла — вверх и вниз и вращения вокруг продольной оси крыла. Обнадеживает то обстоятельство, что существуют автоматы перекоса лопастей вертолетов. Разработкой аппаратов машущего полета в нашей стране занимались Б. Черановский, И. Виноградов, С. Топтыгин, М. Ляхов и другие достаточно известные конструкторы. Их опыт в будущем смогут использовать новые последователи.



Сверхлегкий летательный аппарат с фотоэлектрической силовой установкой

Аппараты с фотоэлектрическими силовыми установками (солнечными батареями), как и мускулолеты, не загрязняют окружающую среду. Фотоэлектрические генераторы — солнечные батареи, нашедшие широкое применение на космических аппаратах и автоматических метеостанциях, стали в последние годы потенциальными источниками энергии силовых установок СЛА, дирижаблей и других летательных аппаратов.

Первые летательные аппараты с силовыми установками на солнечной энергии появились в конце 70-х годов. В основе их конструкций лежали усовершенствованные различные планерные схемы (табл. 9 и 10).
 

Таблица 9

Легкие летательные аппараты с фотоэлектрической силовой установкой

Аппарат «С о л а р Чел-л е н д ж е р» сконструирован без растяжек, которые бы затеняли солнечные батареи. Стабилизатор с рулями высоты имеет большую площадь и слу-жит также, как крыло, платформой для размещения солнечных элементов. Профиль Лиссемэн-Хиббс 8025 обеспечивает крылу за линией 0,15 хорды плоскую поверхность для одинаковой ориентации солнечных элементов относительно Солнца. Слегка выпуклая нижняя поверхность способствует ламинаризации обтекания, то есть поставлен профиль обратной кривизны

Примечание. Аппарат «Солэр 1» имеет аккумулятор, необходимый для взлета, который подзаряжается в полете.

Таблица 10

Технические характеристики аппаратов с фотоэлектрической силовой установкой

 Воз-можно и другое конструктивное решение. Элементы солнечной батареи располагаются на плоскости, а аэродинамическую кривизну верхней поверхности крыла образует прозрачная несущая обшивка.

Верхняя поверхность стабилизатора составляет еще большую плоскую часть, чем у крыла, благодаря профилю Лиссемэн-Хиббс 8230 (рис. 74).

Крыло спроектировано из условия безотрывного турбулентного обтекания при коэффициенте подъемной силы Су= 1, а при летных испытаниях достигалась величина Су=1,6. Поскольку аэродинамическое качество аппарата 13,5, пилот
располагает значительной свободой в выборе места посадки в случае неполадок с силовой установкой.

Двухлопастный воздушный винт изменяемого шага имеет профиль лопастей Эпплер 193 и обеспечивает КПД винта,

равный 86 %. Шаг воздушного винта может изменяться от 2,13 до флюгерного.

Рис. 74. Аппарат «Челленджер» с фотоэлектрической силовой установкой:
1—вид спереди; 2 — расположение панелей солнечных батарей; 3 — аэродинамические профили обратной кривизны крыла и стабилизаторы

На аппарате установлен электродвигатель со сдвоенным якорем. Постоянные магниты электродвигателя выполнены из сплава кобальта и самария. Привод на винт осуществляется от двухступенчатого редуктора (первая ступень— ременная с зубчатыми колесами, вторая—цепная). Общее понижающее передаточное число редуктора равно 23, частота вращения воздушного винта диаметром 3,35 м составляет 320 с-1. Диаметр
электродвигателя 76 мм, длина 330 мм, номинальная частота вращения 7000 с-1, мощность
4,5 кВт, масса двигателя с редуктором 6,8 кг.

Оптимальный шаг воздушного винта зависит от высоты солнца, ориентации поверхности солнечных батарей, интенсивности солнечного излучения, температуры окружающего воздуха и скорости полета. Кабина оборудована высотомером, указателем воздушной скорости, амперметром, ваттметром, магнитным компасом и аварийным радиомаяком. Для высотных полетов, а с подъемом на высоту эффективность работы солнечных элементов увеличивается (рис. 75), пилот снабжается кислородной маской.

Такого типа высотные летательные аппараты могут найти применение в качестве радиорелейных станций, для картографирования, связных и разведывательных операций, наблюдения за посевами, лесными

пожарами и т. д.

Значительные перспективы открывают дальнейшее совершенствование солнечных элементов и технологии их установки на обшивке аппарата.


Новая конструкция солнечного элемента. Сторонники использования солнечной энергии давно пытаются найти такой экономически эффективный способ преобразования солнечного света в электроэнергию, который позволил бы получать ее в количестве, достаточном для питания бортовых источников летательных аппаратов. До сих пор все попытки реализовать эту идею оказывались тщетными из-за высокой стоимости и низкого КПД имеющихся фотоэлектрических, или солнечных, элементов. Предложен новый метод преобразования солнечной энергии, который по эффективности превосходит все известные ранее. Это достижение является существенным шагом вперед на пути к экономическому получению электроэнергии с помощью солнечных батарей.

Солнечные элементы делаются из полупроводниковых материалов, таких, как кристаллический кремний, в котором под действием света определенной энергии электроны утрачивают свои связи с атомами в кристаллической решетке и становятся свободными. Свободные электроны могут перемещаться в толще кремния, оставляя на покинутых местах «дырки» (незаполненные электронные уровни).

Путем «вкрапления» атомов других элементов в кристаллическую структуру кремния (процесс, называемый легированием) можно получить полупроводник либо с электронной проводимостью, либо с дырочной (в первом случае он называется полупроводником n-типа, во втором р-типа). Заряды, возникающие под действием фотонов на границе двух слоев полупроводника п-типа и p-типа, разделяются: электроны диффундируют в слой /г-типа, а дырки — в слой р-типа.

Рис. 75. Аппарат с фотоэлектрической силовой установкой «Солэр 1»

Создающийся в результате направленного движения зарядов электрический ток можно отвести, если к внешним поверхностям этой двухслойной структуры подсоединить проводники. К сожалению, поскольку в обычном солнечном элементе эти проводники «зак-рывают» поверхность полупроводника, какая-то часть света неизбежно блокируется и не падает на поверхность. Кроме того, присутствие атомов легирующих элементов в областях кремния, расположенных непосредственно вблизи тех мест, где подсоединены отводящие ток проводники, приводит к тому, что свободные электроны рекомбинируют с «дырками», и в результате электрический ток уменьшается. Это явление дополнительно снижает КПД солнечных элементов.

Теперь удалось уменьшить потери, обусловленные как первой, так и второй причинами, путем легирования крошечных областей с внутренней стороны слоя диоксида кремния. Тонкие нити осажденного алюминия выполняют роль токосъемников на крошечных п-

и p-областях. Такая необычная конструкция исключает «загораживание» падающего на внешнюю поверхность солнечного света и сводит к минимуму размер областей, подвергаемых легированию. В результате у такого солнечного элемента КПД достигает
27,5 % (при освещении направленным светом).

Новые солнечные элементы создают реальные возможности для появления моторных дельтапланов или мотопланеров с электрическими двигателями, что особенно важно с точки зрения защиты окружающей среды.

Выбор электрического двигателя. Существует три схемы электродвигателя постоянного
тока: с параллельным включением обмотки возбуждения — шунтовые, с последовательным включением обмотки возбуждения — сериесные и со смешанным возбуждением — ком-паундные.

Двигатель с последовательным возбуждением имеет «мягкую» характеристику с большими начальными моментами. Это делает его незаметным при раскрутке воздушного винта. Пусковые токи при запуске этого двигателя меньше, чем у двигателя с параллельным возбуждением. Эти токи не превосходят трехкратного номинального тока.
 

Двигатели со смешанным возбужде-ни ем могут быть с прямым и противоположным включением обмоток возбуждения.

Двигатели с прямым включением обмоток обладают характеристиками промежуточного вида. Двигатели с противоположным включением обмоток возбуждения могут обеспечить строго постоянное или даже нарастающее с повышением нагрузки число оборотов. Большие перспективы открывает возможность использования сверхпроводимости в электрических двигателях. При этом площадь и необходимая мощность панелей солнечных батарей за счет падения электрического сопротивления резко сократятся.
Проектирование CЛA с применением ЭВМ. Аппараты с фотоэлектрической силовой установкой, а также мускулолеты и авиамодели должны иметь оптимальные аэродинамические характеристики при числах Рейнольдса, равных 105 или меньших. С помощью метода синтеза на ЭВМ уже разрабатываются аэродинамические профили и воздушные винты для применения при малых числах Re.

Рис. 77. Проект высотного аппарата с панелями солнечных батарей, совмещенных с крылом (аппарат выполнен по схеме «летающее крыло», очертания которого близки к планерам Б. И. Черановского)

Особенностью компоновки создаваемых ныне аппаратов (рис. 76 и 77) являются большие поверхности аэродинамических шайб на концах крыла, которые для планерной посадки

отклоняются в горизонтальное положение, увеличивая площадь крыла. В то же время их поверхности покрыты солнечными батареями для полетов с боковым освещением.

Между сверхлегкими летательными аппаратами — дельтапланом (планером или моторным), мускулолетом и аппаратом с фотоэлектрической силовой установкой — есть много общего. Поэтому не исключается, что опыт разработок всех трех (или четырех) направлений создаст синтез, на базе которого будут созданы аппараты нового поколения.
Их проектирование потребует составления программ для ЭВМ, применения новейших материалов и технологий, а при конструировании придется отказаться от традиционных представлений, на которых базировалась авиация нынешнего столетия.

Трудно предсказывать, создадут ли эти аппараты новый вид спорта или же они захватят высоты между потолком полетов современной авиации и нижним пределом траектории искусственных спутников Земли.

содержание      ..     8      9      10      11     ..