Винтоплан

Опубликовано в журнале "Левша" №10 2013г (приложение к журналу "Юный Техник").
Самое ценное свойство вертолёта – взлетать и садиться вертикально. Но эти свойства дались конструкторам не так то легко. И это потому, что в полёте вертолёта на него действует множество сил, которые не так то просто уравновесить, демпфировать, компенсировать и тем более, стабилизировать полёт. И даже уже когда конструкторы решили все основные задачи по стабилизации полёта вертолёта, всё же случается наблюдать многочисленные аварии моделей вертолётов, казалось бы, на «пустом» месте. Причиной тому, как правило, является, выход аппарата на режимы полёта, в которых нет автоматической стабилизации (закритические режимы), а … пилот в модели тоже отсутствует, который и мог бы вернуть вертолёт в устойчивое состояние, но, за неимением последнего …авария. В данной статье предлагается для внимания модель летательного аппарата, который хоть и является вертолётом, но имеет схему стабилизации полёта по самолётному типу. Собственно, это не совсем вертолёт, ибо он только в режиме взлёта (на этом участке полёта) является таковым (подъёмная сила образуется при вращении винтов за счет энергии, запасённой в скрученном жгуте резиномотора). После взлёта, когда полностью раскрутится резиномотор, аппарат продолжает полёт по инерции – в этом случае подъёмная сила также создаётся несущими винтами, но раскручиваются они уже от набегающего потока воздуха – здесь работает потенциальная энергия, запасённая моделью в высоте (за счет снижения аппарата). Модель в данном случае планирует в режиме авторотации как автожир, но его и автожиром назвать нельзя, так как автожир имеет толкающий (либо тянущий) вспомогательный винт, который в данном случае отсутствует. Нельзя этот аппарат назвать и винтокрылом, так у него нет крыльев, хотя и есть винты. Ну и самолётом тоже его не назовёшь (в классическом понимании этого термина) – имеется самолётный хвост, стабилизация полёта осуществляется по самолётному, но вот крылья то отсутствуют. Поэтому я и назвал его винтопланом – аппаратом, планирующем при помощи винтов … по самолётному.
Общий вид винтоплана показан на рисунке №1. Он имеет два несущих винта, два резиномотора, находящихся в трубчатых корпусах, установленных на силовой поперечной траверсе. Фюзеляж винтоплана имеет эллипсоидную форму (вид сбоку), в передней части которого находится балластный отсек. Хвостовое оперение (скошенный назад киль и стабилизатор стреловидной формы в плане, закреплённый сверху киля) установлено на хвостовой балке, выполненной из двух реек. Балка сильно скошена по отношению к горизонтали. Такое решение позволило вывести стабилизатор из зоны скошенного набегающего потока от несущих винтов, что благоприятно сказалось на общей стабильности полёта, а также обезопасило хвостовое оперение при посадке – при подлёте к поверхности земли начинает действовать экран подстилающей поверхности, винтоплан переходит на большие углы атаки, нос при этом задирается, а хвост, естественно, опускается (высокое расположение хвостового оперения предотвращает касание им земли при посадке). Шасси применено трёхколёсное – два основных колеса (именно ими происходит касание в первую очередь о поверхность при посадке) расположены по краям несущей траверсы и третье опорное носовое.
В полёте стабилизация винтоплана происходит в трёх плоскостях.
Поперечная устойчивость: на рисунке №2 показан вид модели спереди в установившемся воздушном потоке. В этом случае тяги винтов равны по величине и направлены внутрь (друг к другу – Yл и Yп). Если их разложить по правилу параллелограмма, то можно увидеть, что часть тяги каждого винта (Y1, Y2 – это, собственно, и есть подъёмная сила) компенсирует вес аппарата (каждый винт - его половину, естественно), а другая часть (векторы Z1и Z2) направлены навстречу друг другу, они равны по величине, но противоположны по направлению, а, значит, компенсируют друг друга – винтоплан находится в установившемся равновесии. Теперь представим себе, что на модель воздействовал возмущающий импульс (боковой порыв ветра – смотрим рисунок №3). Этот импульс наклоняет модель. Вышеназванные силы при этом изменяют свои величины. Так Yп по величине увеличивается, приближаясь к Y1, а Y2 уменьшается (Z2 при этом увеличивается). Изменившееся отношение сил Y1 и Y2 заставляет выравниваться аппарат, а Z2 создаёт скольжение в сторону опущенного винта, ускоряя вышеназванный процесс стабилизации. В результате, таким образом, горизонтальное положение траверсы вертоплана восстанавливается.
Продольная устойчивость (по тангажу): смотри рисунок №5. Тяга винта R направлена по оси резиномотора вверх. Но, так как, эта ось наклонена вперёд к вертикали под углом в один градус (специальное конструктивное решение – собственно, наклонено на 1 градус к линии горизонтали квадратное отверстие в фюзеляже, через которое проходит несущая траверса, ну и, что естественно, корпусы резиномоторов вместе с ней тоже), то она согласно правилам параллелограмма раскладывается на две составляющие – подъёмную силу Y и силу P, создающую импульс, заставляющий двигаться модель вперёд (по аналогии с тягой в самолёте). Подъёмная сила Y приложена на некотором плече от центра тяжести – несколько позади его, в точке давления несущих поверхностей (в данном случае – винтов, хотя термин «точка давления» присущ самолётным несущим поверхностям). Эта сила создаёт некоторый пикирующий момент относительно центра тяжести. Наряду с этим на модель относительно центра тяжести действует и ещё одна сила –Yст (отрицательный момент стабилизатора – он возникает из-за отрицательного угла установки стабилизатора -1…-2 градуса по отношению к горизонтали фюзеляжа – показана на рис.5 штрихпунктирной линией) – эта сила приложена в центре давления стабилизатора и направлена вниз. И хотя эта сила (-Yст) мала по величине (много меньше подъёмной силы Y), но зато она имеет гораздо большее плечо на котором действует, чем подъёмная сила, поэтому в установившемся полёте моменты этих сил равны и компенсируют друг друга. В случае воздействия на модель возмущающего импульса (порыв ветра) силы Y и -Yст изменятся по величине (уменьшатся при пикирующем моменте возмущающего воздействия и увеличатся при кабрирующем), но так как вторая сила действует на гораздо большем плече, то возникнет момент, возвращающий модель в первоначальное равновесие. При сильном возмущении, направленном на кабрирование, сила –Yст может принять даже положительное значение (из-за увеличившегося угла атаки стабилизатора – при пикирующем возмущающем импульсе она усиливается в отрицательном, нижнем направлении). Так происходит стабилизация аппарата в продольной плоскости (по тангажу).
Путевая устойчивость: её обеспечивает киль большой площади. Его работа происходит чисто по самолётной схеме. При возникновении бокового возмущающего импульса, на плоскости киля при косом его обтекании появляется сила, возвращающая модель на прежний курс - после прекращения действия возмущающего импульса, модель продолжает по инерции двигаться навстречу набегающему потоку, но так как она повёрнута к нему под некоторым углом (по причине действия возмущающего импульса), то на киль (на одну из его сторон), как на флюгер, набегающий поток давит с определённой силой, заставляя повернуться модель по направлению движения (в прежнее до возмущающего импульса положение).
Благоприятно на стабилизацию полёта аппарата сказывается и выбранное встречное движение винтов (симметричное, что приводит к компенсации крутящих моментов винтов) – левый (если смотреть по полёту) вращается по часовой схеме, правый – против часовой. Такое направление вращения использовано и ещё по другой причине. Дело в том, что идущие потоки от обоих винтов взаимодействуют между собой, отбрасывая поток воздуха к хвостовому оперению (по такому же принципу работает шестерёнчатый масляный насос). Это не только повышает эффективность оперения, но и появляется дополнительная сила, двигающая модель вперёд. Тут сказывается эффект экрана (каждый винт является экраном для другого). В противоположных наружных сторонах такого экрана нет, поэтому, хотя наружные лопасти и движутся вперёд по полёту с большей скоростью (относительно воздушного потока) чем внутренние, всё же результирующая величина силы от экранного эффекта получается большей – эта реактивная сила дополнительно создаёт импульс движения вперёд. Действие этого эффекта наглядно проявляется в применении на летательных аппаратах такого элемента, как кольцо вокруг винта типа импеллер (аналогия) - повышается КПД винта (в данном случае КПД повышается только с внутренней стороны винтов).
На рис.4 показан вид винтоплана сверху, на рисунке 5 вид сбоку, на рисунке 7 спереди. Фюзеляж выпилен из фанеры толщиной 3мм. Две боковые щёчки из такой же фанеры образуют балластный отсек, в который засыпают свинцовую дробь при регулировке полёта модели (таким образом смещают расположение центра тяжести). В фюзеляже пропилен полукруглый паз под носовое колесо. Колесо крепится болтом с резьбой М3, пропущенным через отверстия в щёчках. Оно выточено из фторопласта (можно изготовить его и из другого вида пластмассы, в том числе и из фанеры). Щёчки склеены с основной пластиной фюзеляжа клеем «Супер момент». Хвостовые балки – сосновые рейки сечением 8х3мм. Траверса, несущая резиномоторы и шасси – сосновая рейка сечением 10х6мм укреплена дополнительными сухариками треугольной формы, выполненными из сосны (всё проклеить). Вместе с рейками хвостовой балки она образует жесткий силовой узел. Киль и стабилизатор выполнены из реек бальзы (подойдёт и липа, и сосна). Нервюры стабилизатора изготовлены из бальзы (см. рис. 6). Центральные части планок стабилизатора усилены фанерными (1мм) стреловидными накладками. Киль и стабилизатор обклеены калькой, после просушки клея обшивку следует опрыскать водой из пульверизатора, дать просохнуть под лучами солнца (обшивка при этом натягивается) и затем покрыть прозрачным лаком. Киль вставляется между реек хвостовой балки и закрепляется клеем, а также нитками в один ряд с обеих сторон с последующей промазкой клеем сверху. Стабилизатор надевается щелью, образованной близлежащими центральными нервюрами, на верхнюю часть киля и скрепляется с ним синтетическим клеем (марка указана выше по тексту). Конструкция стойки шасси показана на рисунке №8. Стойка выпилена из фанеры толщиной 3мм. Их туго (с натягом) насаживают на несущую траверсу после установки на место резиномоторов (проклеивать их не следует с целью обеспечения возможности лёгкого доступа к резиномоторам при их возможных поломках). Оси колёс – болтики с резьбой М3 – закреплены на стойке двумя гайками М3. В качестве основных колёс использованы колёса от детских игрушек – пустотелые пластмассовые, можно в качестве таковых использовать и диски, выпиленные из фанеры или лёгких (непременно лёгких!) пород дерева (на внешние обводы дисков таких колёс можно натянуть кольцевые отрезки резины, вырезанные из велосипедных камер). Корпуса резиномоторов изготовлены из ватмана – три слоя проклеить между собой на деревянной болванке подходящего диаметра, после просушки покрыть лаком. Можно их изготовить и из тонкостенной пластмассовой трубки (что ещё лучше!) с внешним диаметром 36мм. В нижней части цилиндров вырезаются прямоугольные отверстия для прохода несущей траверсы (за траверсу цепляют и жгут резиномотора, вырезав в ней небольшое полукруглое углубление снизу под корпусом мотора, чтобы жгут не смещался при работе). Прямоугольные отверстия для прохода траверсы смещены по высоте относительно друг друга с целью обеспечения наклона оси резиномотора к вертикали (внутрь) на два градуса (смотри рис.7). В качестве резиномотора использован жгут от авиационных резиномоторных моделей. Лопасти винта изготовлены из трёхслойной фанеры, толщиной 1мм. Каждая лопасть у комля укреплена для жесткости полоской ватмана (на клею). Возможно изготовление лопастей и из бальзы, либо липы, сосны (толщина пластин 1мм – смотри рис. 11). Центральная крестовина винта (рис.9) изготовлена из сосны или фанеры толщиной 4мм. В боковых отростках пропилены наклонные пазы (1мм), в которые вставляются лопасти (на клей), сверху комли лопастей (по отросткам крестовины) дополнительно обматываются одним слоем ниток и тщательно проклеиваются (см. рис.10). В верхней части корпуса резиномотора укреплена (на клей) деревянная бобышка 4 (сосна – смотри рисунки 12 и 13), через которую проходит втулка оси винта (7). Она вставлена в бобышку (4). Через втулку проходит ось винта 2 (железная проволока диаметром 3мм) – в верхней части оси нарезана резьба М3, нижняя изогнута в виде крючка под резиновый жгут (15). На этой трубке (в верхней её части) вращается крестовина винта (3). Сама трубка крепится к бобышке двумя гайками М5 (8, 9), для чего на внешней части трубки нарезана соответствующая резьба. В верхней части трубки имеется фланец, в который упирается центральная крестовина винта (см. рис. 10) при полёте в режиме авторотации. В верхней части винта имеется яйцеобразная бобышка (кок – деталь 1), через которую проходит ось винта (2). В ней помещена пружина 12 в специально проделанном цилиндрической углублении и жестко укреплены два железных штифта (13, 14). Вторые концы штифтов входят в пазы, проделанные в центральной крестовине (3). При скрученном жгуте резиномотра (см. рис.12) его сила натяжения сжимает пружину (деталь 12), заставляя кок сцепиться с крестовиной своими штифтами. После того, как резиномотор раскрутится (модель взлетит на максимально возможную высоту – смотри рисунок 13), натяжение жгута ослабнет, пружина (12) отведёт кок вверх, штифты 13, 14 выйдут из своих пазов, позволив, тем самым, винту свободно вращаться (по инерции и под напором встречного воздушного потока), который будет упираться во фланец втулки (7). Ось винта и кок скреплены двумя гайками М3 (10, 11). Кок выточен из бруска сосны (возможно и применение пластмассы).
Регулировку прямолинейности полёта винтоплана начинают в режиме планирования (авторотация). Это желательно делать при небольшом ветре 3…4 м/с. Резиномоторы в данном случае не используют. Подсыпая дробь в балластный носовой отсек, добиваются того, чтобы центр тяжести находился впереди линии резиномотора примерно на 31мм (смотри рис.5). Слегка поднимают нос аппарата, держа его за фюзеляж, на встречу ветру и дают винтам максимально раскрутиться, после чего рывком посылают его вперед (параллельно земле на ветер). Путём изменения количества балласта, добиваются устойчивого полёта в режиме планирования (без периодического кабрирования или затягивающего пикирования). Если части винтоплана выполнены с высокой долей симметрии, то поперечная и путевая устойчивости получаются достаточные и в дополнительных регулировках не нуждаются. Только после этого модель можно запускать с использованием резиномоторов. При накрутке резиновых жгутов следует помнить, что винты должны вращаться в разные стороны (навстречу друг другу), поэтому левый (если смотреть по полёту) накручивают против часовой стрелки, а правый по часовой. Любые другие варианты неприемлемы, ибо сразу возникнет сильный опрокидывающий момент (при неправильной накрутке одного из резиномоторв), либо подъёмная сила будет иметь отрицательный знак (при неправильной накрутке обоих резиномоторов). В любом случае из описанных выше, поломка модели обеспечена. При «заводе» резиномоторов следует также следить за количеством накручиваемых оборотов – в обоих резиномоторах их количество должно быть одинаковым. Модель с заведёнными резиномоторами (левой рукой удерживают за лопасти обоих винтов (за те, что ближе к фюзеляжу), а правой рукой удерживая фюзеляж, дают обеими руками импульс вперёд-вверх (под 45 градусов к горизонту). Модель в начале полёта наклоняет нос к земле, так как скорость ещё мала и стабилизатор малоэффективен (его кабрирующего момента на такой скорости не хватает для компенсации пикирующего момента винтов). Величина силы Р (см. рис.5) при этом резко возрастает (помним правило параллелограмма), горизонтальная скорость быстро нарастает, увеличивается кабрирующий момент стабилизатора и модель выравнивается. В реальном полёте модель данного типа набирала в высоту несколько метров и пролетала до десяти метров в длину.
05.09.2013г. Рубцов В.П. UN7BV. Астана, Казахстан.