Тренер для активных... планеристов

Вступление

Звучит красиво, не так ли? И не менее красиво выглядит. Парящий в абсолютной тишине планер, плавные развороты, минуты и минуты полёта. Даже если и есть мотор - то он нужен только для того, чтобы вывести планер на необходимую высоту, а потом - парить. Да, всё это прекрасно, но... Как всегда, существует маленькое "но", которое способно отравить нам жизнь. Чем дольше летаешь на планерах, тем меньше обращаешь внимание на такие вещи, как полёт в зоне (Планер? Зона? Какой идиот намерен искать термики в зоне?!), управление скоростью, манёвры, построение посадочной "коробочки" и многое другое. Одним словом - в устрашающем темпе теряются навыки пилотирования быстрой, маневренной модели. А это уже может быть откровенно опасным для окружения - всякое в жизни случается.

Итак, решено! Необходимо иметь модель, которая позволит поддерживать на нужном уровне умение пилотирования. Её нет? Будет, я её построю немедленно!

Техническое задание и выбор концепции

Проектирование каждого летательного аппарата, реального или модели, начинается с технического задания. Не стоит изобретать колесо - всегда важно знать, что именно будем строить в каждом конкретном случае. Итак:

• модель должна быть скоростной
• модель должна быть маневренной
• модель должна быть в состоянии выполнить элементарные фигуры пилотажа
• модель НЕ должна быть самолётом, предназначенным исключительно для пилотажа либо так модного ныне 3D...
• модель должна быть относительно небольшой в размерах
• модель должна иметь низкую нагрузку на крыло
• модель должна быть максимально простой и технологичной
• модель должна быть максимально недорогой

Вроде бы всё. Или я что-то пропустил? Смотрим ещё раз.

Скорость, маневренность и элементарный пилотаж позволят восстановить навыки управления, поправят рефлекс. Но меня не интересует самолёт-пилотажка. То есть абсолютно не интересует. Все эти бесконечные разговоры о каком-то "висении" (пусть мне расскажут - зачем это нужно? Или это очередная мода?), snap roll, torque roll... Никогда не увлекался пилотажем и далее не намерен.

Небольшие размеры модели позволят перевозить её в компактном виде (собранную или разобранную) в небольшом автомобиле. Кроме того, такая модель занимает мало места на стеллаже, да и пыли меньше на неё садится...

Низкая нагрузка на крыло позволит стартовать с руки без осложнений, облегчит посадку на ограниченной площадке, упростит управление и снизит скорость сваливания.

Простота, дешевизна и технологичность. Ну нет у меня желания сидеть в мастерской два месяца. Хочу быстро построить и пойти летать. И не вкладывать неизвестно какие суммы в то, что в конечном итоге закончит свою жизнь как кучка щепок на камнях. Что получается - строю гоночную модель - что-то приближённое к F5D, или хотя бы отдалённо такую модель напоминающее.

Технологические требования и компоновка

С концепцией определились. Переходим к компоновочным и техническо-технологическим требованиям. Чем я располагаю, из каких материалов будет строиться модель? Как она будет выглядеть? Какой мотор и батареи будут установлены?

Итак: свободнонесущий моноплан нормальной аэродинамической схемы с верхним расположением крыла. Отсутствие каких либо взлётно-посадочных приспособлений. Доступ к внутрифюзеляжному пространству после снятия крыла. Хвостовое оперение - Т-образное. Планер модели - цельнодеревянный, основным конструкционным материалом будет бальза. Крыло - неразъёмное, лонжеронной КСС с работающей обшивкой. Фюзеляж - полумонокок, без выделенных силовых элементов.

А теперь всё то же, но нормальным языком. Почему моноплан - понятно, я до сих пор не встречал скоростных бипланов или других многокрылых аппаратов. Нормальная аэродинамическая схема подразумевает мотор с пропеллером спереди, за ним крыло, потом хвостовая балка, оперение. В общем - самолёт, к которому все привыкли. Верхнее расположение крыла радикально упрощает конструкцию фюзеляжа и облегчает доступ к его внутреннему пространству. Удобно менять батареи, монтировать оборудование, да и строить проще. Шасси нам ни к чему, сажать придётся на неприспособленные площадки, а стартовать с руки. Т-образное оперение менее подвержено поломкам при посадках без шасси на каменистые площадки в горах. Ну и как стильно выглядит! Планер - цельнодеревянный по ряду простых причин. Бальза - относительно недорогой, доступный и простой в работе материал. В условиях моей домашней мастерской проще всего строить из бальзы. Крыло буду делать наборное - сам не имею возможности вырезать сердечник крыла из пенопласта, а попросить кого-либо довольно проблематично. Один лонжерон поставлю в точке максимальной толщины профиля. Сплошная работающая обшивка всего крыла опять-таки из бальзового шпона. Жесткость, точность соблюдения профиля - это плюсы такой конструкции. Сложность в постройке - самый большой минус.

С фюзеляжем точно такая же история. Сложная форма предполагает стекло-угле-композитные конструкции либо скорлупы, гнутые из шпона. Долго, дорого и сложно в тех условиях, которыми располагаю. Поэтому построю простую коробочку с небольшими скруглениями в углах. В первом приближении готово, можно переходить к расчётам.

Расчёт планера

Для начала определимся с максимальным весом модели и удельной нагрузкой. Что имеем?

Весьма немало. Если задаться малой удельной нагрузкой - планер придётся строить очень лёгким, что не упрощает задачи. Положим на планер 200 г, пока. Расчётный вес модели получается 641 г. Начнём строить, а там видно будет. Какую удельную нагрузку принять? Думаю, что-то в границах 32-35 г/кв.дм. По своему опыту знаю, что с такой нагрузкой относительно несложно летать.

Начнём расчёты. Естественно, все базовые калькуляции сведены в несколько таблиц. Выделенные красным поля - это те величины, которые я изменяю при расчётах, все остальные значения с ними связаны и изменяются автоматически. Как видно, я оперирую только семью значениями: вес модели, удельная нагрузка, отношение площадей крыла и горизонтального оперения, удлинение крыла, удлинение оперения, коэффициентом сужения крыла и оперения, коэффициентом статической устойчивости. Просто и быстро. Для многих эта упрощённая методика может выглядеть знакомо, не так ли? Да, это Мерзликин...

Результаты правой колонки принимаем как исходные данные для дальнейших расчётов и переходим к следующей таблице.

Здесь уже немного сложнее. Рассчитываем числа Re для ряда предполагаемых скоростей, моменты горизонтального и вертикального оперения, некоторые нагрузки.

Результаты расчетов:

Немного пояснений к приведенным расчётам. Все величины представлены в империальной системе. Первые три таблицы - это ничего более, чем простой расчёт площадей, длин и прочих геометрических характеристик крыла и оперения. Для их заполнения неплохо выполнить эскиз модели, откуда проще всего взять необходимые данные. Ну а эскиз выполняю, базируясь на данных самой первой таблицы.

Таблица 5 - это уже расчёты стабильности модели, моментов горизонтального и вертикального оперения и иных связанных параметров. Данные для части расчётов берём из таблицы 6. Наверное, не сумею достаточно подробно изложить всю теорию, скрытую "за", поэтому всем заинтересованным более детальным описанием использованных приложений предлагаю самостоятельно с ними ознакомиться на: http://www.geocities.com/jebbushell/COOKBOOK.htm.

Так будет выглядеть расчитанное крыло в плане. Небольшая обратная стреловидность теоретически поправит характеристики модели при полёте на скоростях, близких к скорости сваливания. Улучшит управляемость, сделает сваливание не таким резким. Но это теория, как будет в практике - посмотрим. Довольно давно не утихают споры о преимуществах и недостатках крыльев обратной стреловидности. Как обычно, нет однозначных положительных либо отрицательных результатов. Но всегда можно проверить это на собственном опыте.

А здесь - распределение подъёмной силы по размаху:

Довольно сильно отклонено от идеального эллипса, но что делать... Простота требует жертв! Чтобы добиться идеального эллипсоидального распределения подъёмной силы, нужно долго работать над подбором формы крыла в плане, углами атаки, выбором профиля крыла в корне и на законцовке...

Теперь - распределение коэффициента подъёмной силы по размаху

Да уж... Устойчивой эта модель не будет никогда. И лёгкой в пилотировании тоже. Быстрое и резкое сваливание на крыло гарантировано. Почему? Cl, или же коэффициент подъёмной силы, можно принять как определение, насколько "тяжело" работает данный профиль. Плоский график распределения Cl предполагает одинаково нагруженное крыло в каждой его точке по размаху. Срыв потока наступит в первую очередь в точке наивысшей нагрузки (где тонко, там и рвётся...). Рассматривая распределение Cl, видим, что не все части крыла работают одинаково. В моём случае ясно, что ближе к законцовке нагрузка растёт, значит, и срыв будет наступать в первую очередь именно там. И естественно - резкое уменьшение подъёмной силы и сваливание на крыло. Конечно, есть и положительные стороны, такие как большая маневренность по крену и другие. Но в конце концов, я не строю устойчивый самолёт, скорее наоборот - неустойчивый в самом заложении. Кроме того, принятый коэффициент статической устойчивости (0,45) предопределяет некоторую резкость при манёврах в горизонтальной плоскости. Пора определиться с профилем крыла.

Довольно часто в гоночных моделях используют профили серии MH (Martin Hepperle, разрабатывал профили для Team LOGO), HD (Hannes Delago, разрабатывал профили для Team ARIANE). Разработаны специально для гонок F5D, имеют великолепные характеристики и абсолютно не годятся для наборных крыльев. Даже если это крыло с жёсткой обшивкой. Поищем нечто близкое, но попроще. Как, например S6061 или же S6062. Правда, второй слишком уж тонковат, будут проблемы с прочностью. Поэтому остановимся на S6061.

Отличий не так уж много, на первый взляд, но...

• MH 42 - max camber 2,09% at 35,09% of the chord; Leading edge radius 0,4615%
• S6061 - max camber 1,75% at 41,20% of the chord; Leading edge radius 0,6096%

Большая кривизна и относительная толщина МН42 даст нам больший коэффициент подъёмной силы (за который заплатим большим коэффициентом сопротивления), но меньший радиус передней кромки сделает этот профиль более срывным, по сравнению с S6061. А при моём по определению неустойчивом крыле это не есть наилучший выбор.

Если сравним поляры, то оказывается, что S6061 имеет чуть более широкий эффективный диапазон чисел Re, чуть больший коэффициент Cx, поляра его проходит менее полого при отрицательных углах атаки. Приведенные примеры для Re=140000 (близкое к среднему значение для полётных скоростей - см. Таблицу 2) показывают это более чем наглядно. Можно очень долго писать о полярах, о данных, в них представленных и способах интерпретации. Поляра - это лицо профиля, в ней представлено абсолютно всё необходимое, чтобы правильно выбрать профиль для крыла модели. Но, к сожалению, я просто не в состоянии описать всего, да и не сумею - масса специальной, профессиональной литературы посвящена этой теме. Как видим из примеров, разницы очень малы, но из опыта знаю, что профили S/SD не так критичны к качеству исполнения, как MH/HD. Да ещё это поджатие в задней части профиля у MH42... Попробуйте это проклеить! Выбираем S 6061!

На этом и закончим расчетную часть, поскольку основные необходимые параметры модели мы уже определили. Вся дальнейшая возня с полярами крыла, полярами модели, полным сопротивлением и прочим большой пользы мне не принесет, ведь я строю модель не для спорта, не для рекордов - ни к чему всё это в данном случае.

Компьютерное моделирование

Эскизный проект готов, пора посчитать параметры силовой установки и винтомоторной группы. Какой мотор, батареи и пропеллер установим в модель?

Смотрим в шкаф, роемся в коробках. Имеем мотор Model Motors AXI 2808/20, батарею Panasonic 7x1200 mA, две батареи NoName 8x1800 mA (подозреваю, что это KAN либо HECELL). Контроллер JETI JES 30-3p, пропеллеры Graupner 10x6. Правда, есть ещё лопасти к складным пропеллерам Graupner и Aeronaut - но кок для них, к сожалению, рассчитан на вал мотора диаметром 5 мм. А у меня 4 мм. Но есть цанга к нему и пластиковый кок. Придётся ставить пропеллер нескладной и рассчитывать на возможность его поломки при посадке. Выбора особого нет. Для "предсказаний" возможностей модели воспользуемся MotoCalc. Первый расчёт выполняем для батарей Panasonic HHR120 4/5AA:

А теперь для батареи KAN/HECELL:

Полетит? Да, на 100%. Судя по расчётам, даже неплохо. И необходимо взять поправку на точность расчётов. По общему мнению, MotoCalc даёт погрешность около 20%. Из лично проведенных измерений могу сказать одно - с батареями Sanyo 8х1700 4/5AUP данная винтомоторная установка даёт тягу около 820-830 г. Или же примерно на 200 граммов больше, чем показывает MotoCalc. И как верить посчитанному?! Пора начать строить.

Постройка

Постройку начинаем с... взвешивания листов бальзы. Постоянно оглядываемся на принятое значение максимального веса планера - 200г. Поэтому отбор материала соответствующей плотности довольно важен. Отбираем два листа 1,5 мм на фюзеляж и поперечный набор крыла, шесть листов 1 мм на обшивку крыла и стабилизатора, один лист 3 мм на лонжероны, различные силовые элементы, набор стабилизатора и зашивку фюзеляжа. Рейки 6х3 и 6х6 мм, рейку 3х3 мм, две рейки 2х2, уголок 6х6 мм. Всё сваливаем в кучу и грузим на весы. Сколько? 218 г? Если срезать всё лишнее, должно получиться правильно.

Распечатываем чертежи, отдельно все элементы. Готовим рабочую ПЛОСКОСТЬ. Жизнь научила - если хотим иметь прямую, без круток и перекосов модель - нужно иметь ровный стол. Поэтому несколько лет назад пришлось разориться и купить стеклянную плиту 15 мм толщиной. Из калёного стекла, жутко дорогую. Но совершенно ровную. Конкурировать с нею может только плита из броневой 25-миллиметровой стали (один мой приятель на таком строит), но она немного тяжелее. Кроме того, к стеклу практически ничего не прилипает - ни смола, ни циакрин. Не царапается, хорошо моется. Но не стоит на ней что-либо забивать, или вообще стучать... Стекло всё-таки, handle with care...

Сразу хочу сказать - если кому-либо, не имеющему опыта постройки моделей из бальзы, покажется, что он в состоянии повторить именно эту конструкцию, мой совет - не стоит... Это не тот самолёт, который выбирают как первую или вторую модель. Простым он только кажется. Это не шутки, мне искренне жаль вашего потерянного времени и испорченного материала. Именно поэтому я не намерен подробно описывать весь процесс постройки - опытный моделист сам определит, что и как сделать. Огромный простор для импровизации и поиска собственных решений.

Вырезаем боковушки фюзеляжа из листа 1,5 мм. Моторный шпангоут из фанеры 3 мм. Набор киля, шпангоут хвостовой балки, дно фюзеляжа из листа 3 мм. Заготавливаем отрезки рейки 3х3 - продольно-поперечные усиливающие элементы, отрезки уголка 6х6 - элементы нижней части фюзеляжа. Из кусочка бальзы 50х25х15 вырезаем бобышку - в неё будет входить посадочный штырь крыла. Сборку начинаем со склейки набора киля и наклейки на боковушки фюзеляжа усиливающих элементов. В набор киля вклеиваем трубку тяги руля высоты. После этого - приклеиваем боковины фюзеляжа к задней кромке киля и его набору. В этот момент уже становится ясно, получится ли прямым фюзеляж. Если удалось собрать с перекосом - пожалуй, стоит всё выбросить и начать сначала. Далее на дно фюзеляжа наклеиваем уголки. Склеиваем боковушки и дно фюзеляжа. Вклеиваем моторный шпангоут и бобышку. Из листа 3 мм по месту вырезаем верхнюю и нижнюю крышки хвостовой балки. Вклеиваем на место. В верхней части киля вклеиваем два отрезка уголка 6х6 - посадочное место стабилизатора. Наждачной бумагой номер 120 и рубанком аккуратно обдираем всё лишнее по краям. Кладём на весы. У меня получилось 46 г. А у вас? Затраченное время - около трёх часов на всё, с перекурами и умными беседами с пятилетним ребёнком. Это все в субботу.

Теперь крыло. Из остатков листов 1,5 мм вырезаем нервюры поперечного набора крыла и пластину передней кромки. Из листа 3 мм - лонжероны, законцовки, вкладыши в элероны под качалки, уголки на стыки элементов набора. Из рейки 6х3 - передние кромки элеронов и задние кромки крыла в месте навески элеронов. Обрезаем по месту рейки 2х2 мм - из них будут изготовлены элементы усиления задней кромки. Нервюры и лонжероны прорезаем до половины высоты по месту монтажа. Устанавливаем лонжероны на столе, вклеиваем полные нервюры.

Закрываем переднюю и заднюю кромки. Вклеиваем половинки нервюр и законцовки.

Склеиваем листы 1 мм для верхней обшивки крыла, вырезаем заготовки и приклеиваем к набору.

Вклеиваем рейки передних кромок элеронов и задних кромок навески. Вклеиваем усиливающую распорку из фанеры 3 мм в центроплан.

Снимаем крыло со стола, срезаем монтажные ножки у нервюр , ошкуриваем и обшиваем крыло снизу. Приклеиваем рейку передней кромки.

Из остатков 3 мм листа вырезаем набор стабилизатора, собираем на столе, обшиваем остатками листа 1 мм. Ошкуриваем по месту. Кладём всё собранное на весы. 171 г перед финальным ошкуриванием…

Воскресенье вечер, пора баиньки...

В следующие свободные вечера неторопливо ошкуриваю наждачной бумагой 200 и 400 собранные элементы, прорезаю элероны и руль высоты. Вес после ошкуривания снижается до 165 г. Шесть граммов веса благополучно ушло в бальзовую пыль, равномерно рассеянную по мастерской. Закрываю капот, наклеиваю полоски Velcro в местах монтажа регулятора и батареи, вклеиваю качалки и сервомеханизмы, устанавливаю тяги...

Приближаемся к моменту обтягивания. Обтяжечный материал - плёнка Oracover Transparent. Лёгкая, прочная, прекрасно укладывается и усаживается. Весь низ модели - синий, бока фюзеляжа и часть крыла - жёлтые, верх стабилизатора и передняя часть крыла - красные. Ярко и броско, должно быть хорошо видно в полёте. Установочные углы крыла и стабилизатора - 0/0.

Даже вес готовой модели оказался очень близок к первоначально принятому.

После обтяжки монтирую остатки электроники, устанавливаю мотор, приёмник. Подключаю батарею и начинаю программировать передатчик... Всё, финиш. К утру субботы модель полностью готова, можно отправляться на поле.

Полёт

И вот я с новым творением на поле. Вокруг полно прошлогодней высохшей травы, на случай запланированных падений, батареи установлены, центровка проверена. Полетели. Первый полёт заканчивается через 12 секунд. Оторван болт монтажа крыла, надломлен фюзеляж. Центровка, как оказалось, была даже не задняя, а просто 1.5 см за критической точкой. Еду домой, проверяю расчёты. Нда... Без комментариев. Вместо CAX в расчётах удалось подставить хорду крыла в корне. Поправляем, пересчитываем, центровка сдвигается на 3 см вперёд. Вечер посвящён ремонту и радостному ожиданию следующего дня.

День второй. То же поле, тот же пилот и модель. В этот раз полёт продолжается около 2 минут и заканчивается падением на ярко-зеленую свежеподнявшуюся пшеницу. Правда, высота её - сантиметров 5 или 6. Одним словом - всё тот же болт и окончательно поломанный фюзеляж в двух местах. Пилот не справился с управлением. Домой, посыпать голову пеплом.

Клею разбитый фюзеляж, врезаю новую гайку крепления крыла, обтягиваю. Получилось довольно неплохо и почти незаметно. Уменьшаю расходы рулей до 40% от первоначального и дополнительно "зажимаю" их 40-процентной экспонентой. Готово.

День третий. Летит! Очень быстро летит. Ну ОЧЕНЬ быстро летит! После радостного болтания в воздухе на протяжении пяти минут сажаю модель на клочок прошлогоднего овса. Уффф. Уняв дрожь в руках, начинаю анализировать полёт. Этот и несколько следующих...

Результаты

Смело можно сказать - поставленная цель достигнута. Удалось построить модель, которая на 100% соответствует требованиям, к ней предъявляемым. К моменту написания данного материала модель уже полетала немного, я с нею освоился, даже чуть полюбил. Особенно запомнился день 1 января. Удалось сломать при посадках два пропеллера и в завершение дня оборвать антенну приёмника. Что за радость! В конечном итоге поставил складной пропеллер, модифицировав с помошью ножа обычный пластиковый кок для пропеллера ДВС. Антенну припаял новую, благо была запасная. Летаем дальше.

Скорость горизонтального полёта более чем достаточна. Практически всё время можно летать в пол-газа, ну, может на 2/3. Если на полном газу - быстро устаёт шея вертеть головой. Это что-то маленькое жужжит, мельтешит, мечется по небу. Ффу... Самолётик очень чутко реагирует на сигналы управления. Каждый манёвр выполняется сразу же, без задержек, мгновенно. При полёте с мотором невозможно отпустить ручки передатчика - какова будет реакция модели на возмущения воздуха в следующие секунды полёта, я затрудняюсь сказать. Бочки выполняются практически без подруливания, со скоростью около одного оборота в секунду. Развороты с креном в 75-80 градусов даже на максимальной скорости легко контролируются. В конце концов, строил я гонку, а гонка на каждом кругу выполняет таких разворотов три. Полёт на спине с минимальной коррекцией ручки "от себя", переход в нормальный полёт полубочкой или полупетлёй - без неожиданностей. Петли, иммельманы, горки - просто и приятно. Дальше моя фантазия не идёт, этого пилотажа мне, как говорится, - выше крыши.

Полёт без мотора очень мало отличается от полёта обычного скоростного планера. Глиссада пологая, легко контролируемая. Не стоит экспериментировать со скоростью снижения - как я и предполагал, сваливание очень резкое, без каких либо предварительных признаков. В одно мгновение модель срывается в вертикальную спираль, из которой довольно легко выходит… если есть запас высоты. Потренировавшись с посадками, пришёл к выводу, что лучше особо не вмешиваться в управление, особенно, если высота меньше двух метров. Если падать на камни, то вряд ли будет что собирать. Впрочем, аппарат продемонстрировал удивительную стойкость к повреждениям. Один раз на посадке зацепил концом крыла о валун в траве и отделался только вмятиной на передней кромке. Да и первые полёты удачными трудно назвать…

Попозже я заменил приёмник на шестиканальный, запрограммировал дифференциальные элероны и закрылки. Исчез неприятный разворачивающий момент при небольших кренах (реверс элеронов), посадка с выпущенными на 40 градусов закрылками стала простой, даже нудной. Выводим на глиссаду, бросаем ручки, закуриваем. Если всё было правильно рассчитано - сядет сам, нечего дёргаться.

Одним словом, я доволен. Строилось быстро, не успев надоесть. Летает неплохо, щекочет нервы. Скорость, маневренность - приятное разнообразие, так необходимое в жизни.

Список литературы

1. В.Е. Мерзликин Радиоуправляемые модели планеров. Москва Издательство ДОСААФ СССР 1982
2. С.М. Егер, А.М. Матвеенко, И.А. Шаталов Основы авиационной техники. Москва Машиностроение 2003
3. Практическая аэродинамика. Аэроклуб ОКБ Сухого. 2-й Московский Аэроклуб
4. Model Sailplane Design Spreadsheet by Adam Till, Sailplane Design Spreadsheet
5. Airfoils for Pylon Racing Models, Martin Hepperle 1986-2003, Martin Hepperle WEB Site
6. F5D Models airfoils, Hannes Delago 1996-1997, Hannes Delago - Team Ariane
7. Xfoil - subsonic airfoil analysis and design, Mark Drela, Dept. of Aero & Astro., MIT, Cambridge, MA