Изследователска работа. Тема: Идеален хартиен самолет

1. Въведение. Цел на работата. Общи закономерности на развитие на областта на знанието. Избор на обект на изследване. Мисловна карта.
2. Елементарна физика на планерния полет (БП). Система от уравнения на силата.





9. Снимки на аеродинамичната тръба Преглед на характеристиките на тръбата, аеродинамични скали.
10. Експериментални резултати.
12. Някои резултати от визуализацията на вихри.
13. Връзка между параметри и проектни решения. Сравнение на опциите, намалени до правоъгълно крило. Положението на аеродинамичния център и центъра на тежестта и характеристиките на моделите.
14. Енергийно ефективно планиране. Стабилизиране на полета. Тактика за световен рекорд за продължителност на полета.



18. Заключение.
19. Списък с литература.

1. Въведение. Цел на работата. Общи закономерности на развитие на областта на знанието. Избор на обект на изследване. Мисловна карта.

развитие съвременна физика, предимно в експерименталната си част и особено в приложните области, протича по ясно изразена йерархична схема. Това се дължи на необходимостта от допълнителна концентрация на ресурси, необходими за постигане на резултати, вариращи от материална подкрепаексперименти, до разпределение на работата между специализирани научни институти. Независимо дали това се извършва от името на държавата, търговски структури или дори ентусиасти, но планирането на развитието на област на знанието, управлението научно изследване- това е съвременна реалност.
Целта на тази работа е не само да се създаде локален експеримент, но и да се опита да илюстрира модерна технологиянаучна организация на най-просто ниво.
Първите мисли, които предхождат същинската работа, обикновено се записват в свободна форма; исторически това се случва на салфетки. Въпреки това, в съвременната наука тази форма на представяне се нарича умствена карта - буквално „схема на мислене“. Това е диаграма, в която във формата геометрични формивсичко се вписва. които могат да имат отношение към разглеждания проблем. Тези понятия са свързани със стрелки, показващи логически връзки. Първоначално такава схема може да съдържа напълно различни и неравностойни понятия, които трудно се комбинират в класически план. Подобно разнообразие обаче позволява място за произволни предположения и несистематизирана информация.
За обект на изследване беше избран хартиен самолет - нещо, познато на всеки от детството. Предполагаше се, че провеждането на серия от експерименти и прилагането на концепциите на елементарната физика ще помогне да се обяснят характеристиките на полета и също така, може би, ще ни позволи да формулираме основни принципидизайн.
Предварителното събиране на информация показа, че районът не е толкова прост, колкото изглеждаше в началото. Голяма помощ дойде от изследванията на Кен Блекбърн, авиокосмически инженер, който държи четири световни рекорда (включително настоящ) по време на планиране, които той постави със самолети по собствен дизайн.

Във връзка със задачата мисловната карта изглежда така:

Това е основна диаграма, представяща предвидената структура на изследването.

2. Елементарна физика на полета на планера. Система от уравнения за везни.

Планирането е специален случай на самолет, който се спуска без участието на тягата, генерирана от двигателя. За безмоторни самолет- планери, като специален случай - хартиени самолети, планирането е основният режим на полет.
Планирането се извършва поради взаимно балансиране на теглото и аеродинамичната сила, което от своя страна се състои от сили на повдигане и съпротивление.
Векторната диаграма на силите, действащи върху самолета (планера) по време на полет, е както следва:

Условието за праволинейно планиране е равенството

Условието за еднаквост на планирането е равнопоставеност

По този начин, за да се поддържа праволинейно равномерно планиране, са необходими и двете равенства, системата

Y=GcosA
Q=GsinA

3. Задълбочаване основна теорияаеродинамика. Ламинарност и турбулентност. Числото на Рейнолдс.

По-подробно разбиране на полета дава съвременната аеродинамична теория, базирана на описание на поведението различни видовевъздушни потоци, в зависимост от естеството на взаимодействието на молекулите. Има два основни вида потоци - ламинарен, когато частиците се движат по гладки и успоредни криви, и турбулентен, когато се смесват. По правило няма ситуации с идеално ламинарен или чисто турбулентен поток; взаимодействието на двете създава реална картина на работата на крилото.
Ако разглеждаме конкретен обект с ограничени характеристики - маса, геометрични размери, тогава свойствата на потока на ниво молекулно взаимодействие се характеризират с числото на Рейнолдс, което дава относителна стойност и обозначава отношението на силовите импулси към вискозитета на течността. как по-голям бройтолкова по-малко е влиянието на вискозитета.

Re= VLρ/η=VL/ν

V (скорост)
L (спецификация на размера)
ν (коефициент (плътност/вискозитет)) = 0,000014 m^2/s за въздух при нормална температура.

За хартиен самолет числото на Рейнолдс е около 37 000.

Тъй като числото на Рейнолдс е много по-ниско, отколкото в реалните самолети, това означава, че вискозитетът на въздуха играе много по-важна роля, което води до повишено съпротивление и намалено повдигане.

4. Как работи правилно и плоско крило.

От гледна точка на елементарната физика, плоското крило е плоча, разположена под ъгъл спрямо движещия се въздушен поток. Въздухът е „изхвърлен назад“ под ъгъл надолу, създавайки противоположна сила. Това е общата аеродинамична сила, която може да бъде представена под формата на две сили - повдигане и съпротивление. Това взаимодействие се обяснява лесно въз основа на третия закон на Нютон. Класически пример за плоско дефлекторно крило е хвърчило.

Поведението на конвенционална (плоско-изпъкнала) аеродинамична повърхност се обяснява от класическата аеродинамика като появата на повдигане поради разликата в скоростите на фрагментите на потока и съответно разликата в налягането отдолу и отгоре на крилото.

Плоско хартиено крило в потока създава вихрова зона в горната част, която е като извит профил. Той е по-малко стабилен и ефективен от твърдата черупка, но механизмът е същият.

Фигурата е взета от източника (вижте списъка с препратки). Показва образуването на въздушен профил поради турбуленция на горната повърхност на крилото. Съществува и концепцията за преходен слой, в който турбулентният поток става ламинарен поради взаимодействието на слоевете въздух. Над крилото на хартиен самолет е до 1 сантиметър.

5. Преглед на три проекта на самолет

За експеримента бяха избрани три различни дизайна на хартиени самолети с различни характеристики.

Модел №1. Най-често срещаният и добре познат дизайн. По правило повечето хора си представят точно това, когато чуят израза „хартиен самолет“.

Модел №2. „Стрела“ или „Копие“. Характерен модел с остър ъгълкрило и очаквана висока скорост.

Модел №3. Модел с високо разширение на крилото. Специален дизайн, сглобен според широка страналисто. Предполага се, че има добри аеродинамични свойства поради високото съотношение на крилото.

Всички самолети бяха сглобени от еднакви листове хартия със специфично тегло 80 грама/m^2, формат А4. Масата на всеки самолет е 5 грама.

6. Набори от характеристики, защо са.

За да получите характерни параметри за всеки дизайн, трябва действително да определите тези параметри. Масата на всички самолети е една и съща - 5 грама. Съвсем лесно е да се измери скоростта и ъгъла на плъзгане за всяка структура. Съотношението на разликата във височината и съответния диапазон ще ни даде аеродинамично качество, по същество същият ъгъл на плъзгане.
Интерес представлява измерването на подемната и съпротивителната сила при различни ъгли на атака на крилото и естеството на промените им при гранични условия. Това ще позволи структурите да се характеризират въз основа на числени параметри.
Отделно можете да анализирате геометричните параметри на хартиените самолети - позицията на аеродинамичния център и центъра на тежестта за различни формикрило
Чрез визуализиране на потоците може да се постигне визуално представяне на процесите, протичащи в граничните слоеве на въздуха в близост до аеродинамични повърхности.

7. Предварителни опити (камера). Получените стойности за скорост и коефициент на повдигане / челно съпротивление.

За да се определят основните параметри, беше проведен прост експеримент - полетът на хартиен самолет беше записан с видеокамера на фона на стена с нанесена метрична маркировка. Тъй като интервалът на кадрите за видеозаснемане е известен (1/30 от секундата), скоростта на плъзгане може лесно да се изчисли. Въз основа на спада на височината, ъгълът на плъзгане и аеродинамичното качество на самолета се намират в съответните кадри.

Средно скоростта на самолета е 5-6 m/s, което не е толкова малко.
Аеродинамично качество - около 8.

8. Изисквания към експеримента, Инженерна задача.

За да пресъздадем условията на полет, имаме нужда от ламинарен поток до 8 m/s и възможност за измерване на повдигане и съпротивление. Класическият метод за аеродинамични изследвания е аеродинамичният тунел. В нашия случай ситуацията се опростява от факта, че самият самолет има малки размерии скорост и може да се постави директно в тръба с ограничени размери.
Следователно не се притесняваме от ситуацията, когато раздутият модел се различава значително по размер от оригинала, което поради разликата в числата на Рейнолдс изисква компенсация по време на измерванията.
При напречно сечение на тръбата 300x200 mm и скорост на потока до 8 m/s ще ни е необходим вентилатор с капацитет най-малко 1000 кубически метра/час. За да промените скоростта на потока, ви е необходим регулатор на оборотите на двигателя, а за измерването му - анемометър с подходяща точност. Не е задължително скоростомерът да е цифров, напълно възможно е да се използва деформируема плоча с ъглова градуировка или течен анемометър, който има по-голяма точност.

Аеродинамичният тунел е известен от доста дълго време, Можайски го е използвал в изследванията, а Циолковски и Жуковски вече са го разработили в детайли модерна технологияексперимент, който не се е променил фундаментално.
За измерване на силите на съпротивление и повдигане се използват аеродинамични везни, които позволяват да се определят силите в няколко посоки (в нашия случай в две).

9. Снимки на аеродинамичния тунел. Преглед на характеристиките на тръбите, аеродинамични баланси.

Настолният аеродинамичен тунел е реализиран на базата на доста мощен индустриален вентилатор. Зад вентилатора има взаимно перпендикулярни пластини, които изправят потока преди да влезе в измервателната камера. Прозорците в измервателната камера са стъклени. В долната стена се изрязва правоъгълен отвор за държачи. Директно в измервателната камера е монтирано работно колело на цифров анемометър за измерване на скоростта на потока. Тръбата има леко стеснение на изхода, за да „подкрепи“ потока, което намалява турбуленцията с цената на намаляване на скоростта. Скоростта на вентилатора се контролира от прост домашен електронен контролер.

Характеристиките на тръбата се оказаха по-лоши от изчислените, главно поради несъответствието между производителността на вентилатора и спецификациите. Поддържането на потока също намали скоростта в зоната на измерване с 0,5 m/s. Като резултат максимална скорост- малко над 5 m/s, което все пак се оказа достатъчно.

Число на Рейнолдс за тръба:

Re = VLρ/η = VL/ν

V (скорост) = 5m/s
L (характеристика)= 250mm = 0.25m
ν (коефициент (плътност/вискозитет)) = 0,000014 m2/s

Re = 1,25/ 0,000014 = 89285,7143

За измерване на силите, действащи върху самолета, бяха използвани елементарни аеродинамични везни с две степени на свобода, базирани на чифт електронни бижутерски везни с точност от 0,01 грама. Самолетът беше фиксиран на две стойки под желания ъгъл и монтиран на платформата на първите везни. Те от своя страна бяха поставени на подвижна платформа с лост, предаващ хоризонтална сила към вторите везни.

Измерванията показаха, че точността е напълно достатъчна за основни режими. Въпреки това беше трудно да се фиксира ъгълът, така че беше по-добре да се разработи подходяща схема за закрепване с маркировки.

10. Експериментални резултати.

При продухването на моделите са измерени два основни параметъра - сила на съпротивление и сила на повдигане в зависимост от скоростта на потока под даден ъгъл. Беше конструирано семейство от характеристики с доста реалистични стойности, за да опише поведението на всеки самолет. Резултатите са обобщени в графики с по-нататъшно нормализиране на скалата спрямо скоростта.

11. Връзки между криви за три модела.

Модел №1.
Златна среда. Дизайнът отговаря максимално на материала - хартия. Здравината на крилата съответства на тяхната дължина, разпределението на теглото е оптимално, така че правилно сгънатият самолет се подравнява добре и лети гладко. Комбинацията от такива качества и лекота на сглобяване направи този дизайн толкова популярен. Скоростта е по-малка от тази на втория модел, но по-голяма от тази на третия. При високи скорости широката опашка, която преди това перфектно стабилизира модела, започва да пречи.

Модел №2.
Моделът с най-лоши летателни характеристики. Голямата стреловидност и късите крила са проектирани да работят по-добре при високи скорости, което се случва, но повдигането не се увеличава достатъчно и самолетът наистина лети като копие. Освен това не се стабилизира правилно по време на полет.

Модел №3.
Представител на "инженерната" школа, моделът е замислен със специални характеристики. Крилата с висок аспект всъщност работят по-добре, но съпротивлението се увеличава много бързо - самолетът лети бавно и не понася ускорение. За да се компенсира недостатъчната твърдост на хартията, се използват многобройни гънки в носа на крилото, което също увеличава устойчивостта. Въпреки това моделът е много впечатляващ и лети добре.

12. Някои резултати от визуализацията на вихри

Ако поставите източник на дим в потока, можете да видите и снимате потоците, които обикалят крилото. Нямахме специални генератори за дим на наше разположение, използвахме ароматни пръчици. За увеличаване на контраста е използван специален филтър за обработка на снимки. Дебитът също намалява, тъй като плътността на дима е ниска.

Образуване на поток в предния ръб на крилото.

Турбулентна „опашка“.

Потоците могат да се изследват и с помощта на къси нишки, залепени за крилото, или тънка сонда с резба в края.

13. Връзка между параметри и проектни решения. Сравнение на опциите, намалени до правоъгълно крило. Положението на аеродинамичния център и центъра на тежестта и характеристиките на моделите.

Вече беше отбелязано, че хартията като материал има много ограничения. За ниски скорости на полет има дълги тесни крила най-добро качество. Неслучайно истинските планери, особено рекордьорите, също имат такива крила. Хартиените самолети обаче имат технологични ограничения и техните крила не са оптимални.
За да се анализира връзката между геометрията на моделите и техните летателни характеристики, е необходимо да се намали сложна форма до правоъгълен аналог, като се използва методът за прехвърляне на площ. Най-добрият начин да направите това е с компютърни програми, които ви позволяват да си представяте различни моделив универсална форма. След трансформациите описанието ще се сведе до основни параметри - размах, дължина на хордата, аеродинамичен център.

Взаимната връзка между тези количества и центъра на масата ще позволи да се фиксират характерните стойности за различни видовеповедение. Тези изчисления са извън обхвата на тази работа, но могат лесно да бъдат направени. Въпреки това може да се приеме, че центърът на тежестта за хартиен самолет с правоъгълни крила е на разстояние едно към четири от носа до опашката, за самолет с делта крила е на половината (т.нар. неутрална точка) .

14. Енергийно ефективно планиране. Стабилизиране на полета.
Тактика за световен рекорд за продължителност на полета.

Въз основа на кривите за повдигане и съпротивление е възможно да се намери енергийно изгоден режим на полет с най-малко загуби. Това със сигурност е важно за самолетите на дълги разстояния, но може да бъде полезно и в хартиената авиация. Чрез леко модернизиране на самолета (огъване на ръбовете, преразпределяне на теглото) можете да постигнете най-добри характеристикиполет или обратно, прехвърлете полета в критичен режим.
Най-общо казано, хартиените самолети не променят характеристиките си по време на полет, така че могат да се справят без специални стабилизатори. Опашката, която създава съпротивление, ви позволява да изместите центъра на тежестта напред. Правилността на полета се поддържа поради вертикалната равнина на завоя и поради напречната V на крилата.
Стабилността означава, че самолетът, когато се отклони, се стреми да се върне в неутрална позиция. Точката на стабилността на ъгъла на плъзгане е, че самолетът ще поддържа същата скорост. Колкото по-стабилен е самолетът, толкова по-висока е скоростта, като модел №2. Но тази тенденция трябва да бъде ограничена - трябва да се използва повдигане, така че най-добрите хартиени самолети в по-голямата си част имат неутрална стабилност, това е най-добрата комбинация от качества.
Установените режими обаче не винаги са най-добрите. Световният рекорд за най-дълъг полет е поставен с помощта на много специфична тактика. Първо, самолетът се изстрелва по вертикална права линия, той просто се хвърля на максималната си височина. Второ, след стабилизиране в горната точка поради взаимното разположение на центъра на тежестта и ефективната площ на крилото, самият самолет трябва да премине в нормален полет. Трето, разпределението на теглото на самолета не е нормално - предната му част е недотоварена, така че поради голямото съпротивление, което не компенсира теглото, той забавя много бързо. В същото време повдигащата сила на крилото рязко пада, носът се спуска и, падайки, се ускорява с рязък удар, но отново се забавя и замръзва. Такива колебания (pitch up) се изглаждат поради инерцията в точките на затихване и в резултат на това общото време, прекарано във въздуха, е по-дълго от нормалното равномерно плъзгане.

15. Малко за синтеза на дизайн с дадени характеристики.

Предполага се, че след определяне на основните параметри на хартиен самолет, тяхната връзка и по този начин завършване на етапа на анализ, може да се премине към задачата за синтез - въз основа на необходими изискваниясъздайте нов дизайн. Емпирично аматьори по целия свят правят точно това, броят на дизайните е надхвърлил 1000. Но няма окончателен цифров израз за такава работа, както няма специални пречки за извършване на подобни изследвания.

16. Практически аналогии. Летяща катерица. Апартамент в крило.

Ясно е, че хартиеният самолет е преди всичко просто източник на радост и прекрасна илюстрация за първата стъпка в небето. Подобен принцип на реене се използва на практика само от летящи катерици, които нямат голямо стопанско значение, поне в нашия регион.

По-практично сходство с хартиен самолет е „Wing suite“ - костюм с крило за парашутисти, който позволява хоризонтален полет. Между другото, аеродинамичното качество на такъв костюм е по-малко от това на хартиен самолет - не повече от 3.

17. Върнете се към мисловната карта. Ниво на развитие. Повдигнати въпроси и възможности за по-нататъшно развитие на изследването.

Като вземем предвид свършената работа, можем да добавим оцветяване към мисловната карта, показваща изпълнението на възложените задачи. Зеленотук има точки, които са на задоволително ниво, светло зелено - въпроси, които имат някои ограничения, жълто - области, засегнати, но не достатъчно развити, червено - обещаващи, които се нуждаят от допълнителни изследвания.

18. Заключение.

В резултат на работата беше проучена теоретичната основа за полета на хартиените самолети, планирани и проведени експерименти, които позволиха да се определят числените параметри за различни конструкции и общите връзки между тях. Засягат се и сложните летателни механизми от гледна точка на съвременната аеродинамика.
Описани са основните параметри, влияещи върху полета, и са дадени изчерпателни препоръки.
В общата част беше направен опит за систематизиране на областта на знанието на базата на мисловна карта и бяха очертани основните насоки за по-нататъшни изследвания.

19. Списък с литература.

1. Аеродинамика на хартиения самолет [Електронен ресурс] / Кен Блекбърн – режим на достъп: http://www.paperplane.org/paero.htm, безплатен. - Шапка с козирка. от екрана. - Яз. Английски

2. До Шует. Въведение във физиката на полета. Превод Г.А. Волперт от петото немско издание. - М .: Обединено научно-техническо издателство на НКТП на СССР. Редакция на техническа и теоретична литература, 1938. - 208 с.

3. Стахурски А. За умели ръце: Настолен аеродинамичен тунел. Централна гара млади техницина името на Н.М. Шверник - М.: Министерство на културата на СССР. Главно управление на печатарската индустрия, 13-та печатница, 1956. - 8 с.

4. Мерзликин В. Радиоуправляеми модели на планери. - М ,: Издателство на ДОСААФ СССР, 1982. - 160 с.

5. А.Л. Стасенко. Физика на полета. - М: Наука. Главна редакция на физико-математическата литература, 1988 г., - 144 с.