Развитие летательных аппаратов

Муниципальное бюджетное образовательное учреждение
города Костромы «Средняя общеобразовательная школа №5»
Исследовательская работа по физике.
Тема:
Аэродинамика. Выяснение дальности
полета планирующего летательного аппарата
в зависимости от формы крыла,
направления ветра, массы груза.
Выполнили:
Учащиеся 10-А класса
МБОУ СОШ №5
Федотова Галина,
Соколов Леонид.
Научный руководитель:
Крючкова Светлана Александровна.
Кострома 2014
Тема: «Аэродинамика. Выяснение дальности полета планирующего летательного
аппарата в зависимости от формы крыла, направления ветра, массы груза.»
Актуальность исследования: заключается в том, что, при знании теоретической
информации по изменению характеристик дельтаплана, будет возможность применять их
при практическом использовании данного летательного аппарата в зависимости от цели
полета.
Проблема исследования: выяснить при каком грузе может осуществляться безопасный
полёт планирующего летательного аппарата.
Цель исследования: выяснить, какова зависимость дальности полета от формы крыла,
направления ветра, массы груза.
Гипотеза: дальность полета планирующего летательного аппарата меняется в
зависимости от различной формы крыла, направления ветра, массы груза.
Объект: планирующий летательный аппарат
Предмет: крыло
Задачи:

Как зависит дальность планирующего летательного аппарата от формы крыла;

Как зависит дальность планирующего летательного аппарата от массы груза;

Как зависит дальность планирующего летательного аппарата от ветра.
Методы исследования: наблюдения, изучение научной литературы.
Этапы исследования:

Наблюдение за объектом в условиях полёта;

Обработка информации;

Вывод.
Краткий анализ литературы: научная литература, интернет ресурсы.
Описание дельталета
ДЕЛЬТАЛЁТ - моторный сверхлегкий летательный аппарат тяжелее воздуха с
балансирным управлением. Дельталёт - наиболее распространенный подкласс моторных
СЛА. Возник на базе дельтаплана и мотодельтаплана, унаследовал от своих
предшественников многие элементы конструкции и технологии изготовления. Является,
наряду с ними, наиболее простым и доступным летательным аппаратом.
Дельталет
Конструктивно состоит из двух модулей: пилотажного и функционального.
Первый представляет собой дельтаплан усиленной конструкции со всеми элементами (в
разговорной речи именуется "крылом"); второй во многом повторяет фюзеляж
микросамолета и включает: силовую раму, шасси, сидение пилотов и т.д., на нем же
монтируется силовая установка (двигатель с воздушным винтом, бак для топлива и т.д.).
Силы, действующие на дельталет в воздухе
В воздухе на дельталет действуют 4 основные силы: сила тяжести, подъемная сила,
сила тяги и сила сопротивления воздуха из которых и складывается
равнодействующая. Вес уравновешивается подъемной силой, сила сопротивления –
тягой винта.
Fпод. силы =SV2/2*Sкрыла*Cу
Cу -коэффициент подъемной
силы
Развитие летательных аппаратов
Две задачи вставали перед конструкторами – увеличить тяговую силу моторов и
уменьшить сопротивление воздуха при полете дельталета. Опыт показывал, что
увеличение мощности имеет предел, так как увеличение только одной мощности дает
сравнительно медленное возрастание скорости: для увеличения скорости полета на 10 %
мощность надо увеличить на 33%, для увеличения скорости вдвое мощность надо было
увеличить уже в 8 раз. Поэтому внимание конструкторов обратилось на вторую
возможность увеличения скорости – на уменьшение сопротивления движению
летательного аппарата со стороны воздуха.
Сравнение лобового сопротивления различных геометрических
фигур
Для различных геометрических фигур сопротивление воздуху различно. Именно поэтому
была выбрана наиболее оптимальная с точки зрения сопротивлению каплеобразная форма
крыла.
Принцип действия силы сопротивления воздуха
Обтекающие шар частицы воздуха вследствие трения о его стенки теряют часть энергии и
поэтому не достигают точки С. Они вынуждены еще раньше в некоторой точке С1
повернуть назад к положению с минимумом потенциальной энергии (к точкам В и Д).
Таким образом, образование вихрей за движущимся телом связано с потерей энергии.
Потеря энергии приводит к тому, что давление перед движущимся телом оказывается
больше, чем за ним. Результирующее давление направлено против движения тела и
представляет собой лобовое сопротивление движению.
Набегая на профиль крыла СЛА с некоторым углом атаки, воздушные потоки
разделяются: Некоторые линии тока обходят профиль сверху (траектория 1); другие
линии тока обходят его снизу (траектория 2); они вновь соединяются на ребре обрыва
профиля.
Планирование против ветра
Дальность планирования зависит от аэродинамического качества крыла.
Аэродинамическое качество – отношение между пройденным расстоянием за
определенное время.
Sмиделя – площадь крыла в передней проекции
CХ – лобовое сопротивление
Профили крыла:
Симметричный профиль (удобен для больших скоростей, но плохо управляем);
Выпукло-вогнутый профиль (может развить среднюю скорость, обладает большой
грузоподъемностью, но также сложен в управлении)
S-образный профиль (более стабилен по изменению центра давления, а следовательно
более легко управляем).
Атлет
Атом
М-17
Сравнение различных марок крыльев
Марки
Атлет
Атом
М-17
Площадь, кв. м
16,5
16
17
Максимальный
500
500
380
90
100
75
125
145
90
49
60
42
взлетный вес, кг
Крейсерская
скорость, км/ч
Максимальная
скорость, км/ч
Минимальная
скорость, км/ч
При всем многообразии конструкций, все крылья дельталетов имеют больше сходных
черт, чем отличий. Это обусловлено некоторым отличием принципов устойчивости
дельталетов от других летательных аппаратов.
Влияние воздушных потоков на полет
Большое влияние на дальность полета оказывает направление и сила ветра.
Рассмотрим некоторые факты полета дельталета М-17 в различных условиях.
Чтобы пролететь 50 км от одного пункта до другого ему понадобилось:
1 час 20 минут, когда он шел против ветра;
50 минут, когда он шел по ветру.
Скорость ветра в это время была около 10 м/с.
На графике видно, что скорость дельталета относительно земли вычисляется по формуле
Vотнос. земли = Vсобств. – Vветра – при движении против ветра;
И Vотнос. земли = Vсобств. +Vветра - при движении по ветру.
Выводы исследования
В ходе разговора с руководителями костромского клуба дельтапланеристов Ворошиловым
А. Ю. и Зеером В. А. выяснилось, что форма крыла зависит от нескольких параметров:

От площади крыла;

От профиля крыла (большая или меньшая S-образность и V-образность);

От геометрии крыла (больший или меньший угол атаки) и др. персональных
характеристик.
А также выяснилось:
В идеальных условиях профиль крыла и его геометрия не оказывают большого влияния на
скорость и дальность полета.
Различная площадь крыла оказывает влияние на скорость полета (чем больше поверхность
крыльев, тем медленнее может летать аппарат)
На дальность полета при планировании частичное влияние оказывает масса груза (чем
легче груз, тем дальше в условиях планирования пролетит дельталёт).
Сила ветра также оказывает прямое влияние на дальность полета, потому что при
встречном ветре относительно земли скорость дельтаплана вычисляется по формуле
(Vотнос. земли = Vсобств. - Vветра), при попутном ветре – наоборот.
Следовательно, мы выяснили, что на дальность полета наибольшее влияние оказывают
масса груза, сила ветра, а форма крыла в меньшей степени влияет на дальность, но в
большей - на скорость полета.
Список литературы:

Руководство пилотам СЛА учебник для пилотов мотодельтапланов и
микросамолетов (Том 1);

Руководство пилотам СЛА учебник для пилотов мотодельтапланов и
микросамолетов (Том 2);

Курс учебной летной подготовки пилотов СЛА.

М.И.Блудов « Беседы по физике»