ПИЛОТАЖНАЯ МОДЕЛЬ ДЛЯ НАЧИНАЮЩИХ

Что такое учебная летающая модель? Мы все привыкли к тому, что это аппарат, годный разве только для приобретения первоначальных навыков её пилотирования. В большинстве случаев учебная модель строится практически без требований к её лётным свойствам. Главное — обеспечить максимальную простоту изготовления. Со временем, когда спортсмен примется за проектирование следующей модели, с которой он станет выступать на соревнованиях, будет привлечена к расчётам и аэродинамика, и сопромат, и материаловедение. А на первых порах — чего мучиться, стоит ли… И появляются на свет полулетающие «коряги».

Да, бесспорно, первый опыт даже на таких моделях приобрести можно, и строятся они действительно быстро. Но… нужны ли такие модели? Судите сами. Навыки приобретены, выработан некоторый автоматизм в различных ситуациях управления поведением в общем-то нелетучего аппарата. И после этого спортсмен переходит на современную технику, требовательную и очень строгую в управлении, как правило, создаваемую по лучшим мировым образцам. Вот тут-то и оказывается, что весь опыт, накопленный на тренировках, бесполезен. Разница в поведении «учебки» и спортивного «снаряда» настолько велика, что даже если последний и остаётся целым после первого полёта, сил и времени на его освоение уходит не меньше, чем на постройку и тренировки с первой моделью.

Так не лучше ли потратить это время на грамотное проектирование учебной модели, приблизив её лётные свойства к эталонам авиамодельной техники, сохранив, конечно, простоту изготовления?

Итак, попробуем создать такую модель. Прежде всего, определим основные требования к идеальной конструкции: максимальная упрощённость постройки и сборки и высокая ремонтоспособность. Обратите внимание — здесь не упоминается о запасе прочности конструкции. А многие начинающие моделисты именно ей отводят решающую роль и… совершают главную ошибку! Попытки усиления отдельных узлов и деталей неизбежно приводят к утяжелению аппарата. Его характеристики ухудшаются, заметно увеличивается минимальная скорость полёта. И, как следствие — авария при неумелых действиях пилота. В ряде же случаев стремление повысить прочность приводит к тому, что с перетяжелённой моделью не может справиться даже маститый пилотажник.

Радиоуправляемая пилотажная модель мотопланёра:

1 — носовая часть фюзеляжа: 2 — подкос; 3 — балки фюзеляжа; 4 — киль; 5 — руль поворота; 6 — руль высоты; 7 — стабилизатор; 8 — растяжка хвостовой части; 9 — закрылок; 10 крыло; 11 — «ухо»; 12 — элерон

Так вот, в идеале, как и в большой авиации, прочность всех узлов и деталей должна быть минимальной, то есть такой, чтобы модель лишь не разрушалась в полёте. Только тогда лётные свойства позволят пройти обучение пилотированию быстро и без поломок аппарата, не превращая управление в мучительную борьбу с непослушной моделью. Отметим важный закон: прочность всей модели всегда определяется прочностью одного-единственного элемента — самого слабого! Усиливать отдельные узлы бессмысленно, конструкция должна быть равнопрочной.

Теперь о требованиях к лётным свойствам:

— минимальная скорость устойчивого полёта, обеспечивающая время на принятие правильного решения, необходима при полном отсутствии автоматизма у неопытного «пилота». Хорошо бы варьировать полётную скорость в широчайших пределах, тогда обучение впоследствии удастся продолжить вплоть до перехода на современную спортивную технику;

— высокая устойчивость аппарата и хорошая управляемость. Чувствительность управления в идеале может и должна регулироваться. Кроме широкого диапазона скоростей, желательно иметь возможность значительного изменения несущих свойств, превращающих модель либо в хороший планёр-паритель, либо в пилотажный микросамолёт;

— повышенная энерговооружённость учебной модели, спасающая последнюю при выходе в неожиданные для начинающего пилота положения вблизи земли;

— должны быть хорошими и эксплуатационные качества: учебный «универсал» обязан взлетать с рук.

Наверное, покажется, что требований слишком много, слишком они противоречивы. Немыслимо сделать такую учебную модель… А всё-таки, давайте попробуем!

Выбор основной схемы

В соответствии с первым условием лётных свойств выбираем тип модели — планёр. Точнее, мотопланёр, причём с мощным двигателем, имеющим управление «газом», что обеспечит высокую энерговооружённость модели, если её масса не будет слишком большой, и простые условия взлёта.

Теперь о массе аппарата. Дело в том, что она не только тесно связана с минимальной удовлетворительной прочностью, но и с выбором основных размеров учебной модели. Приняв удельную нагрузку на несущие поверхности равной 25 г/дм², соответствующей нагрузке очень неплохих парителей, и выбрав двигатель, мы сможем найти суммарную площадь плоскостей.

Мотор должен хорошо запускаться в любых (даже зимних) условиях и обеспечивать несложную эксплуатацию всей мотоустановки. Наиболее подходящий микродвигатель — КМД-2,5 в серийном компрессионном варианте с управлением оборотами. С мотопланёром, снабжённым этим двигателем, можно тренироваться круглый год, мощность его вполне достаточна для небольшой, даже пилотажной модели, он имеет значительный ресурс и устойчиво держит режим в широком диапазоне оборотов.

Масса мотоустановки в комплексе с топливной системой должна быть не более 200 г. Всё ещё используемая моделистами четырёхканальная пропорциональная бортовая часть отечественной аппаратуры радиоуправления «Супранар-83» имеет массу около 650 г, что даёт суммарную массу оборудования вместе с тягами, узлами крепления и монтажными панелями 900 — 950 г.

Сколько же граммов отвести на конструкцию самого планёра?

Посмотрим, что получится, если принять в предварительном расчёте кажущуюся фантастической цифру — 500 г. Столько весят чемпионатные свободнолетающие парители значительно меньших размеров, летающие при этом только с «пешеходными» скоростями. У нас же суммарная площадь несущих поверхностей, полученная после определения общей массы модели, оказывается раза в полтора больше — около 55 дм².

Выбор параметров элементов

Попытаемся «уложить» конструкцию в совершенно необычные рамки массы. Вдруг да получится! Начнём с крыла. Именно его масса вносит наиболее значимую часть в общую сумму.

Исходя из того, что перед нами не стоят задачи создания рекордного аппарата, а условия хорошего парения мы обеспечиваем малой удельной нагрузкой на несущую поверхность, можно не гнаться за сверхвысоким значением удлинения. Его разумная величина послужит не только на пользу снижению массы крыла, но и, соответственно, сохранит сверхкритическими числа Рейнольдса для средних хорд консолей. Можно легко подобрать простой по исполнению профиль, полностью удовлетворяющий по своим качествам даже на минимальных скоростях полёта. Что же касается прочности и жёсткости крыла, определяющих и его массу, то эти величины находятся в обратноквадратичной зависимости от удлинения при плоскостях одинаковой профилировки. Уменьшив его в два раза, мы при грамотном проектировании сможем облегчить крыло в четыре раза!

А как быть с сужением? Заманчиво, конечно, прорисовать прямые плоскости — они кажутся значительно проще в изготовлении из-за одинаковых очертаний всех нервюр. Но на деле трапециевидное крыло ненамного сложнее прямого. Зато повышение прочности широких корневых частей и уменьшение в них напряжений изгиба позволяют дополнительно снизить массу несущих плоскостей на 15-20 процентов по сравнению с прямыми.

Весьма технологичным, отлично зарекомендовавшим себя на тысячах моделей, нетребовательным к выдерживанию очертаний и достаточно «толстым» является классический профиль Clark-Y. Его относительная толщина около 12 процентов. Как показывают сравнительные поляры множества профилей, на небольших числах Рейнольдса Clark-Y практически ни в чём не уступает наимоднейшим «эпплеровским», на более высоких скоростях выигрыш при применении последних не столь значителен, чтобы преобладать над технологическими свойствами реализации классического. Да и, как правило, преимущество в аэродинамике сказывается у профилей серии Е лишь на участке поляры. Перед нами же стоит задача проектирования не однорежимного парителя, а микросамолёта-универсала.

Аэродинамическое решение крыла завершит введение механизации по всей задней кромке, обеспечивающее возможность превращения парителя в пилотажный (!) аппарат, и задание угла поперечного «V» для повышения устойчивости модели. К конструкции же плоскостей вернёмся при разговоре о постройке учебной модели.

С точки зрения аэродинамики, фюзеляж представляет собой элемент, лишь соединяющий крыло со стабилизатором. Предположив, что фюзеляж нашего аппарата существенного влияния на эти характеристики не окажет вследствие малого поперечного сечения, будем искать лишь его конструктивное решение. То же относится и к хвостовому оперению. Здесь только надо учесть нагрузки, передаваемые от стабилизатора и киля на фюзеляж. Если удастся избавиться от крутящего момента, то можно будет его облегчить — например, сделать киль из двух вертикальных поверхностей, размещённых по площади симметрично как над стабилизатором, установленным по оси балки фюзеляжа, так и под ним.

Описание модели

Сначала вкратце о том, как рассчитывались элементы мотопланёра на прочность. Конечно, полностью излагать методики на страницах журнала просто немыслимо из-за большого объёма материала. Целесообразно лишь упомянуть условия, принятые при расчётах. Это: максимальная скорость полёта 120 км/ч (!) и минимальная величина радиуса изменения траектории полёта, соответствующая 8-кратной перегрузке, равная 15 м! Условия необычайно жёсткие, такие характерны скорее не для мотопланёра, а для хорошего пилотажного микросамолёта. Но ведь мы проектируем универсальную учебную модель, способную летать и как «акробат», и как паритель.

Начнём описание с наиболее ответственного элемента — крыла. Значительное удлинение, обеспечивающее высокое значение качества и небольшую скорость снижения модели в варианте парителя, даже при большом сужении консолей обусловливает появление колоссальных изгибающих моментов в корневых сечениях на повышенных скоростях полёта. При данных условиях хорошее сочетание прочности на изгиб и жёсткости на кручение могло бы дать решение с жёсткой несущей обшивкой. Но масса подобных консолей оказалась бы чрезмерно большой, и нам не удалось бы уложиться в отведённые границы массы.

Решение даёт опыт конструирования лёгких свободнолетающих авиамоделей. Жёсткие рамки правил «научили» спортсменов создавать предельно облегчённые крылья достаточной прочности и жёсткости. Набор консолей, подобный тому, какой используется на планёрах и резиномоторных моделях, применим и мы. Двух-полочный лонжерон со стенкой позволит крылу выдержать максимальные нагрузки при самых резких эволюциях, жёсткость на кручение придаст ряд диагональных нервюр или распорок в корневых частях консолей. Сечения полок лонжерона переменные, соответствующие местным изгибающим моментам в различных сечениях несущих плоскостей.

Немаловажный вопрос, возникающий при прорисовке любой новой модели, — о необходимости введения центрального разъёма крыла. Как правило, решение с разъёмом применяется при значительных размерах аппарата, оно облегчает транспортировку и изготовление элементов крыльев. Однако утяжеление, связанное с разделением несущих плоскостей по наиболее нагруженному участку, весьма велико, не говоря уже об узлах стыка и соединительных штырях или пластинах-багинетах. Разъёмное по центру крыло сложнее в сборке и изготовлении, не так просто обеспечить и идеальную симметричность установки консолей относительно фюзеляжа. Стыковочный узел снижает надёжность модели в целом — немало аварий учебных аппаратов вызвано разрушением стыковочных элементов крыла и фюзеляжа, расстыковкой недостаточно точно выполненного узла либо его деформацией, приведшей к смещению плоскостей.

Конструкция крыла:

1 — центральная накладка; 2 — балка; 3 — окантовка закрылка; 4 — заполнитель закрылка; 5 стенка задней кромки; 6 — задняя кромка; 7 — нервюра; 8 — косая нервюра; 9 — лонжерон; 10 — законцовка закрылка; 11 нервюры стыка; 12 — направляющая штыря; 13 — законцовка крыла; 14 — носок; 15 — накладка; 16 — стенка передней кромки; 17 — кромка
 

Конструкция стабилизатора:

1 — законцовка; 2 — законцовка руля; 3 — задняя кромка руля; 4 — заполнитель; 5 — кромка руля; 6 — задняя кромка стабилизатора в сборе; 7 — бобышка; 8 — косынка; 9 центральная нервюра; 10 — нервюра; 11 — полу-нервюра; 12-лонжерон; 13 — передняя кромка

Типовой кабанчик:

1 — кронштейн; 2 — сухарь 3 — оконцовка тяги; 4 — фиксатор; 5 — шарнир

Подкос крыла:

1 — полкос; 2 — обтекатель; 3 — бандаж; 4 — винт М3

Итак, решили, что крыло учебной модели будет цельным. Но как же перевозить «детальку» длиной около 2,5 м? Нужен разъём. Мы перенесём его в менее нагруженную зону. Отъёмными будут «ушки», в таком варианте максимальный габарит разобранной плоскости не превысит полуразмаха. Это позволит облегчить планёр и сделать модель универсальной. Нужен «чистокровный» паритель? Пожалуйста! Достаточно увеличить угол поперечного «V» на отъёмных элементах и приспустить закрылки. Скоростные качества планёру придаст фиксация закрылков в нейтральном положении, небольшой их подъём превратит бывший паритель в хорошую «пилотажку» — свойства плосковыпуклого профиля с приподнятым закрылком близки к свойствам симметричных. А вот демонтаж «ушек» сделает модель очень близкой по характеристикам к пилотажному микросамолёту. Укорочение крыла позволит снизить нагрузки на центральные части лонжерона, следовательно, можно будет не бояться выводить аппарат на самые высокие скорости и резкие виражи. В таком варианте переставляемые ранее только на земле закрылки должны быть переведены на управление в полёте в качестве элеронов с небольшими углами отклонения. При этом возможность коррекции среднего угла их установки (как закрылков) сохраняется только для наземных условий.

Продолжим работу по конструированию каркаса крыла. Дело за задней кромкой. Требованиям минимальной массы при достаточной прочности отвечает Т-образная «балка», собранная из двух реек. Такую используем и мы, она же позволит легко разместить узлы навески закрылков и элеронов.

Для улучшения аэродинамики модели необходимо профиль крыла максимально приблизить к теоретическому. При мягкой обшивке это удастся сделать только увеличив количество нервюр с обязательной установкой носовых пол у нервюр, что утяжелит планёр. Снижение же массы каждой из них буквально на доли грамма поможет уложиться в заданную взлётную массу аппарата.

Нервюры вырезаются из лёгких сортов пенопласта (например, из потолочных панелей толщиной 3-6 мм). При этом их окантовки примут на себя все нагрузки. Подобные нервюры хорошо стыкуются с Т-образной задней кромкой, в районе носика их полезно укрепить, оклеив с двух сторон ватманом.

Надо отметить и технологичность необычного поперечного набора. Вам не придётся испытывать трудностей, связанных с изготовлением нервюр для трапециевидного крыла — для любых консолей с любым сужением и без него технология одна. Прежде всего выпиливаются шаблоны корневого и концевого сечений крыла с занижением по контуру, соответствующих толщине «работающей обшивки». По ним с помощью нагреваемой электрическим током проволоки из пенопластового блока вырезается заготовка. По «размаху» она равна суммарной толщине всех нервюр и полу-нервюр для одной консоли плюс потери на будущую распиловку на отдельные детали. Используя оставшиеся после разрезки пенопласта куски обратного профиля в качестве прижимов, обшиваем заготовку липовым или берёзовым шпоном на эпоксидной смоле (слои древесины — только поперёк размаха крыла!). Если необходимо увеличить толщину «обшивки», используйте несколько слоёв шпона, толстая пластина может не повторить очертания профипя на наиболее искривлённых участках носика нервюры.

После полного отверждения смолы заготовка распиливается на отдельные детали тонкой циркулярной липой или переделанным промышленным вибролобзиком. Нервюры через одну укорачиваются, образуя носовые полунервюры, затем идёт оклейка районов стыка с передней кромкой ватманом.

Сборка крыла проводится обычными методами. Единственное требование — обеспечение максимальной симметричности правой и левой консолей. Стабилизатор по конструкции аналогичен плоскостям крыла, отдельные его элементы лишь уменьшены в сечениях.

Система привода элеронов и закрылков на рисунках не показана — всё зависит от типа применяемой аппаратуры и рулевых машинок. В любом случае надо стремиться разместить машинки в объёме центроплана. Это поможет избавиться от лишних узлов стыка привода и сложностей, связанных с перерегулировками управления при аварийных сбросах крыла. Да и фюзеляж можно будет спроектировать поменьше и полегче. В идеальном варианте в центроплане размещаются все рулевые машинки и приёмник, в фюзеляже монтируется лишь блок питания и привод управления газом двигателя. Таким образом дополнительно снижается масса фюзеляжа и уменьшается влияние вибраций мотоустановки на надёжность бортовой аппаратуры.

Обшивка несущих плоскостей -лавсановая плёнка средней толщины. Поверх неё прилакировывается длинноволокнистая (микалентная) бумага. В результате образуется прочная, устойчивая к прокопам и ударам обшивка достаточной жёсткости и шероховатости. Рулевые элементы обтягиваются тонкой крафт-бумагой на клее ПВА и отделываются паркетным двухкомпонентным паком.

Как видите, крыло и стабилизатор (киль аналогичен рулевым элементам) могут быть выполнены по самым строгим меркам авиаконструирования, — лёгкими, жёсткими и достаточно прочными. Попробуем сделать таким же и фюзеляж, по-прежнему не забывая и о технологичности изготовления учебной модели. Ведь до сих пор удавалось обойтись без применения сложной оснастки, бальза понадобилась разве только для «поднятия» лонжерона до уровня нервюр.

В носовой части фюзеляжа расположены двигатель и некоторые элементы аппаратуры. Следует учесть: чем короче эта часть, тем меньшие нагрузки возникнут в узлах крепления к крылу и тем жёстче она будет. Поэтому прорисуем фюзеляж с минимальным выносом вперёд, предполагая небольшую массу хвостовой части модели. По миделю фюзеляж обжат до предела, фанерные борта, скреплённые шпангоутами и лёгким продольным набором, чуть ли не вплотную огибают двигатель, бак и бортовую часть аппаратуры.

Осталось решить, какой будет хвостовая часть фюзеляжа. Вариантов много, лучшим же оказывается… бесфюзеляжный! Его функции берёт на себя вильчатая балка. Лишь она объединяет в себе одновременно такие достоинства, как лёгкость, необыкновенная простота изготовления и ремонтоспособность. Каждое плечо балки — квадратная труба, склеенная из четырёх сосновых реек переменного сечения. В поперечном направлении хвостовая часть фиксируется относительно крыла парой оттяжек из троса диаметром 0,5 мм, узлы стыка балки с фюзеляжем и крылом — разъёмные при ударах модели.

Проводка управления к рулям хвостового оперения — тросовая, её несложно скрыть внутри полых плеч балки. Но на первых порах, когда вероятность аварийных ситуаций достаточно велика, лучше оставить тросы снаружи. Это облегчит переналадку системы после ремонтов. Заканчивая разговор об управлении, нужно предостеречь моделистов от попыток привода закрылков. Их большая площадь вызывает появпение даже на небольших скоростях управляющих усилий, подчас превосходящих возможности рулевых машинок. Шасси на модели не предусматривалось.

А. МОСОВСКИЙ, руководитель авиамодельного кружка