БОЙЦОВЫЕ СЕГОДНЯ И ЗАВТРА

Воздушный бой… Популярность этого класса была и будет неизменной. Пускай некоторые скажут, что сегодня заниматься боем не так уж «престижно» — весь мир переходит на радиоуправляемые аппараты, и за ними будущее моделизма. Однако достаточно вспомнить хотя бы, какое количество участников собирается на соревнованиях всех рангов по свободнолетающим! Не меньшую значимость имеет и класс F2D (воздушный бой). Его «актив» — общедоступность по технике, зрелищность выступлений, высокая степень спортивности. Первое качество позволяет культивировать класс F2D практически повсеместно, вне зависимости от обеспеченности материалами. А ведь, к сожалению, именно этот фактор зачастую определяет возможность существования того или другого авиакружка.

Кроме того, именно через школу воздушного боя в авиамодельный спорт пришли многие и многие спортсмены. Кто-то так и остался приверженцем поединков в воздухе над кордодромом, кого-то позже привлекли иные классы. Но и сейчас специфика развития авиамоделизма в нашей стране такова, что для мальчишек путь в этот интересный вид технического спорта начинается именно с «бойцовой».

Перечисляя достоинства класса, нужно упомянуть еще одно — необычайное разнообразие спортивной техники, характерное лишь для F2D. Здесь нет унылой типизации аппаратов, встречающейся во всех других видах спортивных моделей. Каждый может выбрать схему, исходя из соображений доступности материалов и технических возможностей, а поиски оптимальной схемы кажутся неограниченными.

Правда, подобное разнообразие вариантов скрывает в себе и определенную опасность. Так и кажется, что отсутствие канонов проектирования «бойцовой» и быстроменяющаяся техническая мода в классе F2D позволяют создавать модели какие хочешь и как хочешь. Лишь бы мотор был полегче да помощнее, а аппарат — полегче (тогда и маневренность появится) да плюс прочность и простота изготовления — вот и все «секреты».

Но подобные утверждения скорее всего — свидетельство технической безграмотности. А настоящие тайны полета даже таких внешне простых моделей скрыты гораздо глубже. Да, можно создать микродвигатель рабочим объемом 2,5 см³ вполне удовлетворительной мощности и массой около 40 г (образец уже существует!), спроектировать и построить бойцовую легче 100 г (такая тоже есть, причем не требует слишком аккуратного обращения и не рассыпается на высоких скоростях!). И при всем этом получить неманевренный аппарат! Можно, борясь за уменьшение радиуса маневра, сдвигать центровку назад, ставить рули значительно увеличенной площади и углов отклонения — а в результате иметь ненадежную в полете, неустойчивую и… неманевренную модель! При этом отсутствие знаний по некоторым основным законам полета зачастую приводит к появлению совершенно неожиданных понятий и своеобразных «легенд», на базе которых, кстати, строятся и подавляющее число публикаций в иностранных журналах.

Так почему же на самом деле кордовые истребители получаются лучше или хуже, почему не всегда летают так, как хотелось бы? На эти вопросы мы и хотим ответить сегодня, при этом впервые в практике проектирования бойцовых опираясь не только на словесные утверждения, но и на четкие однозначные формулы классической механики и аэродинамики.

Рекомендуем внимательно прочитать статью и спортсменам, выступающим в классе пилотажных (F2В). Общие законы полета, устойчивости и управляемости делают два внешне различных типа моделей близкими по проблемам проектирования. Итак…

Для того, чтобы разговор был максимально конкретен, рассмотрим вначале несколько реальных моделей. Четко определив, в чем достоинства и недостатки этих достаточно типичных машин, удастся судить о целых школах проектирования аппаратов класса F2D.

Совсем недавно при всей многочисленности схем бойцовые делились на три вида: легкие цельнобальзовые, тяжелые цельнопенопластовые и смешанной конструкции, занимающие среднее место среди первых двух по массе и прочности («живучести»). Но сегодня цельнобальзовые «вышли из моды», встречаются все реже, и лучшие модели делятся лишь на два вида — цельнопенопластовые и наборные. Такие представлены на рисунках 2 и 3. А на первом — наборная безбальзовая бойцовая, созданная по «мотивам» техники ведущих советских спортсменов.

Надо отметить, что выбор образцов, приведенных в статье, имел целью не столько познакомить со «сверхзнаменитостями», сколько дать представление о типах разработок и одновременно проинформировать о некоторых полезных мелочах и интересных решениях отдельных узлов.

Безбальзозая бойцовая спроектирована уфимцем И. Сахаровым. С точки зрения технологии и конструкции узлов особенностей не имеет, изготавливается с применением материалов, инструментов и клеев (К-153 и ПВА), хорошо известных моделистам-«бойцам».

В подвеске руля высоты в качестве трубок-шарниров применены иглы от шприцев Ø 2,5X0,25 мм. Центральная неподвижная часть шарнира приматывается нитками с клеем к готовому узлу задней кромки, что одновременно увеличивает надежность самого узла.

В модели нет фанерных элементов. Креме сосновых кромок и полок лонжерона (сечение последних уменьшается к концам крыла до 3X5 мм), остальные детали — из липы. Трубки-грибки для крепления моторамы вытачиваются из сплава АМГ, имеют по оси отверстие с резьбой М3, а снаружи Ø 4,5 мм. Узлы проводки корд внешнего управления выгнуты из проволоки ОВС Ø 1,5 мм, обмотаны нитками и заклеены на обеих законцовках. Это позволяет при разрушении левой консоли перебросить корды на правую и продолжить бой на той же модели.

Рис. 1. Модель для воздушного боя безбальзовой конструкции:

1 — подмоторный грибок, 2 — силовая часть (липа 8 мм), 3 — полка лонжерона (сосна 3X8 мм), 4 — дополнительный лонжерон (липа 3Х15 мм), 5 — ось качалки, 6 — полка нервюры (сосна 3X8 мм), 7 — тяга (проволока АМГ Ø 3,5 мм), 8 — бобышка (липа 8 мм), 9 — кабанчик (полистирол), 10 — полупетля (жесть 0,3 мм), 11 — ось руля (проволока ОВС Ø 2 мм), 12 — задняя кромка (сосна 4X5 мм), 13 — косынка силового узла (липа 4X14 мм), 14 — обвязка стыка кромки, косынки и шарнирной трубки нитками с клеем, 15 — качалка (текстолит 2 мм), 16 — носики (липа), 17 — передняя кромка (сосна).

Нервюры облегчены, толщина профиля в центре крыла 35 мм, на концах — 30 мм. Лобик вырезан из строительного шарикового пенопласта, обтяжка — лавсановая пленка на клее БФ-2. Модель снабжается двигателем ЦСТКАМ-2,5 К, ее масса без топлива 430 г.

Модель, выполненная с бальзой, как и следующая, цельнопенопластовая, разработана спортсменами из Дании, и обе могут считаться типичными представителями двух основных школ конструирования современных бойцовых.

Бальзовый набор в данном аппарате сочетается с пенопластовым лобиком крыла. В результате образуется достаточно живучая машина сравнительно малой массы. Чертежи дают достаточную для постройки информацию, поэтому можно остановиться лишь на отдельных узлах.

Рис. 2. Модель, выполненная с применением бальзы:

1 — дополнительный лонжерон (бальза 6X34 мм плотностью 15 г/см³), 2 — центральная силовая пластина нервюры (бальза 6X25 мм плотностью 0,15 г/см³), 3 — силовые косынки (фанера 1 мм), 4 — распорная трубка, 5 — ось качалки (проволока ОВС Ø 2 мм), 6 — полки лонжерона (сосна 3X6 мм), 7 — переходник (бальза 8 мм), 8 — стойки (бальза 6 мм плотная), 9 — накладка (бальза 6 мм), 10 — косынка (бальза 5 мм), 11 — тяги руля (проволока рояльная Ø 1 мм), 12 — задняя кромка (бальза 5X18 мм), 13 — кабанчик (капрон), 14 — подкладка (фанера 0,4 мм), 15 — руль высоты (бальза 3 мм легкая), 16 — стенка лонжерона (бальза 3 мм, слои вертикально).

Лобик вырезается из пенопласта плотностью 0,02 г/см³. Крыло на всем размахе имеет профиль NACA 630010, кроме законцовок. Интересно решены нервюры, что экономит материал, снижает массу модели и позволяет сделать эти детали более жесткими по сравнению с обычными «листовыми» (в данном варианте каждая полудужка нервюры режется из бальзы толщиной 6 мм с такой же высотой сечения). Модель обтягивается низкотемпературной (из-за малой термостойкости пенопласта) пленкой толщиной 23 мкм, под нее укладывается свернутая крупными петлями корда. Данный прием — скорее психологический. Корда, конечно, не предохранит пленку от разрыва при столкновении моделей в воздухе, зато наверняка остановит или разрушит воздушный винт модели соперника, после чего тому еще потребуется время на снятие намотанной на вал двигателя проволоки. Таким образом пилот-соперник оказывается скован опасением потерять очки за пребывание модели на земле после столкновения бойцовок.

Бойцовая с цельнопенопластовым крылом имеет аналогичную профилировку, что при меньших хордах дает толщину в центре около 35 мм против 40 мм у предыдущей машины. Поверхности пенопластовых деталей обтягиваются бумагой удельной массой 25 г/м² и затем покрываются лаком, устойчивым к воздействию компонентов топливной смеси. К достоинствам подобной схемы надо отнести и уникальную живучесть, хотя такие аппараты несколько проигрывают другим по массе. На предлагаемой вниманию модели небольшого снижения массы достигают за счет вырезки канала в залонжеронной части консоли. Лобик для повышения прочности оставляется монолитным. Оригинально — с помощью двух проволочных петель — ось качалки монтируется на сквозной сосновой балке центральной нервюры. Однако необходимо отметить: крепления узла на обычном фанерном «языке» или П-образном кронштейне, охватывающем балку, практически равноценны по надежности, зато гораздо проще в исполнении.

Рис. 3. Модель с цельнопенопластовым крылом:

1 — подмоторная распорка (липа 13 мм), 2 — распорка (бальза 13 мм плотная), 3 — силовая косынка (фанера 1 мм), 4 — «стержень» нервюры (сосна 3X13 мм), 5 — полунервюра (бальза 6 мм легкая), 6 — полки лонжерона (сосна 3X6 мм), 7 — тяги руля (проволока рояльная Ø 1 мм), 8 — накладка оперения (фанера 0,4 мм), 9 — руль высоты (бальза 3 мм легкая), 10 — подкладка кабанчика (фанера 0,4 мм), 11 — половины стабилизатора (бальза 3 мм легкая), 12 — качалка (спецфанера 3 мм), 13 — кронштейн оси качалка (рояльная проволока Ø 0,8 мм, стык паять в детали 16), 14 — передний дополнительный лонжерон (бальза 6 мм плотная), 15 — уголок (бальза плотная, во всю высоту подмоторной части), 16 — трубка ось (медь), 17 — предохранительный трос.

Обе модели спортсменов из Дании оборудованы «полумягкой» проводкой привода руля высоты: качалку с кабанчиками руля соединяют две тяги из стальной проволоки Ø 1 мм. Таким образом удается избавить элементы управления от работы на сжатие, при которой высока вероятность потери устойчивости элемента (тяги) или начала резонансных колебаний под воздействием нагрузок и вибраций от двигателя.

В прошлый раз мы познакомились с основными типами бойцовых моделей. А сегодня попытаемся разобраться, в чем же заключается смысл проектирования таких аппаратов, и с этой точки зрения оценить предложенные вашему вниманию разработки.

Прежде всего — о путях достижения сверхманевренности. Подавляющее число спортсменов считает, что стоит лишь обеспечить хорошую профилировку крыла, малую нагрузку на несущие поверхности и снабдить модель эффективным оперением, как поставленная цель будет достигнута. Да, со значимостью приведенных факторов можно согласиться (если при этом принять множество различных поправок! Но об этом — чуть позже). Однако на таком фоне первостепенное значение приобретает еще один фактор, четвертый. Упоминания о нем уже встречались в литературе по моделизму, однако носили крайне неубедительный характер, были отрывочны и голословны, а более конкретные рассматривали слишком далекие от практики примеры.

О чем же пойдет речь? О моменте инерции относительно поперечной оси модели. Изредка это понятие встречается в лексиконе спортсменов, однако, судя по реальным конструкциям, ни малейшей степени конкретизации оно не достигло. Попытаемся сегодня связать воедино теорию и практику, тем более что каких-то сложных математических выкладок и экзотических физических законов для этого не потребуется. Достаточно знаний на уровне пятого класса школы!

Сразу же начнем с конкретного примера. Возьмем весьма неплохую «бойцовку» и попробуем ее «прокачать», чтобы найти интересующую величину момента инерции. Подобная операция является рядовой в процессе исследования в лабораториях аэродинамики.

Бойцовая подвешивается либо на булавках, воткнутых в концы стабилизатора, либо напрямую за руль высоты, если петли его навески легки на поворот и есть возможность отсоединить тягу руля от кабанчика. Затем носик модели немного отводится в сторону и отпускается. Амплитуда колебаний подвешенной бойцовой обязательно должна быть ограничена несколькими миллиметрами, иначе на результате испытаний скажутся поправки, связанные с воздушным сопротивлением, демпфирующим качание крыла. «Прокачку» повторяют несколько раз, замеряя по секундомеру время пяти или десяти четно читающихся колебаний. Результаты замеров осредняются, и выводится время одного колебания.

Остается точно замерить расстояние от точки подвеса до центра тяжести модели и взвесить ее. На базе этих данных после их подстановки в расчетную формулу (она приведена на рисунке 4) находим искомое значение. Сразу же отметим, что в отличие от расчетов, подобных аэродинамическим выкладкам, мы оперируем точными и достоверными значениями физических величин и получаем точные достоверные величины, «придраться» к которым невозможно.

Рис. 4. Схема «прокачки» полностью укомплектованной модели воздушного боя и метод расчета момента инерции.

Итак, после «прокачки» конкретной бойцовой (которая, кстати, создавалась уже со знанием новых закономерностей) найден момент инерции, равный приблизительно 3*10^-3 кг*м². Много это или мало? Давайте прикинем.

Предположим, радиус маневра нашей модели равен 1 м при скорости полета 180 км/ч, выполняется полупетля. В принципе, условия расчета не критичны, важен ход расчета, и вы можете проверить его на других исходных данных. У нас же при условии постоянного углового ускорения (в других вариантах ускорение получится еще выше) и времени на выполнение всего маневра порядка 0,032 с получается, что угловое ускорение равно примерно 6000 рад/с. Зная момент инерции аппарата и ускорение, проще простого определить требуемый момент вращения. В нашем случае он равен 18 Н*м, или примерно 1,8 кгс*м.

Рис. 5. Основные параметры вращения модели при выполнении полупетли.

Теперь дело за прикидкой величины момента располагаемого. Перемножением скоростного напора воздуха (без учета струи от воздушного винта и торможения потока в районе крыла для стандартных атмосферных условий скоростной напор в зоне руля принимаем равным q_р=q_∞=0,06V² м/с) на площадь руля (м²) и коэффициент подъемной силы, в реальных условиях не превышающий 1, находим силу на руле. А так как плечо действия этой силы до центра тяжести аппарата уже известно, получаем — M_{вр. распол.}=0,06*50²*0,01*1*0,3=0,45 кгс*м. Располагаемая величина в четыре раза меньше требуемой!!!

Конечно, полностью доверяться теоретическому расчету аэродинамики не следует. Однако даже в самом лучшем случае с учетом обдува руля высокоскоростной струей от воздушного винта соотношение моментов изменится максимум в два раза, и M_{вр. распол.} составит лишь половину М _треб. Единственная возможность обеспечить нужную маневренность бойцовой только по моменту инерции (пока не будем даже вспоминать, что есть множество факторов, дополнительно тормозящих вращение аппарата) — это снизить ее инерционность!

Вот мы и добрались до главного. Остается найти пути снижения момента инерции. Чтобы было проще разобраться в этом вопросе, посмотрим, из чего складывается момент инерции предложенной модели. Итак: на двигатель с креплением и воздушным винтом приходится 0,6 кг*м² (для отдельных элементов искомую величину несложно найти по формуле I=m*R², где m — масса элемента, кг; R, как и в других случаях, — расстояние от центра тяжести элемента до центра тяжести полностью укомплектованной модели, м), на каркас крыла — 0,9 кг*м², а руль высоты массой всего лишь 10 г дает… тоже 0,9 кг*м²! Становится ясно — важна не масса детали, а сочетание массы и плеча до центра тяжести, причем плечо играет первостепенную роль (сравните величины для двигателя и руля высоты), а требуемого снижения момента инерции удастся добиться только за счет резкого облегчения удаленных от центра тяжести модели элементов и уменьшения плеча для тяжелых узлов и деталей. Заодно отметим, что таким образом мы влияем исключительно на потенциальную возможность бойцовой совершать маневры с малым радиусом виража, никоим образом не вмешиваясь в другие характеристики (устойчивость, ветрозащищенность и прочие). При всех расчетах положение проектного центра тяжести остается прежним и определяется только соображениями устойчивости по углу атаки.

Рис. 6. Конструкция цельнососнового стабилизатора 50×250 мм массой до 6 г:

1, 6 — кромки (сосна сечением 2,5X2,5 мм), 2 — промежуточные распорки-нервюры (сосна сечением 1,5X2,5 мм), 3 — носики для монтажа фанерного кабанчика (липа толщиной 1,5 мм), 4 — обшивка, придающая стабилизатору ромбовидный профиль (лавсан толщиной 15—20 мкм), 5 — хвостик центральной нервюры (липа толщиной 1,5 мм), 7 — стенка лонжерона (сосна сечением 0,8X2,5 мм), 8 — полки лонжерона (сосна сечением 2X2 мм), 9 — законцовка (сосна сечением 2,5Х4 мм). Каркас стабилизатора собирается на плоской доске-стапеле на пластифицированной эпоксидной смоле, полки лонжерона и элементы центральной нервюры монтируются после съема со стапеля. Пролет кромок между распорками не более 40 мм.

Рис. 7. Модифицированное крепление двигателя на лонжеронной части современного крыла.

Используются два уголка со стенками толщиной 1,5 мм, привертываемые к задней крышке картера. Через них проводится винт М3. Третья точка фиксации двигателя — уголковый кронштейн, привертываемый к головке цилиндра.

Рис. 8. Вариант модели с уменьшенным моментом инерции:

1 — косынка стыка кромки и законцовки, 2 — передняя кромка-лонжерон, 3 — нервюра, 4 — силовая подмоторная косынка, 5 — руль высоты, 6 — силовые полунервюры-балки, 7 — задняя кромка, 8 — качалка, 9 — законцовка.

С точки зрения инерционности имеет смысл разделить модели на три «зоны» — каркас, двигатель, хвостовая часть с рулем высоты — и по отдельности разобраться с каждой.

Возможностей облегчения двигателя при обычных приемах конструирования не так уж много. Поэтому пока примем, что единственный путь — максимальное вдвижение двигателя в крыло при желательном облегчении носовой части мотора с воздушным винтом. Укорочение носа и вала, облегчение кока и опорной шайбы пойдут лишь на пользу маневренности.

Конечно, работа над двигателем и системой его монтажа на модели должна проводиться только в связи с облегчением хвостовой части модели. Особое внимание нужно уделить рулю высоты. Как выясняется, даже классические бальзовые рули тяжеловаты, особенно с учетом необходимости покрытия рыхлой древесины тканями и лакокрасочными материалами. Много возможностей таит и современная система подвески рулей, включающая немало увесистых металлических элементов. Единственно допустимым вариантом кабанчика руля кажется фанерный, все другие, вплоть до пластиковых, проигрышны.

По каркасу можно сказать лишь, что здесь много ошибок при конструировании не сделаешь. Но заметим, что даже на первый взгляд видны преимущества цельнопенопластовых аппаратов, где масса «каркаса» как бы размазана по хорде в отличие от наборных, которые имеют сосредоточения масс в невыходных зонах — по концу и началу крыла.

Теперь, вооружившись знаниями по моменту инерции той или иной модели, вы сможете и сами разобраться в достоинствах схем предложенных бойцовой. Конечно, есть еще немало факторов, влияющих на летные свойства моделей воздушного боя. Однако любые методы модифицирования будут бессмысленны без учета законов инерционности вращения. Кстати, теперь даже по внешнему виду аппарата вы сможете судить о его потенциальных данных вполне четно. Сильно вдвинут в кромку двигатель, да еще и центровка достаточно передняя, значит, модель в состоянии быстро развернуться! Некоторые судят о маневренности бойцовой по размерам руля высоты… И зря. Дело в том, что большие рули, как правило, слишком тяжелы и увеличивают момент инерции настолько, что становятся вредны. При этом вмешивается еще один фактор — вопрос обеспечения усилий в системе управления, вообще достаточных для поворота больших рулевых плоскостей на требуемый угол! Но это — разговор отдельный, хотя и не менее важный, чем о понятии инерционности по вращению. Пока же можно сказать, что сейчас при данных соотношениях элементов управления рули на моделях ведущих спортсменов близки к верхней допустимой границе.

А. ДАРЬИН, инженер