ПО АВИАЦИОННЫМ ЗАКОНАМ

Все давно привыкли к тому, что кордовые автомодели с воздушным винтом — самые простые среди гоночных: корпус-палка, четыре ножевидных колеса да пилон с авиамодельным двигателем. Так и должно быть. Рассчитан этот класс на начинающих, его задача — привить ребятам навыки работы с инструментом и различными материалами, дать возможность в первый же год занятий вкусить азарт спортивной борьбы на соревнованиях.

Но при всей внешней незамысловатости таких конструкций их движением управляют сложные законы механики и аэродинамики. Скажете, трудно требовать «научного» подхода к проектированию модельной техники от начинающих? Ничего подобного! Даже обладая знаниями только школьного курса физики, можно разобраться во многом, кажущемся необъяснимым. Нужен конкретный пример? Пожалуйста! Попробуем вместе определить, что влияет на скорость и на устойчивость движения в заезде гоночной с воздушным винтом.

Наверное, вы уже обратили внимание на то, что аэродинамика поставлена в один ряд с механикой. И это не случайно. Именно аэродинамика определяет важнейшую характеристику гоночного аэромобиля — его максимальную скорость, только знание этой науки позволяет правильно сбалансировать модель.

Даже элементарные расчеты показывают: сопротивление движению легкой гоночной состоит исключительно из «воздушных слагаемых». При малой нагрузке на колеса и прямом их движении по дорожке (без бокового скольжения) на их прокручивание затрачивается менее 1% мощности двигателя. Остальное поглощает аэродинамическое сопротивление. Состоит оно из суммы сопротивлений кордовой нити (до 80% от этой суммы!), самой модели и кордовой планки. Ясно, что основная работа по совершенствованию гоночной должна быть направлена на уменьшение «трущейся» о воздух поверхности (ее называют смачиваемой) при непременном соблюдении максимальной плавности всех обводов.

Попутно отметим, что многие моделисты, не разобравшись в законах устойчивости движения микромашины, пытаются компенсировать ошибки, увеличивая площадь стабилизатора. В результате иной раз его полная поверхность и сопротивление превышают те же параметры всех остальных частей модели!

Что касается кордовой планки, размеры которой оговорены правилами, то пределы возможностей здесь лишь в аккуратном скруглении всех острых граней и тщательной полировке.

Говоря о преимущественном влиянии аэродинамики, нужно иметь в виду, что это относится, конечно, только к моделям с грамотно сконструированной ходовой частью. В отличие от «чистокровных» гоночных максимально облегчать аэромобили выгодно с самых разных точек зрения. Чем меньше масса, тем реальнее достижение более высоких скоростей, таким моделям свойственны и улучшенные характеристики системы подвески. Любая тяжелая микромашина требует кропотливого подбора элементов подрессоривания. В легкой же, не требующей надежного сцепления с дорожкой, можно вообще отказаться от амортизаторов! Жесткое шасси сделает ее еще легче, проще и надежнее, при грамотной балансировке она будет отлично держать дорожку. Объясняется это просто. При наездах на микронеровности кордодрома в абсолютно жесткой подвеске не образуется упругой силы, способной значительно повлиять на движение модели. Вся энергия подскока гасится в резине «шин».

Попутно отметим, что похожими характеристиками обладает и очень мягкая подвеска — у нее вообще отсутствует усилие на подбрасывание корпуса даже после наезда на значительную неровность. Об этом не надо забывать при проектировании любой автомодели — промежуточные элементы пружинного типа придадут микромашине склонность к галопированию.

Кроме системы подвески, устойчивость движения во многом зависит от сбалансированности всего комплекса; кордовая нить — кордовая планка — модель — движитель. Лишь такой обобщенный подход обеспечит правильные выводы, проектирование модели без учета других составляющих (как рекомендует большинство известных расчетов) приводит к грубым ошибкам!

Для простоты рассмотрим поведение комплекса в различных плоскостях. Начнем с горизонтальной — при виде на модель сверху (рис. 1). Оказывается, балансировка системы в основном диктуется «авиационными законами»: поправки зависят от прогиба кордовой нити под воздействием сопротивления воздуха. Об этом многие забывают и… теряют возможность повысить скорость модели, уменьшив боковое скольжение вращающихся колес. Особенно заметны потери от «юза» при использовании кордовой нити большого диаметра с моделью малой массы. Степень изгиба нити почти не зависит от скорости автомодели — изменения сопротивления корды и центробежной силы, спрямляющей нить, одинаковы и при 50 и при 150 км/ч. Для модели с воздушным винтом поправки на смещение точки подвеса на корде могут быть значительными. При этом совершенно необязательно менять точки крепления кордовой планки — достаточно установить ее под углом к корпусу.

Рис. 1. Балансировка кордовой автомодели в горизонтальной плоскости:

1 — центральная стойка кордодрома, 2 — кордовая нить, 3 — кордовая планка, 4 — модель; а — коррекция положения планки по длине модели.

А — обычно рекомендуемое условие крепления кордовой планки относительно центра тяжести укомплектованной модели; Б — положение модели во время заезда при обычном расположении кордовой планки; В — правильное положение модели во время заезда при скорректированном положении кордовой планки.

Обозначения:

Х_мод. — аэродинамическое сопротивление кордовой нити; Х_корда — аэродинамическое сопротивление модели; X_{скольж.} — сопротивление скольжения колеса, идущего не по направлению движения модели; α_{скольж.} — угол между осью модели и направлением ее движения (угол скольжения).

Правильный выбор точки подвеса окажет немаловажное влияние и на устойчивость модели в заезде. Представьте, что колесо, идущее даже под небольшим углом к касательной, встретило неприметную неровность. Сразу же возрастет нагрузка на него, увеличится и боковая сила скольжения. Последует рывок микромашины вбок, прогнутость корды изменится, и модель повернется сразу по двум осям! Затем возникшие колебания начнут затухать, скорость упадет и… так до наезда на следующую микронеровность.

Попробуем теперь сравнить модель авиационной схемы (со стабилизатором, удерживающим во время заезда хвостовую часть корпуса в воздухе) с классической по сбалансированности в вертикальной плоскости (рис. 2), не забывая при этом, что сопротивление тоненькой кордовой нити составляет почти четыре пятых сопротивления всего комплекса. При классической пилонной схеме на аэромобиль действует множество моментов сил разного направления. Они находятся в равновесии только при каком-то одном (практически реально несуществующем!) режиме. Все моменты — значительной величины и зависят от тяги воздушного винта (режима и устойчивости оборотов двигателя), скорости модели, изменения ее массы по мере выработки топлива, от состояния дорожки под колесами в данный момент движения, Чуть изменится любой из параметров, и гоночная начнет «галопировать», теряя скорость. А как поведет себя при подобных возмущениях легкий авиационный вариант? Отлично! Если вспомнить, что сопротивление вращению колес легкой машины чрезвычайно мало, станет ясно: сил, дающих при своем изменении разворачивающие моменты, практически не осталось. А незначительный пикирующий момент от вращения воздушного винта-гироскопа легко компенсируется установкой стабилизатора под небольшим отрицательным углом атаки. Все это, конечно, при условии, что ось основных колес расположена точно под центром тяжести модели или чуть впереди него.

Рис. 2. Балансировка кордовой автомодели с воздушным винтом в вертикальной плоскости:

А — модель обычной схемы; Б — модель авиационной схемы.

Обозначения:

P_винта — тяга воздушного винта,

P_мод. — вес модели,

Х_Σ — аэродинамическое сопротивление комплекса модель — планка — корд, Х_{тр. кач.} — сопротивление трения качения шасси модели (из-за перераспределения нагрузок на оси в основном приложено к передней оси),

R — нагрузка на переднюю ось шасси,

c — плечо оси передних колес относительно центра тяжести модели,

α — плечо тяги двигателя относительно центра сопротивления комплекса модель — планка — корд,

М_гир. — гироскопический момент воздушного винта,

М_пик. — пикирующий момент от тяги воздушного винта.

Рис. 3. Балансировка кордовой автомодели с воздушным винтом при виде спереди (направление вращения воздушного винта общепринятое, обеспечивающее надежный старт модели):

А — модель обычной схемы (справа показано положение при подскоке), Б — модель авиационной схемы.

Обозначения:

М_реакт. — реактивный момент от вращения воздушного винта,

P_мод+пл. — суммарный вес модели и планки,

R/2 — нагрузка на колеса,

e — плечо центра тяжести комплекса модель — планка относительно центра опоры модели.

Теперь — о сбалансированности комплекса при виде спереди (рис. 3). Обычно (точнее, всегда) рекомендуется для полной уравновешенности крепить кордовую планку точно на высоте центра тяжести окончательно укомплектованной микромашины. Колея же колес как фактор, влияющий на устойчивость гоночной, вообще не упоминается. Сразу две ошибки! Особенно применительно к моделям с воздушным винтом. Смотрите сами: центробежная сила при массе модели 0,3 кг и скорости 180 км/ч равна примерно 7—8 кгс. Тогда неточность в высоте крепления планки, равная 0,5 см, вызовет кренящий момент 3,5—4 кгс*см. А ведь это — почти полный реактивный момент от вращения воздушного винта! Следовательно, можно, скорректировав положение планки по высоте, обеспечить устойчивость корпуса при виде спереди даже на неровном кордодроме. В том числе и для условий движения на одном из двух колес основной оси. Правильно выбранная колея должна, во-первых, обеспечивать выполнение требования правил о ровностоящей модели без подцепленных корд и, во-вторых, внутреннее колесо должно располагаться почти под центром тяжести аэромобиля с планкой. Только при удовлетворении последнего условия гоночная при случайном подскоке будет идти вверх «плоско», без поворота вокруг продольной оси, а опустившись на дорожку, не затормозится.

Не забудем при этом и о необходимости хороших стартовых характеристик. Правильно выбрав направление хода модели по кругу в зависимости от направления вращения воздушного винта, мы предотвратим крен на старте в сторону планки и застрахуем модель от ухода в круг. Но возможна другая крайность. Когда скорость и центробежная нагрузка близки к нулю (начало разгона), а колея слишком узка, не исключен завал во внешнюю сторону. Причина — тот же реактивный момент, не скомпенсированный на малой скорости. Значит, центровка комплекса модель — кордовая планка по ширине микромашины должна быть выбрана так, чтобы расстояние от общего центра тяжести до плоскости внешнего колеса, умноженное на вес этого комплекса, было не меньше вращающего момента двигателя. В расчетах для двигателя КМД-2,5 можно принять его равным 2— 2,5 кгс*см. На готовой модели центровку по длине планки легко подобрать за счет изменения размеров или материала самой планки с последующей коррекцией колеи (не забудьте, внутреннее колесо — почти под центром тяжести!). Для скорости же 150 км/ч при массе аэромобиля 0,3 кг поправка на высоту крепления планки — около 0,5 см (выше ЦТ).

Осталось предусмотреть еще одну «тонкость» стартового режима. Это — опасность заезда в круг при минимальной устойчивости модели «по курсу» на малой скорости вследствие неумелого запуска. Допустим, в результате ошибки юного спортсмена корда провисла и легла на бетон. Чтобы модель смогла уверенно продолжить движение по дорожке, необходимо хотя бы минимальное натяжение нити. При жестко закрепленной планке обеспечить это очень сложно. А вот если позволить ей отклоняться назад во время старта, с запуском справится и новичок! Конечно, после выхода гоночной на режим планка должна занять расчетное положение. При этом нужно соблюсти и требование правил о системе крепления кордовой планки на корпусе двумя винтами М3.

Рис. 4. Гоночная автомодель с воздушным винтом:

1 — хвостовые колеса, 2 — стабилизатор, 3 — хвостовая балка, 4 — обтекатель двигателя, 5 — крышка, 6 — наплыв моторамы, 7 — защелка крышки, 8 — кок воздушного впита, 9 — стойка шасси, 10 — обтекатель основного колеса шасси, 11 — кордовая планка.

Величины «а» и «в» подобрать в процессе балансировки автомодели.

Выхлопное окно условно показано с правой стороны.

Рис. 5. Переднее колесо с обтекателем:

1 — стойка шасси (Д16Т толщиной 2—2,5 мм), 2 — обтекатель колеса (липа или штамповка из листового целлулоида толщиной 0,8 мм, клеить yа стойке), 3 — диск-гайка (Д16Т, резьба М6Х0,5), 4 — самоконтрящаяся гайка М3, 5 — шайба (сталь), 6 — «шина» (полиуретан), 7 — ось-заклепка с резьбовым хвостовиком М3 (сталь полутвердая), 8 — диск (сталь, резьба наружная М6Х0,5).

* — размер в затянутом состоянии.

Фиксация дисков относительно друг друга — тремя «точками» кернения. На поверхности дисков, обращенных к «шине», при токарных операциях нанести ряд концентрических канавок глубиной 0,3—0,4 мм, увеличивающих надежность зажима «шипы» между дисками.

Рис. 6. Конструкция гоночной кордовой автомодели с воздушным винтом:

1 — борта корпуса (сосна сечением 2X34 мм, к хвостовому концу корпуса сечение уменьшить до 1X12 мм), 2 — уголки (липа 4X4 мм), 3 — шпангоут (фанера 1,5 мм), 4 — топливный бак (максимальный объем 30 см³, паять из луженой жести толщиной 0,2 мм), 5 — моторама (белый граб), 6 — накладки моторамы (липа толщиной 4 мм), 7 — крышка (липа, долбить), 8 — «стаканчик» обтекателя (Д16Т), 9 — кок-гайка (Д16Т), 10 — обтекатель двигателя (бальза или пенопласт ПХВ), 11 — стойки шасси (обмотать нитками, клеить в дет. 10), 12 — грибки с внутренней резьбой М3 (сталь, клеить в дет. 5).

Итак, основные факторы движения микромашины определены. Попробуйте на их основании спроектировать гоночную с воздушным винтом. Как один из возможных вариантов предлагаем конструкцию, показанную на рисунке 4. Ее преимущества: хорошая устойчивость на дистанции, минимальный вес, простая, а следовательно, надежная (и опять же более легкая) силовая схема, минимальное количество параметров, подлежащих регулировке во время тренировочных заездов, и наконец небольшая смачиваемая поверхность.

Кроме того, детально разобравшись в вопросах подрессоривания, можно обеспечить стабильность прохождения дистанции и устойчивость запуска и хода на режиме максимальной скорости на кордодроме любого качества.

Еще раз отметим, что в результате «научных изысканий» модель стала проще как по конструкции, так и в изготовлении. Отсюда ее повышенная надежность. Значит, избранный путь поиска был верным.

Остается добавить: «космические материалы и технологии, доступные единицам, теперь не понадобятся. Появляется возможность полного изготовления модели силами самого мальчишки практически без профессиональной (І) станочной обработки деталей.

Е. ГОРОВ, инженер-конструктор, руководитель кружка