Зуев В. , Ракицкий М. , Русских М. , Сулимов Т. , Устинов И. , Чабан И. Руководители – А. В. Гарбарук А. В. Розенблюм Оптимизация аэродинамических свойств планера - металки Лицей ФТШ Санкт-Петербург 2016
Введение • Цель проводимых на авиамодельных кружках соревнований - попасть планером в мишень с расстояния 10 м. • Для этого необходимо обеспечить прямолинейность и достаточную дальность полета планера • Ограничения для планеров: – вес – 30 г. – размах крыльев – 50 см – хорда крыла – 10 см • Цель настоящей работы оптимизировать аэродинамические свойства такого планера
Основные величины • коэффициент подъёмной силы • коэффициент силы сопротивления где с – длина хорды крыла, l – длина крыла, ρ – плотность воздуха, v – скорость набегающего потока, FL – подъемная сила FD –сила сопротивления • аэродинамическое качество При равномерном прямолинейном движении дальность полета с фиксированной высоты определяется величиной ctg(α), которая равна качеству планера.
Устойчивость Из опыта известно, что устойчивость полета планера повышают: • низкий центр тяжести • передняя центровка • излом крыла • наличие заднего стабилизатора
Метод изготовления крыла • Аэродинамическое качество планера в первую очередь определяется аэродинамическим качеством крыла – При этом большую роль играет точность изготовления крыла с заданной формой профиля • Вырезка из пенополистирола с помощью нагретой током проволоки позволяет достичь высокой точности изготовления – Вырезанные профили обрабатывались вручную: ошкуривались, шлифовались и оклеивались скотчем • Погрешность изготовления крыльев не превышает 0. 5 мм (0. 5% от длины хорды профиля) Сравнение формы изготовленного профиля с эталоном (красная линия)
Выбор материала • Используемый материал должен быть легким, прочным и упругим • В ближайшем магазине имелись три вида пенополистирола: «белый» , «серый» и «оранжевый» • Простейшие измерения показали, что белый материал обладает наилучшим сочетанием качеств оранжевый серый белый Плотность, кг/м 3 30 41 31 предел прочности при статическом изгибе, Н/см 2 35 35 35 9, 5 8, 0 8, 5 10% 15% 5% Диаметр вмятины, мм оставленной металлическим шариком массой 7 гр, диаметром 12 мм, брошенным с высоты 0. 5 м Остаточная деформация при отклонении на 20 см кончика образца длиной 30 см
Метод измерений • Измерение свойств профилей (размер крыла 25× 10 см) проводилось в аэродинамической трубе диаметром 0. 5 м – Неоднородность потока в рабочей части не превышает 4% • Для измерения скорости потока использовался термоанемометр (погрешность не более 1%) • Сила сопротивления и подъемная сила измерялись при помощи однокомпонентных аэродинамических весов – Чашечные весы были заменены тензовесами (погрешность не более 0. 1%) • При больших углах атаки обтекание крыла является нестационарным, при этом колебания показаний тензовесов не превышают 5% • Измерения проводились при углах атаки (angle of attack - Ao. A) от 00 до 200 и скоростях потока от 4 до 7 м/с – Основные измерения - при скорости V = 4. 5 м/с Число Маха M = 0. 014 Число Рейнольдса Re = 29000
Визуализация обтекания крыла Безотрывный режим обтекания Ao. A = 50 Отрыв потока Зависимость коэффициента подъемной силы от угла атаки для профиля PSU 94 -097 Ao. A = 160
Сопротивление крыла • Для повышения качества крыла необходимо уменьшить его сопротивление • Сопротивление крыла складывается из трех компонент – сопротивление давления бесконечного крыла – индуктивное сопротивление (сопротивление от торца крыла) – сопротивление трения • Шероховатость крыла увеличивает сопротивление трения – Оклеивание скотчем обеспечивает гладкость крыла и уменьшает сопротивление NACA 63(2)-615
Индуктивное сопротивление • Сила индуктивного сопротивления возникает из-за наличия свободного конца крыла и не зависит от его длины. • Индуктивное сопротивление можно оценить по невязкой теории (λ=l/c - удлинение крыла) • Для рассматриваемого крыла при углах от 40 до 150 оно является основным Профиль a 18 Измеренная и рассчитанная поляры крыла находятся в удовлетворительном соответствии
Влияние излома крыла и V-образности • Для устойчивого полета необходимо использовать крыло с изломом или V-образное крыло • Измерения показали, что если угол излома или V-образности не превышает 20°, аэродинамические характеристики крыла ухудшаются незначительно NACA 63(2)-615
Выбор профиля • Наилучшее аэродинамическое качество при рассматриваемых режимах имеет профиль a 18
Влияние скорости потока • При увеличении скорости потока аэродинамическое качество падает – Это, скорее всего, объясняется деформацией крыла Профиль a 18
Влияние скорости потока • Из соотношения можно вычислить массу планера, способного совершать равномерное прямолинейное движение при каждом режиме • При выбранной массе планера можно определить оптимальный угол установки крыла и скорость запуска • Для крыла a 18 это 2° и 5. 2 м/с (k = 11. 2) Профиль a 18
Создание модели • Исходя из полученных результатов был создан планер со следующими характеристиками – Крыло: профиль a 18 25× 10 см, излом крыла около 15°, оклеено скотчем – Вес модели 30 грамм – Угол между крылом и фюзеляжем - 2° • Летные испытания показали превосходство созданного планера над исходным образцом
Спасибо за внимание!