Создание авиационной модели ЯК-3

РЕСПУБЛИКА САХА (ЯКУТИЯ)

МУНИЦИПАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАНИЕ «МИРНИНСКИЙ РАЙОН»

МБОУ «СРЕДНЯЯ ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНАЯ ШКОЛА №7»

НАУЧНО-ПРАКТИЧЕСКАЯ КОНФЕРЕНЦИЯ «ШАГ В БУДУЩЕЕ!

СЕКЦИЯ «ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ»

ПОДСЕКЦИЯ «НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКАЯ ВЫСТАВКА»

Создание авиационной модели ЯК-3

Выполнил: Кирилов Максим

ученик 9 класса МБОУ СОШ №7

Научный руководитель:

Митыпова Баярма Дашидондоковна,

учитель физики МБОУ СОШ №7

Декабрь, 2019 г.

г. Мирный

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ…………………………………………………………………….……..…стр.3

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………….…...стр.4

История авиамоделирования………………………………………………………...…стр.4

Принцип полета самолета…………………………………………………………....…стр.5

Уравнение Бернулли……………………………………………………………………стр.6

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ……………………………………………………………..стр.7

Строение настоящего прототипа модели ЯК-3……………………………………….стр.6

Выбор материалов и инструментов……………………………………………………стр.6

Сборка модели самолета ЯК-3…………………………………………………………стр.7

Основные летно-технические характеристики модели самолета…………………....стр.8

ЗАКЛЮЧЕНИЕ ……………………………………………………………………..….стр.9

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ………………………………...………….………….…….стр.10

ПРИЛОЖЕНИЕ №1……………………………………………………………..….....стр.11

ПРИЛОЖЕНИЕ №2………………….…………………………………………….….стр.12

ПРИЛОЖЕНИЕ №3…………………………………………………………………...стр.12

ВВЕДЕНИЕ

«Авиамоделизму я обязан многим.

Постройка и запуск летающих моделей

определили мой путь в авиацию».

А.С. Яковлев

Генеральный авиаконструктор

В настоящее время, авиамоделирование стало любимым увлечением для многих людей. В процессе работы над проектом, я узнал, что авиамоделизм имеет большую историю и становиться популярнейшим видом технического творчества. Модели играют большую роль в развитии авиации, на них проверяют новые идеи, гипотезы и технические новинки, ведут научные исследования. Постоянное развитие авиации, ставит новые задачи в этом направлении.

Поэтому практические наблюдения за пилотированием и поведением авиамодели в различных положениях полёта дают возможность воплотить в жизнь новые идеи, связанные с безопасностью воздушных судов, снижения аэродинамического сопротивления и соответственно снижения топлива при полётах на дальние расстояния.

АКТУАЛЬНОСТЬ

Тема данной работы очень актуальна для понимания развития современной техники. Делает возможным в дальнейшем проектирование более сложных моделей самолетов и механизмов, которые можно эффективно использовать в будущем при разработке новой авиационной техники.

ЦЕЛЬ

Сконструировать, изготовить и произвести запуск летающей модели самолета ЯК-3, способная выполнять фигуры простого пилотажа.

ЗАДАЧИ

изучить основы аэродинамики;

определить размеры модели самолета и материал для изготовления самолета;

произвести расчеты деталей необходимых для модели;

собрать модель самолета и установить электронику;

провести испытания модели самолета.

Объект исследования – авиамоделирование.

Предмет исследования – авиамодель ЯК-3.

Гипотеза - предположим, что авиамодель ЯК-3 может подняться в воздух на оптимальную высоту и пролетев определенное расстояние, приземлиться.

МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЯ

-анализ материалов о видах самолетов и их физических характеристик;

-наблюдение за движением самолета;

-эксперимент;

-обобщение.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Разработка и создание модели самолёта или беспилотного летательного аппарата (БПЛА) различных размеров, классов и конструкций называется авиамоделизмом.

Авиационный моделизм - это первая ступень овладения авиационной техникой. Из рядов юных авиамоделистов начинали свой путь в авиацию много талантливых конструкторов и учёных, выдающихся лётчиков и космонавтов. Среди них люди, чьими именами гордится наша Родина: генеральные авиаконструкторы А.Н. Туполев, О.К. Антонов, лётчики М.М. Громов и А.И. Покрышкин, космонавты Ю.А. Гагарин и Г.Т. Береговой. Они начинали свой путь в авиацию именно с авиамоделизма.

Современные летательные аппараты - это сложнейшие инженерные сооружения. Для их создания нужны определенные навыки и знания.

Авиамоделизм и для меня стал практической школой для самостоятельной творческой работы и в большей степени повлиял на выбор моей будущей профессии.

Теоретическая значимость работы для меня заключается в накоплении материала, информации, знаний по теме исследования. В дальнейшем будущем мне нужна будет эта информация на пути к своей мечте - стать пилотом гражданской авиации. Именно по этой причине я выбрал данную тему.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЗНАЧИМОСТЬ

Полет авиационной модели ЯК-3.

Дополнительный балл при поступлении в профильный вуз связанный с авиацией.

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

История авиамоделирования

С незапамятных времён люди мечтали научиться летать. Авиамодель - это уменьшенная копия летательного аппарата. Такие копии принесли огромную пользу науке. С помощью модели в 1754 году был поднят метеорологический прибор. В 1882 году Александр Фёдорович Можайский – русский морской офицер, создал первый самолет в натуральную величину с паровым двигателем, с человеком на борту. Создатель первого самолёта проверял правильность своих расчётов и теорий на моделях. Прежде чем запустить в небо самолёт, он делал его уменьшенные копии. Такой прототип летательного аппарата мог летать, у него были все основные части современного самолёта: корпус, крыло, шасси, оперение, моторная установка.

2 января 1910 года считается днем рождения авиамоделирования. Именно в этот день состоялись первые соревнования среди любителей летающих моделей. Организатором соревнований был основоположник аэродинамики Николай Егорович Жуков.

В 1952 году авиамодельный спорт был включён в единую спортивную классификацию.

Принцип полета самолета

В полете самолет подвергается влиянию многих сил, обусловленных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил:

силы тяжести;

подъемной силы;

силы тяги винта;

силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление).

Сила тяжести остается всегда постоянной, если не считать уменьшения ее по мере расхода горючего. Подъемная сила противодействует весу самолета и может быть больше или меньше веса, в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперед. Силе тяги винта противодействует сила сопротивления воздуха (иначе лобовое сопротивление).

При прямолинейном и горизонтальном полете эти силы взаимно уравновешиваются: сила тяги винта равна силе сопротивления воздуха, подъемная сила равна весу самолета. Ни при каком ином соотношении этих четырех основных сил прямолинейный и горизонтальный полет невозможен.

Любое изменение любой из этих сил повлияет на характер полета самолета. Если бы подъемная сила, создаваемая крыльями, увеличилась по сравнению с силой тяжести, результатом оказался бы подъем самолета вверх. Наоборот, уменьшение подъемной силы против силы тяжести вызвало бы снижение самолета, т. е. потерю высоты.

Если равновесие сил не будет соблюдаться, то самолет будет искривлять траекторию полета в сторону преобладающей силы.

Самолет – летательный аппарат (ЛА) тяжелее воздуха, оборудованный силовой установкой. При помощи этой важнейшей части самолета создается необходимая для осуществления полета тяга – действующая (движущая) сила, которую развивает на земле или в полете мотор (воздушный винт или реактивный двигатель). Если винт расположен перед двигателем, он называется тянущим, а если сзади – толкающим.

Соответственно, относительно воздуха движется и крыло, которое создает подъемную силу в результате этого поступательного движения. Поэтому аппарат может держаться в воздухе только при наличии определенной скорости полета.

Размах крыла - расстояние между плоскостями, параллельными плоскости симметрии крыла, и касающимися его крайних точек. Размах крыла - это важная геометрическая характеристика летательного аппарата, оказывающая влияние на его аэродинамические и лётно-технические характеристики, а также является одним из основных габаритных размеров летательного аппарата. 

Чем больше удлинение, тем меньше индуктивное сопротивление крыла, связанное с перетеканием воздуха с нижней поверхности крыла на верхнюю через законцовку с образованием концевых вихрей. Естественно, чем меньше индуктивное сопротивление, тем меньше и общее сопротивление системы, тем выше аэродинамическое качество.

С точки зрения аэродинамики наиболее выгодным будет такое крыло, которое обладает способностью создавать возможно большую подъемную силу при возможно меньшем лобовом сопротивлении. Для оценки аэродинамического совершенства крыла вводится понятие аэродинамического качества крыла.

Аэродинамическим качеством крыла называется отношение подъемной силы к силе лобового сопротивления крыла.

Наилучшей в аэродинамическом отношении является эллипсовидная форма, но такое крыло сложно в производстве, поэтому редко применяется.

Крыло эллиптической формы в плане обладает самым высоким аэродинамическим качеством - минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе. К сожалению, крыло такой формы применяется нечасто из-за сложности конструкции, низкой технологичности и плохих срывных характеристик. Однако сопротивление на больших углах атаки крыльев другой формы в плане всегда оценивается по отношению к эллиптическому крылу. Самолёт ЯК-3 имеет эллиптическую форму крыла (Приложение №1).

Уравнение Бернулли

Уравнение Бернулли позволяет рассчитать подъемную силу крыла самолета при полете в воздухе. Если скорость потока воздуха над крылом v1 окажется больше скорости потока под крылом v2, то согласно уравнению Бернулли, возникает перепад давлений: ∆P=P2–P1, где p2 — давление под крылом, p1 — давление над крылом.

Бернулли вывел уравнение, согласно которому с увеличением скорости потока воздуха над крылом уменьшается давление над крылом, и наоборот.

Скорости жидкостей обратно пропорциональны площадям сечений. И чем больше площадь сечения, тем меньше скорость жидкости, протекающей через него, и наоборот. v1/ v2 = S2/ S1

«При стационарном течении жидкости давление больше в тех местах, где меньше скорость течения, и наоборот».

Уравнение Бернулли имеет вид:

, 

где ρ – плотность жидкости,ν – скорость потока, h – высота, на которой располагается элемент жидкости, ɡ - ускорение свободного падения,

p – давление в точке пространства, в которой расположен центр массы элемента жидкости.

Первое слагаемое уравнения Бернулли – кинетическая энергия потока, или динамическое давление. Его создаёт движение жидкости или газа. В авиации его также называют скоростным напором.

Второе слагаемое - потенциальная энергия, или гидростатическое давление. Оно создаётся весом столба жидкости или газа высотой h.

И, наконец, третье слагаемое, Р – это статистическое давление, которое оказывают друг на друга соседние слои жидкости или газа.

Сумма всех слагаемых уравнения называется полным давлением.

Для трубы, расположенной горизонтально, или горизонтального воздушного потока уравнение Бернулли выглядит так: 

Из него видно, что чем выше скорость воздушного потока, тем меньше давление, и наоборот.

Величина подъёмной силы зависит от многих факторов: угла атаки, плотности и скорости воздушного потока, геометрии крыла и др .Самолёт может взлететь только в том случае, если подъёмная сила больше его веса. Скорость он развивает с помощью двигателей. С увеличением скорости увеличивается и подъёмная сила. И самолёт поднимается вверх.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

Строение настоящего прототипа модели (ЯК-3)

ЯК-3 – это советский поршневой истребитель периода Второй мировой войны, созданный конструкторами опытно-конструкторского бюро Яковлева. По своим летно-техническим характеристикам он считается одним из лучших. Во время создания самолета ЯК-3 разработчики учли опыт боевого применения истребителей на Восточном фронте. За счет максимального облегчения конструкции машины была значительно увеличена ее скорость и маневренность. Ещё одним направлением модернизации истребителя стало улучшение аэродинамических характеристик его фюзеляжа и крыла.

Выбор материалов и инструментов

Для изготовления самолета-истребителя ЯК-3 использовали материалы:

Потолочная плитка

Клей Титан

Пенопласт

Фанера

Бальза

Стальная проволока

Текстолит

Скотч

Магниты

Железные пластинки

Краска Tamiya

Бесколлекторный двигатель Impact 1400 kv

Сервомеханизмы Micro Servo 9g

Приёмник

Регуляторы

Инструменты: пила, канцелярский нож, наждачная бумага, линейка, карандаш.

Оборудование: верстак.

Сборка модели самолета ЯК-3

Составные части самолета ЯК-3 состоят из следующих конструктивных групп:

• крыла- крыло эллиптической формы, обладает самым высоким аэродинамическим качеством - минимально возможным сопротивлением при максимальной подъемной силе.

• фюзеляжа - это главный корпус самолета, связывающий в единое целое крылья (крыло), оперения, силовую систему, шасси и другие составляющие. В фюзеляже размещаются экипаж, пассажиры (в гражданской авиации), оборудование, полезная нагрузка. Также может размещаться (не всегда) топливо, шасси, моторы и т.д.

• оперения - вертикальное оперение предназначено для управляемости, балансировки и путевой устойчивости самолета относительно вертикальной оси. Горизонтальное оперение предназначено для управляемости, балансировки и путевой устойчивости самолета относительно горизонтальной оси.

• взлетно-посадочных устройств (шасси).

• силовой установки (двигатели) – используются для приведения в движение ЛА.

• управляющих систем.

• различного оборудования.

Основные летно-технические характеристики модели самолета

Потребная скорость и мощность горизонтального полета

Известно, что подъемная сила выражается формулой

Для обеспечения горизонтального полета должно выполняться условие

Подставив в уравнение G вместо Y и решив его относительно V получим:

Из последнего уравнения можно сделать вывод, что при неизменной нагрузке на крыло G/S и плотности каждому значению Су (а значит, и каждому углу атаки ) соответствует вполне определенная скорость. Эту скорость называют потребной скоростью горизонтального полета.

Для обеспечения горизонтального полета с установившейся скоростью должно выполняться еще и второе условие

где рп—потребная тяга горизонтального полета.

Но

откуда

То есть потребная для горизонтального полета тяга, на некотором угле атаки , равна весу самолета, деленному на его аэродинамическое качество при этом угле атаки. Чем меньше вес самолета и чем выше его аэродинамическое качество, тем меньшая тяга требуется для осуществления горизонтального полета. Но качество самолета зависит от угла атаки; следовательно, при изменении угла атаки будет изменяться качество, а зна­чит, и потребная тяга.

Известно, что мощность—это работа силы за единицу времени:

Следовательно, потребная мощность горизонтального полета равна произведению потребной тяги на скорость полета:

Располагаемая мощность силовой установки

Располагаемая мощность Np — это часть мощности двигателя N, которая расходуется на перемещение са­молета. Если бы КПД винта был равен единице, то располагаемая мощность равнялась бы мощности двигателя. Однако КПД винта никогда не может равняться единице. В лучшем случае, на расчетной для винта ско­рости полета можно принимать=0,60, для других режимов его работы — не более 0, 5... 0 ,6. Исключение составляют винты изменяемого шага (ВИШ), однако до настоящего времени, из-за большой конструктивной сложности, широкого применения на сверх легких самолетах они не нашли. В общем случае Np=N, где=f(V).

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Поставленные цели и задачи выполнены мной самостоятельно. Я создал радиоуправляемую авиационную модель самолёта-истребителя ЯК-3 своими руками для выполнения полётов.

Конструирование модели помогло мне разобраться в устройстве настоящих самолётов.

Моё увлечение авиамоделизмом помогло развить творческие способности, терпение, усидчивость, нестандартное мышление, аккуратность и пространственное воображение.

В процессе создания авиамодели я в очередной раз утвердился в правильности выбранной профессии на будущее.

Первые шаги к своей мечте стать пилотом и «прикоснуться» к небу я уже сделал:

Прыгнул с парашютом (Приложение №2)

Создал авиамодель. (Приложение №3)

Совершил полет авиамодели ЯК-3 (видео)

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

Авиация: Энциклопедия / Гл. ред.. — М.: Науч. изд-во «Большая Российская энциклопедия» : ЦАГИ им. Н.Е. Жуковского, 1994.

Егер, С. М. Основы авиационной техники: Учебник для вузов по направлению "Авиа-и ракетостроение" / 2003г. 

Замятин В.М. Планеры и планеризм / 1974г.

Стасенко, А.Л. Физика полета. /А.Л. Стасенко – М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы (Библиотечка «Квант» Выпуск 70), 1988г.

Матвеенко, И. А. Шаталов ; Ред. И. А. Шаталов . – 3-е изд., испр. и доп. М.: Машиностроение, 2003 .

Соболева, Г.А. Всемирная история авиации.  / Авт.-сост.: Г.А. Соболева, Ю.В. Рычкова.  – Москва, 2002г.  

http://ency.info/materiya-i-dvigenie/chelovek-i-nebo/312-zakon-bernulli-v-aviazii

Приложение №1

Приложение №2

Приложение №3