Проект сверхлегкого планера
Я люблю строить самолеты!
1.Предпосылки
Итак, всем добрый день! Как и множество авиалюбителей, я задумался о постройке собственного ЛА весом до 115 кг, и как человек, имеющий определенный налет на планерах и не желающий пока возиться с двигателем (и желающий на нем сэкономить), выбрал для проектируемого аппарата концепцию планера-парителя. До создания этой темы так или иначе я размышлял над этим около двух лет, и кое-какие наметки уже есть.
Предполагаемое назначение – парящие полеты в зоне в хороший летний день и просто в удовольствие/восстановительные полеты в зоне во все обычные. Предъявляемые требования:
1. Не убить меня!
2. Летать получше топора и все-таки держаться в воздухе +/-0, когда потрепанный Бланик держится +0,5…1.
3. Быть дешевым – по максимуму использовать в конструкции поверхности одинарной кривизны или двойной, которые можно получить изгибом листа. Возможное использование в создании обводов материалов вроде поликарбоната или пленки для оклейки моделей (для хвостового оперения). Возможно использование узлов и агрегатов от автомобилей, велосипедов и дачной техники. Противоречит предыдущему пункту, но что поделать.
4. Быть пригодным к эксплуатации с грунтовых аэродромов.
5. Быть разборным на максимальное количество деталей, и вообще, желательно преобладание разъемных соединений для замены вышедших из строя частей.
6. Гаражное хранение и дорожный габарит при транспортировке.
7. Внутри должен умещаться рослый летчик в зимней одежде и с парашютом.
8. Конструкция должна иметь запас по модернизации и моторизации.
9. Бонус: так как учился летать я на планере Л-13, то и моему планеру желательно быть похожим на него в управлении и по характеристикам, насколько такое возможно.
Все вышеизложенное привело к созданию вот такого ТТЗ:
2. ТТЗ
Масса – до 115 кг (желательно до 112 кг) без учета летчика, с летчиком 200-215кг, Gmax_отр 225 кг с балластом (при наличии)
Vmaxmax= 250 км/ч
Качество – 20-27 (ориентировочно 23)
Нагрузка на крыло – 27 кг/м2
Экипаж — 1 чел.
Перегрузки эксплуатационные — 3, 85 (5 с коэф. запаса 1,3)
Ресурс – 500 взлетов/посадок для силовой (100 на сезон, с возможностью продления).
Межремонтный период для несиловых элементов — обшивка, шасси и т.д. — 1 сезон.(ремонт зимой, полеты летом)
Площадь крыла потребная = 7, 4 м2
Площадь стабилизатора потр. При А=0,5 и L=3.853ba = 0,9 м2,
Площадь киля потр. При L=3.3ba = 1,3 м2
Себестоимость – 270 т.р. для первого прототипа, 250 т.р. при условии серийного производства. На этот пункт пока можно не обращать внимания.
Кабина: негерметичная, обеспечивающая достаточный обзор, обеспечивающая покидание во всем диапазоне возможных летных ситуаций, включая потерю одного полукрыла, обеспечивающая защиту головы пилота при опрокидывании на земле.
Прототип: American Eaglet, L-13.
3. Описание
Свободнонесущий моноплан среднеплан классической схемы с Т-образным оперением.
Основные элементы:
Фюзеляж
Фюзеляж образован сварной рамой, на которую навешиваются ненесущие панели обвода, а так же на болтах через приварные ушки хвостовая балка, к которой, в свою очередь, крепится крыло и хвостовое оперение. Так же к раме крепится главная опора шасси. Спереди к раме крепится сплошной шпангоут, к которому крепится носовой кок, замок фала и, при наличии, опора вспомогательной стойки шасси(аналогично pw-5), так же часть оборудования. За головой пилота дуга безопасности так же образует шпангоут, к которому возможно прикрепление крыла и фонаря кабины.
Разумеется, обводу лучше всего быть максимально обтекаемым, но я рассматриваю и варианты с обтекаемым фонарем и «граненым» днищем (наподобие Вудстока), обшитый огородным поликарбонатом и образованный поверхностями одинарной кривизны, сложная нижняя часть и «граненый» фонарь(будет лучше с точки зрения искажений?) или чистый восьмигранник. Плоская нижняя часть дает возможность, будучи изготовленной из листа, прямо на ней же закрепить и педали и крепление РУС, а снаружи вместо колеса поставить алюминиевую бульбу вроде той, что есть на Бланике.
В конечном счете это спор между стоимостью, технологичностью, эксплуатацией и аэродинамикой. Я не смогу самостоятельно работать с формованием сложных поверхностей из неметаллов – ни по знаниям, ни по моим возможностям это мне не доступно. Полагаю, и по деньгам тоже – хотя неплохо было бы узнать, сколько формованные детали могли бы стоить. Все то же самое относится и к остеклению. Вообще, насколько реально сделать легкий удобообтекаемый обвод по технологии, принятой в бумажном моделизме для плавных поверхностей – набором узких полосок?
Сиденье пилота делать в виде полоски ткани, как на American Eaglet мне, честно говоря, не хочется… Но это, вероятно, самый легкий вариант.
В помощь для покидания две тканевые петли по бокам внутри фюзеляжа. Фонарь открывается против потока, при превышении определенного угла сбрасывается.
Допустимый вес для фюзеляжа в сборе, не более: 62 кг.
Из них: 40,5 – сам фюзеляж, 9,5 – хвостовая балка, 5 – приборы и замок, 5 – агрегаты шасси, 2 – кресло и обстановка пилоту.
Крыло
Площадь крыла подребная = 7, 4 м2
Размах 12000 мм, Корневая хорда 1000 мм, концевая 450 мм. Крыло отъемное.
Аэродинамические профили крыла прототипов:
Л-13 – naca 63a615 – naca 63a612
Pw5 nn 18-17
Pw4 R-III
Подобранные:
NACA 63-212 – 34,9%, 12% — корень. Угол атаки 2,5о
NACA 63(2)-615 – 34,8%, 15%
Органы управления – элероны, воздушный тормоз.
Наименее продуманный элемент конструкции, потому что я трезво отдаю себе отчет в том, что в доступных мне условиях ламинарное крыло, еще и пластиковое либо смешанное, не построить. Подумываю его где-либо заказать либо использовать уже существующее.
Вес в сборе, не более: 36 кг.
Киль
Площадь киля потр. При выносе L=3.3ba = 1,3 м2
Двухлонжеронный, лонжероны снизу через приклепанные усиливающие накладки крепятся к наварным ушкам на хвостовой балке, сверху сводятся в узел навески цельноповоротного стабилизатора. Узел представляет собой вещь весьма сложной формы, возможно, самая дорогостоящая металлическая деталь. Переднюю кромку образует пластиковый/поликарбонатный лист, подкрепленный диафрагмами, приклеенный к переднему лонжерону. Пространство между лонжеронами закрывается дополнительными листами, закрепленными без подкрепления. Из-за малых скоростей и нагрузок планирую ограничиться двумя узлами навески вместо трех. Снизу к таким же ушкам будет крепиться посадочный костыль, аэродинамически являющийся продолжением киля. Обтяжка костыля и руля направления – модельная пленка или поликарбонат.
Вес в сборе, не более: 6,5 кг.
Стабилизатор
Площадь стабилизатора потр. При А=0,5 и выносе L=3.853ba = 0,9 М2,
Цельноповоротный. Полагаю, здесь самое широкое раздолье для пенопласта, модельной пленки и прочих модельных хитростей. Впрочем, и другие варианты тоже рассмотрю с огромным интересом! Может стырю конструкцию с какого-нибудь планера. А может быть плюну и закажу готовый.
Вес в сборе, не более: 4,5 кг.
Шасси
Велосипедное, центральное шасси неубираемое, одноколесное, желательно амортизируемое; переднее – полуутопленное в обвод или выполненное в виде удобообтекаемой алюминиевой «бороды» — так как несущей я хочу сделать раму, обвод фюзеляжа вряд ли выдержит разные возможные удары при взлете или посадке, и потребуется защита – «борода» или колесо. Хвост поддерживает костыль. На концах крыльев предполагается поставить обратные винглеты-лыжи или небольшие колеса, как на «Windrose». В какой-то момент меня посетила мысль, что основное шасси, ввиду наличия некоей ширины обвода под летчиком, может быть и двухколесным – это снимет необходимость и в сопровождающем, и в усилении на законцовках крыла, что теоретически сулит небольшой выигрыш по массе, компенсирующий утяжеление основной стойки. Минус – все равно очень узкая колея.
Швартовка по носу – за замок, по хвосту – небольшая наварная петля на балке перед килем, крылья – за усиленные посадочные законцовки или в районе навески элеронов.
Заложено на основную стойку, не более: учтено в весе элементов.
Управление
Органы управления включают в себя – руль направления, ЦПС, элероны, воздушный тормоз. Управление РН осуществляется подпружиненными педалями без качалки, по типу «Windrose», ЦПС и элеронами центральной ручкой управления. Боковую ручку, несмотря на экономию веса, я ставить не хочу – мне удобнее держать обе руки на штурвале, да и с управлением левой рукой проблем не имею, так что в случае чего так проще перехватить ручку любой свободной рукой. Выпуск ВТ боковой ручкой под левую руку, ВТ расположен вдоль лонжерона на крыле, не помню тип, на котором это есть, но уверен, не редкость. Ввиду малого веса и скоростей полагаю отказаться от триммера РВ, либо, сделать его кнопочным, с электроприводом – всяко удобней, чем тащить еще одну линию проводки…
Бортовые приборы – указатель скорости, высоты, вертикальной скорости, шарик, нитка. Видел съемный альтиметр/вариометр для парапланеристов –возможность унести что-то с собой, не монтируя намертво, удобная вещь с точки зрения веса, мне кажется.
Заложенный вес проводки управления: 5 кг.
Я люблю строить самолеты!
4. Варианты
Начальная идея — взять American Eaglet и упрощать и удешевлять его на имеющийся запас веса. Наверное, если бы я был уверен в каждом своем шаге, я бы не стал писать сюда. Но увы, я сомневаюсь практически в каждом узле, в каждой идее. Практически все в можно реализовать по-разному, но как лучше? Вот несколько вариантов только общих идей.
4.1Плоское днище из листа и каплевидный алюминиевый амортизатор
Нижняя часть фермы образована парой труб, спереди соединенных шпангоутом, а сзади сходящихся к хвостовой балке. Если вместо труб использовать уголки, вполне можно на них прикрепить плоский алюминиевый лист, и на него крепить как агрегаты управления, так и амортизационную «бороду», в которой, между прочим, можно прятать жидкий балласт. Металл не боится ударов так, как пластик, так что наиболее подверженная контактам с землей на большой скорости часть будет меньше травмироваться от контактов с ней.
Еще один вариант – вместо металлического листа использовать прозрачный. Конструкция останется хрупкой, но так заметно улучшится обзор в направлении «вперед-вниз».
Минус — все из перечисленного удорожает планер.
4.2 Рама на разъемных соединениях
Сварная ферма имеет ряд преимуществ – соединения легче и прочнее, деталей на ее изготовление требуется меньше, а значит падает стоимость. Еще одна причина отказа от разъемных соединений – они могут банально цепляться за одежду – по опыту Бланика мне с моей комплекцией в нем крайне тесно и вылезать из него иногда проблемно. Это неприятно на земле, а если придется прыгать?
Однако, это несколько противоречит начальной концепции – максимальное количество съемных узлов, да и наличие стапелей для сварки крайне желательно, а это бюджет. Возможен компромиссный вариант – разъемными узлами соединяются плоские сварные детали.
4.3 воздушный тормоз за фонарем
Воздушный тормоз на планере – вещь необходимая, отказаться от закрылков еще можно, от него – уже нельзя. Но и делать крыло – заведомо, как минимум, полупокупное изделие дороже тоже не хочется. Как вариант можно делать подъемным верхний обтекатель кабины. В любом случае это отдельная съемная деталь, собственной нагрузки не несет никакой.
Альтернатива – спрятать выдвижной тормоз в фюзеляж снизу.
В обоих случаях – под вопросом аэродинамика и эффективность таких тормозов плюс создание моментов по тангажу при их выпуске.
4.4 Подкосное крыло – высокоплан
Одним из вариантов является исполнение крыла не свободнонесущим, а подкосным, из-за чего вырастает строительная высота фюзеляжа и планер из среднеплана превращается в высокоплан.
Из плюсов — появляется развитая секция центроплана, образуется довольно жесткая конструкция центроплан-подкос-ферма, на которую, в перспективе, можно навесить пару электродвигателей; неотъемная часть крыла не будет иметь сужения, и, как следствие, будет намного проще и дешевле в сборке; можно будет отказаться от полулежачего положения пилота, что заметно улучшит обзор. Из минусов – за счет новых деталей растет стоимость и увеличения высоты фюзеляжа и площади обтекания вырастет вес; о хранении с отстыкованными крыльями в среднем гараже можно забыть.
4.5 Высокоплан с оперением «перевернутое V»
Развивая идею подкосного высокоплана само собой напрашивается полное копирование прототипа American Eaglet с его характерной особенностью – Л-образным хвостом.
Такой хвост имеет на своих законцовках колеса шасси, которые образуют очень широкую колею, не давая планеру лечь на крыло на стоянке или пробеге, и тем самым улучшает и экономит вес и сложность крыла, но и (вкупе с пониженным центром тяжести) улучшает управляемость и устойчивость. Из минусов – возможно, несколько сложнее будет со штопором, велика вероятность повреждения управляющей поверхности на земле и несколько возрастает крутящий момент на балке. Так же из-за того, что левый и правый стабилизатор будут взаимозаменяемы, сильно удешевляется конструкция.
4.6 управление
И доводя уже эту схему до предела вырисовывается полный перевод управления ручкой (тангаж-крен) на хвост, а управление по рысканью – на крыло раздельным выпуском воздушных тормозов, управляемых педелями. Из плюсов – упрощается кинематика управления ручкой, исчезает управление ВТ как отдельной составляющей, исчезают элероны, вследствие чего заметно упрощается и облегчается крыло. Отсутствие всех сборочных операций, связанных с элеронами также сильно экономят бюджет. (Сам АЕ имеет почти такую же схему органов управления, но вместо тормозов применены спойлероны, и управляют они каналом крена, а не рысканья)
Из минусов – довольно экзотическая схема управления мало отработана и информации по ней немного. Вроде бы летает нечто, похожее на Лазеир. К тому же понятно, что большие расходы ручкой в ней исключены – одновременный полный ход штурвала по крену и тангажу это сумма полного хода по крену и тангажу, а оперение должно оставаться эффективным даже с учетом неудачного обдувания потоком. Понятно, что паритель это не пилотажник, но и на нем можно попасть в заковыристые ситуации, из которых потребуется быстро выходить, например угроза столкновения в воздухе, и тут не совсем понятно, чего ждать от такого управления.
4.6.2
Все управление выведено на хвост – горизонтальный стабилизатор симметричного профиля большого удлинения с двумя шайбами по концам. Стабилизатор используется и для управления по крену, и по высоте – большое удлинение позволяет не так сильно отклонять элевон по одному отдельному каналу и суммарное отклонение так же находится в пределах разумного. На шайбах вместо РН расположены воздушные тормоза (книжки или спойлероны), выпускаемые педалями. В идеале, конечно, на полвыпуска работает как спойлерон, на полный как книжка, но это слишком сложная и дорогая кинематика. Хвостовые опоры находятся на концах шайб.
Это ближе к классическому управлению, плюс сохраняется широкая колея и заметно уменьшается риск повреждений при движении по земле. Стабилизатор не имеет сужения и прост в изготовлении. Минус – больший вес.
4.7 Шасси
Из стремления сократить количество деталей появляется идея заставить одни и те же детали выполнять несколько функция, например объединить воздушный тормоз и шасси. Самый здоровый вариант – полноценное убираемое шасси, он же самый дорогой. Второй вариант – воздушный тормоз сделать из выпускающихся примерно под углом 45 градусов в проекции поддерживающих стоек. Минус – их придется очень быстро убирать при взлете, в момент начала движения, что может повлиять на потерю внимания и несоблюдении правильного положения планера за буксировщиком на начальном этапе разгона.
4.8 Киль с силовым лобиком вместо стрингера
Довольно большая стреловидность киля обусловлена необходимостью вынести подальше стабилизатор и сократить длину хвостовой балки. Так как ему придется все время все время нести его на себе, ему нужен более прочный силовой набор. Включать полноценный передний лонжерон тут практически некуда, остается только делать несущий лобик. Вопрос только как.
4.9 Конструкция крыла
Так как крыло я и не собираюсь делать сам, по нему у меня есть лишь достаточно общие наметки, поэтому помещаю его здесь. В принципе, у меня есть чертежи деревянных планеров – Вудстока, Карбондрагона и Виндроуз, но делать крыло по ним… Вообще я отношусь к дереву, как к материалу, скептически из-за недолговечности и большого количества ранящей щепы при аварии.
Площадь крыла чуть выше потребной, чтобы уменьшить нагрузку на крыло и как следствие – скорость отрыва, что важно при использовании с неподготовленных площадок. Крыло однолонжеронное с подкрепляющей стенкой. Элероны до половины размаха. Делать крыло при заданной площади сужающимся выгоднее с точки зрения веса и аэродинамики – прямое крыло более технологично. Требование обеспечить ламинарный профиль приводит к тому, что сверху до 35%, снизу до 20% лобик крыла должен быть сделан единой, скорее всего формованной деталью. Из применения неметаллической несущей детали следует, что крыло должно быть клееным. Однако дальше можно попробовать применить ткань (что-то подобное я видел на планерах со складным крылом). Органы управления и геометрия описаны в предыдущих разделах.
Для высокоплана также допустимо выполнение центроплана, рассчитанного на чуть большие нагрузки, на котором возможно размещение водяного балласта.
4.10 Летающее крыло
Эм… самый экзотический вариант. Бесхвостка с управлением, аналогичным описанному в 4.6.2 Дичь, понятно. Но никаких хвостовых балок, симметричный до 35% профиль крыла… Меньше операций – меньше стоимость. Да и примеры таких планеров тоже есть.
Вот, как-то так. Надеюсь, при помощи уважаемых обитателей форума, собрать и систематизировать всю возможную информацию и технические решения, которые могут быть применены, и в конечном счете, использованы для успешного воплощения в жизнь этой затеи.
Источник
