Исследовательская работа "Почему у самолётов разная форма?"

 

МУНИЦИПАЛЬНОЕ  ОБЩЕОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ  УЧРЕЖДЕНИЕ

ГОРОДА УЛЬЯНОВСКА«ГИМНАЗИЯ № 34»

 

 

Исследовательская работа:

 

«Почему у самолётов разная форма?»

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Автор

Гильванова Алина,

ученица 4 «Б» класса

тел. 8 967 774 0752

 

Руководитель

                                     ЯковлеваЛюдмила Андреевна,

учитель начальных классов

                                                                   тел. 8 905 348 8356

 

 

 

 

 

 

Ульяновск

2020

 

 

Содержание

Введение.

Глава 1. История возникновения авиации.

Глава 2. Такие разные крылья, носы и хвосты.

Глава 3. Сравнительный анализ. Проверка лётных качеств моделей.

Выводы.

Библиография.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Недавно я побывала в музее гражданской авиации. Там представлено множество самолётов, стоящих под открытым небом.

 

В один из них мне разрешили войти. В кабине самолёта я даже представила себя пилотом.

 

Рассматривая самолёты, я обратила внимание, что некоторые модели очень сильно отличаются друг от друга формой носа, крыльев, хвоста.

 

 

У меня возник вопрос, почему же самолёты такие разные? Возможно, от этого зависят лётные характеристики самолёта – его аэродинамика. Я решила подробнее разобраться в этом вопросе.

 

Цель исследования: определить, как форма самолёта влияет на его аэродинамику.

 

Объект исследования: самолёты.

 

Предмет исследования: формы крыла, носа и хвоста самолётов.

 

Задачи исследования:

1. Из различных источников узнать историю возникновения авиации.

2.Изучить и выяснить зависимость аэродинамических свойств самолёта от формы хвоста, носа и крыльев.

3. Изготовить несколько бумажных самолётов различных видов -              прототипов реальных самолётов.

4. Сравнить лётные характеристики изготовленных моделей.

5. Проанализировать результаты сравнения.

6. Сделать выводы.

 

Методы исследования: сравнительные эксперименты, наблюдение, анализ и синтез информации, статистический, поисковый, систематизация и опыт.

 

Гипотеза: Предположим, что формы крыльев, носа и хвоста самолёта влияют на дальность и скорость его полёта.

 

 

Глава 1. История возникновения авиации.

 

Подняться в небо людей вдохновили птицы: наблюдая за ними, учёные постигли многие тайны полёта. Даже само слово «авиация» (все придуманные человеком механизмы, способные летать) произошло от латинского «avis» — птица.

В XV веке мысль о полёте не покидала многих инженеров. Первым, кто стал изучать теорию полёта, стал Леонардо да Винчи.

Изначально да Винчи работал над созданием летательного аппарата, основываясь на принципе маховых движений крыльев. Он анализировал характеристики полёта птиц и летучих мышей, а также изучал анатомию их крыльев. Он верил в то, что человек сможет научиться летать, если сконструирует, а затем приведёт в действие аппарат, имитирующий машущий крыльями полёт птиц.

 

 

 Некоторые из его рисунков изображают лежащего вниз лицом человека, который собирается взлететь с помощью механизмов, присоединённых к крыльям. Другие рисунки демонстрируют более сложные крепёжные системы. Есть и рисунки человека с машущими крыльями, расположенного вертикально, и нажимающего на педали аппарата руками и ногами.

Однако позже, да Винчи приходит к выводу о том, что человеку просто не хватит силы в туловище и руках для того, чтобы подняться в воздух подобно птице. В результате он начинает изучать возможность полёта без маховых движений, углубляясь в изучение скорости ветра и способов использования воздушных потоков для полёта.

 

Его идеи, воплощённые в виде чертежей и набросков, во многом предвосхитили появление современных дельтаплана, самолёта, вертолёта и парашюта. Результатом его неутомимых исследований стало собрание, содержащее 36 страниц рисунков полёта птиц и записей, в которых да Винчи утверждает, что полёт человека возможен.

Сначала человеку удалось подняться к облакам на воздушном шаре. Это произошло 21 ноября 1783 года. Воздушный шар-аэростат, изобретённый братьями Монгольфье, поднял двух человек на высоту около 1 км, а почти через полчаса они благополучно приземлились на расстоянии 9 км.

 

Множество неудачных или слегка удачных попыток не охладили стремление человека к полётам. И в 1891 году немецкий конструктор Отто Лилиенталь построил свой первый планер, каркас которого изготовил из ивовых прутьев с прикреплённой к ним пропитанной ткани. Позже он создал из дерева и полотна более совершенные модели. Одна из них – планер-моноплан со складывающимся крылом и горизонтальным передвижным стабилизатором. На нём смельчак Лилиенталь множество раз стартовал с высоких холмов неподалёку от Берлина и совершал успешные полёты продолжительностью до 30 секунд. Экспериментатор продевал в отверстие руки до плеч и висел на двух параллельных брусьях, которые проходили у него под мышками. Конечно, это было огромным достижением: впервые в истории человек летал на аппарате тяжелее воздуха. Лилиенталь был первым практиком пилотажа авиационной техники.

 

Первый российский самолёт в 1893 году изобрёл Александр Можайский – российский морской офицер – это был самолёт-моноплан с двумя паровыми двигателями. Каркас (обшитый полотном) и три четырёхлопастных винта были изготовлены из древесины. Установленный на четырёхколесном шасси самолёт разбегался по специальным деревянным рельсам. При пробных запусках стало понятно, что необходимо повысить мощность двигателя. Но до конца довести дело по созданию российского самолёта не удалось из-за смерти Можайского.

 

 

Первый в истории полёт на моторном аппарате совершили в 1903 году американские конструкторы – братья Райт. Их самолёт «Флайер» после первого старта пробыл в воздухе 12 секунд, а после четвёртого – уже 59.

 

 

После триумфа братьев Райт самолётостроение начало развиваться очень быстрыми темпами. Во Франции появились самолёты конструкторов Блерио, Фармана, Ньюпора, Вуазена, в России – Гаккеля, Григоровича, Слесарева. На всех аппаратах в качестве материала использовалась древесина (в основном – сосна) и фанера. Журналисты называли первые самолёты «этажерками», «клетками для птиц» и так далее, но, тем не менее, в 1908 году братьями Райт был совершён полуторачасовой полёт на такой «этажерке».

В следующем году конструктор из Франции Луи Блерио перелетел за 32 минуты пролив Ла-Манш. Первый в России полёт совершил Михаил Ефимов в 1910 году, а через месяц после этого он стал победителем авиационных состязаний в Ницце.

 

Глава 2. Такие разные крылья, носы и хвосты.

 

Одним из основных «органов» воздушного транспорта являются крылья, без которых самолёт даже не сможет оторваться от земли.

Задача крыла - создать необходимую подъёмную силу для авиалайнера. Несмотря на то, что во время полёта, в отличие от птиц, крылья у самолёта жёстко закреплены на корпусе, самолёт летает именно благодаря им, а также двигателям, которые создают силу тяги и разгоняют самолёт до необходимой скорости. Сечение крыла самолёта очень похоже на сечение крыла птицы. И это не случайно, так как, конструируя самолёт, люди, в первую очередь, ориентировались на полёт птиц.

Во время полёта на крыло самолёта действуют четыре силы: сила тяги, создаваемая двигателями, сила тяжести, направленная к Земле, сила лобового сопротивления воздуха, препятствующая движению самолёта, и, наконец, подъёмная сила, которая и обеспечивает набор высоты. Соотношение этих сил и определяет способность самолёта летать. При полёте с постоянной скоростью сумма этих сил должна быть равна 0: сила тяги компенсирует силу лобового сопротивления, а подъёмная сила – силу тяжести.

 

 

Размах и форма крыла самолёта влияют на лётные качества. Размах крыла самолёта определяется длиной между прямым крылом и концевой точкой данного элемента.

Профиль крыла самолёта – это сечение по плоскости, которое замеряется перпендикулярно размаху. В зависимости от предназначения авиалайнера его профиль крыла может меняться, и именно этот момент является основным, ведь с его помощью формируется сам летательный аппарат. То есть профиль крыла самолёта влияет на назначение авиатранспорта и скорость его передвижения:

·       профиль с острой передней кромкой предназначается для скоростных самолётов, например, как у МИГ-25;

·       более толстый профиль с передней закруглённой кромкой предназначается для авиалайнеров, перевозящих пассажиров, например, как у ТУ-134.

 

Существует несколько вариантов профилей, однако, их форма исполнения всегда одинаковая. Данный элемент представляется в виде капли различной толщины.

Создавая профиль для любого летательного аппарата, разработчики сначала проводят точные расчёты, основанные на аэродинамике. Подготовленный образец проверяется в специальной аэродинамической трубе, и, если технические характеристики подойдут для полётных условий, профиль устанавливается на летательный аппарат. Разработкой аэродинамических профилей занимались учёные с первых дней развития авиации, процесс разработки не прекращается и в настоящее время.

Сила подъёма крыла может зависеть и от «угловой атаки». Чем больше будет показатель «угловой атаки», тем будет больше сила подъёма крыла.

Каждый, кто летал у окна самолёта, не мог не заметить такую странность – концы крыльев некоторых самолётов «загибаются». Но зачем это нужно? Во время полёта давление снизу самолёта выше, чем давление сверху. Поэтому воздух стремится к равновесию и пытается перейти из повышенной области в пониженную. Проще всего это сделать на крыльях самолёта. Вот только достигая кончиков крыльев, воздух срывался и создавал сильную турбулентность. Тогда учёные загнули кончики крыльев вверх, убрав срыв воздушного потока. Это понизило турбулентность, повысило долговечность крыла и сэкономило немало топлива. То есть благодаря такой особенности нас не трясёт во время всего полёта.

 

 

Ричард Уиткомб, авиационный специалист и инженер, сотрудник  НАСА, был одним из первых исследователей влияния формы законцовок крыла на аэродинамику самолёта. В начале 1970-х гг. он сконструировал законцовку крыла, перпендикулярно распространяющуюся вверх и вниз от плоскости крыла.

На пассажирских самолётах аэродинамические законцовки были впервые применены наBoeing 747-400выпуска 1985 года.

У разных самолётов крылья расположены по-разному. У кого-то над самолётом, у кого-то посередине, а у пассажирских – в основном под самолётом.

Парасоль – это схема крепления крыла, при которой крыло закреплено над фюзеляжем. Обеспечивает отличный вид вниз и в стороны, так как обзор не затеняется крылом. В своё время такая конструкция применялась даже на боевых самолётах, однако, широкого применения не получила из-за невысоких аэродинамических характеристик.

 

Высокоплан - форма крепления крыла, которая подразумевает, что оно проходит через верхнюю половину сечения фюзеляжа.

У такой схемы крепления крыла есть свои плюсы. Чаще всего такой самолёт проще загружать и разгружать, именно по этой причине большинство военно-транспортных машин являются высокопланами. Если у машины есть винты, то высокое расположение снижает риски их повреждения. С таким крылом лучше обзор в нижней полусфере, что полезно во время посадки. Устойчивость самолётов-высокопланов традиционно выше. Ещё одно приемущество высокоплана, это защита двигателей от попадания в них пыли, мелких камней или снега при посадке на грунтовые и снежные аэродромы.

Есть и недостатки. Такие самолёты получаются намного тяжелее из-за ряда технических особенностей продиктованной схемой крепления крыла. Наконец, их сложнее ремонтировать.

 

Среднеплан - схема крепления крыла к фюзеляжу самолёта, когда крыло проходит через среднюю часть его сечения. Среднепланы– это чаще всего самолёты военной авиации, причём по большей части несущие вооружение на внешних подвесках: истребители и истребители-бомбардировщики.

 

Низкоплан - это летательный аппарат с низкорасположенным крылом по отношению к фюзеляжу (или фюзеляж, скажем так, «лежит на крыле»). У низкоплана двигатели в плане обслуживания расположены, очень удобно. Но с другой стороны риск повреждения таких двигателей посторонними предметами ощутимо выше. С точки зрения безопасности полётов низкопланы имеют преимущество, так как при аварийной посадке основной удар на себя берёт крыло. При посадке на воду, баки крыла имеют свойства поплавков. Самолёт будет тонуть гораздо дольше. Соответственно у пассажиров будет больше времени на эвакуацию. Это качество является обязательным условием возможности эксплуатации для средне и дальнемагистральных пассажирских лайнеров. Большие самолёты-низкопланы проектируются в основном для пассажирских перевозок.

 

 

Почему у самолётов разные формы носа? Нос военного самолёта заострён. Чем острее нос, тем быстрее самолёт. Но более длинный нос мешает пилотам правильно видеть взлётно-посадочную полосу, поэтому у пассажирских самолётов округлые носы.

 

 

Хвост самолёту нужен для стабилизации полёта и управления направлением полёта. В частности, на "хвосте" находится так называемый РВ – руль высоты и РН - руль направления. Это активные плоскости, часть которых может изменять своё положение относительно вертикальной или горизонтальной осей, и изменять усилия, создаваемые набегающим потоком."Хвост" – это по сути рычаг, который воздействует на самолёт. Именно рули управления расположенные в хвосте самолёта позволяют пилоту выполнять сложнейшие маневры в воздухе, в том числе и фигуры высшего пилотажа.

Хвостовое оперение – подразделяется, прежде всего – на горизонтальное и вертикальное.

Функции вертикального оперения – стабилизация самолёта. При отсутствии вертикального стабилизатора, крен (вращение вокруг продольной оси самолёта) вызывает раскачивание самолёта относительно вертикальной оси, притом раскачивание очень серьёзное и абсолютно неконтролируемое. Вторая функция – управление по оси вправо-влево.

Теперь о горизонтальном хвостовом оперении. Оно также имеет две основные функции, первую можно охарактеризовать как балансировочную.

Ну и вторая функция – управление по оси вверх-вниз.

Классическая схема – один вертикальный и два горизонтальных стабилизатора, которые непосредственно соединены с хвостовой частью фюзеляжа. Именно такая схема, наиболее широко используется на гражданских авиалайнерах.

 

Однако существуют и другие схемы – например, Т-образное, которое применяется на Ту-154.

Что же касается истребителей и почему они используют полностью отклоняемые плоскости и парные вертикальные стабилизаторы, то основная причина - увеличение маневренности. Ведь понятно, что лишней манёвренности у истребителя быть не может.

Впрочем, не все самолёты имеют традиционный "хвост". Есть модель, которая получила название "бесхвостка". Наиболее ярким представителем таких летательных аппаратов является американский бомбардировщик В-2.

Самолёт без хвоста может прийти на смену обычным воздушным машинам, которые используются в настоящий момент. В первую очередь, при аналогичных размерах, может существенно увеличиться вместимость авиалайнеров – до 20-25 процентов. Кроме того, самолёт без хвоста будет иметь более высокие эксплуатационные характеристики, да и сама вероятность того, что, попав в зону турбулентности, у самолёта может отвалиться хвостовое оперение, полностью исчезнет. Стоит также обратить внимание и на то, что несколько упростится сама конструкция самолёта, что позволит увеличить скорость производства авиалайнеров при меньших затратах материалов.

Как же самолёт без хвоста будет управляться в воздухе? В том месте самолёта, где ранее устанавливалось хвостовое оперение, будут размещаться два дополнительных поворотных двигателя, которые работая, по очереди или одновременно, смогут точно управлять самолётом в горизонтальном положении. Помимо того, так как в будущем планируется внедрение сверхзвуковых самолётов, такие двигатели могут быть также использованы для дополнительной тяги.

 

Глава 3.Сравнительный анализ. Проверка лётных качеств моделей.

 

Из бумаги я сделала несколько моделей самолётов. А также нашла в интернете фотографии реальных самолётов, на которые похожи мои модели.

 

«Ворон»	СУ-30
«Сойка»	Horten-HX2
«Махаон»	F-22 Раптор
«Ястреб»	Gripen
«Гроза»	Конкорд

 

Все модели я решила сначала запустить на улице, чтобы проверить, как они себя будут вести на просторе с учётом порывов ветра. А время и дальность полёта затем замерить в помещении, чтобы ветер не влиял на показатели. Скорость полёта я определила расчётным методом.

 

Сравнительная таблица характеристик лётных качеств моделей:

 

	Дальность, м	Время, с	Скорость, м/с	Особенности полёта на улице
«Ворон»	4,22	1,18	3,58	Полёт по прямой линии
«Сойка»	5,30	1,59	3,33	Планирует, делает красивые повороты, очень зависима от ветра
«Махаон»	6,50	1,84	3,53	Планирует, устойчиво держится в воздушных потоках
«Ястреб»	7,26	1,37	5,30	Полёт по прямой линии
«Гроза»	7,06	1,44	4,90	Полёт по прямой линии

 

В ходе эксперимента я решила немного изменить форму моделей «Ястреб» и «Сойка».

 

Выяснилось, что если у «Ястреба» убрать хвост, то у него увеличивается скорость и дальность полёта.

 

	Дальность, м	Время, с	Скорость, м/с	Особенности полёта
«Ястреб» (без хвоста)	8,2	1,19	6,89	Полёт по прямой линии, но крутится вокруг своей оси -появляется «крен»

 

А если у «Сойки» убрать загибы крыльев, она перестаёт красиво планировать на ветру.

Я показала свои модели ведущему инженеру-конструктору АО «Авиастар-СП», руководителю кружка детского авиа-моделирования Бажутину Михаилу Владимировичу и поделилась с ним результатами своего эксперимента.

Михаил Владимирович рассказал мне, что на полёт самолёта также влияет размах крыла и нагрузка на крыло, то есть площадь крыла.

 Я решила определить эти параметры у своих моделей. Размах крыла самолета измеряется по прямой линии от края до края, независимо от формы крыла.

Площадь крыла я рассчитала, используя формулу определения площади прямоугольника:

 

«Ворон»	Sобщ. = 3*3=9 см2 Sкр. = Sобщ./2 = 4,5 см2
«Сойка»	Sобщ. = 6,5*13,5=87,75 см2 S1 = (5,5*2)/2=5,5 см2 S2= (1*4)/2=2 см2 S3=(9,5*6,5)/2 =30,87см2 Sкр.= Sобщ.- S1 –S2 –S3  = 49,38 см2
«Махаон»	Sобщ. =11*6,5 = 71,5см2 S1 = (6,5*1)/2= 3,25 см2 S2= (6*1,5)/2= 4,5 см2 S3=1,5*4 = 6 см2 S4=(5*4)/2 = 10 см2 Sкр.= Sобщ - S1 –S2 –S3–S4 =  47,75 см2
«Ястреб»	Sобщ. =7,5*12,5=93,75 см2 S1 = (1*7)/2=3,5 см2 S2= (0,5*4,5)/2= 1,12см2 S3=(8*5,5)/2 =22см2 Sкр.= Sобщ.- S1 –S2 –S3= 67,13см2
«Гроза»	Sобщ. =12,5*7=87,5 см2 S1 = (1*6)/2=3см2 S2= (4*1)/2= 2 см2 S3=(8,5*4)/2 =17см2 Sкр./= Sобщ.- S1 –S2 –S3= 65,5см2

 

Затем, я рассчитала средний коэффициент размаха и площади крыла, сложив эти величины и поделив на 2.

 

Сравнительная таблица моделей по размаху и площади крыла:

 

	Размах крыла, см	Площадь крыла, см2	Коэффициент размаха и площади крыла	Дальность полёта, м
«Ворон»	10	4,5	7,25	4,22
«Сойка»	13	49,38	31,19	5,30
«Махаон»	16,5	47,75	32,12	6,50
«Ястреб»	15	67,13	41,06	7,26
«Гроза»	13,5	65,5	39,5	7,06

 

Мой эксперимент показал, что модели самолётов с длинным носом имеют более высокую скорость. Более высокую дальность полёта показали модели с широким размахом и площадью крыла. При изменении формы модели самолёта, его лётные параметры изменяются. Отсутствие хвоста у самолёта увеличивает его скорость и дальность полёта, думаю это из-за того, что форма самолёта становится более обтекаемой и уменьшается сопротивление воздуха. Однако полёт самолёта без хвоста становится неустойчивым.

 

 

Выводы:

1.   Я выяснила, что форма самолёта зависит от цели его использования:

1.1.          У истребителей длинный узкий нос, среднерасположенные крылья и один или два вертикальных стабилизатора на хвосте, что увеличивает их скорость и манёвренность.

1.2.          Пассажирские авиалайнеры имеют округлый нос, низкорасположенные крылья и классическую схему хвостового оперения: один вертикальный и два горизонтальных стабилизатора. Главная задача пассажирских авиалайнеров – безопасная перевозка пассажиров.

1.3.          Грузовая авиация – это самолёты с высоким креплением крыла, округлым носом. Им не важна скорость, главное – удобство загрузки, грузовместимость и устойчивость в полёте.

2.   Моя гипотеза подтвердилась – действительно, формы крыльев, носа и хвоста самолёта влияют на дальность и скорость его полёта.

 

Библиография:

http://samoleting.ru/raznoe/stroenie-kryla-samoleta.html

https://www.youtube.com/watch?v=8-I284gt9po&feature=emb_title

https://fb-ru.turbopages.org/fb.ru/s/article/237049/aviatsiya-istoriya-i-razvitie-znamenityie-aviakonstruktoryi

http://life.mosmetod.ru/index.php/item/pochemu-letaet-samolet-ili-zachem-nuzhny-krylya

https://avia.pro/blog/hvostovoe-operenie-samoleta-foto-osnovnye-funkcii

https://zen.yandex.ru/media/id/5e96bb1a15078e38bff84f9c/vysokoplany-sredneplany-i-nizkoplany-5e9b068792055a0c646ebc82

 

Скачано с www.znanio.ru