В статье рассматриваются вопросы проектирования аэродинамических линейчатых поверхностей, которые применяются для изготовления крыльев, хвостового оперения и воздушных винтов летательных аппаратов малой авиации, а также в практике авиамоделирования с помощью отечественной системы автоматизированного проектирования КОМПАС. Подробно показан процесс проектирования поверхностей таких изделий, создания их твердотельных моделей и изготовления на 3D принтере. Приведены конкретные примеры создания моделей изделий.
Ключевые слова: аэродинамические линейчатые поверхности, малая авиация, авиамоделирование, система КОМПАС, крыло самолета, воздушный винт, изготовление на 3D принтере.
В последние годы в нашей стране усилился интерес к малой авиации, а также к созданию уменьшенных копий современных летательных аппаратов, для участия в различных авиашоу и соревнованиях. Высокая стоимость промышленно выпускаемых летательных аппаратов для малой авиации и их недоступность для обычных граждан побуждает все большее число энтузиастов и любителей авиации взяться за проектирование и изготовление простейших летательных аппаратов своими силами. Специализированные системы автоматизированного проектирования таких аппаратов имеют высокую стоимость и также недоступны для любителей авиации. Поэтому нами было решено изучить возможности системы КОМПАС, как одной из самых доступных не только в студенческой среде, но и среди технических специалистов промышленный предприятий, для проектирования аэродинамических поверхностей небольших летательных аппаратов. И показать возможность применения такой системы для расчетов и проектирования основных элементов создаваемого аппарата.
Внешний облик летательного аппарата в большей степени определяется формой фюзеляжа, крыла и хвостового оперения. Поверхность фюзеляжа является кинематической каналовой поверхностью [8, с.60], которая достаточно просто может быть смоделирована в системе КОМПАС формообразующей операцией «Поверхность по сечениям». Поэтому мы решили остановиться на поверхностях крыльев и хвостового оперения, а также поверхностях тянущего винта поршневого двигателя.
Известно, что поверхности крыльев летательных аппаратов можно разделить на линейчатые (для дозвуковых и около звуковых скоростей полета) и не линейчатые. Летательные аппараты малой авиации летают на дозвуковых скоростях полета, поэтому в статье рассматриваются вопросы проектирования линейчатого крыла.
Из классической начертательной геометрии [4, с.220], [8, с.65] известно, что в общем случае для задания линейчатой поверхности необходимы три направляющие линии. Традиционная классификация линейчатых поверхностей производится в зависимости от формы направляющих линий:
— косой цилиндр с тремя направляющими — все три направляющие линии являются кривыми линиями;
— дважды косой цилиндроид — две направляющие кривые, одна прямая;
— дважды косой коноид — две направляющие линии прямые, третья кривая;
— однополостный гиперболоид — все три направляющие линии прямые.
Именно дважды косой цилиндроид применяется в авиастроении для проектирования линейчатых крыльев и оперений.
Форма крыла характеризуется его видом в плане, видом спереди и аэродинамическим профилем [1, с.5]. Главными параметрами формы крыла в плане являются размах крыла, корневая и концевая хорды, угол стреловидности , который измеряется по линии одной четвертой хорд.
Рис.1 Форма крыла в плане
В зависимости от формы крыла в плане, крылья делятся на прямоугольные, стреловидные (прямой и обратной стреловидности), треугольные и крылья сложной формы (рис.1).
Форма крыла на виде спереди характеризуется углом поперечного «V» крыла. Форма поперечного сечения крыла — это его профиль. Аэродинамический профиль задается верхним и нижним сводами и играет ключевую роль в формировании подъемной силы. Также форма крыла характеризуется геометрической круткой — изменением профиля крыла по его длине для улучшения аэродинамических характеристик.
Рис. 2. Форма крыла на виде спереди
Рис. 3. Аэродинамический профиль крыла, где:
𝑦 в =𝑦 в (𝑥) — уравнение кривой верхнего свода,
𝑦 н =𝑦 н (𝑥) — уравнение кривой нижнего свода,
𝑏 — длина профиля, 𝑐 — толщина профиля, 𝑓 — вогнутость профиля,
𝑥 𝑐 — координата сечения, имеющего максимальную толщину,
𝑥 𝑓 — координата сечения, имеющего максимальную вогнутость
Летательные аппараты малой авиации проектируются для невысоких скоростей полета, порядка 200–300 км/ч. Крылья этих аппаратов имеют прямоугольную, трапециевидную или стреловидную форму с малым углом стреловидности.
При проектировании такого крыла применяются линейчатые поверхности с двумя направляющими, в качестве которых используются корневое и концевое сечения крыла.
Нами в качестве примера моделирования крыла, характерного для легкой авиации, с помощью системы КОМПАС было взято крыло самолета ЯК-52. Крыло ЯК-52 имеет аэродинамический профиль Clark-UH , который широко применяется для самолетов малой авиации. По длине крыла изменяется относительная толщина аэродинамического профиля: в корневом сечении он имеет толщину l4,5 %, а в концевом — 9 %. На рисунке 4 показаны геометрические размеры крыла [2, с.4], а на рисунке 5 приведены координаты точек аэродинамического профиля Clark UH крыла [3, c.289].
Рис. 4. Геометрические размеры крыла ЯК-52
Рис.5. Аэродинамический профиль Clark UH крыла ЯК-52
Создание модели линейчатого крыла в системе KOMПAC выполняется в режиме поверхностного моделирования. Работа начинается с построения корневого сечения крыла с помощью команды «Сплайн по точкам», по заданным координатам аэродинамического профиля (рис.6). С помощью вспомогательных элементов задаются углы стреловидности и поперечного «V» крыла.
Рис.6. Построение корневого сечения крыла по координатам с помощью команды «Сплайн по точкам»
Рис. 7. Построение линейчатой поверхности крыла
По эскизам корневого и концевого сечений крыла проводится построение линейчатой поверхности с помощью команды «Линейчатая поверхность» (рис.7). Далее строится поверхность законцовки крыла с использованием команды «Поверхность по сети кривых» (рис.8). На завершающем этапе построенная поверхностная модель крыла преобразуется в твердотельную модель командой «Сшивка поверхностей» для возможности построения профиля силовых элементов, образующих каркас крыла (рис.9).
Рис. 8. Построение поверхности законцовки крыла с помощью команды «Поверхность по сети кривых»
Рис. 9. Твердотельная модель консоли крыла ЯК-52
В качестве второго примера моделирования крыла в системе КОМПАС нами построена модель стреловидного крыла, характерного для более скоростных самолетов: крыло американского истребителя North American F-86 Sabre [8, с.136], [9]. На рисунке 10 показана построенная твердотельная модель такого крыла.
Рис. 10. Твердотельная модель консоли крыла F-86 Sabre
Другим важным элементом летательного аппарата со сложной поверхностью является воздушный винт, который также моделируется как линейчатая поверхность. Основными параметрами воздушного винта является его диаметр, шаг, аэродинамический профиль и форма винта в плане. Шаг винта — это расстояние, пройденное поступательно винтом, ввинчивающимся в плотную среду за один полный оборот. Шаг винта современных самолетов может изменяться за счет изменения угла поворота лопасти, а также изменятся по длине для достижения лучших аэродинамических характеристик. Простые винты, которые применяются в авиамоделях, имеют фиксированный шаг, одинаковый по всей длине.
Шаг винта определяется углом поворота аэродинамического профиля в поперечных сечениях винта.
Для демонстрации возможности системы КОМПАС по моделированию поверхности винта, нами использован винт диаметром 240 мм и шагом 140 мм. Шаг винта рассчитывается исходя из характеристик среды и летательного аппарата. В настоящее время не представляет трудностей найти таблицы, графики и специальные калькуляторы, например программа расчета параметров воздушного винта [6], позволяющие рассчитать характеристики винта для летательного аппарата исходя из конкретных задач.
В системе КОМПАС воздушный винт создается по выбранным поперечным сечениям. В моделируемом винте используется аэродинамический профиль Clark Y . Изначально необходимо выполнить вспомогательные построения в отдельном документе (типа «Фрагмент»), на котором строится форма лопасти винта в плане. На этом же фрагменте графическим способом [5] определяется угол наклона профилей в сечениях в зависимости от выбранного шага винта (рис.11).
Рис. 11. Создание фрагмента с видом лопасти в плане и аэродинамическим профилем и расчет наклона профиля графическим методом
При построении модели создаются сечения на смещенных плоскостях. Сечение лопасти винта представляет из себя аэродинамический профиль, повернутый на необходимый угол и имеющий заданную относительную толщину, которая уменьшается по длине лопасти (рис.12).
Поверхность лопасти строится с помощью команды «Поверхность по сети кривых». Образующими поверхности при этом являются эскизы поперечных сечений лопасти винта. Построение поверхности законцовки лопасти выполняется аналогично построению поверхности законцовки крыла.
Рис.12. Создание поперечных сечений винта в смещенных вспомогательных плоскостях
После построения поверхности лопасти винта она преобразуется в твердотельную модель с помощью операции «Сшивка поверхностей» (рис.12).
Рис. 12. Создание твердотельной модели лопасти винта с помощью команды «Сшивка поверхностей»
Вторая лопасть воздушного винта является зеркальным отражением первой и создается с помощью команды «Зеркальный массив». На завершающем этапе с помощью формообразующей операции создается втулка винта (рис.13).
Рис. 13. Создание втулки винта
Рис. 14. Твердотельная модель воздушного винта
Для демонстрации возможности практического использования моделей крыла и воздушного винта, созданных в системе КОМПАС, нами было выполнена их печать на 3 D принтере. 3 D печать является одним из самых современных, быстро развивающихся способов производства изделий из пластика. Он позволяет предельно сократить время от разработки изделия до создания его прототипа или макета.
Для печати изделия, спроектированного в программе KOMПAC, на 3 D принтере, твердотельная модель изделия сохраняется в формате STL . Далее с помощью специальной программы, так называемого «слэйсера», происходит расчет траектории печати [7, с.17].
Рис. 15. Расчет траектории печати модели консоли крыла
Мы распечатали на З D -принтере макет консоли крыла ЯК-52 и воздушного винта для авиамодели летательного аппарата. З D- печать крыла целесообразна для макетирования, а также для авиамоделей малого размера. Также этим методом можно изготавливать силовые элементы крыла для легких моделей и беспилотных летательных аппаратов.
Изготовление воздушных винтов методом З D печати нецелесообразно ввиду трудоемкости печати моделей такой формы с необходимыми прочностными характеристиками на экструзионном 3 D принтере. Сделанная нами модель состоит из 3 частей, и сама по себе не может быть использована в качестве воздушного винта, однако при должном качестве доработки поверхности (шпатлевке и шлифовке) может быть использована для создания литейной формы готового изделия. В последствии с помощью такой формы можно изготовить воздушный винт из подходящего материала, например, стеклонаполненного полимера.
В заключение необходимо отметить, что возможности системы КОМIIАС позволяют достаточно быстро и с необходимой точностью выполнить моделирование аэродинамических поверхностей крыла и оперения, а также воздушного винта. Использование такой системы позволит энтузиастам, проектирующим свои летательные аппараты, облегчить выполнение такой работы.
Литература:
- Ефимов, В. В. Конструкция и прочность самолета. Крыло: учебное пособие / В. В. Ефимов, М. Г. Ефимова, К. О. Чернигин. — Москва: ИД Академии Жуковского, 2018. — 76 c. — Текст: непосредственный.
- Конструкция самолета ЯК-52: учебное пособие для пилотов. — Екатеринбург: УралЮрИздат, 2008. — 96 c. — Текст: непосредственный.
- Кравец, А. С. Характеристики авиационных профилей / А. С. Кравец. — Москва: Государственное издательство оборонной промышленности, 1939. — 331 c. — Текст: непосредственный.
- Начертательная геометрия / Н. Ф. Четверухин, В. С. Левицкий, З. И. Прянишникова [и др.]. — Издание второе, переработанное и дополненное. — Москва: Высшая школа, 1963. — 420 c. — Текст: непосредственный.
- Махоткин, Г. В. Проектирование воздушного винта / Г. В. Махоткин. — Текст: непосредственный // Катера и яхты. — 1979. — № 2. — С. 50–52.
- Программа расчета воздушного винта. — Текст: электронный // Расчет воздушного винта: [сайт]. — URL: http://rashvinta.narod.ru/ (дата обращения: 14.06.2021).
- Рэдвуд, Б. 3D-печать. Практическое руководство / пер. с анг. М. А. Райтмана / Б. Рэдвуд, Ф. Шофер, Б. Гаррэт. — Москва: ДМК Пресс, 2020. — 220 c. — Текст: непосредственный.
- Фролов, С. А. Начертательная геометрия: учебник втузов / С. А. Фролов. — Москва: Машиностроение, 1978. — 240 c. — Текст: непосредственный.
- Lednicer D. The Incomplete Guide to Airfoil Usage / Illinois: UIUC Airfoil Data Site, 2009. 234 р. — Текст: непосредственный.
- NACA 4 digit airfoil generator. — Текст: электронный // Airfoil Tools: [сайт]. — URL: http://airfoiltools.com/airfoil/naca4digit (дата обращения: 20.06.2021).
