CC BY
159
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
УДК 629.735:.01.71
АНАЛИЗ КОМПОНОВОК И ТИПОВЫХ КОНСТРУКТИВНО-СИЛОВЫХ СХЕМ МОТОРНЫХ СВЕРХЛЕГКИХ ЛЕТАТЕЛЬНЫХ АППАРАТОВ С БАЛАНСИРНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ
И.В. НИКИТИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье дан анализ компоновок и типовых конструкционно-силовых схем сверхлегких летательных аппаратов с балансирным управлением
Во второй половине 70-х годов дельтаплан получил широкое распространение практически во всех развитых странах. С целью расширения возможностей дельтаплана многие конструкторы начали предпринимать попытки установки на него моторов. На начальном периоде развития моторные СЛА с балансирным управлением отличались большим разнообразием схем и компоновок, что объясняется широким поиском оптимальных технических решений. В 1981— 1983 годах такие решения были в основном найдены, и последовал бум в развитии этих летательных аппаратов.
СЛА с балансирным управлением можно классифицировать по следующим конструктивным признакам:
1. По способу старта и посадки:
с помощью ног пилота - мотодельтапланы; с помощью шасси - дельталеты.
2. По количеству мест экипажа:
одноместные;
двухместные.
3. По типу шасси.
4. По компоновке и конструктивно-силовой схеме мототележки.
Кроме этого, СЛА с балансирным управлением могут подразделяться по назначению на спортивные, учебные, многоцелевые, сельскохозяйственные, аэрофотосъемочные и т.п.
На рис. 1 приведены основные компоновки моторных СЛА с балансирным управлением, встречавшиеся на всех этапах их развития. Первая группа образует класс мотодельтапланов, старт и посадка которых осуществляются при помощи ног пилота. К преимуществам аппаратов этого класса относятся малая масса конструкции, возможность устанавливать на них маломощные двигатели, использовать для старта неровные площадки. Однако полеты на подобных ЛА требуют от пилота хорошей физической подготовки, их сложно применять для транспортирования полезного груза, так как при старте пилот испытывает большие физические нагрузки, пассивная безопасность этих СЛА ниже, чем у аппаратов второй группы - дельталетов. Мотодельтапланы используются чаще всего для спортивных и любительских полетов. Их компоновка отличается в основном расположением двигателей. Компоновка (1) с двигателем на спине пилота встречается крайне редко. Она наименее безопасна, полет на таком аппарате требует от пилота особого внимания и напряжения при старте и к тому же характеризуется крайне низким уровнем комфорта. Эта компоновка не получила широкого распространения в классе мотодельтапланов, но стала единственно возможной в классе мотопарапланов. На начальном этапе развития СЛА с балансирным управлением встречалась компоновка с двигателем на мачте крыла (2).
Основной недостаток этой компоновки заключался в том, что линия действия тяги располагается значительно выше центра масс и точки подвески пилота.
Рис. 1. Основные компоновки моторных СЛА с балансирным управлением
В результате изменение силы тяги сильно влияло на величину продольного момента и, следовательно, на продольную устойчивость.
На некоторых режимах такие аппараты проявляли склонность к потере продольной устойчивости и управляемости, в практике их летной эксплуатации случались режимы кувырка -особые режимы, характерные для СЛА с балансирным управлением.
Компоновка (3) с двигателями на подкосах или на крыле также не получила широкого распространения из-за сложной конструкции силовой установки, к тому же такие аппараты оказались менее удобными в эксплуатации. Заметим, что двухмоторный летательный аппарат имеет некоторое преимущество перед одномоторным только в тех случаях, когда он может быть сбалансирован и продолжает полет с одним работающим двигателем. У рассматриваемого варианта балансировка при одном работающем двигателе практически невозможна.
Одним из примеров более удачной компоновки мотодельтаплана с подвесной силовой установкой под номером 4 является аппарат "Эрглис" (4), разработанный в РКИИГА инженерами Н. Кулешовым, О. Оре и Ю. Прибыльским [1]. Аппарат использовался для аэрофотосъемки и
киносъемки, а также в экспериментах по отпугиванию птиц в районе аэропорта с помощью акустической аппаратуры.
Разработка была отмечена серебряной медалью на смотре-конкурсе СЛА-85 и бронзовой на ВДНХ СССР в 1987 году. Однако примеров для подражания эта компоновка имела немного. Это объясняется особенностями ее весовой балансировки.
Наиболее популярной в классе мотодельтапланов стала компоновка 5. Силовая установка такого мотодельтаплана состоит из двигателя, полой балки, соединяющей двигатель с опорой воздушного винта, вала привода и самого воздушного винта. Конструкция обеспечивает быстрый монтаж силовой установки на крыло. Кроме того, винт находится сзади и далеко от пилота, что повышает комфорт и безопасность. Мотодельтапланы этой компоновки получили наиболее широкое распространение и выпускаются некоторыми фирмами серийно.
Вторая группа СЛА с балансирным управлением (рис. 1) образует класс дельталетов. Характерным признаком дельталетов является наличие шасси: колесного или поплавкового для полетов с воды, или лыжного для полетов со снега. Известны также попытки использования на дельталетах шасси на воздушной подушке. Дельталеты способны перевозить полезный груз, взлет и посадка на них сравнительно просты и не требуют от пилота хорошей физической подготовки, а уровень пассивной безопасности на них выше, чем на мотодельтапланах. Последнее объясняется тем, что пилот дельталета огражден силовыми элементами конструкции и зафиксирован привязными ремнями, поэтому он в большей степени предохранен от получения травм в аварийных ситуациях.
В конце 70-х - начале 80-х годов отмечалось большое разнообразие компоновок дельталетов, шел поиск оптимальных конструкторских решений.
Одной из первых появилась компоновка (6), которую можно считать переходной от мотодельтаплана к дельталету. Ее основное отличие от мотодельтаплана заключалось в наличии легкого шасси, которое крепилось непосредственно к элементам конструкции дельтаплана. Достоинство этой компоновки - малая масса конструкции, недостатки - невозможность управления по тангажу и крену при разбеге и пробеге.
На начальном этапе развития иногда разрабатывались схемы СЛА со смешанным управлением: балансирным по одному или двум каналам и аэродинамическим - по остальным каналам. Примером такого решения может служить компоновка (7). Однако опыт эксплуатации показал, что достаточно эффективным аэродинамическое управление при столь малых скоростях полета может быть лишь при использовании рулевых поверхностей большой площади. Управление с помощью аэродинамических рулей приводило к усложнению конструкции и увеличению массы аппаратов. В то же время эксплуатация дельтапланов и мотодельтапланов выявила достаточно высокую эффективность балансирного управления. Именно поэтому от использования смешанного управления впоследствии отказались.
Компоновка (8) также является переходной. Пилот располагается на сидячей подвесной системе внутри конструкции, образованной штатной рулевой трапецией и дополнительными элементами. К недостаткам этой компоновки следует отнести понижение эффективности управления из-за уменьшения отношения перемещаемой массы к общей массе ЛА.
Среди дельталетов наиболее широкое распространение получила компоновка (10). Мототележка (подвесная система), или как ее еще называют - функциональный модуль крепится к крылу через шарнир, имеющий две степени свободы. Силовая установка, кресло пилота, шасси, оборудование и другие элементы конструкции закреплены на мототележке. Дельталеты с такой компоновкой имеют простую конструкцию, обеспечивающую возможность быстрой сборки и разборки, что создает дополнительные удобства в эксплуатации. Конструкция допускает возможность замены крыла. Они более комфортабельны, управляются так же как и спортивные дельтапланы. Мототележка может быть легко приспособлена для перевозки грузов и пассажира, а также установки различного оборудования.
Компоновка (9) аналогична компоновке (10) и отличается лишь числом двигателей. Дельталеты с двумя разнесенными на мототележке моторами строились только как экспериментальные. Имеются также двухмоторные компоновки с моторами, расположенными рядом, или один за другим и с соосными воздушными винтами. Преимущество подобных дельталетов перед другими заключается в возможности балансировки и продолжения полета при одном работающем двигателе.
Таким образом, наибольший интерес с точки зрения практического применения представляют дельталеты, имеющие компоновку (10). По сравнению с другими классами моторных СЛА они имеют простую и рациональную конструкцию, невысокую стоимость, обладают хорошей эксплуатационной технологичностью и ремонтопригодностью. Следует отметить, что крыло дельталета отличается по конструкции от крыла обычного спортивного дельтаплана только усиленным каркасом крыла и обшивкой.
Исходя из изложенного можно сделать вывод, что в настоящее время в результате эволюции моторных СЛА с балансирным управлением используются две наиболее рациональные компоновки: мотодельтаплан с подвесной силовой установкой типа мотобалка, дельталет с мототележкой на колесном, лыжном или поплавковом шасси, к которой шарнирно прикреплено крыло.
Одноместные дельталеты могут иметь различные конструктивно-силовые схемы мототележки, но практически не отличаются по компоновке.
Основным признаком, по которому различаются компоновки двухместных дельталетов, является взаимное расположение кресел экипажа. Компоновка, в которой кресла располагаются одно позади другого, получила название " Тандем".
Достоинствами компоновки "Тандем" являются незначительное увеличение площади лобовой проекции - миделя мототележки с экипажем, что выгодно с точки зрения аэродинамики, а также симметричность при отсутствии пассажира. Второй вариант компоновки двухместного дельталета характеризуется рядным расположением кресел экипажа и носит название "Дуэт". Дельталеты с компоновкой "Дуэт" обладают преимуществами при использовании их в учебном варианте, так как обеспечивают одинаковые условия для инструктора и курсанта и прямой контакт между ними. Кроме этого, они могут оказаться предпочтительнее дельталета типа "Тандем" в некоторых специальных вариантах их применения. Недостатками компоновки типа "Дуэт" являются, прежде всего: увеличенный мидель, что увеличивает сопротивление, и несколько большая масса конструкции.
Более 95% мотодельтапланов и дельталетов имеют сегодня классическую конструктивносиловую схему крыла дельтаплана. И лишь на некоторых мотодельтапланах используется крыло без мачты.
Классическое крыло состоит из силового каркаса и обшивки из синтетической ткани, подкрепленной силовыми элементами-латами.
Типовая конструктивно-силовая схема каркаса крыла приведена на рис.2. Силовой каркас крыла включает боковые балки, килевую балку, поперечную балку, рулевую трапецию, мачту, соединенные узлы, систему тросовых растяжек и узел навески. Балки силового каркаса изготовляются обычно из холоднотянутых бесшовных труб из материала Д16Т диаметром 45-65 мм, толщиной стенки 1,5—2,0 мм. Балки могут иметь эксплуатационные разъемы. Рулевая трапеция состоит из стоек и грифа, изготавливаемых, как правило, из труб Д16Т диаметром 28-40 мм с толщиной стенки 1,5-3,0 мм, соединенных плоскими накладками или при помощи наконечников типа " ухо-вилка". Гриф рулевой трапеции в конструкции крыла дельталета помимо своего основного назначения - силового элемента каркаса - одновременно является органом управления, своего рода штурвалом. Рулевая трапеция и мачта являются распорными элементами тросовой системы. Мачта изготавливается из труб Д16Т диаметром 28-35 мм с толщиной стенки 1,5—2,0 мм. Для изготовления стоек рулевой трапеции и мачты часто используются профилированные балки, имеющие каплевидное сечение.
Рис. 2. Типовая конструктивно-силовая схема каркаса крыла моторного СЛА с балансирным управлением 1 - боковая балка; 2 - поперечная балка; 3 - носовой узел; 4 - центральный узел;
5 - мачта; 6 - верхние продольные растяжки; 7 - растяжки антипикирующего устройства;
8 - боковой узел; 9 - верхние поперечные растяжки; 10 - задний узел; 11 - растяжки поперечной балки; 12 - килевая балка; 13 - узел навески; 14 - рулевая трапеция; 15 - передние нижние растяжки; 16 - задние нижние растяжки; 17 - нижние поперечные растяжки
Классификация конструктивно-силовых схем мототележек дельталетов приведена на рис.3. По признаку конструктивно-силовой схемы мототележки целесообразно разделить на два основных вида: каркасные и корпусные. Основой каркасных мототележек является силовой каркас, а основой корпусных мототележек - силовой корпус.
На начальном этапе развития дельталетов широкое распространение среди каркасных мототележек получила расчалочная конструктивно-силовая схема - 1. Она включает силовой каркас из трубчатых элементов: продольную трубу, пилон, стойки шасси, рамку кресла и мотораму, расчаленные тросовыми растяжками. Конструкция обладает минимальной массой, хорошей производственной и эксплуатационной технологичностью, легко складывается, занимает мало места при хранении. К недостаткам следует отнести меньшую по сравнению с другими схемами прочность и живучесть. Мототележки с такой схемой в настоящее время чаще всего используют на одноместных дельталетах.
Мототележка, имеющая подкосную конструктивно-силовую схему - 2, отличается от рас-чалочной тем, что вместо тросовых растяжек для обеспечения пространственной формы и жесткости конструкции в ней используются подкосы. Такая мототележка несколько тяжелее расча-лочной, но и гораздо прочнее ее. Подкосная схема является сегодня одной из наиболее популярных среди одноместных, а также двухместных дельталетов с компоновкой «Тандем». Эта схема стала классической, так как обладает большим набором положительных качеств: простотой, высоким весовым совершенством, надежностью, обеспечивает компактность мототележки в сложенном положении. Особый интерес представляют мототележки с панельной конструктивносиловой схемой - 3. Они содержат минимальное количество силовых элементов - стержней, из которых образуются плоские панели, стыкующиеся затем между собой и образующие замкнутую геометрическую фигуру, чаще всего имеющую форму тетраэдра, внутри которого размещается пилот и пассажир. Мототележки этой схемы имеют высокую прочность и жесткость. Они способны воспринимать нагрузки, возникающие при аварийных посадках, защищают пилота при переворотах, обеспечивая тем самым большую безопасность. Панельную конструктивно-силовую схему имеют, как правило, двухместные дельталеты, использующиеся для выполнения авиаработ. Среди них такие известные конструкции, как "Поиск-06", "Фрегат".
8
Рис. 3. Классификация конструктивно-силовых схем мототележек дельталетов:
1 - расчалочная; 2 - подкосная; 3 - панельная; 4 - ферменная, 5 - каркасная с обтекателем;
6 - балочная; 7 - корпусная открытая; 8 - корпус-лодка
Мототележки ферменной конструктивно-силовой схемы - 4 состоят из двух или нескольких пространственных ферм. Эта схема широко не используется, хотя по сравнению с другими такие тележки прочнее, да и поломка одного из силовых элементов не нарушает работоспособности всей конструкции. К недостаткам следует отнести большое число соединительных элементов, сложность сборки-разборки, увеличенную массу. Схема не обеспечивает хорошую складываемо сть.
Все рассмотренные схемы мототележек имеют каркас стержневой конструкции. На любую из них может быть установлен легкий пластиковый обтекатель - схема 5. Как правило, он не воспринимает нагрузки от шасси и других частей аппарата и испытывает незначительные нагрузки от воздействия набегающего потока. Его назначение - снижение лобового сопротивления мототележки и защита пилота от воздушного потока. Положительные качества каркасных мото-
5
1
2
6
7
тележек: хорошая доступность всех элементов конструкции при проведении осмотров, высокая ремонтопригодность, простота изготовления и низкая стоимость.
Мототележки балочной конструктивно-силовой схемы - 6, как правило, состоят из горизонтальной клепаной или пластиковой балки, к которой крепятся остальные силовые элементы: пилон, шасси, хвостовое оперение, кресло пилота. Эта схема, по существу, является переходной от каркасной к корпусной и имеет смысл быть выбранной в случае применения хвостового оперения. А как уже отмечалось выше, использование хвостового оперения в конструкции дельталетов нецелесообразно. Поэтому балочные мототележки распространения не получили.
Мототележки, имеющие силовой корпус, изготавливаются из композиционных материалов. Они могут иметь эксплуатационные разъемы или цельный корпус. Элементы силового корпуса таких мототележек воспринимают все действующие нагрузки: от сосредоточенных
масс, размещенных на них, от шасси при движении по земле и на стоянке, от силовой установки, от воздушного потока и от крыла. Их внешние формы, габариты, дизайн могут быть самыми разнообразными - от плоских «рубленых» до совершенных обтекаемых конструкций. Сегодня получили распространение в основном две схемы: корпус-шасси - 7 и корпус-лодка - 8.
Преимуществами корпусных мототележек являются их аэродинамическое совершенство, комфортабельность. С другой стороны, такие конструкции значительно сложнее и дороже, чем другие схемы, менее ремонтопригодны. К тому же корпусные тележки не всегда удается сложить до минимальных габаритов. Тем не менее, они получили распространение на дельталетах с большой скоростью полета, а корпус-лодка на отдельных гидровариантах дельталетов.
ЛИТЕРАТУРА
1. Клименко А.П., Никитин И.В. Мотодельтапланы: Проектирование и теория полета.- М.: Патриот, 1992.
2. Flugel der Welt-der Index 2001-2006, Deutsche Ausgabe.
ANALYSIS OF COMPOSITIONS AND TYPICAL CONSTRUCTION AND POWER DIAGRAMS OF MOTOR POWERED ULTRA LIGHT AIRCRAFTS WITH BALANCE CONTROL
Nikitin I.V.
The article gives analysis of typical construction and power diagrams of the ultra light aircrafts with balance control
Сведения об авторе
Никитин Игорь Валентинович, 1953 г.р., окончил МИИГА (1979), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник МГТУ ГА, начальник СКБ МГТУ ГА, автор свыше 80 научных работ, область научных интересов - сверхлегкая авиация, проектирование и конструкция, область и эффективность применения сверхлегких воздушных судов, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний.
