Физические основы летательных аппаратов

«Человек не имеет крыльев и по отношению веса своего тела к весу мускулов в 72 раза слабее птицы Но я думаю, что он полетит, опираясь не на силу своих мускулов, а на силу своего разума. »

Николай Егорович Жуковский

Человек в мешковатом комбинезоне аккуратно ступил на сетку, чуть покачался на ее натянутом панцире. Где- то внизу взвыл двигатель. Секунда, другая – и вот уже человек в воздухе! Теперь понятно, для чего понадобился просторный комбинезон: складки-перепонки между рукавами и штанинами

– словно у белки-летяги позволяли уверенно держаться в струе, нагнетаемой снизу пропеллером, выполнять акробатические упражнения Впервые данную установку в виде аттракциона продемонстрировали в 1933 году в Ленинграде. Идея же разработки принадлежала Павлу Игнатьевичу

Гроховскому- специалисту в области авиатехники. «Устройство этого аттракциона, - писал он, - требует мощного мотора, чтобы можно было создать сильный поток воздуха. Действует аттракцион следующим образом. На решетку колодца кладется наполненный воздухом воздушный шар. От него стропы с подвесным устройством отходят в сторону, к парашютисту, стоящему около взлетной площадки. Когда парашютист надевает подвесное устройство, включается мотор, и скоростной поток воздуха увлекает шар вместе с парашютистом на высоту 80 – 100 метров». Прочитав об этом аттракционе, я решил изучить материал касающийся парашюта. Также будущее , мне хочется связать с авиацией. Считаю, что первым шагом на пути к моей мечте может стать эта работа.

Актуальность исследования. В настоящее время в больших городах возводятся все большее количество высотных домов – небоскребов. И мы знаем, что срочно спуститься на первый этаж или на землю при чрезвычайных обстоятельствах очень сложно (лифт например, заблокирован). Поэтому , я считаю

, что одним из способов спуска может служить парашют. В летне-весенне-осенний период в нашей тайге чаще случаются пожары. Когда горит тайга, в район бедствия направляют самолет или вертолет разведки. Но час их полета стоит многие тысячи рублей, да и не во всякую погоду они летают.

Поэтому, мы считаем, что лесоохране нужен дешевый и малогабаритный летательный аппарат, который бы размещался в небольшом контейнере вместе с рацией. Многие конструкторы пытались создать мотодельтопланы для этой цели. Но одна загвоздка, мотодельтоплан не может производить посадку на деревья – непременно поломается. Парашют же, как правило, остается цел и невредим. В настоящее время все шире начинает развиваться малая авиация и ее средства. При исследовании различных моделей парашютов мы руководствовались чертежами и рисунками Леонардо да Винчи и искали наилучшую конструкцию парашюта.

В бумагах Леонардо да Винчи сохранился рисунок, датированный январем 1495 г. : фигурка человека под раскинувшимся над его головой своеобразным палаткой-куполом.

С той поры идея создать устройство для торможения при спуске с большой высоты претерпела множество изменений. В качестве парашюта кроме

«палатки Леонардо» служили необъятные плащи и гигантские зонтики, крылья, сделанные по примеру птичьих, и деревянные рамки, обтянутые полотном.

С таким парашютом-рамкой и совершил первый в мире прыжок венецианский инженер и философ Ф. Веранцио в 1617 г. Само же слово «парашют», что в переводе с французского означает «предотвращающий падение», придумал физик С. Ленорман.

Испытания выявили основные недостатки парашюта с рамкой, или жесткого парашюта: купол был громоздок, парашютиста нещадно крутило и болтало в воздухе. Чтобы устранить эти явления, изобретатели привязывали к куполу парашюта паруса и бамбуковые распорки, крепили специальные вентили и добавляли крылья.

В конце концов выяснилось: «укротить» купол очень просто—нужно лишь проделать в его середине отверстие. А заодно и отказаться от громоздких распорок. Их роль вполне исправно выполняет встречный поток воздуха. Конструкция парашюта стала много надежнее.

Парашютный купол в то время прикреплялся к воздушному шару в полураскрытом виде. Конечно, для прыжков с самолета такой парашют не годился.

Выход из положения нашел русский изобретатель Г. Е. Котельников: он уложил парашют в специальный ранец, который раскрывался при помощи вытяжного кольца.

Наконец парашют приобрел современный вид: к ремням подвесной системы, плотно охватывающим тело человека, прикрепляются стропы — прочные веревки, уходящие к куполу парашюта, сделанному обычно из специального шелка.

1. 2. Подъемная сила

– составляющая сила, действующая на тело при его движении в жидкой или газообразной среде, перпендикулярная к направлению движения. Так, например, благодаря возникновению подъемной силы при поступательном движении самолета становится возможным поддержание самолета в воздухе и его горизонтальный полет. Подъемная сила в этом случае направлена вертикально вверх и уравновешивает (вместе с вертикальной составляющей силой тяги) вес самолета. Благодаря образованию подъемной силе на рабочих лопатках газовой турбины при протекании потока, происходит вращение рабочего колеса. Подъемная сила возникает также при вращении гребного или воздушного винта, при вращении артиллерийского снаряда.

Общая теория подъемной силы была создана трудами Н. Е. Жуковского и С. А. Чаплыгина, чем было положено начало современной аэродинамики. Жуковским была доказана теорема о том, что подъемная сила приходящаяся на единицу длины цилиндрические тела, при движении, происходящем перпендикулярно, к его образующим, пропорциональна циркуляции скорости по контуру, охватывающему тело. Направление подъемной силы получается из -за направления вектора скорости набегающего потока поворотом его на прямой угол против направления циркуляции. Практика подтверждает вихревую теорию

Жуковского-Чаплыгина, согласно которой подъемная сила крыла при малых углах атаки (точнее, при обтекании крыла без отрыва струи от поверхности) возрастает по линейному закону при увеличении угла атаки и вогнутости профиля. При этом оказывается, что достаточно даже незначительной вогнутости (порядка от 2-х до 4-х % хорды. ) для получения больших величин коэффициента подъемной силы. (см приложение)

При больших углах атаки происходит отрыв струи с верхней поверхности крыла ; при этом подъемная сила с увеличением угла атаки уменьшается. Это обстоятельство приводит к вращению самолета в полете вокруг его продольной оси и вызывает штопор самолета. Из параметров характеризующих форму крыла в плане, наибольшего влияния на подъемную силу оказывает так называемое удлинение крыла, т. е. отношение размаха крыла к средней по размаху величине хорды , при увеличении удлинения коэффициент подъемной силы увеличивается.

В случае движения тела в сжимаемой среде (например, в воздухе) коэффициент подъемной силы зависит от характеристики сжимаемости числа-М, равного отношению скорости движения к скорости распространения звука в среде. При движении с дозвуковой скоростью коэффициент подъемной силы с возрастанием М –возрастает, при движении со сверхзвуковой скоростью убывает.

Гл. 2 Практическая часть

2. 1 Исследование полета парашюта в воздухе

Практическая часть

При выполнении исследования , я поставил следующие задачи:

Проверить, как зависит время полета парашюта от геометрической формы купола;

проверить на опыте как зависит время полета парашюта от длины строп;

В своей работе я использовал следующее оборудование:

секундомер (указать марку);

разновес;

линейка;

Форма парашюта

Геометрические размеры купола

Длина строп

Время приземления

прямоугольник

32,3 х 21

D= 30,5

Опыт 1. Определить зависимость времени полета парашюта от размера купола

Ход выполнения эксперимента:

Надо взять одинаковую длину строп для трех парашютов;

Различные размеры купола (квадратной формы);

Измерить время полета парашюта, пущенного с одной и той же высоты.

Парашют 1

Парашют 2

Парашют 3

Площадь купола

15 х15 = 225

20 х 20 = 400

30 х30 =900

Масса груза

Длина строп (см)

Высота полета (см)

Время полета (сек)

Опыт 2. Определить время полета парашюта Круг 2 при разной массе груза

Ход выполнения эксперимента:

Надо взять один парашют –круг 2 ;

Прикрепить к стропам разные массы грузов;

Измерить время полета парашюта, пущенного с одной и той же высоты.

Высота (см)

Масса (г)

Время полета(сек)

Опыт 3. Определить время полета парашюта Круг 1 при разной массе груза

Ход выполнения эксперимента:

Надо взять один парашют –круг 1 ;

Прикрепить к стропам разные массы грузов;

Измерить время полета парашюта, пущенного с одной и той же высоты.

Высота (м)

Масса (г)

Время полета(сек)

Опыт 4. определить время полета парашюта Прямоугольник при разной массе груза

Ход выполнения эксперимента:

Надо взять один парашют – Прямоугольник ;

Прикрепить к стропам разные массы грузов;

Измерить время полета парашюта, пущенного с одной и той же высоты.

Высота (см)

Масса (г)

Время полета(сек)

Опыт 5. определить зависимость времени полета парашюта от длины строп

Ход выполнения эксперимента:

Надо взять один парашюты с одинаковой площадью купола ;

Прикрепить к ним разной длины стропы;

Измерить время полета парашютов пущенных с одной и той же высоты.

Парашют 1

Парашют 2

Парашют 3

Геометрические размеры (см2)

25 х25 = 625

25 х25 = 625

25 х25 = 625

Длина строп (см)

Высота (см)

Время полета (сек)

2. 2 Анализ проведения исследований

Из проведенных опытов, мы сделали следующие выводы:

Опыт1. Определить зависимость времени полета парашюта от размера купола

Время полета парашюта зависит от размера купола парашюта: чем больше площадь купола, тем больше время нахождения парашюта в воздухе.

Опыт 2. определить время полета парашюта Круг 2 при разной массе груза при увеличении массы груза , время полета уменьшается.

Опыт 3. тот же эксперимент, только мы возьмем другой парашют Круг1 (Д1 больше Д2)

при увеличении массы груза, время полета также уменьшается, независимо от площади купола.

Опыт 4. определить время полета парашюта Прямоугольник при увеличении массы груза, время полета также уменьшается, независимо от формы купола.

Опыт 5. определить зависимость времени полета парашюта от длины строп чем короче стропы, тем дольше парашют находится в воздухе.

Заключение

Для выполнения задач исследования, я использую теоретический и практический методы. Теоретический метод- поиск, изучение и анализ научной и научно- популярной литературы по данному вопросу. Из практических методов исследования использую - наблюдение, измерение, проведение эксперимента.

При выполнении данной работы, я изучил ряд статей по аэродинамике. Считаю, что в настоящий момент я многое узнал из дополнительных источников литературы. Купола имеют различную форму (круга, прямоугольника, полусферы, усеченного конуса и др. ). Площадь купола составляет от

0,01 до нескольких тысяч квадратных метров. Для безопасного спуска человека достаточна площадь купола 40—50 м2. Увеличивая и уменьшая размеры купола, заменяя шелк более прочным нейлоном, делая в куполе дополнительные щели, парашюту придают все новые свойства, делают его пригодным для выполнения самых различных задач.

В наши дни есть парашюты спасательные, которые применяют летчики в случае аварии самолета на высотах до 25 км при скоростях полета до 1400

км/ч, и спортивные, которые используют спортсмены-парашютисты, например при соревнованиях на точность приземления. Быстрее остановить скоростной самолет, гоночный автомобиль, и морское судно или снизить скорость спуска автоматической межпланетной станции при исследовании атмосферы планет {например, АМС «Венера» в атмосфере Веиеры! помогает тормозной парашют. Огромные купола посадочных парашютов служат для безопасного приземления грузов и людей, покидающих самолет, они могут спустить из поднебесья танк, мягко приземлить или приводнить беспилотные и пилотируемые космические корабли. Так, например, приземлялись советские искусственные спутники Земли «Космос», спускаемые аппараты космических кораблей «Союз» и др.

Из выполненной работы, можно сделать вывод о том, что время нахождения парашюта в воздухе зависит от массы груза, от длины строп, геометрической формы купола и его площади.

В дальнейшем, я продолжу работу в области гидроаэродинамики - хочу создать вместе с отцом управляемый мотодельтоплан.