Самолетный пропеллер. Преимущества и недостатки воздушных винтов. Геометрические характеристики винта

В прошлом мои модели винтовых самолетов всегда заканчивали свой полет аварийным крутым пике. Описанная здесь конструкция решает эту проблему за счет легковесного полозкового шасси, которое действует на подобие посадочного механизма. Эта защита подходит, только если запускать самолет на открытом воздухе либо в большой, просторной комнате.

План урока:
Сложность: 3.5/5
Подготовка: 2/5
Сборка: 1/5
Уборка: 1/5

Подготовительные работы:
Сложите и разрежьте листы картона вдоль пополам.

Скажите своим ученикам, что они будут мастерить самолет, который сможет взлетать с земли или со стола, лететь минимум 5 метров и приземляться плавно. Поскольку это довольно простой проект, Я советую хотя бы частично делать модель вместе с учениками, демонстрируя им основные моменты сборки в процессе. В этом мастер-классе много шагов, так что старайтесь поменьше отступать от плана. Основная работа описана в шагах 2-6.

Цель изучения:
В ходе устной лекции, ученики усвоят четыре основных понятия в авиации: подъем, осевое давление, стабильность и вес.

В ходе тестирования собственных самолетов и анализа результатов ученики смогут обсуждать возможные недостатки и способы их устранения с учителем. Ученики смогут изменить свои модели и повторить процесс заново.

Как только у учеников получится сделать красиво парящие модели винтового самолета, они смогут усложнять схемы полета, выполняя повороты или петли.

Шаг 1: Материалы

2 палочки
- 2 полу-палочки
- 2 трубочки для напитков
- 2 тонкие резинки
- 1 лист картона
- 1 скрепка для бумаги
- 1 пропеллер
- Клейкая лента
- Карандаши или фломастеры для раскраски

Пропеллеры можно купить в интернете.

Шаг 2: Вал винта

Объясняйте ученикам важные аспекты конструкции по ходу дела, подавая им непосредственный пример своей собственной работой. Вал винта просто поддерживает и растягивает резинки, которые будут использованы в качестве источника энергии. Крепко закрепите скрепку клейкой лентой!

Как только закрепите резинки, вал пропеллера будет осевое усилие самолету. По сути, это то, что толкает самолет вперед. Представьте, что вы сидите на стуле с колесами. Если вы оттолкнетесь ногами от стены, вы поедете на стуле в противоположном направлении. То же происходит и здесь. Вращаясь, пропеллер прогоняет воздух навстречу самолету и толкает воздух по направлению к заднему концу самолета. Толкая воздух назад, пропеллер создает обратную реакцию, в результате которой самолет движется вперед.

Шаг 3: Крылья, хвост и стабилизатор

Самое важное, что нужно самолету для полета, - это подъем. Подъем происходит тогда, когда воздух давит на нижнюю сторону крыльев. Чем больше крылья, тем больший подъем будет происходить. Бумага сложена пополам и разрезана под наклоном, потому что мы хотим, чтобы крылья были больше посередине самолета, где он наиболее тяжелый. Если сделать крылья прямоугольными, самолет может подняться слишком высоко одной стороной крыла, что в итоге приведет к аварии.

Оставшийся лист бумаги также сложите пополам и разрежьте. Эти кусочки можно использовать для хвоста и стабилизатора.

Шаг 4: Крепление крыльев, хвоста и стабилизатора

Используйте длинные куски клейкой ленты вдоль всего вала, чтобы надежно приклеить крылья.

Склейте два треугольных кусочка вместе в качестве хвоста. Хвост клеится к валу таким же способом, как и крылья.

Половинки стабилизатора приклеиваются к хвосту, затем две половинки склеиваются посередине между собой.

Хвост удерживает заднюю часть самолета “на плаву” во время подъема. Стабилизатор тоже важен, потому что он помогает самолету держать ровный курс, никуда не отклоняясь и не переворачиваясь.

Мне нравится объяснять важность стабилизатора так: держите перед собой лист бумаги (например, половинка картонного листа). Дуньте на него воздух поперек края листа. Вы увидите, что бумага почти не пошевелилась. Это потому, что воздух легко проходит вокруг бумажного листа, потому что он ровный и тонкий. А теперь держите лист бумаги за один кончик и подуйте на него. Бумага начнет развиваться в разные стороны, изгибаться под напором воздуха, поскольку воздух не может легко пройти сквозь лист. Воздуху гораздо проще смахнуть лист со своего пути, пока он не будет расположен в одном направлении с воздушным потоком.

Стабилизатор работает по тому же принципу. Когда самолет движется прямо, воздух легко проходит вокруг стабилизатора. Но если самолетик начинает поворачивать, стороны стабилизатора будут противостоять воздушному потоку. Воздух будет давить на стабилизатор, пока самолет не выровняется. Это позволяет самолету держать стабильный курс.

В данной конструкции стабилизатор имеет треугольную форму. Один плоский кусочек бумаги чересчур нестабилен в роли стабилизатора, поток воздуха просто согнет его. Перед тем, как крепить стабилизатор, закрепите резинки на самолете.

Шаг 5: Полозковое шасси

Полозковое шасси позволяет запускать самолет с плоской поверхности, так как оно поднимает пропеллер достаточно высоко, чтобы он не касался земли. Кроме того, такое шасси выполняет еще одну важную функцию: добавляет вес на днище самолета.

Почему это важно? Ответ не сразу очевиден. Если закрутить резинки и отпустить, чтобы запустить самолет, они раскручиваются с обеих сторон. Один край резинки вращает пропеллер, а другой пытается развернуть остальную часть самолета! Конечно, самолет гораздо тяжелее вращать, поскольку он больше и тяжелее, но все равно ощущается определенная сила, развиваемая резинкой. И если такой силы слишком много, самолет может наклониться в одну сторону, потерять стабильность и упасть.

Вес от шасси наоборот, прибавит самолету веса, а следовательно, и стабильности. С ним низ самолета гораздо тяжелее верха, и самолет будет гораздо лучше сопротивляться наклонам или опрокидыванию.

Шаг 6: Полет!

Чтобы взлететь, удерживайте вал рукой возле пропеллера. Начните закручивать пропеллер по часовой стрелке. Следите, чтобы ученики отворачивали пропеллер от себя, чтобы самолет летел в противоположную от них самих сторону. Иначе, если случайно отпустить пропеллер, можно травмировать себя.

Экспериментируйте с разным количеством энергии и найдите идеальное количество оборотов пропеллера, чтобы достичь желаемой дистанции и качества полета.

Чтобы запустить самолет, поставьте его на плоскую поверхность так, чтобы пропеллер смотрел от вас. Аккуратно, но устойчиво держите вал одной рукой, а пропеллер другой. Сначала отпустите пропеллер, затем через долю секунды вал. Время играет роль, и тут понадобится немного практики. Время между отпусканием пропеллера и винта примерно равно длительности, если сказать “Тик-так”. Таким способом удобно пояснять этот момент ученикам. Пока говорите “тик”, нужно отпустить пропеллер, а когда произносите “так” - нужно отпустить вал.

Освоив базовую технику полета, ученики могут начать экспериментировать с разными эффектами, типа петель, поворотов или бочек!

Шаг 7: Безопасность, подсказки и устранение неисправностей

Этот проект может быть опасным по двум причинам! 1. Пропеллер может очень быстро вращаться и оставлять на коже порезы. 2. Пропеллер может запутаться в длинных волосах. Следите за тем, чтобы ученики аккуратно и внимательно обращались с пропеллерами. Для полетов выбирайте только большую, открытую площадь, чтобы самолет не встретил препятствий перед собой и по сторонам.

Как показывает статистика, в среднем только 20% "Антеев" осуществляли грузовые перевозки (среднерейсовая загрузка - 22,5 т). Остальные самолеты простаивали либо на них выполнялись тренировочные полеты. Лидерные машины не налетали даже 5000 ч. Таким, образом, значительный потенциал парка Ан-22 оказался востребованным не полностью.
В 1969-70 гг. ОКБ Антонова совместно с ЦАГИ, НИИ АС и другими институтами проводило НИР по созданию на базе Ан-22 межконтинентального авиационно-ракетного комплекса Ан-22Р. Самолет являлся летающей стартовой площадкой и оснащался тремя контейнерами с ракетами, установленными в фюзеляже вертикально.
Согласно решению комиссии Президиума СМ СССР по военно-промышленным вопросам от 15 марта 1967 г., разрабатывался авиационно-морской поисково-спасательный комплекс Ан-22ПС. "Антей" оснащался оборудованием для поиска в акваториях Мирового океана экипажей кораблей и самолетов, потерпевших бедствие, одним-двумя спасательными катерами с командой и средствами их парашютного десантирования.
В 1966 г. под обозначением Ан-22А прорабатывался вариант самолета со взлетной массой до 250 т и коммерческой нагрузкой 80 т. Планировалось усилить конструкцию и форсировать двигатели до 18000 э.л.с. По требованию военных на машине предусматривались бронирование кабины экипажа и пушечное вооружение в хвостовой части фюзеляжа. Дальнейшее развитие "Антея" шло под обозначением Ан-122. Эта машина предназначалась для перевозки груза массой до 120 т на дальность 2500 км.
Согласно Постановлению ЦК КПСС и СМ СССР от 26 октября 1965 г., в ОКБ Антонова на базе Ан-22 разрабатывался проект сверхдальнего маловысотного самолета противолодочной обороны с ядерной силовой установкой - Ан-22ПЛО. Его СУ включала разработанный под руководством А.П.Александрова малогабаринтый реактор с биозащитой, распределительный узел, систему трубопроводов и специальные ТВД конструкции Н.Д.Кузнецова. На взлете и посадке использовалось обычное топливо, а в полете работу СУ обеспечивал реактор. Двигатель должен был развивать максимальную мощность 13000 и 8900 э.л.с. соответственно. Расчетную продолжительность барражирования определили в 50 ч, а дальность полета - 27500 км. В рамках этой работы проводились исследования способов защиты экипажа от радиационного воздействия установленного на борту реактора. В 1970 г. Ан-22 №01-06 был оборудован точечным источником нейтронного излучения мощностью 3 кВт и многослойной защитной перегородкой. На этой машине Курлин выполнил 10 полетов с работающим источником. Позже, в августе 1972г., на самолете №01-07 установили небольшой атомный реактор в защитной свинцовой оболочке. Экипаж Самоварова и Горбика выполнил 23 полета в Семипалатинске, в ходе которых были получены необходимые данные по эффективности биозащиты.
При разработке "Антея" рассматривался и пассажирский вариант самолета. Фюзеляж предполагали удлинить на 15 м и организовать в нем двухпалубный салон на 724 пассажира с кинозалом, баром, комнатой матери и ребенка и спальными купе. Хотя этот вариант так и остался на бумаге, но один из "Антеев" 81-го ВТАП осенью 1972 г. выполнил "пассажирский" рейс: эвакуируя советский персонал из Египта, он взял на борт 700 человек (именно столько, сколько и обещал Антонов на парижском салоне 1965 г.).

Воздушный винт является важнейшей составной частью силовой установки, и от того, насколько он сответствует двигателю и летательному аппарату зависят летно-технические качества последнего.

Помимо выбора геометрических параметров воздушного винта внимания заслуживает вопрос о согласовании чисел оборотов винта и двигателя, то есть подбор редуктора.

Принцип работы воздушного винта

Лопасть винта совершает сложное движение - поступательное и вращательное. Скорость движения элемента лопасти будет складываться из окружной скорости и поступательной (скорости полета) - V

В любом сечении лопасти составляющая скорости V будет неизменной, а окружная скорость будет зависеть от величины радиуса, на котором находится рассматриваемое сечение.

Следовательно с уменьшением радиуса угол подхода струи к сечению увеличивается, а угол атаки сечения уменьшается и может стать равным нулю или отрицательным. Между тем известно, что крыло наиболее эффективно "работает" на углах атаки, близких к углам максимального аэродинамического качества. Поэтому для того, чтобы заставить лопасть создавать наибольшую тягу при наименьшей затрате энергии, угол должен быть переменным по радиусу: меньшим на конце лопасти и большим вблизи оси вращения - лопасть должна быть скручена.

Закон распространения толщин профиля и крутки по радиусу винта, а также форма винтового профиля определяется в процессе проектирования винта и уточняется впоследствии на основании продувки в аэродинамических трубах. Подобные исследования проводятся как правило в специализированных конструкторских бюро или институтах, оснащенных современным оборудованием и средствами вычислительной техники. Опытно-конструкторские бюро, а также самодеятельные конструкторы обычно пользуются уже разработанными семействами винтов, геометрические и аэродинамические характеристики которых представляются в форме безразмерных коэффициентов.

Основные характеристики

Диаметром винта - D называется диаметр окружности, которую описывают концы его лопасти во время вращения.

Ширина лопасти -это хорда сечения на заданном радиусе. В расчетах обычно используют относительную ширину лопасти

Толщиной лопасти на каком либо радиусе называется наибольшая толщина сечения на этом радиусе. Толшина изменяется вдоль радиуса лопасти, уменьшаясь от центра винта к его концу. Под относительной толщиной понимают отношение абсолютной толщины к ширине лопасти на том же радиусе: .

Углом установки сечения лопасти называется угол, образованный хордой данного сечения с плоскостью вращения винта.

Шагом сечения лопасти H называется расстояние, которое пройдет это сечение в осевом направлении при повороте винта на один оборот вокруг своей оси, ввинчиваясь в воздух как в твердое тело.

Шаг и угол установки сечения связаны очевидным соотношением:

Реальные воздушные винты имеют шаг, изменяющийся вдоль радиуса по определенному закону. В качестве характерного угла установки лопасти принимается, как правило, угол установки сечения, расположенного на 0,75R от оси вращения винта, обозначаемый как .

Круткой лопасти называется изменение по радиусу углов между хордой сечения на данном радиусе и хордой на радиусе 0,75R, то есть

Для удобства пользования все перечисленные геометрические характеристики обычно представляют графически в функции относительно текущего радиуса винта

В качестве примера на следующем рисунке приведены данные, описывающие геометрию двухлопастного винта фиксированного шага:

Если винт, вращаясь с числом оборотов движется поступательно со скоростью V то за один оборот он пройдет путь . Эта величина называется поступью винта, а ее отношение к диаметру называется относительной поступью винта:

Аэродинамические свойства винтов принято характеризовать безразмерным коэффициентом тяги:

Коэффициентом мощности

И коэффициентом полезного действия

Где р - плотность воздуха, в расчетах может быть принята равной 0,125 кгс с 2 /м 4

Угловая скорость вращения винта об/с

D - диаметр винта, м

P и N - соответственно тяга и мощность на валу винта, кгс, л. с.

Теоретический предел тяги винта

Для конструктора СЛА представляет интерес возможность без расчетов делать приближенные оценки тяги, создаваемой силовой установкой. Эта задача достаточно просто решается с помощью теории идеального пропеллера, согласно которой тяга винта представляется функцией трех параметров: мощности двигателя, диаметра винта и скорости полета. Практика показала, что тяга рационально выполненных реальных винтов всего на 15 - 25% ниже предельных теоретических значений.

Результаты расчетов по теории идеального пропеллера показаны на следующем графике, который позволяет поределить отношение тяги к мощности в зависимости от скорости полета и параметра N/D 2 . Видно, что при околонулевых скоростях тяга в сильной степени зависит от диаметра винта, однако уже на скоростях опрядка 100 км/ч указанная зависимость менее существенна. Кроме того, график дает наглядное представление о неизбежности уменьшения тяги винта по скорости полета, что необходимо учитывать при оценке летных данных СЛА.

по материалам:
"Руководство для конструкторов летательных аппаратов самодеятельной постройки", Том 1, СибНИИА

До того как были разработаны реактивные двигатели, на всех самолетах стояли пропеллеры, то есть воздушные винты, приводимые в движение двигателями внутреннего сгорания наподобие автомобильных.

Все лопасти воздушного винта имеют в поперечном сечении форму, напоминающую сечение крыла самолета. При вращении пропеллера воздушный поток обтекает переднюю поверхность каждой лопасти быстрее задней. И получается, что перед воздушным винтом давление меньше, чем за ним. Так возникает сила тяги, направленная вперед. А величина этой силы тем больше, чем выше скорость вращения воздушного винта.

(На изображении сверху)Воздушный поток двигается быстрее по передней поверхности лопасти вращающегося пропеллера. Это уменьшает давление воздуха спереди и заставляет самолет двигаться вперед.

Винтовой самолет взлетает в воздух благодаря силе тяги, создаваемой при вращении лопастей воздушного винта.

Концы вращающихся лопастей пропеллера описывают в воздухе спираль. Количество воздуха, которое гонит через себя пропеллер, зависит от размера лопастей и скорости вращения. Дополнительные лопасти и более мощные двигатели могут увеличить полезную работу воздушного винта.

Почему лопасти у воздушного винта имеют закрученную форму

Если бы эти лопасти были плоскими, воздух равномерно бы распределялся по их поверхности, вызывая лишь сопротивление вращению винта. Но когда лопасти искривлены, то воздушный поток, соприкасающийся с их поверхностью, в каждой точке на поверхности лопасти приобретает свое направление. Такая форма лопасти позволяет ей более эффективно рассекать воздух и сохранять самое выгодное соотношение между силой тяги и сопротивлением воздуха.

Воздушные винты с изменяемым углом наклона. Угол, под которым лопасть установлена во втулке несущего винта, называется углом начального конуса. На некоторых самолетах это угол можно менять и таким образом делать максимально полезной работу винта при различных полетных условиях, то есть при взлете, наборе высоты или в крейсерском полете.

Это отдельная самостоятельная единица, а точнее целый лопастной агрегат. Он является движителем для аппарата, на котором установлен, то есть превращает мощность двигателя в тягу и, в конечном счете, в движение.

Человек уже давно проявлял внимание к винту. Первые теоретические свидетельства этого имеются еще в рукописях и рисунках Леонардо да Винчи. А практически его впервые применил (для метеорологических приборов) М. В. Ломоносов. вначале устанавливался на дирижаблях, в последствии и по сегодняшнее время на самолетах и при использовании и двигателей. Применяется он также и на наземных аппаратах. Это так называемые суда на воздушной подушке, а также аэросани и глиссеры. То есть история его (как и история всей авиации:-)) длинна и увлекательна и еще, похоже, далеко не закончена.

Что касается теории и принципа действия… Хотел начать рисовать векторные диаграммы, а потом передумал:-). Во-первых не тот сайт, а, во-вторых, все это я уже описал , и даже :-). Скажу лишь, что лопасти воздушного винта имеют аэродинамический профиль, и при его вращении в воздушной среде возникает та же картина, как и при движении крыла.

Аэродинамическая сила (картинка из предыдущей статьи:-))

Все те же , тот же скос потока, только теперь уже подъемная сила становится тягой винта, заставляющей самолет двигаться вперед.

Есть, конечно, и свои особенности. Ведь (точнее его лопасти) по сравнению с совершает более сложное движение: вращательное плюс поступательное движение вперед. И на самом деле теория воздушного винта достаточно сложна. Однако для принципиального понимания вопроса всего сказанного вполне достаточно. Остановлюсь только на некоторых особенностях.Замечу, кстати, что винты бывают не только тянущие, но и толкающие (такие, между прочим, стояли на самолете братьев Райт).

Пропеллер немецкого дирижабля SL1 (1911) диаметром 4,4 м.

Воздушный винт для траспортного самолета А400М.

Транспортный самолет А400М.

При вращении воздушного винта и одновременном его движении вперед, каждая его точка как бы движется по спирали, а сам винт как бы «ввинчивается в воздух», почти, как винт в гайку или шуруп в дерево. Аналогия очень даже существенная:-). Похоже на резьбу пары «болт –гайка». Каждая резьба имеет такой параметр, как шаг. Чем шаг больше, тем резьба как бы более растянута, и болт в гайку ввинчивается быстрее. Понятие шага существует и для воздушного винта. По сути дела это такое воображаемое расстояние, на которое передвинется вращающийся в воздухе винт при его повороте на один оборот. Для того, чтобы он «ввинчивался» быстрее, нужно, чтобы сила, его тянущая (тяга винта, тот самый аналог подъемной силы), была больше. Или же все, соответственно, наоборот. А этого можно достичь за счет изменения величины аналога угла атаки, который называется углом установки лопасти винта, или попросту шагом винта . Понятие шага винта существует для всех видов воздушных винтов, для самолетов и для вертолетов, и принцип их действия вобщем-то одинаков.

Транспортник Кролевских ВВС Hercules C-4 на стоянке с винтами во флюгерном режиме.

Первые воздушные винты, стоявшие на аэропланах, имели фиксированный шаг. Но дело в том, что любой винт имеет такой параметр, как коэффициент полезного действия, который оценивает эффективность его работы. А она может меняться в зависимости от изменения скорости полета, мощности двигателя, да и лобовое сопротивление винта на это влияет. Вот для того, чтобы сохранить кпд на достаточной высоте была придумана (еще в 30-х года 20 в.) система изменения шага и появились винты изменяемого в полете шага (ВИШ ). Теперь, в зависимости от задаваемого летчиком режима полета, шаг винта может меняться. Кроме того обычно существуют еще два специальных режима. Реверсивный – для создания при торможении самолета на земле и флюгерный , который используется при выключении (чаще аварийном) двигателя в полете. Тогда лопасти выставляются «по потоку», чтобы не создавать лишнего сопротивления полету.

Диаметр винта и его шаг – это основные технические параметры воздушного винта. Существует еще такое понятие, как крутка. То есть каждая лопасть по всей длинне слегка закручена. Это делается опять же для того, чтобы при одной и той же мощности лопасть создавала наибольшую тягу.

Американский экспериментальный самолет Bell X-22 с импеллерами 1966 г.

Французский экспериментальный самолет с импеллерами NORD 500 CADET. 1967 г.

1932 г. Италия. Экспериментальный самолет с импеллером "Летающая бочка"

Современные винты вообще достаточно разнообразны по своей конструкции. Количество лопастей может меняться (в среднем от 2 до 8). может быть как тянущим, так и толкающим. Винт по- другому еще называется пропеллер . Это устаревшее название и происходит от латинского prōpellere, что значить гнать, толкать вперед. Однако сейчас еще одно слово вошло в употребеление. Это слово импеллер . Оно означает «крыльчатка» и обозвали им определенный тип воздушного винта, заключенного в кольцевую оболочку. Это позволяет повысить эффетивность его работы, снизить потери и увеличить безопасность. Однако такого рода летательные аппараты находятся только лишь в стадии экспериментальной разработки.

Основной скоростной диапазон применения винтов ограничен скоростями 700-750 км/ч. Но даже это достаточно большая скорость и для обеспечения устойчивой и эффективной работы во всем диапазоне применяются различные технические ухищрения. В частности разрабатываются многолопастные винты с саблевидными лопастями, ведется работа над сверхзвуковыми винтами, применяются вышеуказанные импеллеры. Кроме того уже достаточно давно применяются так называемые соосные винты, когда на одной оси вращаются два воздушных винта в различных направлениях. Примером самолета с такими винтами может быть самый быстрый самолет с турбовинтовыми двигателями российский стратегический бомбардировщик ТУ-95 . Его скорость (макс.) 920 км/ч.

Стратегический бомбардировщик ТУ-95.

К сожалению, , особенно в сочетании с , имеет все-таки ограниченную область применения. Конечно, там, где так необходимы ближнемагистральные самолеты и так называемая он себя еще покажет. Но тем не менее соревнование высота-скорость-дальность он вместе со своим спутником поршнеым мотором уже проиграл . Но об этом в другой статье…

Фотографии кликабельны.