Обучение полетам.
В практике большой авиации широко применяются электронно
моделирующие стенды и тренажеры. Их применение значительно
ускоряет обучение полетам а так же значительно его удешевляет.
Однако стоимость авиационных тренажеров очень высока. Стои-
мость часа налета на них составляет 10% от стоимости реального
летного часа.
Естественно для сверхлегкой авиации такая техника не может
быть применена. По этому возникло желание сделать тренажер на
основе персонального компьютера.
Тренажер разрабатывался из соображений минимальной стои-
мости, а также максимальной реалистичности полета.
Анализировалось следующее програмное обеспечение: FS-4, FS-5,
«Flight Unlimited». Последняя имеет очень красивую графику,
великолепные пейзажи и самолеты, но не очень реалистичное по-
ведение самолета. Так же она требует очень мощного компьютера
с CD ROM. FS-5 дает очень реалистичную динамику полета, отлич-
ную графику, но для раскрытия возможностей этой замечательной
программы, нужен компьютер на основе процессора пентиум-100 и
видeокарта не хуже «Diamond Stelts». По этому был применен
«Flight Simulator — 4» фирмы Microsoft.
Этот имитатор полета показался нам оптимальным, т.к.
обеспечивает реалистичное управление самолетом на компьютере
386dx40 и мониторе EGA. Одним из достоинств этой программы яв-
ляется возможность «конструирования самолетов» с необходимыми
летными характеристиками. FS-4 поддерживает управление рулями,
элеронами, РУДом и колесными тормозами через игровой порт, что
и позволяет сделать тренажер.
Тренажер состоит из компьютера и «кабины». «Кабина» имеет
ручку управления подвешенную под специальным кронштейном, пред-
полагаем добавить педали с управлением газом и тормозом (для
СЛА классической схемы управление должно быть сделано соот-
ветствующим). Перемещение ручки управления вызывает поворот
потенциометра подключенного к соответствующему выводу игрового
адаптера, а нажатие на тормоз — замыкание контакта. Перед «ка-
биной» установлен монитор компьютера.
1 o________________________________
|
2 o_______________ | Сопротивление всех
4 o_______________\ тормоз | потенциометров —
| 100к
3 o______________________ |
| |
____|___ |
___|элероны |_____|
|________| |
6 o______________________ |
| |
____|___ |
___|р. выс. |_____|
|________|
9 o________________________________
|
|
11 o______________________ |
| |
____|___ |
___| Р У Д |_____|
|________| |
13 o______________________ |
| |
____|___ |
___| педали |_____|
|________|
Схема подключения «кабины» к игровому адаптеру. (сбилась при переносе с ДОС кодировки на Виндовс).
Настройка.
В начале надо настроить летные характеристики самолета.
Для этого нужно в меню MODE выбрать пункт AIRCRAFT LIBRARY, а
в нем, в свою очередь, «Экспериментальный поршневой самолет.
После этого выбираем — AIRCRAFT DESIGN, где и устанавливаем
летные характеристики. Очень хороший эффект дает увеличение
хорды крыла, т.к. это уменьшает нагрузку на крыло и снижает
аеродинамическое качество. Можно уменьшить массу и мощность
двигателя. При необходимости можно настроить параметры продоль-
ной и поперечной устойчивости, демпфирования, прочности и мно-
гого другого…
Далее следует записать параметры самолета в файл, дав ему
соответствующее имя. Теперь можно немного полетать на нашем
самолете, обращая внимание в первую очередь, на диапазон ско-
ростей. Если он нас не устраивает, то параметры аппарата можно
скорректировать, повторив указанные ранее операции.
Затем в меню SIM убираем + против строки AUTO
COORDINATION, что отсоединяет поперечное управление от путево-
го.
После этого в меню SIM выбрать пункт JOYSTIK и войдя в не-
го, установить нужную эффективность управления в продольном и
поперечном каналах.
Теперь снова можно полетать, и если результат вас удовлет-
ворил — считайте, что ваш аппарат готов к эксплуатации и нужно
позаботиться об аэродроме.
Скорее всего вы «находитесь» в Чикаго и если это Вас уст-
раивает, то следует подумать об окружающем пейзаже : В меню
SIM в строке GROUND STRUCTURE установите DOTS, а в строке
CRASH DETECT — DETECT AND ANALYZE. (Ежели вы желаете летать в
другом месте, то лучше там и проделывать всю настройку.)
Ситуацию (моду) нужно запомнить. Для это нажимаем клавишу
(;), попадаем в SAVE FLIGHT MODE, где указываем имя моды ,нап-
ример MDP. Потом ставим (+) против 3 строки, и записываем моду
на диск. Это делается в 4 строке. Далее, имеет смысл записать
моду в стартовую конфигурацию, для чего надо в меню MODE —
MODE LIBRARE выбрать строку SAVE STARTUP…
Настройку можно считать законченой. Теперь включив компь-
ютер,мы окажемся «в нужном месте в нужное время».
В заключение, сообщаю назначение клавиш FS-5 полученное по
сети FIDONET.
Autopilot Z
Brakes PERIOD (.)
Carburetour heat on/off H
Coordinates on/off SHIFT+Z
Тоpможение задними тележками F11,F12 (left,right)
Подача топлива в камеpу сгоpания CTRL+SHIFT+F4 — на pеактивных
Запуск pеактивного двиг. J,PLUS (+)
J,MINUS(-)
Выключение pеактивного двиг. CTRL+SHIFT+F1
Land me X
Landing gear G
Lights on/off L (SHIFT+L — свет в кабине)
(CTRL+L — посадочные фаpы)
Magnetos on/off M, PLUS/MINUS
Parking brakes CTRL+PERIOD
Pause P
Smoke/spray on/off I
Strobes O
Sound Q
Обзор (*)+стрелка
Ailerons (bank)
-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!-
Left keypad 4
Right keypad 6
Center keypad 5
Elevator (pitch)
-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!-
Nose up keypad 2
Nose down keypad 8
Trim up keypad 1
Trim down keypad 7
Rudder (yaw)
-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!-
Left keypad 0
Center keypad 5
Right keypad ENTER
Throttle (power)
-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!-
Cut F1
Increase F3
Decrease F2
Full F4
Flaps
-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!-
Retract F5
10 deg. F6
30 deg. F7
Extend F8
Radio selection
-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!-
ADF A,AA,AAA
COM C,CC
DME F+1,F+2 (PLUS/MINUS)
NAV N+1,N+2 (NN)
Transponder T,TT,TTT,TTTT
VOR/OBI V+1,V+2
>SLEWING CONTROLS
Set aircraft position to north (oriented) SPACEBAR
Turn slewing on/off Y
Далее как упpавление полетом.
Применение тренажера.
Тренажер может использоваться для выработки первоначальных
навыков пилотирования, в том числе и в болтанку. Он заставляет
делать правильные движения ручкой. Это позволяет сэкономить
около часа летного времени.
Однако черезмерно увлекаться тренажером не следует т.к. он
не передает тактильные ощущения. Усилия на ручке, создаваемые
резиновыми шнурами, не полностью имитируют реальные. Обзор ог-
раничен размерами экрана. По этому реальные полеты, все же,
заменить невозможно.
Так же тренажер может быть использован для отработки поле-
та по кругу. Программа позволяет «посмотреть» в стороны и на-
зад. Полезно отрабатывать и посадку. Есть в программе инте-
ресная возможность: Полет с инструктором. Инструктор выполняет
полет по кругу или другие маневры, коментирует свои действия,
а потом предлагает повторить полет. К сожалению, инструктор
уверенно летает только на Цессне 182.
Можно упражняться и в маршрутных полетах с использованием
компаса и карты. Я летал, например, из Таллина в Питер. Тут
можно тоже пожалеть, что карта все время ориентируется по по-
лету. Это совершенно не справедливо облегчает жизнь пилоту.
При обучении полетам на МДП следует, после отрыва, блоки-
ровать педали и разблокировать их после посадки, т.к. аппарат
не имеет руля поворота.
P.S. Следует применять законно приобретенную программу.
Конструирование.
===============
Расчет винта.
Нередко низкие летные характеристики СЛА объясняются низ-
ким КПД винта. Некоторые авиаторы делают хорошие винты по наи-
тию, но это искусство доступно немногим и обычно основано на
большем опыте. По этому, расчетная методика, дающая хорошие
результаты была бы полезна всем.
Существует несколько теорий воздушных винтов. Все они
основаны на различных моделях упрощенно описывающих реальные
процессы. Одной из них является теория Сабинина-Юрьева. Она
является хорошим приближением при небольших скоростях полета.
Однако эта теория весьма сложна, расчет с ее использованием ве-
дется методом последовательных приближений, и требует больших
трудозатрат. По этому возникла необходимость в компьютерной
программе, которая взяла бы «работу адову» на себя.
Далее будет изложен алгоритм программы и методика ее
использования. Дискета с программой прилагается. Текст прог-
раммы не даю, т.к. перед программистами не удобно, а переделы-
вать лень, ибо и так все исправно работает.
Программа написана по упрощенной методике, прекрасно изло-
женой в [5]. По этому она применима к мощностям до 55квт и
скорости до 200км/ч.
Расчет винта можно разделить на два этапа.
Целью первого этапа расчета является определение ожидаемых
радиуса, тяги и КПД винта.
Исходными данными первого этапа являются:
располагаемая мощность двигателя N, Вт;
частота вращения винта OM, 1/с;
максимально допустимый радиус винта из условий его распо-
ложения на СЛА RG, м;
расчетная скорость винта VO, м/с;
максимально допустимая скорость конца лопасти UKG, м/с;
массовая плотность воздуха RO, кг/м^3;
исходный желаемый КПД NU;
шаг снижения КПД DNU;
Расчет ведется с использованием системы единиц СИ. Ско-
рость VO следует выбирать из компромисса между взлетным и
крейсерским режимами.
Исходя из недопустимости околозвуковых течений, UKG не
должна превышать 250, а лучше 230 м/с
Из за низкой скорости и ограниченного радиуса винта СЛА, нет
смысла увеличивать NU более 0.75. Если у вас быстрый компьютер
то имеет смысл установить DNU — 0.0005. Это позволит точнее
определить максимально возможный диаметр винта.
========================
N,OM,RG,VO,UKG,RO,NU,DNU
========================
| <———————————/|\
NUO=NU/0.85 |
— |
|
—————— |
B=4(1/NUO^2-1/NUO) |
—————— |
| |
——— |
P=N*NU/VO |
——— ———
| NU=NU-DNU
————— ———
S=2P/B*RO*VO^2 /|\
————— |
| |
———— |
R=v(S/3.142) |
———— |
| |
——- нет |
< R>=RG >——————->|
——- |
\|/ да
——- |
UK=OM*R |
——- |
| |
——- нет |
< UK>=UKG >—————>|
——-
\|/ да
==========
NU,P1,R,UK
==========
Целью второго этапа расчета является определение тяги,
потребляемой мощности и геометрии винта.
Исходными данными являются:
располагаемая мощность двигателя N, Вт;
частота вращения винта OM, 1/с;
число лопастей винта;
радиус винта R, м, тяга P, Н, полученные на первом этапе
расчета.
Для проведения расчетов лопасть винта разбивается
на несколько участков. Считаем, что на каждом выбранном участке
крутка лопасти отсутствует, а параметры обтекающего участок
потока постоянны. Погрешность, при таком методе расчета стано-
вится несущественной при разбивке лопасти на десять участков.
Можно считать, что центральные три участка не дают тяги, пот-
ребляя при этом 4,5% мощности. По этому расчет ведется для се-
ми участков.
Так же задаем:
относительную ширину лопасти B;
эллиптический закон изменения ширины лопасти по радиусу;
закон изменения относительной толщины лопасти по радиусу;
постоянный угол атаки лопасти по радиусу A;
==================
A,RO,VO,P1,BS,R,DR,
RS=0.35
==================
| <——————————————|
RM=R*RS |
——- |
| |
——————- |
CS=0.1+0.44(1-RS)^2 |
——————- |
| |
—————————— |
CY=0.264+0.084A=2.32(CS-0.12) |
—————————— |
| |
———————- |
KB=60-2200(CS-0.18)^2 |
AB=4.6+25(CS-0.09) /|\
K1=072-1500(CS-0.18)^3 |
K=KB-K1(A-AB)^2 |
———————- |
| |
—— |
MU=1/K ———
—— RS=RS+0.1
| ———
——- /|\
U=OM*RM |
——- |
| |
—————- |
B=4BSv(RM(R-RM)) |
—————- |
| |
———— |
S=3.142*R^2 |
———— |
| |
————————— |
V1=(V0+v(V0^2+(4P/RO*S)))/2 |
————————— |
| |
————— |
W1=v(U^2+V1^2) |
————— |
| |
————— |
BT1=arctg(V1/U) |
————— |
| |
——- |
DS=B*DR |
——- |
| |
—————— |
DF=CY*RO*W1^2*DS/2 |
—————— |
| |
——- |
G=BT1+M |
——- |
| |
———— |
FI=A+57.3BT1 |
———— |
| |
————- |
DP=2DF*cosG |
DN=2DF*U*sinG |
————- |
| |
—— |
C=CS*B |
—— |
| |
=============== |
RS,RM,B,C,CS,FI |
=============== |
| |
——— |
_ |
P2= Є DP |
_ |
N2= Є DN |
——— |
| |
——— нет |
< RS>=0.95 >——————————-> |
———
\|/ да
=====
P2,N2
=====
Где:
RS — относительные радиусы участков;
RM — радиусы участков;
B — хорды участков;
С — толщины профилей;
CS — относительная толщина профиля;
FI — углы установки хорд участков;
N2 — мощность потребляемая винтом;
P2 — тяга винта на расчетной скорости;
Если расчетная мощность N2 существенно отличается от
располагаемой N, то необходимо изменить среднюю хорду BS или
угол атаки A и выполнить второй этап расчета заново. Эту про-
цедуру нужно повторять до тех пор, пока N и N2 не совпадут.
Программа ориентирована на двухлопастные винты, т.к. когда
она писалась иные не применялись. При необходимости можно ее
заставить работать c любым числом лопастей.
Перед запуском программы необходимо создать файл данных.
Вот пример содержимого такого файла с именем V :
————————————————————-
29! ,1640! ,2660! ,45! ,250 ,.65 ,.001,
2.15 ,65!
————————————————————-
Где последовательно указаны:
располагаемая мощность (лс),
допустимый диаметр винта (мм),
частота вращения (об/мин),
расчетная скорость полета (км/ч),
допустимая окружная скорость (м/с),
КПД,
шаг изменения КПД, угол атаки (град),
средняя хорда (мм).
Все необходимые преобразования величин пограмма выполнит
сама.
Файл может быть создан любым текстовым редактором. Числа
разделяются запятой. Нуль, перед десятичной точкой, может быть
опущен. После целого числа желательно поставить восклицатель-
ный знак.
Теперь можно запустить файл — VINT.EXE . На экране поя-
вится сообщение:
—————————————————————
г=========¬
¦ В И Н Т ¦ Автор программы : А.В.ФИНКЕЛЬШТЕЙН
L=========-
S.Peterburg
В файле данных записанны:N’лс’ , D’мм’ , OM’об/мин’ , V0’км/ч ‘,
UKG’м/с’ ,NU, DNU , A’град’ , BS’мм’
Введите имя файла
—————————————————————
Здесь следует ввести имя созданного нами файла данных и
нажать на Enter. Программа выполнит вычисления и выдаст ре-
зультаты:
RS= 0.35|RS= 0.45|RS= 0.55|RS= 0.65|RS= 0.75|RS= 0.85|RS= 0.95
RM=286.88|RM=368.84|RM=450.81|RM=532.77|RM=614.74|RM=696.70|RM=778
B =101.65|B =106.02|B =106.02|B =101.65|B = 92.28|B = 76.10|B = 46.45
CS= 0.20|CS= 0.17|CS= 0.15|CS= 0.13|CS= 0.11|CS= 0.11|CS= 0.10
C = 20.47|C = 18.30|C = 15.75|C = 13.15|C = 10.61|C = 8.02|C = 4.67
FI= 20.00|FI= 16.21|FI= 13.73|FI= 11.99|FI= 10.70|FI= 9.70|FI= 8.92
P2=623.8 ‘н` N2=18617.7 ‘вт` N=20490.2 ‘вт`
ГPАФИKИ HУЖHЫ ? (Y/N)
———————————————————————-
Где опять же:
RS — относительные радиусы участков;
RM — радиусы участков (мм);
B — хорды участков;
С — толщины профилей;
CS — относительная толщина профиля;
FI — углы установки хорд участков (град.);
N2 — мощность потребляемая винтом (лс);
P2 — тяга винта на расчетной скорости (кг);
Для каждого из 7 участков получены данные необходимые для
изготовления винта.
В данном примере следует несколько увеличить угол атаки A
или среднюю хорду BS для того, чтобы совпали N и N2, и еще раз
запустить программу.
Естественно, можно было заставить программу выполнять и
эту операцию, но мне хотелось иметь возможность самому опреде-
лять, что именно корректировать.
Можно сразу создать несколько файлов данных с разными име-
нами и по очереди запускать программу с каждым из них.
Если в ответ на запрос ГРАФИКИ НУЖНЫ ? ответить Y, то на
экран будут выведены графики угла установки, величины хорды,
относительной толщины профиля по радиусу лопасти. Так же будет
изображена сама лопасть винта.
Построение профиля.
Большую трудоемкость имеют такие элементарные операции,
как построение профиля с нужной хордой и относительной толщи-
ной. По этому была написана программа рисующая готовый шаблон
на бумаге.
В комплекте с программой имеются три файла содержащие ко-
ордиаты профилей VS-2, RAF-6, NAVI-66. Можно добавить и другие
профили.
Перед использованием программы необходимо загрузить утили-
ту GRAPHICS из комплекта MC DOS 5.0 или выше. Далее запускаем
программу PR.EXE, и видим на экране :
—————————————————————
*****************
* П Р О Ф И Л Ь * Автор А.В.Финкельштейн
*****************
s.Peterburg
Введите название профиля
—————————————————————
Указываем профиль — RAF6, VS2 или NA66, и видим:
—————————————————————
Введите хорду толщину профиля
—————————————————————
Вводим через пробел. Например: 100 10 , если нужно постро-
ить профиль с хордой 100мм и относительной толщиной 10% . На-
жимаем на ENTER и получаем результат,
—————————————————————
x= 0.0 yv= 1.00 yn= 1.00
x= 2.5 yv= 4.10 yn= 0.00
x= 5.0 yv= 5.92 yn= 0.00
x= 10.0 yv= 7.68 yn= 0.00
x= 20.0 yv= 9.61 yn= 0.00
x= 30.0 yv=10.00 yn= 0.00
x= 40.0 yv= 9.91 yn= 0.00
x= 50.0 yv= 9.61 yn= 0.00
x= 60.0 yv= 8.73 yn= 0.00
x= 70.0 yv= 7.47 yn= 0.00
x= 80.0 yv= 5.72 yn= 0.00
x= 90.0 yv= 3.69 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
x=100.0 yv= 0.00 yn= 0.00
Чертеж нужен ? (Y/N/Q)
—————————————————————
который коментировать, как мне кажется, не нужно.
Если на последний вопрос ответить Y, то на экране увидим
изображение профиля. Нажав клавишу PRINT SCEEN мы получаем от-
печатанную копию на принторе.
Это изображение в натуральную величину. Его можно вырезать
ножницами и наклеить на фанеру.
Запущеная из под QEMM, программа иногда выдает неверные
результаты.
Опыт применения.
Винты были изготовлены из сосны и березы. Форма лопасти
была выбрана такой, при которой линия максимальных толщин —
прямая. Это предотвращает закручивание лопасти при изгибе.
В программе «Винт» использован математичский аппарат
описывающий аеродинамические характеристики профиля ВС-2. По
этому первый винт был изготовлен с этим профилем. Винт
расчитывался для двигателя РМЗ-640 с клиноременным редуктором.
Испытания показали, что по потребляемой мощности винт пол-
ностью соответствует расчету. В то же время по тяге он ока-
зался довольно посредственным, что объясняется, повидимому,
невысокими характеристиками профиля.
Винты с профилем RAF-6 показали высокие характеристики и
нас полностью удовлетворили.
Были так же изготовлены винты для двигателя ROTAX 503. Од-
нако они оказались слишком тяжелыми. Видимо это связанно с
тем, что характеристики применененого профиля NAVI-66 сильно
отличаются от ВС-2. Возможно, что при таком большем шаге, уве-
личилась погрешность методики.
Будучи обрезаны по хорде с сохранением углов установки,
винты потянули очень хорошо.
В настоящее время написан новый вариант программы, в котором
аэродинамические характеристики профиля не вычисляются, а вводятся
из атласа профилей. Винты построенные по этой версии программы для
ROTAX 582 и ROTAX 503 оказались весьма удачны. По вопросам ее
приобретения следует обращаться ко мне.
При написании программ использованы компиляторы фирмы Бор-
ланд: TB 1.0 и TC 2.0. Данный текст написан с помощью бесплат-
ной версии редактора «Лексикон», а по тому, все претензии
связаные с неправильными переносами следует обращать к г.н.
Веселову.
При распросранении программ плата должна взиматься не ина-
че, как для компенсации расходов на тиражирование и пересылку.
Литература.
1. Александров В. Л. «Воздушные винты». М.: Оборонгиз, 1951.
2. Азарьев И. А., Горшенин Д. С., Силков В. И. «Практическая
аеродинамика Дельтаплана». М.: Машиностроение, 1992.
3. Кузьмин Г. И. «Воздушные винты». М.: Оборонгиз, 1937.
4. Стрижевский С. Я. «Теория и расчет воздушных винтов». М.:
Изд-во ВВИА, 1948.
5. Чумак П. И., Кривокрысенко В. Ф.»Расчет, проектирование
и постройка сверхлегких самолетов». М.: Патриот, 1991.
Александр Финкельштейн, 28 мая 2017