| Модель с ДВС. Проектируем и строим |
| Изготовление авиамоделей - Разработка авиамоделей | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Автор: Administrator | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
Модель с ДВС. Проектируем и строим
Юрий Арзуманян (yuri_la)
Вступление
Данный обзор основан на теме, которая была открыта в марте 2012 года на сайте RC-Aviation (http://rc-aviation.ru/forum/topic?id=4320). А появился он на свет благодаря любезному участию Николая Паплинского (nextnic), который взял на себя труд превращения большого количества сообщений на форуме по данной теме в связный материал. Хочу сразу оговориться, что в тексте обзора постоянно будет встречаться будущее время, хотя на самом деле на момент его публикации проект уже успешно завершен. Но это опять же связано с тем, что обзор построен на основе обобщения сообщений на форуме, которые появлялись в ходе реализации проекта. Я также хочу заметить, что этот проект является в определенном смысле продуктом коллективного творчества. И я приношу благодарность всем тем, кто принимал активное участие в обсуждении темы на форуме.
Часть I
Итак, обзор описывает процесс самостоятельной постройки небольшой модели с ДВС с нуля. То есть здесь не предполагалось искать где-то на просторах Интернета подходящие чертежи и по ним строить модель. Такой подход был бы, безусловно, интересным и познавательным, но мне хотелось бы в процессе постройки, а в первую очередь на этапе проектирования, вынести "на свет божий" ключевые моменты определения технического облика, выбора основных проектных параметров и принятия важных конструкторских решений по модели под калильный двигатель.
***
Чтобы начать собственно проектную фазу, мне бы хотелось определиться с классом модели, которую я буду строить. И дело тут в том, что я готов пойти навстречу "пожеланиям трудящихся" и строить даже такую модель, которая мне самому не слишком нужна. Скажу, какую модель я бы сам хотел построить. Это небольшой 3D самолет типа такого:
Рис. 1. Флип 25 3Д
Сразу должен оговориться, что чертежи модели появятся не сразу. К тому же чертить я предпочитаю на бумаге. Причина проста: черчу в масштабе 1:1 и все сразу видно. Можно мотор к чертежу приложить и увидеть, что ошибся в размере и т.д. Компьютерный чертеж надеюсь, будет, но позднее. Основная идея в том, чтобы показать, если хотите, "мыслительный процесс" в первую очередь. Не сочтите это громкой фразой. Моя специальность по образованию и большей части производственного стажа - проектирование летательных аппаратов. Да, забыл про очень важное замечание. Никаких дефицитных материалов использоваться не будет! И вообще, речь пойдет о постройке низкобюджетной модели, которая была бы доступна для постройки тем, кто либо не может себе позволить использование дорогих материалов и комплектующих, либо их сложно достать в той местности, где живет моделист. К тому же я не разделяю убеждения, что только бальзовые самолеты "настоящие", а остальные недостойны даже внимания. Бальза прекрасный материал и он у меня есть. Но есть он не у всех...
Про название модели. Я выбрал "Финист" (он же "Ясный сокол"). Наш ответ буржуйскому Фениксу (Phoenix)! Поскольку модель с ДВС, то надо сказать несколько слов по поводу выбора того или иного типа движка. Тем более, что с классом модели я определился. Это небольшой самолет, который, как хотелось бы, умел бы выполнять в воздухе большинство "аэробатических" (aerobatic) маневров. Притом это не будет самолет с контурным фюзеляжем, про которого в самом деле можно было бы сказать "дешево и сердито". По правде говоря, можно и объемный фюзеляж сделать так, чтобы было дешево и сердито. К тому же не убиваемо... Например, берем пластиковый короб от электропроводки сечением, скажем, 60х60 мм. Отрезаем примерно метровый кусок. Получаем готовую заготовку фюзеляжа. Снимаем крышку короба. Спереди в короб вклеиваем моторный шпангоут, на него ставим моторную раму. В хвостовой части в днище короба (и аналогично в крышке) вырезаем клиновидный кусок. Стенки короба и крышки сводим вместе и получаем сужающийся к хвосту фюзеляж. Сверлим облегчающие отверстия... Продолжать? Ну, это получился бы, как говорят "аццкий самолет". Такой я делать не буду. Но кто-то может попробовать! Начнем мы со сравнительной характеристики двухтактных и четырехтактных двигателей. Кое-что можно прочитать здесь: . А вот здесь анимационные ролики, показывающие работу двигателей разных типов: Смотрим первый и третий ролики в верхнем ряду. Итак, в основе работы любой тепловой машины (а ДВС – тепловая машина) лежит термический цикл. Термический цикл конкретного ДВС является на практике попыткой реализации идеального термического цикла Карно. На сегодняшний день известно несколько практически реализованных термических циклов. Самый распространенный - это цикл Отто. По нему работает подавляющее большинство двигателей авто, и все известные мне модельные ДВС. Второй популярный термический цикл - цикл Дизеля. В чем принципиальное различие? В цикле Отто на такте сжатия в цилиндре находится топливно-воздушная смесь, и она сжимается. Далее воспламенение (неважно от чего) и рабочий ход. На термической диаграмме цикла не написано, что в этой точке топливо само воспламенилось, или свеча его подожгла. Точка и все. Дальше пошел следующий процесс цикла. Раз топливо уже в цилиндре, то есть опасность его самовоспламенения раньше времени. А термический КПД цикла тем выше, чем выше степень повышения давления, зависящая соответственно, от степени сжатия. И чтобы смесь можно было сильнее сжать без преждевременного воспламенения, нужно повысить антидетонационные свойства топлива, характеризуемые его октановым числом. А это в свою очередь удорожает топливо. Дизель ушел от этой проблемы, предложив цикл, в котором на такте сжатия топлива в камере нет. А воздух можно сжимать сколько угодно без риска детонации. Но при этом воздух сильно разогревается (более 600 градусов). И попади туда топливо - оно само вспыхнет. Только его туда надо впрыснуть в самый последний момент, "продавив" в цилиндр, где уже высокое давление. Отсюда потребность в топливном насосе высокого давления (ТНВД). Сложно, дорого, тяжело. Что годится для парохода (любую дрянь можно впрыснуть), не пойдет для самолета. Хотя примеры установки дизелей на самолеты были еще перед войной. Не пошло. Много пустых споров на тему как называть компрессионные двигатели или двигатели с воспламенением от сжатия. Многие называют их "дизелями". Особенно на Западе. С моей точки зрения это некорректно. Николас Отто должен был бы обидеться, ведь они работают по его циклу, а не по циклу Дизеля! Причин такой вольности несколько. Во-первых, "компрессионные двигатели" (или двигатели с воспламенением от сжатия) звучит длинно и непонятно, а "дизель" коротко и звучно, как выстрел. Во-вторых, классифицировать двигатели можно по-разному. Есть свеча или нет свечи? А у авто? "Бензиновые двигатели" и "дизели"! Вообще нонсенс! Все равно, что сказать "на сливочном масле или на сковородке"? Это дань традиции, устоявшемуся техническому жаргону, если хотите. Можно ведь и дамские халаты классифицировать по наличию или отсутствию на них перламутровых пуговиц. Другое дело, когда появляются своего рода "гибриды". Вот, например, в линейке двигателей FSI (fuel stratified injection) от Фольксваген часть топлива поступает в цилиндр, как у всех "бензиновых" двигателей на такте всасывания, а оставшаяся часть - на такте сжатия (). И как такой движок теперь называть? Полудизель? Или вот я езжу на кроссовере с дизельным двигателем. Но в нем установлены калильные свечи для улучшения запуска зимой и более устойчивой работы на холостых оборотах в холодную погоду. Так мне его теперь "калилкой" называть? Помимо названных мной двух основных термических циклов ДВС есть и другие циклы. Чаще всего это вариации на тему, зачастую очень интересные, например, цикл Кушуля (). Завершая этот экскурс, повторюсь, что интересующие нас модельные ДВС работают по циклу Отто. И назовите такой ДВС хоть горшком, только правильно ставьте на модель и грамотно эксплуатируйте! Далее перейдем к двухтактным и четырехтактным модельным ДВС. Я планирую ставить двухтактный двигатель, а кто-то захочет четырехтактный. Нельзя сказать, что тот или иной выбор плох, а противоположный хорош. У каждого из этих ДВС есть свои достоинства и недостатки. О них и поговорим. Для меня главным критерием была установлена цена. А двухтактные ДВС дешевле четырехтактных. Почему? Это легко видеть из приведенных фото. Количество деталей у четырехтактника почти вдвое больше. На их изготовление нужен материал, станки, труд и время.
Рис. 2. Детали, из которых состоит двухтактный ДВС.
Рис. 3. Детали, из которых состоит четырехтактный ДВС.
Но все ли этим сказано? Если бы я не ставил своей целью постройку низкобюджетной модели, я бы выбрал четырехтактный двигатель. Почему это? Потому что выбор двигателя зависит от того, что вы от него хотите. В данном случае он определяется классом модели. А мы хотим построить пилотажный 3D самолет. Проще говоря - фан. (Не знаю точной классификации типов таких моделей, поэтому буду называть их "фанами"). Теперь этот тезис о предпочтении четырехтактнику нужно обосновать. Ведь он не только сложнее в устройстве, но и тяжелее двухтактника с равным рабочим объемом. И здесь не нужно сравнивать отдельные образцы и говорить, что вот Ямада такая-то легче ОСа такого-то. Объявите конкурс производителям движков и двухтактники всегда будет легче своих визави. То есть удельная мощность (мощность, отнесенная к весу двигателя) у двухтактников выше. Но это если говорить про максимальную мощность. А что такое мощность в данном случае? Это произведение крутящего момента двигателя на число оборотов. Так вот двухтактник эту самую максимальную мощность набирает не за счет крутящего момента, а за счет оборотов. Четырехтактник из-за сложного клапанного механизма просто разлетится на куски при таких оборотах. Но мы же не скоростную модель строим! Нам нужна мощность как раз на "низах", короткие переходные процессы, приемистость, чтоб "ходил за газом", способность крутить большой винт с малым шагом, а не мелкий пропеллер с большим. А что это дает? Смотрите, воздушный винт отбрасывает воздух и создает тягу. Поместим его для простоты объяснений в трубу, как импеллер. При этом возьмем не привычный нам двухлопастной винт, а так называемый Архимедов винт. Проще говоря – шнек. (Такой присутствует в обычной кухонной мясорубке). Тогда объем перекачиваемого им воздуха в единицу времени есть объем цилиндра, с диаметром, равным диаметру винта, и высотой, равной шагу винта. И все это надо помножить на число оборотов в единицу времени. То есть W = А х 3.14 x n x (D^2) x h / 4. Здесь D и h - диаметр и шаг винта, n - число оборотов в минуту. А - поправочный коэффициент учитывающий размерность входящих величин и эффективность винта. Тогда, если шаг винта увеличить на 10%, то W возрастет на 10%, а если диаметр увеличить на 10%, то W возрастет на 21%! (1.1 x 1.1 = 1.21). Отсюда видно, что диаметр винта важнее шага, для получения большей статической тяги. Мы увлеклись сравнением типов ДВС, пора ближе к модели. (Про выбор мотора можно еще почитать здесь: http://rc-aviation.ru/obzorm/545-komplect/1017-vibor-dws) На свою модель я поставлю ASP 28. Он у меня есть и не занят. Он отвечает тем критериям, которые я установил. То есть не дорог и обладает неплохими мощностными показателями. Обкатан и облетан. Да, это двухтактный мотор, но мне очень любопытно, как он покажет себя на фане, где резкая смена режима работы - обычное дело. Теперь надо определиться с основными ЛТХ (летно-техническими характеристиками). Для этого я вначале прикину, во что в весе мне обойдется необходимый "джентльменский" набор: мотор, бак, сервы, батарея и проч. Я поступаю так. Составляю весовую сводку всего самолета в виде таблицы в Excel, и начинаю ее заполнять.
Итак, весовая сводка модели «Финист»:
Многовато получилось. Думал, будет легче... Отдельно даю ссылки на комплектующие с ХК.
Да, должен добавить, что то, что есть в наличии - по результатам взвешивания, а не по данным на сайте ХК. То, что еще не построено - оценка весовых характеристик. Итак, расчетный сухой (без топлива) вес Финиста у меня получился примерно 1320 грамм. Много это или мало? Мне кажется много. Но у меня есть с чем сравнивать. Это данные взвешивания ARF-наборов, которые у меня были или есть. А я взял за правило первым делом взвешивать все детали покупного набора перед сборкой. Эти данные я записываю прямо на инструкции по сборке, а все их храню в одной папке. Так они не затеряются и всегда можно подсмотреть и сравнить то, что у тебя получается с продукцией китайского "модельпрома". Всем советую поступать так же. Вот, например, данные взвешивания небольшой цельнобальзовой электро пилотажки NPM MiniLeader ():
Рис. 14. NPN MiniLeader
Весовая сводка МиниЛидера Фюзеляж - 120,3 Крыло - 150,8 Стабилизатор с РВ - 19,8 Киль с РН - 10,9 Шасси - 38,5 (тяжелое, я его заменил, скинул 20 грамм) Капот - 5,2 Фонарь - 10,6 Тяги - 9,8 Фурнитура - 14,1 Итого - 380,7 (декали не взвешивал). После установки начинки взлетный вес около 600 грамм, что довольно много, учитывая, что пенолет собственной постройки, чуть больше по размерам, легко вписался в 500 грамм. Но это был довольно мелкий самолет. К тому же электро. А вот ближе по классу к Финисту "Кальматенок" ().
Рис. 15. «Кальматенок»
ДВС-тренер низкоплан с декларируемыми высокими пилотажными качествами... (Проверка в воздухе впереди). Он в наборе весит 1184 грамма. Стоит сказать, что в наборах от Киошо высокая степень пресобранности модели. Даже клея не надо. Поэтому детальной весовой сводки не получится. Например, киль с РН уже собраны с фюзеляжем, бак установлен и т.д. Поэтому: Фюзеляж - 400 г Капот - 36 г Фонарь - 36 г Стабилизатор с РВ в сборе - 68 г Шасси - 126 г Моторама - 20 г Фурнитура - 40 г Кок - 24 г Крыло (все детали) - 390 г Тяги - 44 г Декали тоже не взвешивал, но если добавить всю начинку и мотор ASP 36, то сухой вес получается 1880 грамм. Вот такие дела... Есть еще вариант, с чем могу сравнить. К тому же летающий. Это Соник, примерно тех же размеров (размах 1330 мм, у Кальматенка - 1300 мм). Его вес в инструкции указан довольно реалистично - 1790 грамм. Со стоящим на нем таким же мотором ASP 36 он примерно такой и получился. А что же заявляет Киошо по поводу взятого нами за пример Flip 3D 25? Размах крыла - 1240 мм, длина фюзеляжа - 1250 мм, площадь крыла 42 кв. дм., вес 1400-1500 г в зависимости от двигателя. Нагрузка на крыло - 33-36 г на кв. дм. Довольно низкая. Но это все модели из наборов. А может я не умею модели строить?
Рис. 16. Кордовая пилотажка
Попробую сравнить с моделью собственной постройки. Вот фото вверху кордовая пилотажка с тем самым ASP 28 (размах 1300 мм, вес около 1100 г). Ни грамма бальзы. Добавив начинку радиоуправляемой модели, получим вес в районе 1400 грамм. Значит реализуемо... Несколько слов об установке двигателя цилиндром вверх или вниз. Это одно из проектных решений, которое влияет не только на движок, но и на обводы модели. Движок цилиндром вниз автоматически опускает нижний контур обвода фюзеляжа тоже вниз. А это "съедает" часть диаметра винта, позволяя сделать короче стойки шасси и выигрывая на этом в весе, лобовом сопротивлении, ну и снижая также опрокидывающий момент. ЦТ модели тоже опускается немного и не надо крыло так сильно поднимать вверх, чтобы приблизиться к схеме среднеплана. С другой стороны, при расположении двигателя цилиндром вниз пыль, травинки и т.п. в карбюратор летит при взлете/посадке и при клевке носом можно сломать карбюратор. Потом, когда движок расположен цилиндром вверх, то и заводить проще, конечно. Меньше риск его перезалить. Иногда движок ставят косо как на Флипе - глушаком вниз.
Рис. 17. Расположение двигателя на Флипе 3Д.
Поскольку я делаю модель, чтобы ее было легко повторить и иметь меньше проблем с запуском и регулировкой двигателя, я поставлю его цилиндром вверх. Итак, мы подошли к моменту, когда надо определиться с основными удельными параметрами, в существенной степени характеризующими модель. Об этом – в следующей части… |
