Особенности проектирования легких спортивных самолетов

Существует несколько подклассов легких самолетов, предназначенных для выполнения задач, связанных с авиационным спортом.

В соответствии со специфическими особенностями самолетов данного назначения существуют следующие требования, определяющие их техническую концепцию:

Пилотажные требования непосредственно формируют облик акробатического самолета, влияют на выбор весовых, геометрических и аэродинамических параметров, определяют характеристики устойчивости и управляемости.

Компоновочные требования влияют на выбор схемы и определяются главным образом необходимостью обеспечения особого обзора из кабины летчика на пилотаже и особенностями придания акробатическому самолету требуемых штопорных характеристик.

Требования к силовой установке также являются специфическими для акробатического самолета. Они предусматривают прежде всего хорошую приемистость двигателя (не более 2 секунд) и бесперебойную, надежную его работу во всем диапазоне эксплуатационных скоростей и перегрузок при любом положении самолета в пространстве. Управление силовой установкой не должно обременять летчика, отвлекать его внимание и требовать сложных или частых манипуляций.

Требования к приборному и специальному оборудованию тесно смыкаются с предыдущими. Акробатический самолет должен иметь упрощенный состав пилотажно-навигационного и радиооборудования. Это соображение вытекает из того, что на акробатических самолетах как правило летают пилоты высокой квалификации не требующие так называемых "ученических" приборов, и из того, что полеты на акробатический пилотаж проводятся всегда в условиях хорошей видимости, освещенности и достаточно высокой облачности.

Радиотехническое оборудование обычно ограничивается применением одной УКВ-радиостанции и резервной аккумуляторной батареи для ее питания.

Требования к конструкции и эксплуатационные требования определяются тактикой применения акробатического самолета. Планер самолета должен обеспечивать возможность разборки, быстрой сборки и регулировки без использования сложного вспомогательного оборудования или высококвалифицированных специалистов. Одной из отличительных черт акробатических самолетов является большая интенсивность полетов с максимально разрешаемым нагружением конструкции. Требуется принимать меры по созданию безопасно разрушающейся конструкции, обеспечить подход к жизненно важным элементам конструкции для своевременного обнаружения трещин, течей, задиров и т д. Для уменьшения массы акробатических самолетов практикуется минимальная заправка топливом и маслом. По этой причине дозаправка производится довольно часто и требует удобного подхода к заливным горловинам, зарядным штуцерам и разьемам аэродромного питания.

На акробатическом самолете должна быть предусмотрена возможность надежного аварийного покидания его летчиком. Для этого самолет должен иметь либо безотказно открывающийся в любой полетной ситуации фонарь кабины, либо систему аварийного сброса фонаря.

Схемы спортивно-пилотажных самолетов не отличаются большим разнообразием. Это либо свободнонесущий моноплан нормальной схемы, либо одностоечный биплан нормальной схемы, хотя предпочтение отдается монопланам. Аппараты других схем (утка, тандем, бесхвостка) считаются непригодными для выполнения современного пилотажа из-за их динамических особенностей, в частности неудовлетворительных штопорных характеристик.

Спортивно-пилотажный самолет должен четко и энергично выполнять штопор, плоский и крутой, прямой и перевернутый, быть максимально приспособленным для выполнения штопорных бочек при разном положении в пространстве и должен иметь при этом минимальные запаздывания при выходе из штопорных фигур. Перечисленным требованиям в большей мере отвечает бипланная схема как более компактная, с меньшим аэродинамическим демпфированием, и именно этими ее качествами в первую очередь, а не маневренными свойствами обьясняется ее применение.

Одной из основных задач, решаемых при проектировании акробатического самолета является придание ему как можно более полной симметричности и прямом и перевернутом полете. Требование симметричности определяется большой насыщенностью пилотажа фигурами, выполняемыми с отрицательной перегрузкой. Это оказывает влияние как на выбор параметров несущих и управляющих поверхностей, так и на выбор схемы самолета в целом. Таким требованием можно обьяснить применение симметричных либо близких к ним профилей крыла и появление самолетов со среднерасположенным крылом, имеющим нулевую V-образность, нулевой угол установки и среднерасположенное горизонтальное оперение. Такие самолеты имеют как правило и одинаковую эффективность рулей высоты для создания положительных и отрицательных перегрузок.

На выбор схемы самолета оказывает влияние используемая силовая установка. Лучше всего отвечают требованиям силовые установки, построенные на базе легких поршневых двигателей - звездообразных, рядных или оппозитных - воздушного охлаждения.

Традиционным местом расположения двигателя является носовая часть самолета. Не исключается и установка двигателя в хвосте с применением толкающего винта, однако связанные с этим трудности соблюдения нужной центровки, компоновки шасси и обеспечения безопасности покидания самолета в полете делают такую схему размещения винтомоторной установки трудноосуществимой.

Большое влияние на схему самолета оказывает требование особого обзора из кабины летчика. Обзор из кабины должен позволять видеть горизонт и границы пилотажной зоны на земле при любом положении летчика в пространстве. Обычно эти требования удовлетворяются применением кабин с полным круговым обзором, включая обзор назад, и специальных остеклений в полу кабины, дающих возможность летчику видеть землю прямо под самолетом, либо видеть горизонт при нахождении самолета на вертикали. Остекление в полу кабины хорошо себя показало и может быть рекомендовано для акробатических самолетов везде, где это не сопряжено с большими конструктивными усложнениями и ослаблением конструкции.

На современных акробатических самолетах чаще используется свободнонесущее крыло и монопланная схема и реже схема одностоечного биплана. Подкосная конструкция крыла не получила распространения, хотя известны самолеты для прямого пилотажа и с такой схемой крыла. При выполнении фигур обратного пилотажа подкосы нижнего расположения, используемые в случае высокорасположенного крыла воспринимают значительные сжимающие нагрузки что приводит к возрастанию их массы и сечения. В случае низкорасположенного крыла в серхними подкосами масса их уселичивается еще больше, так как положительные перегрузки обычно больше отрицательных на несколько единиц. Таким образом подкосная схема представляется невыгодной для акробатического самолета, тем более, что самолет имеющий крыло такой схемы мало отвечает требованиям симметричности в прямом и перевернутом полете.

Для крыла акробатических самолетов характерен полный отказ от всех видов взлетно-посадочной механизации, что заметно упрощает и удешевляет конструкцию крыла.

Если среди схем крыла акробатических самолетов можно выделить некоторые наиболее типичные, то схемы оперения отличает большое разнообразие. Это и свободнонесущая схема, и подкосная, расчалочная и цельноповоротное горизонтальное оперение. Выбор той или иной схемы оперения зависит от общей конструктивно-технологической концепции, поэтому трудно выделить из них какие либо наиболее прогрессивные. Следует отметить, что реже встречается расчалочная схема, чаще свободнонесущая и подкосная. Не смотря на привлекательность цельноповоротного оперения в его применении наблюдается некоторая осторожность которую можно обьяснить трудностями доводки такого оперения по шарнирным моментам и сложностью обеспечения жесткости узлов его навески.

Наиболее типичной схемой шасси акробатического самолет является схема с хвостовой опорой. Имея наилучшие весовые и компоновочные характеристики она бесспорно лучше отвечает требованиям к шасси акробатического самолета. Отрицательные качества этой схемы, связанные в основном с неустойчивостью движания по земле, неудовлетворительными капотажными свойствами, склонностью к подскокам на посадке, недостаточным обзором из кабины при рулении и т п допустимы, так как акробатические самолеты пилотируются летчиками высшей квалификации, у которых преодоление перечисленных недостатков не вызывает затруднений.

При выборе схемы шасси важнейшим вопросом является вопрос о целесообразности применения убирающегося шасси. Все требования к акробатическому самолету склоняют конструкторов к применению неубирающегося шасси, которое и является типичным для спортивно-пилотажных самолетов.

Для уменьшения радиусов фигур в горизонтальной плоскости и для снижения потерь высоты привыполнении фигур в вертикальной плоскости необходимо понижать удельную нагрузку на крыло и повышать его несущую способность. При этом произвольному выбору данных параметров препятствуют соответствующие ограничения. Чрезмерное занижение удельной нагрузки на крыло приводит к неоправданному увеличению размеров и массы, а также к ухудшению аэродинамических характеристик, что отрицательно сказывается на пилотажных свойствах. Переразмеренному акробатическому самолету свойственны излишнее демпфирование и инерционность, что приводит к вялому выполнению фигур, ведет к ухудшению характеристик управляемости.

Таким образом удельная нагрузка на крыло акробатического самолета может быть выбрана в результате компромисса между пилотажными требованиями и соответствующими ограничениями и находиться в диапазоне 50 - 70 кг/м².

Что касается придания крылу необходимых несущих свойств, то здесь приходится разрешать противоречие между требованием иметь крыло с повышенными несущими характеристиками и требованием как можно более полной симметрии в прямом и перевернутом полете. Эта задача сводится к выбору профиля крыла. Следует заметить, что недостаток несущих свойств крыла с симметричными профилями может быть частично компенсирован либо занижением удельной нагрузки на крыло, либо применением системы непосредственного управления подьемной силой.

Величина радиусов фигур в горизонтальной и вертикальной плоскости в значительной степени зависит от энерговооруженности самолета. Чем больше скорость самолета на вираже, тем с большей перегрузкой и креном будет совершаться вираж и тем меньше будет его радиус. Такая же зависимость существует между скоростью и нормальной перегрузкой при вертикальном маневре. От энерговооруженности самолета зависит его скороподьемность. Достаточная скороподьемность также является одним из пилотажных требований, вытекающих из необходимости придать пилотажному комплексу компактный характер.

Энерговооруженность имеет ярко выраженную тенденцию к увеличению по мере совершенствования акробатических самолетов. Если первые самолеты имели энерговооруженность 0,2 - 0,25 кг/л. с., то более поздние модели 0,36 - 0,4 кг/л. с. и более. Однако следует иметь ввиду, что чрезмерное увеличение энерговооруженности, использование воздушных винтов с большими кинетическими моментами может привести к значительному возрастанию вредных гироскопических и реактивных моментов, действующих на самолет.

Пилотажные требования, обусловленные выполнением фигур пилотажа, у которых основную долю движения составляет вращение самолета вокруг его центра масс обьединяет то, что что все они определяют низкие значения моментов инерции самолета относительно соответствующих осей и вынуждают применять рули повышенной эффективности. Невыполнение этих требований приводит к тому, что пилотаж становится вялым, возрастает сложность пилотирования. Динамически плохо скомпонованный самолет с рулями, эффективно работающими во всем диапазоне рабочих скоростей лишен этих недостатков и обладает значительно большими пилотажными возможностями. Однако чрезмерное занижение моментов инерции акробатического самолета может сделать его неспособным выполнять плоский штопор. Чем меньше разнос масс по длине самолета, тем меньше будет значение центробежных сил, переводящих штопорящий самолет из крутого штопора в пологий а затем в плоский. При некоторых условиях самолет не сможет войти в плоский штопор вообще. Этому способствует также использование крыльев умеренных удлинений (6 - 7), которые дают малый раскручивающий момент при авторотации.

Решением может быть в применении более задних эксплуатационных центровок. Возникающее при задних центровках запаздывание на выводе из штопора может быть устранено применением рулей повышенной эффективности. Снижение зпапсов устойчивости является необходимым для акробатических самолетов и вытекает из того, что излишняя устойчивость исключает необходимую для акробатического пилотажа управляемость. Именно с связи с этим можно встретить самолеты с нейтральной устойчивостью и даже неустойчивые пилотажные самолеты.

Повышение эффективности рулей достигается увеличением их относительной площади (0,6 - 0,7 для рулей направления и 0,5 - 0,6 для рулей высоты) и увеличением углов отклонения (до 35 градусов). Сохранить эффективность рулей при таких больших углах отклонения удается при помощи затупленных задних кромок рулей.

по материалам:
А. А. Бадягин Ф. А. Мухамедов "Проектирование легких самолетов"