ПЛАСТИКОВЫЙ ПЛАНЕР ДЛЯ СНГОсновными летными характеристиками спортивных планеров являются скорость снижения Vy, скорость горизонтального полета Vx при максимальном аэродинамическом качестве, а также аэродинамическое качество К, которое можно выразить как отношение этих скоростей:  Летные характеристики находятся в непосредственной зависимости от основных параметров планера, а именно: взлетной массы G, несущей поверхности крыла S, его удлинения В исследованиях немецких ученых показано, что стоимость всех затрат с целью увеличения аэродинамического качества планера на единицу превышает 1000 марок ФРГ. Поэтому указанные затраты имеет смысл анализировать с учетом расходов как на эксплуатацию планера, так и на его производство. В настоящее время аэродинамическое качество планеров-парителей достигает 55 при скорости полета 125 км/час (Nimbus - 3), появились планеры с аэродинамическим качеством 59 и 61! Следовательно, за пятидесятилетний период произошло двукратное увеличение К. Рассмотрим изменение основных параметров спортивных планеров и возможные их значения для планеров ближайшего будущего. Еще в 1930 г. известный немецкий авиаконструктор А.Липпиш дал удобное для анализа выражение зависимости вертикальной скорости планера Vy от его основных параметров:  гдеВеличину  А.Липпиш предложил называть нагрузкой на квадрат размаха и полагал, что в среднем она может быть принята равной 1 кг/кв.м.
При проектировании планера-парителя с целью улучшения его летных характеристик добиваются уменьшения скорости его снижения, что может быть достигнуто оптимизацией размаха, массы пустого планера и удлинения крыла. Снижение индуктивного сопротивления достигается увеличением размаха, а значит - уменьшением нагрузки на квадрат размаха Если проанализировать изменение за полвека основных параметров планеров, обладающих лучшими летными характеристиками (см. табл.), то можно сделать следующие выводы: - взлетная масса планеров-парителей увеличилась в 3...3,5 раза; - масса конструкции первых планеров-парителей высокого класса составляла 68...75% взлетной, а в настоящее время она снизилась до 50...70%. Практически все современные планеры-парители как стандартного (размах крыла до 15 м), так и открытого класса (с неограниченным размахом) оснащены системой водобалласта с целью увеличения нагрузки на крыло, чем достигается увеличение горизонтальной скорости полета на максимальном аэродинамическом качестве. Масса воды в системе водобалласта составляет от 100 до 310 кг (Nimbus - 3). Масса конструкции планера увеличилась почти в 2 раза, то есть планер при тех же геометрических параметрах увеличил в два раза свою материалоемкость. Если довоенные планеры, а также планеры 50-х годов были в основном цельнодеревянные, то в шестидесятые годы успешно эксплуатировали планеры металлической конструкции (А-11, А-15, КАИ-19 и т.п.). Затем на смену металлическим пришли планеры смешанной конструкции (дерево + пластик, металл + пластик) и, наконец, появившиеся в 70-е годы стеклопластиковые планеры сейчас составляют основу спортивного планерного парка. Следует заметить, что стоимость современного стеклопластикового планера возросла в 10...15 раз по сравнению с планером деревянной конструкции. Это объясняется увеличением объема технологической оснастки, ее высокой стоимостью, а также высокой стоимостью полимерных смол и армирующих материалов (стекло- углеволокна). Анализируя данные таблицы, можно сделать следующее заключение. Площадь крыла рассматриваемых планеров оставалась в пределах 10...22 кв.м, но, так как взлетная масса увеличилась и стали широко применять водобалласт, нагрузка на крыло возросла с 20 кг/кв.м до 30...50 кг/кв.м (последние значения соответствуют нагрузке с водобалластом). Размах крыла планеров стандартного класса ограничен 15 м, а в открытом классе он стабилизировался на уровне 20...24 м (иногда достигает 29 м, как у SB-10). Нагрузка на квадрат размаха Скорость снижения Vy у лучших современных планеров составляет 0,41...0,45 м/с и за 50 лет она уменьшилась примерно на 30%. Скорость горизонтального полета Vx при максимальном аэродинамическом качестве возросла с 64...70 км/час до 125 км/час, то есть почти вдвое. Удлинения крыла планеров стандартного класса на превышает 24, открытого класса - в пределах 28...33 (наибольшее - 37,2 у ASW-22 и SB-10). Увеличение удлинения при неизменной площади приводит, как известно, к увеличению массы крыла и, в то же время, к снижению индуктивного сопротивления. Оптимальное удлинение крыла современного планера, казалось бы, определить несложно, ограничения по массе крыла легко реализуемы (оно даже загружается балластом, причем всего на 2...5% объема), причем топливо, в отличие от самолетного крыла, отсутствует и, тем не менее, при удлинениях более 30 возникают трудности не столько в обеспечении прочности, сколько в обеспечении жесткости крыла, особенно стеклопластиковой конструкции. Анализ статистических данных показывает, что большое удлинение не всегда соответствует высокому аэродинамическому качеству. Например, у планера УН-5 при Применение модифицированного профиля и изменение формы крыла в плане планера Nimbus 2 позволили при сохранении удлинения увеличить аэродинамическое качество на три единицы. Следовательно, удлинение крыла должно соответствовать аэродинамическому совершенству планера, его общему техническому уровню (технологии, современным материалам, новым конструктивным решениям и т.д.). В выражении (1) назовем Тогда  
Подставляя значения Vy,
Введем в выражение (2) среднестатистические данные для планеров открытого класса: Такой планер будет иметь аэродинамическое качество 43...45 при скорости 115...125 км/час. Указанные летные характеристики могут быть обеспечены следующими основными параметрами: G = 200 кг,
Как известно из литературы, планерам с размахом крыла 13 м и 17 м соответствовали следующие стоимости: 13, 18 и 24 тыс. марок ФРГ (в ценах 1968 г.). Планеры класса стандарт Ventus ASW-20 стоили 25 и 16 тыс. долларов соответственно. Планер открытого класса Nimbus-3 стоит 100 тыс. марок ФРГ (около 43 000 долларов). Стоимость технологической оснастки для серийного производства стеклопластикового планера ASW-20 равна 600000 долларов. Следовательно, стоимость планера составляет 2,7% от стоимости техоснастки для его серийного производства. На основании указанных данных можно сказать, что стоимость стеклопластикового планера с размахом крыла 12 м не менее, чем в четыре раза ниже стоимости планера с размахом крыла 24 м и она не превысит 20 тыс. долларов, причем стоимость технологической оснастки составит примерно 290 тыс. долларов, то есть сократится примерно в 2 раза. О стоимости планера металлической конструкции с размахом 11 м можно судить по данным фирмы Mannett, которая продает планер Monerаi S (Рис.2) в наборе деталей с комплектом чертежей за 3200 долларов. Необходимо отметить, что стоимость полимерных смол, армирующих материалов (стекло-углеволокна) и наполнителя (пенопласт, бальза и т.д.) в совокупности составляют около 15...20 долларов за 1 кг. конструкции. Следовательно, стоимость материалов для изготовления рассматриваемого планера по предлагаемому проекту составит около 1600 долларов, то есть в четыре раза меньше, чем для существующих планеров открытого класса. Эффект от уменьшения массы планера, полученный благодаря оптимизации конструкции, может быть выражен, кроме того, через экономию на производство материалов. Если бы рассматриваемый планер был изготовлен из алюминиевых сплавов, то стоимость материалов была бы около 240 долларов, а экономия массы металла составила 0,25 т. Но известно, что при производстве 1 тонны алюминиевых сплавов расходуется примерно 6 т условного топлива с теплотворной способностью 11.000 ккал/кг. Таким образом, экономия составила бы 1,2 т условного топлива. Следует заметить, что производство стеклотканей полимерных смол и углеволокна также является очень энергоемким технологическим процессом, следовательно, экономия условного топлива при производстве стеклопластикового планера будет того же порядка. Предложенный планер имеет крыло неразъемной конструкции и транспортируется в легком контейнере длиной 12,2 м. Сборка планера осуществляется одним человеком за 3...5 мин. (для сравнения, например, планер Nimbus 2С к полету готовят 3 человека за 10 мин.). Стык расположен на хвостовой балке, что обеспечивает легкость конструкции и простоту сборки. Хранение собранных планеров в ангаре также упрощается, так как их перемещение (масса 80 кг) не вызывает трудностей, а малый размах позволит рационально использовать площадь ангара. По тем же причинам упрощается буксировка планеров на старт. Наиболее наглядно преимущества оптимизированного парителя выявляются при рассмотрении способов его взлета, особенно в варианте мотопланера. В настоящее время взлет планеров осуществляется, в основном, с помощью самолета PZL-104 Vilga, имеющего расход топлива 39...42 кг/час. Следовательно, только стоимость ГСМ на один летный час составляет около 12 долларов, а стоимость летного часа в три раза превышает указанную сумму. Одним из вариантов снижения стоимости эксплуатации планеров является отказ от самолетов- буксировщиков и обеспечение автономного взлета планеров. Для этого на планер устанавливают легкий поршневой (N = 25...40 квт) или реактивный двигатель (Р = 360...800Н). Мотопланеры в последние годы получили широкое распространение, например, ЛАК-6 "Няманус" (СССР), Ogar-2 (ПНР), Sirius (ФРГ), Pik-20Е (Финляндия). При взлетной массе мотопланеров 360...700 кг для обеспечения во время взлета вертикальной скорости Vy = 1,5 м/с требуется мощность не менее 25...30 квт, что объясняется применением воздушных винтов малого диаметра, которые в парящем полете убираются внутрь вместе с двигателем. Масса ВМГ мотопланеров находится в пределах 40...90 кг, а расход топлива для ПД составляет 18...35 кг/час, так как, в основном, применяются двухтактные двигатели с большим удельным расходом топлива (0,5 кг/л.с.ч.). Как показывает статистика, планер Monerais (рис.2) в варианте мотопланера успешно летает с ПД Crysler 7,4 квт благодаря небольшой взлетной массе (200 кг) и среднему аэродинамическому качеству - 28. Другой пример, планер Soldir 1, выполненный на базе планера Canard 2FL, имеет взлетную массу 200 кг при массе конструкции 120 кг и аэродинамическое качество в варианте мотопланера 26 (дополнительный пилон, винт не убирается). Электродвигатель Karl Friedel = 2,2 квт, обеспечивает максимальную тягу винта 206 Н (21 кг). Полет осуществляется с помощью солнечных батарей, установленных на крыле и стабилизаторе или с использованием бортового аккумулятора, напряжением 12 В и емкостью 4 Ач. Если принять, что рассматриваемый оптимизированный планер при взлетной массе 200 кг будет иметь аэродинамическое качество около 45, то для автономного взлета ему потребуется мощность 5 квт. Что определяется, в основном, необходимой тягой для преодоления трения качения колеса по летному полю в начале разбега, которая должна быть не менее 250Н. Для обеспечения Vy = 1,5 м/с потребная мощность составляет менее 4 квт. Серийный поршневой двигатель МП-5,5 развивает указанную мощность и ВМГ на базе этого двигателя имеет массу 10 кг (масса двигателя 6 кг), при расходе топлива 3,5 кг в час. Следовательно, обеспечивается в среднем восьмикратная экономия топлива, то есть значительно снижаются эксплуатационные расходы и уменьшается загрязнение окружающей среды. В случае применения электродвигателя можно получить экологически чистый мотопланер. Электродвигатель мощностью 5 квт может иметь массу 8...10 кг и работать от бортового аккумулятора, например, 12-А-30. (напряжение - 25 В, емкость - 30..., ток 2-минутного разряда 210 В, масса 21,5 кг). Таким образом, обеспечивается двухминутный взлетный режим и многократное включение электродвигателя в полете. Наглядным примером, подтверждающим приведенные в статье рассуждения, является американский планер стандартного класса Genesis-I (рис. 3), который продается в "кит"-наборах.
Комплексный подход в оптимизации конструкции планера от проектирования до производства обеспечивает конкурентоспособность продукции фирмы на стабилизировавшемся рынке летательных аппаратов данного класса.
Ю.В.Макаров (Москва) |
и удельной нагрузки на площадь крыла p = G/S.
- размах крыла;
- угол планирования;
- 0,125 кв.кгс/м 4 - массовая плотность воздуха на высоте Н=0.
при более медленном росте другого - 
, то есть для планера оказываются более выгодными большие размахи, поскольку с ростом размаха качество растет до тех пор, пока снижение индуктивного сопротивления не превысят профильное сопротивление и сопротивление трения крыла.
- коэффициентом оптимальности параметров.
будет отражать только их аэродинамическое совершенство. Это характерно для планеров стандартного класса, где размах ограничен:
.
Коэффициент оптимальности параметров в тридцатые годы составлял величины 0,021...0,029, у лучших современных планеров открытого класса он равен 0,011...0,014, а у планеров класса "стандарт" - 0,014...0,016.
, тогда получим Vy = 0,442 м/с.
Промышленный выпуск планера с указанными основными параметрами, летные характеристики которого соответствуют открытому классу, обеспечит следующий экономический эффект.
Минипланер Genesis-I конструкции Вебера Хайнца показывает реальность этого направления в процессе проектирования и производства планеров с применением новых материалов и использованием современных высоких технологий.
