CC BY
184
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Эксплуатация воздушного транспорта и ремонт авиационной техники.
Безопасность полетов
УДК 629.62.19:351.814.2
ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕЛЬТАЛЕТОВ И ДИНАМИКА ИХ РАЗВИТИЯ
И.В. НИКИТИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Ципенко В.Г.
В статье дан анализ развития дельталетов и динамики изменения их основных характеристик
Дельталет - моторный дельтаплан, взлет и посадка которого производится с использованием колесного, лыжного, поплавкового или другого шасси, а управление осуществляется балансирным способом; является представителем одного из наиболее многочисленных классов сверхлегких летательных аппаратов.
Основными характеристиками дельталетов, от которых зависят их потребительские свойства, являются скорость, грузоподъемность, дальность и продолжительность полета. Наряду с этими показателями существенную роль играют, в зависимости от назначения аппарата, длина разбега и пробега, вертикальная скорость набора высоты и снижения, потолок, маневренность. Полная характеристика летательного аппарата с точки зрения его потребительских свойств может быть дана при помощи набора критериев с учетом отдельных свойств и важнейших особенностей. Для дельталета это, прежде всего, простота конструкции и эксплуатации, невысокая стоимость, возможность выполнения полетов с неподготовленных площадок, быстрота сборки и разборки, возможность транспортировки любым видом транспорта, вплоть до мотоцикла и другие. Критерии оценки совершенства летательного аппарата бывают общие: функциональная эффективность, производительность, экономичность и частные, например, весовая отдача, аэродинамическое качество, коэффициент полезного действия воздушного винта, удельный расход топлива и т.д. Выбор основных критериев оценки ЛА является важной и сложной задачей. От этого зависит выбор направлений и методов совершенствования ЛА, сферы практического использования и перспективы их развития. Проанализировав изменение характеристик дельталетов во времени, можно оценить тенденции их развития. На рис.1-4 представлена динамика изменения основных характеристик дельталетов, полученная на основе анализа статистических данных различных типов аппаратов, поступавших в эксплуатацию в рассматриваемый период времени [1, 2]. На рис.1 показано изменение характерных скоростей полета дельталетов: максимальной, минимальной и крейсерской.
Максимальная скорость VMax - это наибольшая установившаяся скорость горизонтального полета. Особенностью дельталетов большинства типов и схем является то, что их максимальная скорость определяется не мощностью двигателя, а возможностью сбалансировать аппарат в горизонтальном полете, т.е. парировать кабрирующий момент, возникающий при увеличении скорости.
Динамика изменения максимальной скорости оценивалась на основе самых высоких ее значений, показанных отдельными типами дельталетов, разработчики которых ставили задачу достижения высокого значения максимальной скорости наиболее приоритетной. Таким образом, кривая изменения максимальной скорости является граничной кривой. Из данных, представленных на рис. 1, видно, что максимальная скорость дельталетов постоянно увеличивалась с 55-60 км/ч в 1976 году до 80-90 км/ч в 1985 году. На рубеже 1984-1986 годов происходит резкий скачок в максимальной скорости. В 1984 году дельталет "Pegasus XL" английской фирмы "Solar Wing" показал максимальную скорость свыше 100 км/ч. Французский дельталет фир-
мы "Sinargi" в 1985 году достиг скорости 125 км/ч, а в 1986 году "Racer Х12" (фирма "Air Creation") и "Hermes" (фирма "Cosmos") летали уже со скоростью 130 км/ч, приличной даже для легких самолетов.
1980 1985 1990 1995 2000 2005 годы
Рис. 1. Динамика изменения характерных скоростей полета дельталетов
Причем некоторые из них могут по условиям прочности выдерживать скорость при пикировании до 160-180 км/ч, что позволяет выполнять фигуры высшего пилотажа. В 2004 году дельталет "Power Cruiser" западно-германской фирмы "XX-Style Water & Aircraft Development Gmbh" показал максимальную скорость 160 км/ч, а в 2005 году дельталет "Pegasus Quick 912S Executive 2" фирмы "P&M Aviation" Великобритания с мотором мощностью 100 л.с., имеющий крыло с площадью всего 10,6 м2, показал рекордную максимальную скорость 168 км/ч. Тем не менее, разумный предел увеличения максимальной скорости дельталетов в последние годы оценивается цифрой 150 км/ч. Дальнейший ее рост требует неоправданного усложнения, утяжеления конструкции, закрытой кабины для защиты пилота от набегающего потока и т.п., что приводит к ухудшению других положительных качеств дельталета. Следует иметь в виду, что и в середине 90-х годов, и в настоящее время на эксплуатацию поступали и поступают различные типы дельталетов, имеющих максимальную скорость, не превышающую 85-90 км/ч. Подобные дельталеты успешно используются для обучения, буксировки дельтапланов, авиахимических работ, полетов на поплавках и т. п.
Крейсерская скорость VKp соответствует балансировочной скорости, при которой продольное усилие на рулевой трапеции равно нулю и, как правило, соответствует наибольшей дальности полета.
Величина крейсерской скорости составляет 0,6-0,9 от максимальной скорости. Динамика увеличения крейсерской скорости повторяет динамику максимальной, но кривая имеет более плавный характер. Вероятнее всего крейсерская скорость дельталетов и в ближайшие годы будет находиться в пределах 70-100 км/ч, так как выполнение продолжительного полета на более высокой скорости приводит к длительному воздействию на экипаж скоростного напора воздушного потока и значительному увеличению расхода топлива.
Минимальная скорость VMUH - это наименьшая установившаяся скорость горизонтального полета. Минимальная скорость определяется, как правило, удельной нагрузкой на крыло.
В конце 70-х - начале 80-х годов дельталеты имели небольшую нагрузку на крыло и минимальную скорость от 40 км/ч до 50 км/ч. С увеличением нагрузки на крыло росла и минимальная скорость, приближаясь к установленному ограничению 65 км/ч. Следует отметить, что дельталет "Pegasus Quick 912S Executive 2" при максимальной взлетной массе 475 кг имеет минимальную скорость 72 км/ч и уже не удовлетворяет установленному для СЛА ограничению для минимальной скорости 65 км/ч. Поэтому для него максимальная взлетная масса ограничена величиной 409 кг.
На рис. 2 представлены данные, характеризующие изменение массовых характеристик дельталетов. В конце семидесятых годов взлетная масса дельталетов не превышала 200 кг. В настоящее время есть экземпляры дельталетов, имеющие взлетную массу т0 около 500 кг. Это, прежде всего, дельталеты, на которых в качестве силовой установки используются автомобильные двигатели. Полезная нагрузка тпн. определяется для дельталета как сумма массы пилота, пассажира и перевозимого груза, химикатов для сельскохозяйственного аппарата и т.д. С 1978г. по настоящее время полезная нагрузка дельталетов возросла более чем в три раза. Своеобразный рекорд практической грузоподъемности принадлежит французскому дельталету (фирма "Eim") "Epsilon Plus". Он способен перевозить 280 кг с крейсерской скоростью 80 км/ч на расстояние свыше 200 км. Взлетная масса аппарата составляет 473 кг. Это, очевидно, и есть предел возможности для данного класса летательных аппаратов. Большинство же двухместных дельталетов универсального назначения имеют грузоподъемность около 200 кг.
Масса их конструкции также значительно выросла. Если первые образцы дельталетов имели массу конструкции, не превышающую 100 кг, то сегодня масса конструкции некоторых образцов достигает 220-250 кг. Увеличение массы конструкции обусловлено как увеличением массы полезной нагрузки, так и появлением дополнительного оборудования дельталетов.
Важнейшими факторами, определяющими весовое совершенство дельталетов, являются весовая отдача - отношение массы полезной нагрузки к взлетной массе ЛА
т пн = •
т0
и относительная масса конструкции - отношение массы конструкции тКН к взлетной массе ЛА
т = т кн
т КН = •
т0
Из данных на рис. 2 видно, что показатели весового совершенства дельталетов за истекший период несколько улучшились. Весовая отдача нагрузке возросла с 0,42 до 0,54 за рассматриваемый отрезок времени. В то же время относительная масса конструкции увеличилась с 0,4 до 0,5. Для сравнения можно указать, что по этим показателям дельталеты существенно превосходят легкие самолеты и вертолеты, весовая отдача которых не превышает 0,3. Рост скоростных и улучшение маневренных характеристик дельталетов объясняется также увеличением энерговооруженности
N = N0
^у0
т0
и удельной нагрузки на крыло
т0
Р =
Б .
Удельная нагрузка на крыло (рис. 3) увеличилась с 11-14 кг/м2 в 1978 году до 40 кг/м2 в 2005 году. Вероятнее всего, 40 кг/м2 - это уже предел увеличения нагрузки на крыло для дельталетов и в будущем она редко будет превышать 30-35 кг/м2. Энерговооруженность дельталетов за рассматриваемый период увеличилась в среднем с 0,11-0,12 л.с./кг до 0,14-0,25 л.с./кг.
1980 1935 1990 1995 2000 2005 _
гооь/
Рис. 2. Тенденции изменения массовых характеристик дельталетов
Улучшение основных летных характеристик дельталетов было достигнуто не только за счет увеличения мощности двигателя, хотя этот параметр также заметно вырос: с 18-20 л.с. в начале 80-х годов до 40-50 л.с. в 1988 году и уже до 100 л.с. в конце 90-х, но и за счет увеличения аэродинамического качества. Аэродинамическое качество современных дельталетов достигает 9-10, что соизмеримо с легкими и сверхлегкими самолетами.
1980 1985 1990 1995 2000 2005
Рис. 3. Динамика изменения нагрузки на крыло и энерговооруженности дельталетов
Потолок Н - максимальная высота над уровнем моря, на которой летательный аппарат может совершать установившийся горизонтальный полет, не является для дельталета важной характеристикой. Тем не менее, энерговооруженность и аэродинамические характеристики позволяют ему подняться на высоту нескольких тысяч метров. Так, например, 18 сентября 1994 года француз Серж Зен на дельталете фирмы "Air Creation" достиг высоты 9720 м. Однако с практической точки зрения высотные полеты, за редким исключением, не являются рабочей средой для дельталетов.
Дальность L - расстояние, которое может пролететь дельталет в горизонтальном полете, определяется запасом топлива. Обычно запас топлива составляет от 20 до 50 л, что обеспечивает дальность полета 150-400 км. Рекорд дальности полета составляет 811,65 км. Его установила
француженка Патриция Теллевресс в 1987 году на дельталете "Racer XI2" фирмы "Air Creation". C практической точки зрения, рациональная дальность полета ограничивается расстоянием 200-300 км, что соответствует продолжительности полета 3-4 часа. Это связано, прежде всего, с относительно невысоким уровнем комфорта для экипажа, а также с величиной рационального бортового запаса топлива. Иными словами, на дельталете выгоднее взять на борт больше полезного груза и совершить промежуточную посадку для дозаправки, чем с малой нагрузкой совершать беспосадочные перелеты.
Для интегральной оценки дельталета как летательного аппарата и сравнения его с другими типами воспользуемся коэффициентом сравнительной оценки, предложенным британским ученым Россом [3]:
m N - N V - V
F п. н • . ов __Г. П. ^ mam _mm
m N V ’
„ 1У де v max
где F - коэффициент Росса для сравнительной оценки ЛА; тпн. - масса полезной нагрузки, кг; т0 - взлетная масса, кг;
Nde - максимальная мощность на валу двигателя, л.с;
Nr.n. - мощность, потребная для выполнения горизонтального полета, л.с.;
Vmax - максимальная скорость, км/ч;
Утт - минимальная скорость, км/ч.
Коэффициент показывает, в каком соотношении находится рассматриваемый летательный аппарат с идеальным, у которого:
— полезная нагрузка равна взлетной массе;
— вся имеющаяся мощность расходуется на набор высоты;
— который может летать как вертолет, т.е. осуществлять вертикальный взлет и посадку. Возрастание технического уровня дельталетов иллюстрируется данными, приведенными
на рис. 4. Значение коэффициента Росса у современных дельталетов колеблется в пределах 0,1-0,2. Максимальное значение - 0,21 у дельталета "Pegasus Quick 912S Executive 2".
f=
1980 1983 1990 1995 2000 2005
Рис. 4. Изменение коэффициента сравнительной оценки дельталетов
По этому показателю дельталеты имеют некоторое преимущество перед легкими самолетами и вертолетами. Например, у самолета Ан-2 этот коэффициент составляет 0,07, а у вертолета Ка-26 -0,125.
Проведенный анализ показывает, что по некоторым своим характеристикам дельталеты могут быть конкурентоспособными с легкими самолетами и вертолетами, а по отдельным показателям - весовой отдаче, сравнительному коэффициенту совершенства даже превосходят их.
Перечисленные свойства и характеристики дельталетов создают реальные предпосылки для широкого прикладного применения этих летательных аппаратов в различных сферах человеческой деятельности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Клименко А.П., Никитин И.В. Мотодельтапланы: Проектирование и теория полета.- М.: Патриот, 1992.2. Flugel der Welt-der Index 2001-2006, Deutsche Ausgabe.
3. Дональд Р. Кроффорд. Практическое руководство по расчету характеристик и проектированию ЛА. - Англия, 1979.
GENERAL PROPERTIES OF MOTOR-POWERED DELTA-GLIDERS AND DYNAMICS OF THEIR
DEVELOPMENT
Nikitin I.V.
The article gives the analysis of the motor powered delta-gliders and of the dynamics of their general properties
Сведения об авторе
Никитин Игорь Валентинович, 1953 г.р., окончил МИИГА (1979), кандидат технических наук, ведущий научный сотрудник МГТУ ГА, начальник СКБ МГТУ ГА, автор свыше 80 научных работ, область научных интересов - сверхлегкая авиация, проектирование и конструкция, область и эффективность применения сверхлегких воздушных судов, аэродинамика и динамика полета, методы испытаний.
