Змей воздушный (конструкция, виды, расчет, применение)

Воздушный змей

ЗМЕЙ ВОЗДУШНЫЙ, привязной летательный аппарат, поддерживаемый в воздухе давлением ветра на его поверхность, поставленную под некоторым углом к направлению движения ветра. Теория воздушного змея впервые была предложена Т. Буа (Th. Bois), разработавшим ее на основе формулы сопротивления воздуха, данной Ланглеем (Langley).

Равновесие воздушного змея обусловлено действием трех сил: силы тяжести змея - Р, силы давления ветра на поверхность воздушного змея - R и силы натяжения нити Т, привязанной к змею в некоторой его точке. Для равновесия змея необходимо, чтобы геометрическая сумма всех действующих сил равнялась нулю:

Zmey vozd 1

Геометрическая сумма двух первых сил дает силу тяги змея Т', которая в положении равновесия уравновешивается натяжением нити Т. Уравнение (2) определяет абсолютную величину тяги воздушного змея, а также силы натяжения нити:

Абсолютная величина тяги воздушного змея

Общая схема расположения сил представлена на фиг. 1, где АВ - поддерживающая поверхность змея и i - угол атаки, образованный поверхностью с направлением ветра.

Общая схема расположения сил действующих на воздушного змея

Сила тяжести Р и сила давления ветра R, приложенная в центре парусности с, дают равнодействующую Т' с направлением ОТ'. Для равновесия воздушного змея необходимо, чтобы равнодействующая Т' уравновешивалась натяжением нити Т.

Отсюда следует, что точка привязи нити должна находиться где-нибудь на направлении ОТ', например, в точке U. Точка привязи нити к змею называется узлом. На практике за узел U обычно принимают точку, лежащую за пределами конструктивных частей змея. В последнем случае прибегают к устройству т. н. уздечки. В двух или нескольких точках змея прикрепляют отдельные нити UA, UD,..., называемые путами; другие концы собраны в точке U в общий узел, к которому прикрепляется основная змейковая нить. Змей, привязанный в узле U, может вращаться около него, изменяя угол атаки i. Так как сила натяжения нити Т проходит всегда через узел U, то вращение змея обусловливается только влиянием моментов сил Р и R. Приравнивая сумму моментов этих сил относительно узла нулю, мы получим второе основное уравнение равновесия, определяющее угол атаки змея:

Zmey vozd 4

Так как сила Р постоянна по величине и направлению, а сила R по направлению зависит от угла атаки змея i, а по величине - от площади поддерживающей поверхности S и от скорости ветра v и, кроме того, от μ (коэффициент, равный отношению плотностей воздуха вверху и у поверхности земли, μ = ϱ/ϱ0),  то величина силы тяги Т' змея определится уравнением:

Сила тяги воздушного змея

где S - площадь в м2, v - скорость ветра в м/сек, а Кi - коэффициент полной силы, или

Zmey vozd 6

где δ = p/S; это отношение (вес, приходящийся на единицу поверхности змея) принято называть плотностью змея.

Приняв

Zmey vozd 7

получим:

Zmey vozd 8

Складываем векторы уравнения геометрически, по методу замкнутого треугольника, пользуясь для вектора Кi кривой Лилиенталя L данного змея (фиг. 2).

Zmey vozd 9

Предполагая направление ветра горизонтальным, вектор силы тяжести

Zmey vozd 10

будем откладывать вверх по вертикали Оу от полюса О. Проведя из полюса О произвольный вектор Кi, получим равнодействующий вектор t, пропорциональный по величине и направлению силе тяги данного змея при угле атаки in. Этот вектор

Zmey vozd 11

откуда сила тяги змея

Zmey vozd 12

Коэффициент t называется коэффициентом тяги или натяжения. Угол β этой тяги с горизонтом (фиг. 3) определяется или непосредственным измерением по чертежу или, более точно, по формуле:

Zmey vozd 13

где Ку и Кх - коэффициенты подъемной силы и лобового сопротивления (см. Аэродинамика). Касательная, проведенная из полюса О' к кривой L, дает наибольший угол β', возможный при данном значении р = δ/(μ·v2), причем в точке касания получим соответствующее этому случаю значение i3 (фиг. 4) угла атаки змея.

Zmey vozd 14

Проводя из полюса О' секущие, находим, что каждому направлению силы тяги соответствуют два различных угла атаки змея, причем большему углу атаки соответствует и больший коэффициент тяги и, следовательно, большее натяжение; углы атаки, меньшие значения i3, называются углами малых натяжений. Из рассмотрения фиг. 4 видно, что на угол тяги β, при i = Const, влияет величина р = δ/(μ·v2). Чем этот вектор меньше, тем угол β тяги получается больше. Отсюда следует, что при i = Const угол тяги тем больше, чем меньше плотность δ змея, чем больше скорость ветра и чем больше величина μ, т. е. чем ниже летает змей. Проведя из полюса О' горизонтальную секущую, найдем в точках пересечения этой секущей с кривой L углы атаки i1 и i5, соответствующие β = 0. Если мы имеем дело с некоторым определенным змеем у поверхности земли, то имеем δ = Const и μ = 1 = Const, и значение вектора р, таким образом, будет зависеть только от скорости ветра v. Следовательно, если змей привязан, то при данной скорости ветра и углах атаки i1 и i5 змей не может подняться выше лебедки.

Предельный ветер. Исследуя влияние величины вектора р = δ/(μ·v2) на значения предельных углов горизонтального натяжения, можно заметить, что при уменьшении скорости ветра v значения предельных углов сближаются между собой. Может случиться, что при некотором значении скорости ветра вектор р будет равен наибольшей ординате Y=Ку кривой L. В таком случае ни один вектор, проведенный из полюса О' к кривой L, не даст в этом случае для угла натяжения β значения, большего 0° (фиг. 5). Это показывает, что для каждой данной конструкции воздушного змея и данного значения δ (при μ = 1) существует такая определенная минимальная скорость ветра vmin так называемый предельный ветер, при котором ни при каком угле атаки змей не может подняться от земли. Для возможности его взлета (при μ = 1) д. б. удовлетворено условие: (δ/v2)<Y; отсюда для скорости ветра получим условие:

Zmey vozd 15

Таким образом, предельный ветер

Zmey vozd 16

Отсюда видно, что змеи различных конструкций, но одинаковой плотности могут иметь одно и то же значение для предельного ветра, если наибольшие ординаты кривых L будут одинаковы. Для большинства воздушных змеев плотность δ колеблется между 0,5 и 1,5, a Y = 0,05—0,08.

Конструкция воздушных змеев. Каждый воздушный змей состоит из поддерживающей поверхности, привязного каната (или нити), уздечки, служащей для прикрепления каната к змею, и органов устойчивости. Привязным канатом, наматываемым на катушку или особую лебедку, могут служить обыкновенная пеньковая веревка (для небольших змеев), стальная проволока или стальной трос. В приведенной ниже таблице указаны вес и прочность на разрыв пеньковых веревок и стальных тросов различного диаметра, применяемых для привязывания воздушных змеев.

Вес и прочность на разрыв пеньковых веревок и стальных тросов

Уздечка состоит из двух или более тонких канатов, на которые разветвляется конец главного каната (леер), что способствует сохранению устойчивости, т. к. точка пересечения продолжения каната с плоскостью змея (т. н. теоретическая точка укрепления змея) получает в этом случае возможность перемещаться при различных наклонах плоскости.

По устройству поддерживающей поверхности воздушные змеи могут быть подразделены на одноплоскостные, многоплоскостные и составные. Простейшим видом одноплоскостных воздушных змеев являются распространенные в СССР змеи, состоящие из материи или бумаги, в виде прямоугольной плоскости, натянутой на крестообразный каркас; к двум углам нижнего края для сохранения продольной устойчивости прикреплен хвост (фиг. 6).

К двум углам нижнего края воздушного змея для сохранения продольной устойчивости прикреплен хвост

Французский змей (фиг. 7) имеет грушевидную или ромбическую форму.

Французский змей

Для увеличения поперечной устойчивости на воздушный змей устанавливают килевые плоскости, параллельные плоскости леера, а несущую поверхность делают выпуклой или в виде широко раскрытого двугранного угла; такие змеи известны под названием «малайских змеев» (фиг. 8).

Малайский змей

Кроме этих мер, для увеличения устойчивости воздушного змея, в плоскости змея устраивают иногда окна (отверстия) для уменьшения в нужных частях напора ветра (фиг. 9 – воздушный змей системы Ольховского).

Воздушный змей системы Ольховского

Для той же цели в некоторых случаях устраивают эластичную уздечку путем включения в нижнюю ветвь ее резинового кольца. Многоплоскостные воздушные змеи - этажерочные, коробчатые и ячеечные. Примером этажерочного типа может служить змей Лекорню, состоящий из ряда плоскостей, расположенных одна над другой и соединенных между собой боковыми вертикальными плоскостями. Большое распространение в СССР и за границей имеет коробчатый змей Гарграва (фиг. 10).

Коробчатый змей Гарграва

Он состоит из двух отдельных коробок без дна, находящихся на общем бруске и расположенных на некотором расстоянии одна от другой. Благодаря хорошей устойчивости коробчатый змей весьма часто применяется при метеорологических и аэрологических измерениях. Ячейковый змей представляет собой плоскости, разбитые на отдельные элементы, благодаря чему подъемная сила увеличивается не за счет увеличения размеров несущей поверхности, а за счет увеличения числа ячеек. Из таких змеев известна конструкция Лекорню и Грахама Белля. Змей Грахама Белля состоит из отдельных элементов, имеющих вид тетраэдра. Четыре таких элемента, соединенных по углам, образуют более сложный тетраэдр, который в свою очередь может служить элементом для составления еще большего тетраэдра (фиг. 11).

Змей Грахама Белля

Составные, или групповые, воздушные змеи представляют собой группу змеев, соединенных между собой в одну гибкую систему.

Применение воздушных змеев. Кроме спорта, воздушные змеи применяются: на метеорологических станциях для исследования высоких слоев атмосферы (до 7000 и даже 10000 метров) при помощи поднятых на змеях самозаписывающих приборов; для производства фотографических съемок местности, для сигнализации, для установки антенны беспроволочной связи и, наконец, для совершения подъемов с целью наблюдения. В последнем случае в змеях устраивают органы управления для изменения угла наклона поддерживающих поверхностей, чем достигается изменение высоты подъема. Таким органом служит вспомогательный леер, прикрепляемый к нижнему краю поддерживающей поверхности. Обычно для подъемов с целью наблюдения пользуются групповым воздушным змеем.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 8 - 1929 г.