УЧЕБНЫЙ ПРИБОР ДЛЯ ДЕМОНСТРАЦИИ ЦЕНТРОВОЧНЫХ СВОЙСТВ ВОЗДУШНОГО СУДНА

Полезная модель относится к учебным пособиям по аэродинамике, физике, теоретической и прикладной механике, в частности учебным моделям для демонстрации центровочных свойств воздушного судна, и может быть использована в высших и средних учебных заведениях технического профиля при обучении управлению воздушными летательными аппаратами в процессе лекционных, практических и лабораторных занятий.
Известен учебный прибор для изучения законов вращательного движения твердого тела - маятник Обербека, который содержит основание, вертикальную стойку, в верхней части которой на неподвижную горизонтальную ось, закрепленную в подшипниках, насажена втулка с крестовиной из четырех спиц с грузами и два шкива, которые могут свободно вращаться [Маятник Обербека: Методические указания к выполнению лабораторной работы М-09а по курсу общей физики / сост. Н.С. Кравченко, Н.И. Гаврилина; Национальный исследовательский Томский политехнический университет. - Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. - 8 с.].
Недостатком данного прибора является то, что момент инерции можно изменять, перемещая грузы вдоль спиц и изменяя моменты сил, которые приводят к нарушению центровки подвижной части системы и вращательному движению только в вертикальной плоскости, и исключает возможность демонстрации вращательного движения в горизонтальной плоскости. Установка травмоопасна для обучаемых при плохо закрепленных грузах.
Известен учебный прибор для определения моментов инерции тел правильной формы методом крутильных колебаний, состоящий из основания, штатива с торсионной пружиной, горизонтальной штанги с грузами, массивных тел, которые помещаются на пружину. Крутильный маятник приводится в движение вручную [Методические рекомендации к выполнению лабораторных работ по механике. - Казань, Казанский федеральный университет. - 2014. - С. 58-61].
Основными недостатками является невозможность измерений моментов сил, использование твердых тел правильной формы и вращательное движение в горизонтальной плоскости.
Известен станок для изучения динамической балансировки роторов, содержащий станину, к которой на четырех стальных стержнях крепится маятниковая рама с помещенным в ее подшипники ротором, имеющим возможность совершать колебательное движение вокруг оси в вертикальной плоскости, и передвигающимся вдоль рамы динамометром, дающим возможность измерять давление рамы на упор [патент СССР №394350, МПК G01M 1/16, 1949].
Недостатками данного учебного прибора является сложность устройства, необходимость использования электропривода, малая наглядность исследуемых процессов, большие массогабаритные характеристики.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемой полезной модели является учебный прибор - маятник Уилберфорса, состоящий из стойки с платформой, к которой с помощью пружины подвешен цилиндр, связанный со спицей, по которой перемещаются грузики. При этом изменяются моменты сил, и система может совершать продольные и крутильные колебания [Куколева А.А., Новиков С.М. Физика. Пособие по выполнению лабораторной работы М-12. Изучение динамики твердого тела на установке «Маятник Уилберфорса». - М.: МГТУ ГА, 2008. - 11 с.].
К причинам, препятствующим достижению указанного ниже технического результата при использовании устройства, принятого за прототип, относится невозможность непосредственного измерения моментов сил при крутильных колебаниях с помощью динамометра, невозможность обеспечить только продольные или только крутильные колебания, так как в системе происходят связанные колебания, необходимость ручного запуска системы для наблюдения колебаний. Установка не обладает достаточной наглядностью для демонстрации центровочных свойств системы, возникновения разбалансировки при наличии нескомпенсированных моментов сил и вращательного движения, а не колебательного движения.
Технической проблемой полезной модели является создание учебного прибора в виде модели воздушного судна для демонстрации статической и динамической устойчивости, центровочных свойств, изучения условий возникновения крена и тангажа при нарушении центровки, количественного измерения моментов сил, что приведет обучаемых к пониманию физических явлений, формированию правильных профессиональных навыков.
Техническим результатом полезной модели является упрощение конструкции прибора, возможность проведения физического моделирования и получения количественных показателей центровочных свойств воздушного судна, безопасность, удобство в эксплуатации, достижение дидактических целей через наглядность изучаемых физических явлений и их влияние на летно-технические свойства воздушного судна.
Указанный технический результат достигается тем, что учебный прибор для демонстрации центровочных свойств воздушного судна, содержит основание, тарированные грузы. Особенностью является то, что он содержит модель самолета, установленную на шаровом шарнире, вкрученном в вертикальную стойку с фиксирующим болтом и шайбой, обеспечивающем три степени свободы для исследуемой модели при нарушении центровки, направляющие на крыле и фюзеляже модели самолета для перемещения тарированных грузов, два рычага L-образной формы, которые закреплены фиксаторами на подвижной части шарового шарнира для передачи усилий при нарушении центровки и возникновении вращающего момента вокруг продольной и поперечной осей фюзеляжа модели самолета на тензометрические датчики, преобразования в электрический сигнал и передачи на внешние регистрирующие устройства.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлен чертеж учебного прибора (вид слева), на фиг. 2 - чертеж учебного прибора (вид сверху).
Учебный прибор для демонстрации центровочных свойств воздушного судна содержит закрепленную на основании 1 (прямоугольная платформа) вертикальную стойку 2. В верхней части вертикальной стойки 2 неподвижно установлена пластина 3 для крепления тензометрических датчиков.
Шаровой шарнир 4 вкручен в вертикальную стойку 2 с фиксирующим болтом 5 и шайбой 6 и обеспечивает движение подвижной части шарнира 7. Два рычага 8 L-образной формы, передающие усилия на тензометрические датчики для измерения вращающего момента с помощью фиксаторов 9, крепятся на подвижной части 7 шарового шарнира 4 с установленной на шаровом шарнире 4 модели 10 самолета. На крыле и фюзеляже модели 10 самолета закреплены направляющие 11 для перемещения тарированных грузов 12. Тензометрические датчики 13 крепятся болтами к пластине 3.
Учебный прибор для демонстрации центровочных свойств воздушного судна работает следующим образом.
Для обеспечения трех степеней свободы модель 10 самолета с помощью шарового шарнира 4 вкручена в верхнюю часть вертикальной стойки 2 с фиксирующим болтом 5 и шайбой 6. На крыле и фюзеляже модели 10 самолета имеются направляющие 11 для перемещения тарированных грузов 12. Одна направляющая служит для изменения положения центра тяжести вдоль продольной оси (расположена вдоль фюзеляжа от носовой части модели к хвосту). Вдоль каждого крыла (от корневой до концевой части) расположены еще две направляющие для перемещения центра тяжести относительно поперечной оси и продольной оси (из-за стреловидности крыла). Модель 10 самолета имеет возможность вращаться относительно поперечной оси модели 10 самолета в вертикальной плоскости при перемещении тарированного груза 12 по направляющей, параллельной строительной оси модели самолета, имитируя тангаж при нарушении центровки. При перемещении тарированных грузов 12 по двум направляющим 11 на крыльях модель 10 самолета имеет возможность вращаться относительно продольной оси, имитируя крен самолета при наличии нескомпенсированных вращающих моментов.
При перемещении тарированных грузов 12 вдоль направляющих 11 можно изменять положение центра тяжести подвижной части установки. При смещении центра тяжести возникают вращающие моменты относительно всех трех степеней свободы, и возникает нарушение центровки. Через подвижную часть 7 шарового шарнира 4 и прикрепленные к ней рычаги 8 момент сил от подвижной части фюзеляжа передается на тензометрические датчики 13. Чувствительные элементы тензометрических датчиков 13 деформируются под действием усилия, переданного L-образным рычагом 8 на упругодеформируемую часть тензометрических датчиков 13, и преобразуют механическую деформацию в электрический сигнал, пропорциональный механической деформации, который передается на внешние регистрирующие устройства. Возможно измерение сил с помощью внешнего динамометра, который присоединяется к направляющим 12, с последующим вычислением компенсирующих моментов сил.
Учебный прибор позволяет демонстрировать изменение центровочных свойств воздушного судна при наличии нескомпенсированных моментов внешних сил, измерять с помощью внешних преобразователей электрического сигнала с тензодатчиков или механическим способом (с помощью динамометра) вращающие моменты.
Предлагаемое устройство - учебный прибор для демонстрации центровочных свойств воздушного судна - технически и технологически реализуем, безопасен и удобен в эксплуатации, надежен в работе, обладает высокой степенью наглядности при организации учебного процесса в учебных заведениях авиационного профиля, не требует больших экономических затрат при изготовлении, допускает модернизацию. На физической модели возможна демонстрация недопустимых в реальной авиационной практике ситуаций при нарушении центровки, которые приводят к ухудшению управляемости воздушного судна. Возможно многократное повторение моделируемых ситуаций. Наличие предметной модели в виде самолета обладает высокими дидактическими свойствами, которые помогают обучаемым психологически воспринимать моделируемые явления с опорой на ситуации в авиационной практике.
Учебный прибор для демонстрации центровочных свойств воздушного судна может заинтересовать учебные заведения технического профиля, особенно авиационные, так как представляет собой модель реального технического объекта, позволяет имитировать условия полета самолета при наличии внешних нескомпенсированных моментов сил, приводящих к нарушению центровки транспортного средства. Учебный прибор можно эффективно использовать во время занятий по аэродинамике, физике, теоретической механике, технике выполнения полета в высших и средних учебных заведениях технического профиля.