Бумажный самолетик (также известный как бумажный самолетик или бумажный дротик в американском английском или бумажный самолетик в британском английском ) — это игрушечный летательный аппарат , обычно планер , сделанный из одного сложенного листа бумаги или картона . Обычно он имеет форму простого треугольника с тяжелым носом, брошенного как дротик . [1]
Известно, что бумажные самолетики были изготовлены еще в середине 19 века на основе американской детской книги, описывающей их конструкцию 1864 года. [2]
Постройка бумажного самолетика Людвигом Прандтлем на банкете Международного союза теоретической и прикладной механики в 1924 году была отвергнута Теодором фон Карманом как бесхитростное упражнение : [3]
Прандтль также был несколько импульсивен. Я вспоминаю, что однажды на довольно достойном обеде после конференции в Делфте, Голландия, моя сестра , сидевшая рядом с ним за столом, задала ему вопрос о механике полета. Он начал объяснять; по ходу дела он взял в руки бумажное меню и смастерил небольшую модель самолета, не думая, где он находится. Оно приземлилось на рубашку министра образования Франции, к большому смущению моей сестры и других присутствующих на банкете.
В последнее время бумажные модели самолетов стали более совершенными и получили очень высокие летные характеристики, далекие от их происхождения в технике оригами, однако даже самолеты-оригами с годами получили множество новых конструкций и значительно улучшились с точки зрения летных характеристик.
В последующие годы было много улучшений в конструкции, включая скорость , подъемную силу , тягу , [4] стиль и моду.
В период 1930–1988 гг. Бумажные планеры претерпели три формы развития:
Продолжающаяся разработка складных планеров/планеров-оригами за тот же период имела аналогичную сложность, включая добавление следующих конструктивных усовершенствований.
Технология, ответственная за распространение передовых конструкций бумажных самолетов:
По сравнению с пробковым деревом — другим материалом, обычно используемым для изготовления моделей самолетов — плотность бумаги выше; следовательно, обычные планеры из бумаги оригами (см. выше) страдают от более высокого лобового сопротивления, а также от несовершенной аэродинамической хорды крыла.
Однако, в отличие от планеров из бальзы, бумажные планеры имеют гораздо более высокое соотношение прочности к толщине: лист офисной бумаги плотностью 80 г/м 2 для фотокопировальной / лазерной печати , например, имеет прочность, приблизительную по шкале с авиационного алюминия. листовой металл , а картон по свойствам приближается к свойствам стали в масштабе бумажной модели самолета. [ нужна цитата ]
Немодифицированные бумажные самолеты-оригами имеют очень плохое качество планирования , часто не лучше 7,5: 1 в зависимости от конструкции и материалов. Модификация планеров из бумаги оригами может привести к заметному улучшению летных характеристик за счет веса и часто с включением аэродинамических и / или структурных компромиссов. Часто увеличение нагрузки на крыло может способствовать нарушению ламинарного потока над крылом с помощью гибрида оригами и конструкции из клея и ленты.
Профессора Ниномия и Мэтьюз (см. разделы ниже) разработали более целенаправленные стратегии дизайна в конце 1960-х и 1980-х годах. Раньше бумажные модели самолетов проектировались без особого внимания к летным характеристикам. Используя аэродинамический дизайн и гидродинамику, оба профессора смогли разработать модели, которые значительно превосходили предыдущие критерии летных характеристик. Дальность полета увеличилась с типичных 10+ метров до 85+ метров, в зависимости от энергозатрат планеров при запуске.
В настоящее время работа двух профессоров остается последней серьезной исследовательской работой по улучшению летных характеристик планеров из бумажной модели. Совместная работа энтузиастов на онлайн-форумах и личных веб-сайтах в основном представляет собой развитие этих оригинальных типов планеров.
В области проектирования масштабных моделей в настоящее время существует множество возможностей для усовершенствованного проектирования. Профильные планеры сталкиваются с ограничением улучшения летных характеристик, связанным с типами крыльев, которые обычно представляют собой аэродинамические профили с изогнутыми пластинами. Кроме того, фюзеляжи состоят либо из бальзовой бумаги, либо из ламинированной бумаги, склонной к деформации или поломке в течение очень короткого времени. Улучшение характеристик возможно за счет моделирования трехмерных фюзеляжей, которые способствуют ламинарному обтеканию, а также крыльев с внутренними связями, которые затем могут иметь профили аэродинамического профиля с высокой подъемной силой, такие как Clark Y или серии NACA 4 или 6 , для высокой подъемной силы.
В Японии в конце 1960-х годов профессор Ясуаки Ниномия разработал усовершенствованный тип бумажного самолета, который был опубликован в двух книгах: Jet Age Jamboree (1966) и Airborne All-Stars (1967). Дизайны из этих книг позже продавались как серия бумажных наборов планеров «Белые крылья» с 1970-х годов до наших дней. [5]
«Белые крылья» резко отличаются от обычных бумажных самолетов, поскольку их фюзеляжи и крылья представляют собой вырезанные и склеенные вместе бумажные шаблоны. Они были спроектированы с использованием принципов низкоскоростной аэродинамической техники. Модели изготовлены из бумаги Kent, сорта картриджной бумаги, продаваемой в Японии.
Ранние модели рисовались вручную, но к 1980-м годам их части разрабатывались с использованием программного обеспечения САПР .
Проекты Ниномии также включали, впервые в бумажной модели, работающие пропеллеры, приводимые в движение воздушным потоком, в частности, для его профильных масштабных моделей Cessna Skymaster и Piaggio P.136 1967 года. Примечательно также тщательное проектирование планеров, чтобы они могли летать без балласта – его модель F-4 Phantom II способна летать сразу, не прибегая к помощи скрепок и т. д.
Высокопроизводительные планеры имеют фюзеляж, жесткость которого обеспечивается за счет бальзового профиля, прикрепленного к бумажным компонентам. Используемая бумага довольно тяжелая, примерно в два раза тяжелее стандартной бумаги для рисовальных картриджей, но легче легкого картона. Оригинальные «Белые Крылья» были полностью бумажными, что требовало терпения и умения. Однако позже были использованы фюзеляжи из пробкового дерева, а White Wings продавались «предварительно разрезанными», что упростило конструкцию. В качестве аэродинамического профиля используется Göttingen 801 (изогнутая пластина), а шаблон поставляется в виде вырезанной части каждого комплекта.
В 1984 году профессор Э. Х. Мэтьюз, преподаватель термодинамики в Университете Витватерсранда , Южная Африка, опубликовал свой первый сборник высокопроизводительных моделей самолетов. Эта книга называлась Paper Pilot (Struik, 1984).
Эта книга имела большой успех, что привело к появлению дополнительных томов: «Бумажный пилот 2» (1988), «Бумажный пилот 3» (1991), «12 самолетов для бумажного пилота» (1993) и Ju 52 , отдельной книги с масштабной моделью.
Среди неопубликованных моделей — масштабная модель Airbus A320, очень похожая на Ju 52, представленная в молодежной программе Tekkies в 1996 году.
В книгах были представлены образцы деталей, напечатанные на легком картоне, чтобы обеспечить самолету хорошую проникающую способность при полете на большие расстояния.
Общественный интерес к планерам и их издательский успех позволили транслировать некоторые разработки по южноафриканскому телевидению в 1988 году, когда была выпущена первая книга, и снова в 1993 году, что совпало с национальным соревнованием по бумажным самолетикам, связанным с выпуском Paper Pilot 3.
Аэродинамический дизайн планеров был достигнут с использованием оптимизированной небольшой аэродинамической трубы - на этом объекте был снят плоский планер Бриттена Нормана Трисландера, а для демонстрации оптимизации полета использовались весовые балансы.
Проектирование частей планеров было выполнено с использованием Autodesk AutoCAD R12, самой совершенной на тот момент версии этого программного обеспечения САПР и одной из первых общедоступных бумажных моделей самолетов, разработанных с использованием этой технологии.
Конструкция планеров во многом аналогична той, что использовалась в серии планеров White Wings доктора Ниномии для плоских планеров.
Более поздние планеры с трехмерными фюзеляжами используют легкую конструкцию, оптимизированную для летных характеристик.
Инновации включают в себя функциональную колесную ходовую часть, которая не увеличивает лобовое сопротивление, но при этом обеспечивает хорошую посадку.
В бумажных пилотных планерах для достижения наилучших характеристик используется аэродинамическая часть изогнутой пластины. Их конструкция, как и у планеров White Wings, очень чувствительна к дифференту и фактически способна совершать полеты в закрытых помещениях в ограниченном пространстве в средних условиях.
Большинство из них в первоначальных выпусках оснащены крюками для катапульты и при таком запуске демонстрируют способность летать на длину поля для регби.
Более поздние выпуски и планеры оснащались банджи-крюком, конструкция которого была включена в Paper Pilot 3 и 12 Planes for the Paper Pilot .
Система Bungee публикует параллели, но в меньшем масштабе, с практикой, используемой при запусках радиоуправляемых и полноразмерных планеров, но при этом значительно дешевле и сложнее. На сегодняшний день это единственный известный пример такой системы запуска применительно к бумажной модели самолета, изданной в виде книги.
Летные характеристики на тарзанке очень хорошие - в частности, один планер, масштабная модель U-2 (из последней книги серии), продемонстрировал летные характеристики на высоте более 120 метров при запуске с тарзанки.
Уникальной разработкой профессора Мэтьюза является Papercopter , модель вертолета, «крыло» которого представляет собой регулируемое кольцевое кольцо , которое, используя вращательную аэродинамику, обеспечивает хорошие летные характеристики вперед без необходимости использования рулевого винта. «Тело» модели вертолета подвешивается под кольцом и использует поток воздуха для стабилизации в направлении полета, подобно флюгеру.
Конструкция бумажного коптера позволяет совершать полеты в среднем на расстояние около 10–14 метров.
Первый в мире известный опубликованный бумажный автожир (безмоторный вертолет) Ричарда К. Ноя появился в «Большой международной книге о бумажных самолетах», опубликованной в 1967 году. Его крылья летают по кругу вокруг центральной балластной шахты, когда он снижается вертикально. Эта базовая конструкция публиковалась несколько раз и широко известна.
Первый в мире известный опубликованный бумажный автожир, планирующий вперед, с направленным вперед корпусом, поднимаемым вращающимися лопастями, был построен Джеймсом Зонгкером. Он появляется на странице 53 книги «Книга о бумажных самолетиках: официальная книга Второго большого международного конкурса бумажных самолетиков», опубликованной в 1985 году журналом Science Magazine. Его двойные лопасти, вращающиеся в противоположных направлениях, автоматически вращаются на бумажных осях при запуске, обеспечивая подъемную силу.
Как отмечалось выше (см. статью «Бумажный пилот»), Э. Х. Мэтьюз разработал устойчивую в полете модель вертолета из бумаги. Он имеет кольцевое крыло и закрылки для регулировки полета для обеспечения устойчивости, расположенные на внутреннем крае кольца. Хотя этот класс самолетов из бумажных моделей сам по себе не является автожиром, он подпадает под общую конструкцию бумажных моделей вертолетов и обладает вращающимся элементом полета, создающим подъемную силу во время полета вперед. Бумажные коптеры, как назвал их профессор Мэтьюз, уникальны среди бумажных моделей винтокрылых машин, поскольку имеют дальность полета и скорость, намного превосходящие все другие классы, способны летать довольно быстро и имеют дальность полета от 10 до 15 метров. Самое продолжительное время полета составляет 27,9 секунды. [6]
У полета несколько целей:
Для каждой цели есть свой типичный самолет, а иногда и мировой рекорд. [7]
За прошедшие годы было предпринято множество попыток преодолеть барьер, позволяющий бросить бумажный самолетик в воздух на максимально долгое время. Кен Блэкберн удерживал этот мировой рекорд Гиннеса в течение 13 лет (1983–1996) и восстановил его в октябре 1998 года, удерживая свой бумажный самолетик в воздухе в течение 27,6 секунды (в помещении). Это подтвердили представители Книги рекордов Гиннесса и репортаж CNN. [8] Бумажный самолетик, который Блэкберн использовал в этой попытке установить рекорд, был « планером ». По состоянию на март 2023 года [update]Такуо Тода (Япония) является мировым рекордсменом по продолжительности пребывания в воздухе (29,2 секунды) в городе Фукуяма, Хиросима, Япония, 19 декабря 2010 года. [9] Текущий рекорд дальности по состоянию на февраль 2023 года: составляет 88,318 м (289 футов 9 дюймов), достигнутый Диллоном Рублом (США) при поддержке Натаниэля Эриксона и Гаррета Дженсена (оба США) в Краун-Пойнт, штат Индиана, США, 2 декабря 2022 года. [10]
Бумажные самолеты представляют собой класс моделей самолетов, поэтому на них не действуют аэродинамические силы, отличные от других типов летающих моделей. Однако их конструкционный материал оказывает ряд разнородных воздействий на летные характеристики по сравнению с самолетами, построенными из других материалов.
В целом на бумажный самолетик в полете действуют четыре аэродинамические силы:
В целом аэродинамические силы взаимодействуют, создавая турбулентность , которая усиливает небольшие изменения на поверхности бумажного самолета. В большинство бумажных самолетиков можно внести изменения, сгибая, изгибая или делая небольшие надрезы на задних кромках крыльев и хвосте самолета, если он есть.
Наиболее распространенными регулировками, созданными по образцу планеров, являются элероны , рули высоты и рули направления .
Диапазон чисел Рейнольдса ( Re) бумажных моделей самолетов достаточно широк:
Эти диапазоны являются ориентировочными. Как отмечалось выше, соотношение массы и плотности бумаги не позволяет достичь показателей моделей из бальзы с точки зрения соотношения мощности к весу, но для моделей с размахом крыльев от 250 до 1200 мм критическое значение Re очень похоже на планеры моделей из бальзы. аналогичных размеров.
Бумажные модели обычно имеют удлинение крыла, которое очень велико (модели-планеры) или очень мало (классический бумажный дротик), и поэтому почти во всех случаях летят со скоростями, намного ниже их формы крыла в плане и критического аэродинамического профиля Re , при котором поток нарушается. от ламинарного к турбулентному.
Большинство дротиков из бумаги для оригами в любом случае имеют тенденцию летать в турбулентном воздухе и поэтому важны для исследования турбулентного потока, как и подъемные поверхности с низким Re, встречающиеся в природе, такие как листья деревьев и растений, а также крылья насекомых. .
Высокопроизводительные модели профиля и масштаба действительно приближаются к критическому значению Re секции крыла в полете, что является примечательным достижением с точки зрения проектирования бумажных моделей. Производительность обусловлена тем фактом, что крылья этих планеров фактически работают настолько хорошо, насколько это возможно, учитывая их материальные ограничения.
Эксперименты с различными материалами отделки, проведенные в последние годы, выявили некоторые интересные взаимосвязи между моделями Re и бумаги. Характеристики оригами и сложных структур оригами заметно улучшаются с использованием гладкой бумаги, хотя этому также способствует более высокая масса бумаги и, следовательно, лучшее проникновение.
Более низкие характеристики и типы масштабов обычно не выигрывают от более тяжелых и блестящих поверхностей. Типы фюзеляжа с профилем характеристик действительно демонстрируют несколько улучшенные характеристики, если в конструкции используется блестящая, скользкая бумага, но, хотя и наблюдается улучшение скорости, это очень часто компенсируется худшим соотношением срока службы и лобового сопротивления. Чешуйчатые типы имеют отрицательные характеристики при добавлении в их конструкцию плотной блестящей бумаги.
Сечения профиля крыла в моделях различаются в зависимости от типа:
Изгиб профилей тоже варьируется. В общем, чем ниже Re, тем больше развал. Типы оригами будут иметь «смехотворный» или очень высокий прогиб по сравнению с более малоэффективными масштабными типами, растущая масса которых требует более высоких скоростей полета и, следовательно, более низкого сопротивления, вызванного высоким изгибом, хотя это будет варьироваться в зависимости от моделируемого типа.
В случае масштабных характеристик и масштабных моделей намерения разработчика модели будут определять тип выбранной аэродинамической части. Бипланы Первой мировой войны, если они спроектированы с учетом летных характеристик, часто будут иметь аэродинамические крылья с изогнутыми пластинами, поскольку они создают сильно изогнутые поверхности и коэффициент подъемной силы (Cl) для низких скоростей планирования. Монопланы времен Второй мировой войны часто имеют секции, очень похожие на чешуйки, но с увеличенным наклоном задней кромки для улучшения развала по сравнению с масштабными аналогами.
Точно так же размер, скорость полета и масса будут иметь очень большое влияние на выбор аэродинамического профиля, хотя это универсальный фактор при проектировании модели самолета, независимо от материала.
Бывший рекордсмен Книги рекордов Гиннеса Тим Ричардсон не согласен с решением поставить «хвост» на бумажный самолетик. В его объяснении аэродинамики бумажного самолета на своем веб-сайте упоминается, что хвост не нужен. В качестве примера он использует реальный бомбардировщик B-2 Spirit с летающим крылом , заявляя, что грузы вдоль крыла должны быть выдвинуты вперед, чтобы стабилизировать самолет. (Примечание: бумажным самолетам хвост не нужен в первую очередь потому, что они обычно имеют большой тонкий фюзеляж, препятствующий рысканию , и крылья по всей длине, предотвращающие тангаж .)
Независимо Эдмонд Хуэй в 1977 году изобрел бумажный самолет, похожий на бомбардировщик-невидимку , под названием «Паперанг» [11] , основанный на аэродинамике дельтаплана. Уникальность заключается в том, что он имеет правильно контролируемые секции аэродинамического профиля, крылья с большим удлинением и метод строительства, позволяющий строителю изменять каждый аспект его формы. Он был предметом книги «Удивительные бумажные самолетики» в 1987 году и ряда газетных статей в 1992 году. Он не имеет права участвовать в большинстве соревнований по бумажным самолетикам из-за использования скобы, но имеет чрезвычайно высокие характеристики планирования, превосходящие показатели планирования. соотношение 12 к 1 с хорошей стабильностью.
В 1975 году художник-оригами Майкл Лафосс разработал чистое оригами (один лист; без резки, клея и скоб...) летающее крыло, которое он назвал «Крыло ар-деко». Хотя его аэродинамическая форма имитирует некоторые дельтапланы и сверхзвуковые аэродинамические профили. его изобретение возникло в результате исследования красоты сложенной бумаги. Его качество скольжения и стабильность находятся на одном уровне со многими лучшими конструкциями бумажных крыльев, в которых используется клей, лента или скобы. Этот дизайн был впервые опубликован в 1984 году в книге Стивена Вайса «Крылья и вещи», издательство St. Martin's Press.
Хотя распространено мнение, что легкие бумажные самолеты летают дальше, чем тяжелые, Блэкберн считает это неверным. Рекордный 20-летний бумажный самолетик Блэкберна [12] был основан на его убеждении, что лучшие самолеты имеют короткие крылья и «тяжелы» в момент фазы запуска, когда метатель подбрасывает бумажный самолетик в воздух. и в то же время более длинные крылья и «легкий» вес позволили бы бумажному самолету иметь лучшее время полета, но его нельзя резко подбросить в воздух с большим давлением, как на «тяжелой» фазе запуска. По словам Блэкберна, «для достижения максимальной высоты и хорошего перехода к планирующему полету бросок должен находиться в пределах 10 градусов от вертикали» , что показывает, что скорость не менее 60 миль в час (97 километров в час) — это необходимая величина. успешно бросить бумажный самолетик.
После складывания между разными слоями сложенной бумаги все еще остаются зазоры (отрывной край). Эти изломы, а также изгибы, поперечные потоку воздуха, могут отрицательно влиять на аэродинамику, особенно на верхней стороне крыла. В некоторых моделях поверхности не выровнены по направлению потока, действуя как воздушные тормоза. Обычно центр масс находится на расстоянии 1/81, а центр площади — на 1/2 длины плоскости. Существуют два метода смещения центра масс вперед. Один сворачивает переднюю кромку, которая затем остается незаметной. Другой использует стреловидное крыло или осевое складывание, образуя что-то вроде фюзеляжа, выступающего за переднюю кромку крыла.
Можно создавать фристайл-версии бумажных самолетов, которые часто имеют необычную траекторию полета по сравнению с более традиционными бумажными дротиками, самолетами и планерами. Другой метод движения, создающий высокие скорости запуска, предполагает использование резинок для «катапульт». Планирование при прогулке включает в себя непрерывное движение конструкций бумажных самолетиков (таких как кувыркающийся самолет , следящий за фойлом [13] и серфер бумажного самолетика [14] ) посредством парящего полета на краю листа картона.
Возможно, однажды из космоса запустят бумажный самолетик. Прототип прошел испытания на прочность в аэродинамической трубе в марте 2008 года, а японское космическое агентство JAXA рассмотрело возможность запуска с Международной космической станции . Однако разработчики самолетов Такуо Тода (см. Мировые рекорды выше) и его коллега-энтузиаст Синдзи Судзуки, авиационный инженер и профессор Токийского университета , отложили попытку, признав, что их будет практически невозможно отследить во время недельного полета самолетов. путешествие на Землю, при условии, что кто-нибудь из них выживет в жгучем спуске. Разработчики надеялись, что Китай или Россия поддержат дальнейшие усилия по проекту. [15]
В феврале 2011 года 200 самолетов были запущены из сети под метеозондом на высоте 23 миль (37 км) над Германией. Самолеты были спроектированы так, чтобы поддерживать устойчивый полет даже при порывах ветра до 100 миль в час (160 км/ч). Самолеты были оснащены чипами памяти, с которых можно было загружать данные, и, как сообщалось, они были обнаружены в других местах Европы, а также в Канаде, Индии, Южной Африке и Австралии. Представитель проекта сказал, что он «немного подозрительно» относится к сообщениям из южного полушария, но отметил, что самолеты, достигающие Америки, возможны, учитывая «сильные» ветры, с которыми сталкиваются самолеты, а также тот факт, что хорошо построенный бумажный самолетик «путешествует 12 футов по земле на каждый фут падения». [16]
24 июня 2015 года клуб средней школы Кесгрейв в Саффолке, Великобритания, установил мировой рекорд по запуску бумажного самолетика на самую большую высоту, достигнув высоты 35 043 метра (114 970 футов). [17]
Словарное определение бумажного самолета в Викисловаре