Бумажный самолетик ( также известный как бумажный самолетик или бумажный дротик в американском английском , или бумажный самолетик в британском английском ) — игрушечный самолетик , обычно планер , сделанный из одного сложенного листа бумаги или картона . Обычно он имеет форму простого треугольника с тяжелым носом, который бросают как дротик . [1]
Искусство складывания бумажных самолетиков зародилось в XIX веке и имеет корни в различных культурах по всему миру, где их использовали для развлечения, обучения и даже в качестве инструментов для понимания аэродинамики.
Механика бумажных самолетиков основана на фундаментальных принципах полета, включая подъемную силу , тягу , сопротивление и гравитацию . Манипулируя этими силами с помощью различных методов складывания и конструкций, энтузиасты могут создавать самолеты, которые демонстрируют широкий спектр летных характеристик, таких как дальность, устойчивость, маневренность и время полета. Соревнования и мероприятия, посвященные полетам на бумажных самолетиках, подчеркивают мастерство и креативность, необходимые для создания идеального дизайна, способствуя развитию сообщества любителей и педагогов.
Помимо своей развлекательной привлекательности, бумажные самолетики служат практическими образовательными инструментами, позволяя студентам изучать концепции в области физики и инженерии. Они предлагают практический подход к обучению, делая сложные идеи более доступными и интересными. В целом, бумажные самолетики воплощают в себе сочетание искусства, науки и веселья, что делает их уникальным явлением как в детской игре, так и в академическом исследовании.
Известно, что бумажные самолетики были сделаны еще в середине 19 века на основе американской детской книги, описывающей их конструкцию от 1864 года. [2]
Построение бумажного самолётика, предложенное Людвигом Прандтлем на банкете Международного союза теоретической и прикладной механики в 1924 году, было отвергнуто Теодором фон Карманом как безыскусное упражнение : [3]
Прандтль также был несколько импульсивен. Я припоминаю, что однажды на довольно приличном ужине после конференции в Делфте, Голландия, моя сестра , сидевшая рядом с ним за столом, задала ему вопрос о механике полета. Он начал объяснять; в ходе объяснения он взял бумажное меню и слепил небольшую модель самолета, не думая, где он находится. Она приземлилась на рубашку французского министра образования, к большому смущению моей сестры и других на банкете.
В последнее время бумажные модели самолетов достигли большой сложности и очень высоких летных характеристик, значительно отличающихся от их первоначальных оригами-моделей. Однако даже оригами-самолеты за прошедшие годы приобрели много новых конструкций и значительно улучшили свои летные характеристики.
За последующие годы было внесено множество усовершенствований в конструкцию, включая скорость , подъемную силу , тягу , [4] стиль и моду.
В период с 1930 по 1988 год бумажные планеры прошли три стадии развития:
Продолжающееся развитие складных/оригами-планеров за тот же период привело к аналогичному усовершенствованию, включая добавление следующих усовершенствований конструкции:
Технология, ответственная [ требуется ссылка ] за распространение усовершенствованной конструкции бумажных самолетов:
По сравнению с бальзовым деревом — другим материалом, который обычно используется для изготовления моделей самолетов — плотность бумаги выше; как следствие, обычные планеры -оригами из бумаги (см. выше) страдают от более высокого сопротивления, а также от несовершенства аэродинамических хорд крыльев.
Однако, в отличие от планеров из бальзы, планеры из бумаги имеют гораздо более высокое отношение прочности к толщине: например, лист офисной бумаги плотностью 80 г/м2 для копировальных аппаратов или лазерных принтеров имеет прочность, близкую к прочности листового авиационного алюминия , в то время как картон приближается по свойствам к стали в масштабе бумажной модели самолета. [ необходима ссылка ]
Немодифицированные самолеты из бумаги оригами имеют очень плохое соотношение скольжения , 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 разрушению ламинарного потока над крылом с гибридом конструкции оригами и клееной и склеенной лентой.
Профессора Ниномия и Мэтьюз разработали более направленные стратегии проектирования в конце 1960-х и 1980-х годах. Ранее бумажные модели самолетов проектировались без акцента на летных характеристиках. Используя аэродинамический дизайн и гидродинамику, оба профессора смогли спроектировать модели, которые значительно превосходили предыдущие критерии летных характеристик. Дальность полета увеличилась с типичных 10+ метров до 85+ метров в зависимости от энергии, подводимой к планерам при запуске.
В настоящее время работа двух профессоров остается последней серьезной исследовательской работой по улучшению летных характеристик бумажных моделей планеров. Совместные работы энтузиастов через интернет-форумы и персональные веб-сайты в основном являются разработками этих оригинальных типов планеров.
В области проектирования масштабных моделей в настоящее время существует множество возможностей для усовершенствованного проектирования. Профильные планеры сталкиваются с ограничением для улучшения летных характеристик, основанным на их типах крыльев, которые обычно представляют собой изогнутые пластинчатые аэродинамические профили. Кроме того, фюзеляжи представляют собой либо бальзовую бумагу, либо бумажные ламинаты, склонные к деформации или поломке в течение очень короткого времени. Улучшение характеристик возможно путем моделирования трехмерных фюзеляжей, которые способствуют ламинарному потоку, и в крыльях с внутренними распорками, которые затем могут иметь профили аэродинамических профилей с высокой подъемной силой, такие как Clark Y или NACA 4 или 6 серии , для высокой подъемной силы.
В Японии в конце 1960-х годов профессор Ясуаки Ниномия спроектировал усовершенствованный тип бумажного самолета, который был опубликован в двух книгах: Jet Age Jamboree (1966) и Airborne All-Stars (1967). Конструкции из этих книг позже продавались как серия бумажных планеров «White Wings» с 1970-х годов и по сей день. [5]
White Wings — это резкий отход от обычных бумажных самолетов, поскольку их фюзеляжи и крылья — это вырезанные и склеенные вместе бумажные шаблоны. Они были разработаны с помощью принципов проектирования низкоскоростной аэродинамики. Модели сделаны из бумаги Kent, сорта картриджной бумаги, продаваемой в Японии.
Ранние модели были полностью нарисованы вручную, но к 1980-м годам их детали были разработаны с использованием программного обеспечения САПР .
Проекты Ниномии также включали, впервые в бумажной модели, работающие пропеллеры, приводимые в движение потоком воздуха, в частности, в его масштабных моделях Cessna Skymaster и Piaggio P.136 1967 года. Также следует отметить тщательное проектирование планеров, позволяющее им летать без балласта — его модель F-4 Phantom II может взлетать немедленно, без использования скрепок и т. п.
Высокопроизводительные планеры имеют фюзеляжи, которые сохраняют жесткость за счет использования профиля фюзеляжа из бальзы , прикрепленного к бумажным компонентам. Используемая бумага довольно тяжелая, примерно в два раза тяжелее стандартной чертежной бумаги, но легче легкого картона. Оригинальные White Wings были полностью бумажными, что требовало терпения и умения. Однако позже использовались фюзеляжи из бальзы, и White Wings продавались «предварительно вырезанными», что упростило конструкцию. Используемое аэродинамическое крыло — Göttingen 801 (изогнутая пластина), а шаблон поставляется как вырезанная часть каждого набора.
В 1984 году профессор EH Mathews, 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: Paper Pilot 2 (1988), Paper Pilot 3 (1991), 12 Planes for the Paper Pilot (1993) и Ju 52 , отдельной книги с масштабной моделью. Среди неопубликованных моделей — масштабная модель Airbus A320, очень похожая на Ju 52, которую можно было увидеть на молодежной программе Tekkies в 1996 году.
В книгах были представлены образцы деталей, напечатанные на легком картоне, что обеспечивало самолету хорошие летные характеристики проницаемости при полетах на большие расстояния.
Общественный интерес к планерам и их успех в издании позволили транслировать часть разработки по южноафриканскому телевидению в 1988 году по выходу первой книги, а затем снова в 1993 году, чтобы совпасть с национальным конкурсом бумажных самолетов, связанным с выпуском Paper Pilot 3. Аэродинамический дизайн планеров был достигнут с использованием оптимизированной небольшой аэродинамической трубы - плоский планер Britten Norman Trislander был снят в этом объекте, с использованием весовых балансировок для демонстрации оптимизации полета. Проектирование частей планеров было достигнуто с помощью Autodesk AutoCAD R12, тогда самой продвинутой версии этого программного обеспечения САПР и одной из первых общедоступных бумажных моделей самолетов, разработанных с использованием этой технологии.
Конструкция планеров очень похожа на ту, 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 функциональное колесное шасси, которое не увеличивает сопротивление, но обеспечивает хорошие посадки.
Планеры-пилоты из бумаги используют изогнутую пластинчатую аэродинамическую форму для лучшей производительности. Их конструкция, как и планеры White Wings, очень чувствительна к балансировке и, по сути, способна совершать полеты в закрытых помещениях при обычных условиях. Большинство из них в первоначальных выпусках оснащены моделями катапультных крюков и демонстрируют способность пролетать длину поля для регби при таком запуске.
Более поздние издания и планеры были оснащены крюком-тарзанкой, конструкция которого была включена в Paper Pilot 3 и 12 Planes for the Paper Pilot . Система банджи публикует параллели, в меньшем масштабе, с практикой, используемой в радиоуправляемых и полноразмерных планерах, за малую часть стоимости и сложности. На сегодняшний день это единственный известный пример такой системы запуска, примененной к бумажной модели самолета, опубликованной в виде книги. Летные характеристики на банджи очень хорошие - в частности, один планер, масштабная модель U-2 (в последней книге серии) продемонстрировал летные характеристики более 120 метров при запуске с помощью крюка-тарзанки.
Первый в мире опубликованный бумажный автожир (вертолет без двигателя) Ричарда К. Ноя появился в "The Great International Paper Airplane Book", опубликованной в 1967 году. Его крылья летают по кругу вокруг центральной балластной шахты, когда он опускается вертикально. Эта базовая конструкция была опубликована несколько раз и широко известна.
Первый в мире известный бумажный автожир с передним планирующим корпусом, поднятым вращающимися лопастями, был построен Джеймсом Зонгкером. Он появляется на странице 53 книги "The Paper Airplane Book: The Official Book of the Second Great International Paper Airplane Contest", опубликованной в 1985 году журналом Science Magazine. Его двойные вращающиеся в противоположных направлениях лопасти автоматически вращаются на бумажных осях при запуске, обеспечивая подъемную силу.
EH Mathews разработал устойчивую в полете бумажную модель вертолета, известную как Papercopter. Она имеет кольцевое крыло и закрылки для регулировки полета для обеспечения устойчивости, расположенные на внутреннем крае кольца. Хотя по сути это не автожир, этот класс бумажных моделей самолетов попадает в общую конструкцию бумажных моделей вертолетов и обладает вращающимся элементом полета, создающим подъемную силу во время полета вперед. Papercopters, как их назвал профессор Mathews, являются уникальными среди бумажных моделей винтокрылых аппаратов, поскольку имеют дальность и скорость, намного превышающие все другие классы, способны летать довольно быстро и с дальностью полета от 10 до 15 м. Самое большое время полета составляет 27,9 секунд. [6]
У полета есть несколько целей:
Для каждой цели существует типичный самолет, а иногда и мировой рекорд. [7]
За эти годы было предпринято много попыток преодолеть барьеры, связанные с самым длительным подбрасыванием бумажного самолётика в воздух. Кен Блэкберн удерживал этот мировой рекорд Гиннесса в течение 13 лет (1983–1996) и снова побил этот рекорд в октябре 1998 года, продержав свой бумажный самолётик в воздухе 27,6 секунд (в помещении). Это было подтверждено официальными лицами Гиннесса и репортажем CNN. [8] Бумажный самолётик, который Блэкберн использовал в этой попытке побить рекорд, был « планёром ». По состоянию на март 2023 года [update]Такуо Тода (Япония) удерживает мировой рекорд по самому длительному времени нахождения 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-Пойнте, Индиана, США, 2 декабря 2022 года. [10]
Бумажные самолеты являются классом моделей самолетов и поэтому не испытывают аэродинамических сил, отличающихся от других типов летающих моделей. Однако их конструкционный материал производит ряд разнородных эффектов на летные характеристики по сравнению с самолетами, построенными из других материалов.
В целом, на бумажный самолет во время полета действуют четыре аэродинамические силы:
В целом аэродинамические силы взаимодействуют, создавая турбулентность , которая усиливает небольшие изменения на поверхности бумажного самолета. Большинство бумажных самолетов можно модифицировать, сгибая, изгибая или делая небольшие надрезы на задних кромках крыльев и в хвосте самолета, если он есть.
Наиболее распространенными регулировками, смоделированными по образцу планеров, являются элероны , рули высоты и рули направления .
Диапазон чисел Рейнольдса (Re) бумажной модели самолета достаточно широк:
Эти диапазоны являются ориентировочными. Как отмечено выше, соотношение массы и плотности бумаги не позволяет достичь показателей моделей из бальзы с точки зрения выражения мощности к весу, но для моделей с размахом крыльев от 250 мм до 1200 мм критическое значение Re очень похоже на показатели планеров моделей из бальзы схожих размеров.
Бумажные модели обычно имеют очень большое (планеры) или очень малое (классический бумажный дротик) удлинение крыла, и поэтому почти во всех случаях они летают со скоростями, значительно ниже критической скорости Re их формы крыла в плане и аэродинамического профиля , при которой поток переходит из ламинарного в турбулентный.
Большинство дротиков из бумаги для оригами в любом случае летят 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 профильные и масштабные модели приближаются к критическому значению Re их крыла в полете, что является примечательным достижением с точки зрения проектирования бумажных моделей. Производительность вытекает из того факта, что крылья этих планеров фактически работают настолько хорошо, насколько это возможно для них, учитывая их материальные ограничения.
Эксперименты с различными отделками материалов в последние годы выявили некоторые интересные взаимосвязи в моделях Re и бумаги. Производительность оригами и составных оригами-структур заметно улучшается с введением гладкой бумаги, хотя этому также способствует большая масса бумаги и, следовательно, лучшее проникновение.
Более маргинальные характеристики и масштабные типы, как правило, не выигрывают от более тяжелых, блестящих поверхностей. Характеристики профиля-фюзеляжа несколько улучшаются, если в конструкции используется блестящая, скользкая бумага, но хотя и наблюдается улучшение скорости, это очень часто компенсируется худшим соотношением срока службы к сопротивлению. Масштабные типы испытывают отрицательные характеристики при добавлении тяжелой блестящей бумаги в их конструкцию.
Сечения профиля крыла в моделях различаются в зависимости от типа:
Изгиб профилей также варьируется. В общем, чем ниже Re, тем больше изгиб. Оригами-типы будут иметь «смехотворные» или очень высокие изгибы по сравнению с менее эффективными масштабными типами, чьи увеличивающиеся массы требуют более высоких скоростей полета и, следовательно, более низкого индуцированного сопротивления из-за высокого изгиба, хотя это будет зависеть от моделируемого типа.
В случае масштабных характеристик и масштабных моделей намерения моделиста будут определять тип выбранного сечения аэродинамического профиля. Бипланы Первой мировой войны, если они спроектированы для летных характеристик, часто будут иметь изогнутые пластинчатые аэродинамические профили, поскольку они создают сильно изогнутые поверхности и коэффициент подъемной силы (Cl) для низких скоростей планирования. Монопланы Второй мировой войны часто будут иметь очень похожие на чешуйки сечения, хотя и с увеличенным свисанием задней кромки для улучшения изгиба по сравнению с масштабными аналогами.
Аналогично, 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 Гиннесса Тим Ричардсон не согласен с решением приделать бумажному самолету «хвост». В своем объяснении аэродинамики бумажного самолета на своем веб-сайте он упоминает, что хвост не нужен. В качестве примера он приводит реальный бомбардировщик B-2 Spirit , утверждая, что грузы вдоль крыла должны быть выдвинуты вперед для стабилизации самолета. (Примечание: бумажным самолетам хвост не нужен в первую очередь потому, что у них обычно большой тонкий фюзеляж, который предотвращает рыскание , и крылья по всей длине, которые предотвращают тангаж .)
Независимо от этого Эдмонд Хуэй изобрел в 1977 году [11] бумажный самолет, похожий на бомбардировщик-невидимку, названный Paperang, на основе аэродинамики дельтаплана. Уникально то, что он имеет правильно контролируемые аэродинамические профили, крылья с высоким удлинением и метод строительства, позволяющий строителю изменять каждый аспект его формы. Он был предметом книги «Удивительные бумажные самолеты» в 1987 году и ряда газетных статей в 1992 году. Он не подходит для большинства соревнований по бумажным самолетикам из-за использования скобы, но у него чрезвычайно высокие показатели планирования, превышающие соотношение планирования 12 к 1, с хорошей устойчивостью.
В 1975 году художник-оригами Майкл Лафосс спроектировал чистое оригами (один лист; без резки, клея или скоб...) летающее крыло, которое он назвал «Крыло в стиле ар-деко». Хотя его аэродинамическая форма имитирует некоторые дельтапланы и сверхзвуковые аэродинамические профили, его изобретение изначально развивалось из изучения красоты сложенной бумаги. Его аэродинамическое качество и устойчивость находятся на одном уровне со многими лучшими конструкциями бумажных крыльев, в которых используется клей, клейкая лента или скобы. Этот проект был впервые опубликован в 1984 году в книге «Крылья и вещи» Стивена Вайса, издательство St. Martin's Press.
Хотя распространено мнение, что легкие бумажные самолетики летят дальше тяжелых, Блэкберн считает это неверным. Рекордный 20-летний бумажный самолетик Блэкберна [12] был основан на его убеждении, что лучшие самолетики имеют короткие крылья и являются «тяжелыми» в точке фазы запуска, в которой метатель бросает бумажный самолетик в воздух, и в то же время более длинные крылья и «более легкий» вес позволили бы бумажному самолетику иметь лучшее время полета, но его нельзя бросить сильно с большим давлением в воздух как «тяжелую» фазу запуска с утяжелением. По словам Блэкберна, «для максимальной высоты и для хорошего перехода к планирующему полету бросок должен быть в пределах 10 градусов от вертикали» — что показывает, что скорость не менее 60 миль в час (97 километров в час) — это величина, необходимая для успешного броска бумажного самолетика.
После складывания все еще остаются зазоры между различными слоями сложенной бумаги (отрывной край). Они и перегибы, поперечные потоку воздуха, могут оказывать пагубное влияние 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 1/81, а центр площади — на 1/2 длины самолета. Существуют два метода смещения центра масс вперед. Один из них заключается в том, что передняя кромка сворачивается, и тогда она остается нестреловидной. Другой использует стреловидное крыло или осевое складывание, чтобы создать что-то вроде фюзеляжа, выступающего за переднюю кромку крыла.
Можно создавать вольные версии бумажных самолетов, которые часто демонстрируют необычную траекторию полета по сравнению с более традиционными бумажными дротиками, самолетами и планерами. Другая техника движения, создающая высокие скорости запуска, включает использование эластичных лент для «катапульт». Прогулочное скольжение включает непрерывное движение бумажных самолетов (таких как tumblewing , follow foil [13] и paper plane surfer [14] ) путем парящего полета на краю листа картона.
Возможно, однажды бумажный самолет будет запущен из космоса. Прототип прошел испытание на прочность в аэродинамической трубе в марте 2008 года, и японское космическое агентство JAXA рассматривало возможность запуска с Международной космической станции . Однако разработчики самолета Такуо Тода (см. Мировые рекорды выше) и его коллега-энтузиаст Синдзи Судзуки, авиационный инженер и профессор Токийского университета , отложили попытку, признав, что будет практически невозможно отслеживать их во время недельного путешествия самолетов к Земле, если только кто-то из них переживет обжигающее падение. Разработчики надеялись, что Китай или Россия поддержат дальнейшие усилия по проекту. [15]
В феврале 2011 года 200 самолетов были запущены из сети под метеозондом в 23 милях (37 км) над Германией. Самолеты были разработаны для поддержания стабильного полета 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, 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 сказал, что самолеты, достигающие Америки, возможны, учитывая «существенные» ветры, с которыми сталкиваются самолеты, и тот факт, что хорошо сделанный бумажный самолет «пролетает 12 футов по земле за каждый фут падения». [16]
24 июня 2015 года клуб из средней школы Кесгрейв в графстве Саффолк, 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