W każdym lotniczym biurze projektowym jest opowieść o wypowiedzi głównego projektanta. Zmienia się tylko autor oświadczenia. I brzmi to tak: „Całe życie mam do czynienia z samolotami, ale wciąż nie rozumiem, jak ten kawałek żelaza lata!”. Rzeczywiście, w końcu pierwsze prawo Newtona nie zostało jeszcze anulowane, a samolot jest wyraźnie cięższy od powietrza. Konieczne jest ustalenie, jaka siła nie pozwala na upadek wielotonowej maszyny na ziemię.
Metody podróży lotniczych
Istnieją trzy sposoby podróżowania:
- Aerostatyka, podczas podnoszenia z ziemi odbywa się za pomocą korpusu, którego ciężar właściwy jest niższy niż gęstość powietrza atmosferycznego. Są to balony, sterowce, sondy i inne podobne konstrukcje.
- Reaktywny, czyli brutalna siła strumienia odrzutowego z palnego paliwa, która pozwala pokonać siłę grawitacji.
- I wreszcie, aerodynamiczna metoda wytwarzania siły nośnej, gdy atmosfera ziemska jest wykorzystywana jako substancja wspomagająca dla pojazdów cięższych od powietrza. Samoloty, helikoptery, wiatrakowce, szybowce i przy okazji ptaki poruszają się tą właśnie metodą.
Siły aerodynamiczne
Na samolot poruszający się w powietrzu działają cztery główne wielokierunkowe siły. Konwencjonalnie wektory tych sił są skierowane do przodu, do tyłu, w dół i w górę. To prawie łabędź, rak i szczupak. Siła popychająca samolot do przodu jest generowana przez silnik, do tyłu naturalna siła oporu powietrza, a w dół grawitacja. Cóż, zamiast spuszczać samolot - winda generowana przez przepływ powietrza z powodu opływu skrzydła.
Standardowa atmosfera
Stan powietrza, jego temperatura i ciśnienie mogą się znacznie różnić w różnych częściach powierzchni ziemi. W związku z tym wszystkie cechy samolotu będą się różnić również podczas lotu w tym czy innym miejscu. Dlatego też dla wygody i sprowadzenia wszystkich cech i obliczeń do wspólnego mianownika uzgodniliśmy zdefiniowanie tzw. atmosfery standardowej o następujących głównych parametrach: ciśnienie 760 mm Hg n.p.m., gęstość powietrza 1,188 kg na metr sześcienny, prędkość dźwięk 340,17 metrów na sekundę, temperatura +15 ℃. Wraz ze wzrostem wysokości parametry te zmieniają się. Istnieją specjalne tabele, które ujawniają wartości parametrów dla różnych wysokości. Wszystkie obliczenia aerodynamiczne, a także wyznaczanie charakterystyk osiągów statku powietrznego są przeprowadzane za pomocą tych wskaźników.
Najprostsza zasada tworzenia windy
Jeśli w nadchodzącym strumieniu powietrzaaby położyć płaski przedmiot, na przykład wystawiając dłoń z szyby jadącego samochodu, można poczuć tę siłę, jak mówią, „na palcach”. Przy obracaniu dłoni pod niewielkim kątem w stosunku do przepływu powietrza od razu wyczuwa się, że oprócz oporu powietrza pojawiła się inna siła ciągnąca w górę lub w dół, w zależności od kierunku kąta obrotu. Kąt między płaszczyzną ciała (w tym przypadku dłońmi) a kierunkiem przepływu powietrza nazywany jest kątem natarcia. Kontrolując kąt natarcia, możesz sterować windą. Widać, że wraz ze wzrostem kąta natarcia siła wypychająca dłoń do góry będzie się zwiększać, ale do pewnego momentu. A kiedy osiągnie kąt bliski 70-90 stopni, całkowicie zniknie.
Skrzydło samolotu
Główną powierzchnią nośną, która tworzy siłę nośną, jest skrzydło samolotu. Profil skrzydła jest zwykle zakrzywiony w kształcie łzy, jak pokazano.
Gdy powietrze opływa skrzydło, prędkość powietrza przepływającego wzdłuż górnej części skrzydła przekracza prędkość dolnego przepływu. W tym przypadku statyczne ciśnienie powietrza na górze staje się niższe niż pod skrzydłem. Różnica ciśnień wypycha skrzydło do góry, tworząc siłę nośną. Dlatego, aby zapewnić różnicę ciśnień, wszystkie profile skrzydeł są wykonane asymetrycznie. Dla skrzydła o symetrycznym profilu przy zerowym kącie natarcia siła nośna w locie poziomym wynosi zero. Przy takim skrzydle jedynym sposobem na jego stworzenie jest zmiana kąta natarcia. Jest jeszcze jeden składnik siły podnoszenia - indukcyjny. jestpowstaje w wyniku pochylenia przepływu powietrza w dół przez zakrzywioną dolną powierzchnię skrzydła, co w naturalny sposób skutkuje skierowaną do góry siłą działającą na skrzydło.
Obliczenia
Wzór na obliczenie siły nośnej skrzydła samolotu jest następujący:
Y=CyS(PV 2)/2
Gdzie:
- Cy - współczynnik wzrostu.
- S - powierzchnia skrzydła.
- V - prędkość swobodnego strumienia.
- P - gęstość powietrza.
Jeśli wszystko jest jasne z gęstością powietrza, powierzchnią skrzydeł i prędkością, to współczynnik siły nośnej jest wartością uzyskaną eksperymentalnie i nie jest stałą. Różni się w zależności od profilu skrzydła, jego wydłużenia, kąta natarcia i innych wartości. Jak widać, zależności są w większości liniowe, z wyjątkiem szybkości.
Ten tajemniczy współczynnik
Współczynnik unoszenia skrzydła jest wartością niejednoznaczną. Złożone wieloetapowe obliczenia są nadal weryfikowane eksperymentalnie. Odbywa się to zwykle w tunelu aerodynamicznym. Dla każdego profilu skrzydła i dla każdego kąta natarcia jego wartość będzie inna. A ponieważ samo skrzydło nie lata, ale jest częścią samolotu, takie testy są przeprowadzane na odpowiednich zredukowanych kopiach modeli samolotów. Skrzydła rzadko są testowane osobno. Zgodnie z wynikami licznych pomiarów każdego skrzydła, możliwe jest wykreślenie zależności współczynnika od kąta natarcia, a także różne wykresy odzwierciedlające zależnośćpodnoszenie od prędkości i profilu konkretnego skrzydła, a także od uwolnionej mechanizacji skrzydła. Przykładowy wykres pokazano poniżej.
W rzeczywistości współczynnik ten charakteryzuje zdolność skrzydła do przekształcania ciśnienia napływającego powietrza na siłę nośną. Jego zwykła wartość wynosi od 0 do 2. Rekord to 6. Jak dotąd człowiek jest bardzo daleki od naturalnej doskonałości. Np. ten współczynnik dla orła, gdy podnosi się z ziemi ze złapanym susłam, osiąga wartość 14. Z powyższego wykresu widać, że wzrost kąta natarcia powoduje wzrost siły nośnej do pewnych wartości kątów. Po tym efekt jest tracony, a nawet idzie w przeciwnym kierunku.
Zatrzymanie przepływu
Jak mówią, wszystko jest dobre z umiarem. Każde skrzydło ma swój własny limit kąta natarcia. Tak zwany nadkrytyczny kąt natarcia prowadzi do przeciągnięcia na górnej powierzchni skrzydła, pozbawiając je siły nośnej. Przeciągnięcie przebiega nierównomiernie na całej powierzchni skrzydła i towarzyszą mu odpowiednie, skrajnie nieprzyjemne zjawiska, takie jak drżenie i utrata kontroli. Co dziwne, zjawisko to nie zależy w dużym stopniu od prędkości, choć też ma wpływ, ale główną przyczyną występowania przeciągnięcia jest intensywne manewrowanie, któremu towarzyszą nadkrytyczne kąty natarcia. Właśnie z tego powodu doszło do jedynej katastrofy samolotu Ił-86, kiedy to pilot chcąc "popisać się" na pustym samolocie bez pasażerów nagle zaczął się wspinać, co zakończyło się tragicznie.
Opór
W parze z windą przychodzi opór,zapobieganie poruszaniu się samolotu do przodu. Składa się z trzech elementów. Są to siła tarcia od działania powietrza na samolot, siła różnicy ciśnień w obszarach przed i za skrzydłem oraz omówiona powyżej składowa indukcyjna, ponieważ wektor jej działania jest skierowany nie tylko w górę, przyczyniając się do wzrostu siły nośnej, ale także do tyłu, będąc sojusznikiem oporu. Ponadto jednym ze składników oporu indukcyjnego jest siła powstająca w wyniku przepływu powietrza przez końce skrzydeł, powodująca przepływy wirowe zwiększające skos kierunku ruchu powietrza. Wzór na opór aerodynamiczny jest absolutnie identyczny ze wzorem na siłę nośną, z wyjątkiem współczynnika Su. Zmienia się na współczynnik Cx i jest również wyznaczany eksperymentalnie. Jego wartość rzadko przekracza jedną dziesiątą jednego.
Stosunek upuszczania do przeciągania
Stosunek siły nośnej do siły oporu to jakość aerodynamiczna. Należy tutaj wziąć pod uwagę jedną cechę. Ponieważ wzory na siłę nośną i siłę oporu, z wyjątkiem współczynników, są takie same, można założyć, że jakość aerodynamiczną samolotu jest określona przez stosunek współczynników Cy i Cx. Wykres tego stosunku dla pewnych kątów natarcia nazywany jest biegunem skrzydła. Przykład takiego wykresu pokazano poniżej.
Nowoczesne samoloty mają wartość jakości aerodynamiczną około 17-21, a szybowce - do 50. Oznacza to, że w samolocie podnoszenie skrzydeł jest w optymalnych warunkach17-21 razy większa niż siła oporu. W porównaniu z samolotem braci Wright, który uzyskał wynik 6,5, postęp w projektowaniu jest oczywisty, ale orzeł z nieszczęsnym susłem w łapach jest jeszcze daleko.
Tryby lotu
Różne tryby lotu wymagają różnych współczynników podnoszenia do przeciągania. W locie poziomym prędkość samolotu jest dość duża, a współczynnik siły nośnej, proporcjonalny do kwadratu prędkości, ma wysokie wartości. Najważniejsze jest tutaj zminimalizowanie oporu. Podczas startu, a zwłaszcza lądowania, decydującą rolę odgrywa współczynnik siły nośnej. Prędkość samolotu jest niewielka, ale wymagana jest jego stabilna pozycja w powietrzu. Idealnym rozwiązaniem tego problemu byłoby stworzenie tzw. skrzydła adaptacyjnego, które zmienia swoją krzywiznę, a nawet powierzchnię w zależności od warunków lotu, mniej więcej w taki sam sposób jak robią to ptaki. Dopóki konstruktorom się nie udało, zmianę współczynnika nośności uzyskuje się poprzez zastosowanie mechanizacji skrzydeł, która zwiększa zarówno powierzchnię, jak i krzywiznę profilu, co poprzez zwiększenie oporów znacznie zwiększa nośność. W przypadku samolotów myśliwskich zastosowano zmianę rozpiętości skrzydła. Innowacja umożliwiła zmniejszenie oporu przy dużych prędkościach i zwiększenie siły nośnej przy niskich prędkościach. Jednak ta konstrukcja okazała się zawodna i ostatnio wyprodukowano samoloty frontowe ze stałym skrzydłem. Innym sposobem na zwiększenie siły nośnej skrzydła samolotu jest dodatkowe nadmuchanie skrzydła strumieniem z silników. Zostało to wdrożone w wojskuSamoloty transportowe An-70 i A-400M, które ze względu na tę właściwość wyróżnia skrócona długość startu i lądowania.
