Σε κάθε γραφείο σχεδιασμού αεροπορίας υπάρχει μια ιστορία για μια δήλωση του επικεφαλής σχεδιαστή. Αλλάζει μόνο ο συντάκτης της δήλωσης. Και ακούγεται κάπως έτσι: «Ασχολούμαι με αεροπλάνα όλη μου τη ζωή, αλλά ακόμα δεν καταλαβαίνω πώς πετάει αυτό το κομμάτι σιδήρου!». Πράγματι, τελικά, ο πρώτος νόμος του Νεύτωνα δεν έχει ακόμη ακυρωθεί και το αεροπλάνο είναι σαφώς βαρύτερο από τον αέρα. Είναι απαραίτητο να καταλάβουμε ποια δύναμη δεν επιτρέπει σε μια μηχανή πολλών τόνων να πέσει στο έδαφος.
Μέθοδοι αεροπορικών ταξιδιών
Υπάρχουν τρεις τρόποι να ταξιδέψεις:
- Αεροστατική, όταν η ανύψωση από το έδαφος πραγματοποιείται με τη βοήθεια σώματος του οποίου το ειδικό βάρος είναι μικρότερο από την πυκνότητα του ατμοσφαιρικού αέρα. Αυτά είναι μπαλόνια, αερόπλοια, ανιχνευτές και άλλες παρόμοιες κατασκευές.
- Reactive, η οποία είναι η ωμή δύναμη ενός ρεύματος πίδακα από εύφλεκτο καύσιμο, που επιτρέπει να ξεπεραστεί η δύναμη της βαρύτητας.
- Και, τέλος, η αεροδυναμική μέθοδος δημιουργίας ανύψωσης, όταν η ατμόσφαιρα της Γης χρησιμοποιείται ως υποστηρικτική ουσία για οχήματα βαρύτερα από τον αέρα. Αεροπλάνα, ελικόπτερα, γυροπλάνα, ανεμόπτερα και, παρεμπιπτόντως, πουλιά κινούνται χρησιμοποιώντας αυτή τη συγκεκριμένη μέθοδο.
Αεροδυναμικές δυνάμεις
Ένα αεροσκάφος που κινείται στον αέρα επηρεάζεται από τέσσερις κύριες δυνάμεις πολλαπλών κατευθύνσεων. Συμβατικά, τα διανύσματα αυτών των δυνάμεων κατευθύνονται προς τα εμπρός, προς τα πίσω, προς τα κάτω και προς τα πάνω. Αυτό είναι σχεδόν ένας κύκνος, καρκίνος και τούρνα. Η δύναμη που ωθεί το αεροπλάνο προς τα εμπρός δημιουργείται από τον κινητήρα, προς τα πίσω είναι η φυσική δύναμη της αντίστασης του αέρα και προς τα κάτω είναι η βαρύτητα. Λοιπόν, αντί να αφήσετε το αεροπλάνο να πέσει - η ανύψωση που δημιουργείται από τη ροή του αέρα λόγω της ροής γύρω από το φτερό.
Τυπική ατμόσφαιρα
Η κατάσταση του αέρα, η θερμοκρασία και η πίεσή του μπορεί να διαφέρουν σημαντικά σε διαφορετικά μέρη της επιφάνειας της γης. Κατά συνέπεια, όλα τα χαρακτηριστικά των αεροσκαφών θα διαφέρουν επίσης όταν πετούν σε ένα ή άλλο μέρος. Επομένως, για ευκολία και για να φέρουμε όλα τα χαρακτηριστικά και τους υπολογισμούς σε έναν κοινό παρονομαστή, συμφωνήσαμε να ορίσουμε τη λεγόμενη τυπική ατμόσφαιρα με τις ακόλουθες κύριες παραμέτρους: πίεση 760 mm Hg πάνω από την επιφάνεια της θάλασσας, πυκνότητα αέρα 1,188 kg ανά κυβικό μέτρο, ταχύτητα ήχος 340,17 μέτρα ανά δευτερόλεπτο, θερμοκρασία +15 ℃. Καθώς το υψόμετρο αυξάνεται, αυτές οι παράμετροι αλλάζουν. Υπάρχουν ειδικοί πίνακες που αποκαλύπτουν τις τιμές των παραμέτρων για διαφορετικά ύψη. Όλοι οι αεροδυναμικοί υπολογισμοί, καθώς και ο προσδιορισμός των χαρακτηριστικών επιδόσεων του αεροσκάφους, πραγματοποιούνται χρησιμοποιώντας αυτούς τους δείκτες.
Η απλούστερη αρχή δημιουργίας ανελκυστήρα
Εάν στην επερχόμενη ροή αέραγια να τοποθετήσετε ένα επίπεδο αντικείμενο, για παράδειγμα, κολλώντας την παλάμη του χεριού σας έξω από το παράθυρο ενός κινούμενου αυτοκινήτου, μπορείτε να νιώσετε αυτή τη δύναμη, όπως λένε, "στα δάχτυλά σας". Όταν περιστρέφετε την παλάμη σε μια μικρή γωνία σε σχέση με τη ροή του αέρα, γίνεται αμέσως αισθητό ότι εκτός από την αντίσταση του αέρα, έχει εμφανιστεί μια άλλη δύναμη, που τραβιέται προς τα πάνω ή προς τα κάτω, ανάλογα με την κατεύθυνση της γωνίας περιστροφής. Η γωνία μεταξύ του επιπέδου του σώματος (σε αυτή την περίπτωση, των παλάμων) και της κατεύθυνσης της ροής του αέρα ονομάζεται γωνία προσβολής. Ελέγχοντας τη γωνία επίθεσης, μπορείτε να ελέγξετε την ανύψωση. Μπορεί εύκολα να φανεί ότι με την αύξηση της γωνίας προσβολής, η δύναμη που ωθεί την παλάμη προς τα πάνω θα αυξηθεί, αλλά μέχρι ένα ορισμένο σημείο. Και όταν φτάσει σε γωνία κοντά στις 70-90 μοίρες, θα εξαφανιστεί τελείως.
Πτέρυγα αεροσκάφους
Η κύρια επιφάνεια έδρασης που δημιουργεί ανύψωση είναι το φτερό του αεροσκάφους. Το προφίλ του φτερού έχει συνήθως καμπύλο σχήμα δακρύου όπως φαίνεται.
Όταν ο αέρας ρέει γύρω από το φτερό, η ταχύτητα του αέρα που διέρχεται κατά μήκος του πάνω μέρους του πτερυγίου υπερβαίνει την ταχύτητα της κάτω ροής. Σε αυτή την περίπτωση, η στατική πίεση αέρα στο επάνω μέρος γίνεται χαμηλότερη από ό,τι κάτω από το φτερό. Η διαφορά πίεσης ωθεί το φτερό προς τα πάνω, δημιουργώντας ανύψωση. Επομένως, για να εξασφαλιστεί η διαφορά πίεσης, όλα τα προφίλ φτερών γίνονται ασύμμετρα. Για ένα φτερό με συμμετρικό προφίλ σε μηδενική γωνία προσβολής, η ανύψωση σε επίπεδο πτήσης είναι μηδέν. Με ένα τέτοιο φτερό, ο μόνος τρόπος για να το δημιουργήσετε είναι να αλλάξετε τη γωνία επίθεσης. Υπάρχει ένα άλλο στοιχείο της ανυψωτικής δύναμης - επαγωγική. Αυτή είναισχηματίζεται λόγω της προς τα κάτω κλίσης της ροής του αέρα από την καμπύλη κάτω επιφάνεια του πτερυγίου, η οποία έχει φυσικά ως αποτέλεσμα μια προς τα πάνω αντίστροφη δύναμη που ασκείται στο φτερό.
Υπολογισμός
Ο τύπος για τον υπολογισμό της δύναμης ανύψωσης ενός πτερυγίου αεροσκάφους είναι ο εξής:
Y=CyS(PV 2)/2
Πού:
- Cy - συντελεστής ανύψωσης.
- S - περιοχή πτέρυγας.
- V - ελεύθερη ταχύτητα ροής.
- P - πυκνότητα αέρα.
Αν όλα είναι καθαρά με την πυκνότητα του αέρα, την περιοχή των φτερών και την ταχύτητα, τότε ο συντελεστής ανύψωσης είναι μια τιμή που λαμβάνεται πειραματικά και δεν είναι σταθερή. Διαφέρει ανάλογα με το προφίλ της πτέρυγας, την αναλογία διαστάσεων, τη γωνία επίθεσης και άλλες τιμές. Όπως μπορείτε να δείτε, οι εξαρτήσεις είναι κυρίως γραμμικές, εκτός από την ταχύτητα.
Αυτός ο μυστηριώδης συντελεστής
Ο συντελεστής ανύψωσης φτερού είναι μια διφορούμενη τιμή. Πολύπλοκοι υπολογισμοί πολλαπλών σταδίων εξακολουθούν να επαληθεύονται πειραματικά. Αυτό γίνεται συνήθως σε αεροδυναμική σήραγγα. Για κάθε προφίλ πτέρυγας και για κάθε γωνία επίθεσης, η τιμή του θα είναι διαφορετική. Και δεδομένου ότι το ίδιο το φτερό δεν πετά, αλλά είναι μέρος του αεροσκάφους, τέτοιες δοκιμές πραγματοποιούνται στα αντίστοιχα μειωμένα αντίγραφα μοντέλων αεροσκαφών. Τα φτερά σπάνια δοκιμάζονται χωριστά. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα πολυάριθμων μετρήσεων κάθε συγκεκριμένης πτέρυγας, είναι δυνατόν να γραφτεί η εξάρτηση του συντελεστή από τη γωνία προσβολής, καθώς και διάφορα γραφήματα που αντικατοπτρίζουν την εξάρτησηανύψωση από την ταχύτητα και το προφίλ μιας συγκεκριμένης πτέρυγας, καθώς και από την απελευθερωμένη μηχανοποίηση της πτέρυγας. Ένα δείγμα γραφήματος φαίνεται παρακάτω.
Στην πραγματικότητα, αυτός ο συντελεστής χαρακτηρίζει την ικανότητα του πτερυγίου να μετατρέπει την πίεση του εισερχόμενου αέρα σε ανύψωση. Η συνήθης τιμή του είναι από 0 έως 2. Το ρεκόρ είναι 6. Μέχρι στιγμής, ένα άτομο απέχει πολύ από τη φυσική τελειότητα. Για παράδειγμα, αυτός ο συντελεστής για έναν αετό, όταν σηκώνεται από το έδαφος με ένα πιασμένο γοφάρι, φτάνει την τιμή του 14. Είναι προφανές από το παραπάνω γράφημα ότι μια αύξηση στη γωνία προσβολής προκαλεί αύξηση της ανύψωσης σε ορισμένες τιμές γωνίας. Μετά από αυτό, το αποτέλεσμα χάνεται και πηγαίνει ακόμη και προς την αντίθετη κατεύθυνση.
Διακοπή ροής
Όπως λένε, όλα είναι καλά με μέτρο. Κάθε πτέρυγα έχει το δικό της όριο ως προς τη γωνία επίθεσης. Η λεγόμενη υπερκρίσιμη γωνία προσβολής οδηγεί σε στάβλο στην επάνω επιφάνεια της πτέρυγας, στερώντας της την ανύψωση. Το στάβλο εμφανίζεται ανομοιόμορφα σε όλη την περιοχή της πτέρυγας και συνοδεύεται από αντίστοιχα, εξαιρετικά δυσάρεστα φαινόμενα όπως τράνταγμα και απώλεια ελέγχου. Παραδόξως, αυτό το φαινόμενο δεν εξαρτάται πολύ από την ταχύτητα, αν και επηρεάζει επίσης, αλλά ο κύριος λόγος για την εμφάνιση στασιμότητας είναι οι εντατικοί ελιγμοί, που συνοδεύονται από υπερκρίσιμες γωνίες επίθεσης. Εξαιτίας αυτού συνέβη η μοναδική συντριβή του αεροσκάφους Il-86, όταν ο πιλότος, θέλοντας να «επιδειχθεί» σε ένα άδειο αεροπλάνο χωρίς επιβάτες, άρχισε απότομα να σκαρφαλώνει, το οποίο κατέληξε τραγικά.
Αντίσταση
Χέρι-χέρι με την ανύψωση έρχεται σύρσιμο,εμποδίζοντας το αεροσκάφος να κινηθεί προς τα εμπρός. Αποτελείται από τρία στοιχεία. Αυτές είναι η δύναμη τριβής που οφείλεται στην επίδραση του αέρα στο αεροσκάφος, η δύναμη λόγω της διαφοράς πίεσης στις περιοχές μπροστά από το φτερό και πίσω από το φτερό και το επαγωγικό στοιχείο που συζητήθηκε παραπάνω, καθώς το διάνυσμα της δράσης του κατευθύνεται όχι μόνο προς τα πάνω, συμβάλλοντας σε αύξηση της ανύψωσης, αλλά και πίσω, όντας σύμμαχος της αντίστασης. Επιπλέον, ένα από τα συστατικά της επαγωγικής αντίστασης είναι η δύναμη που συμβαίνει λόγω της ροής του αέρα μέσω των άκρων του πτερυγίου, προκαλώντας ροές δίνης που αυξάνουν τη λοξότμηση της κατεύθυνσης της κίνησης του αέρα. Ο τύπος αεροδυναμικής αντίστασης είναι απολύτως πανομοιότυπος με τον τύπο της δύναμης ανύψωσης, εκτός από τον συντελεστή Su. Αλλάζει στον συντελεστή Cx και προσδιορίζεται επίσης πειραματικά. Η τιμή του σπάνια υπερβαίνει το ένα δέκατο του ενός.
Αναλογία πτώσης προς μεταφορά
Ο λόγος της ανύψωσης προς τη δύναμη έλξης ονομάζεται αεροδυναμική ποιότητα. Εδώ πρέπει να ληφθεί υπόψη ένα χαρακτηριστικό. Δεδομένου ότι οι τύποι για τη δύναμη ανύψωσης και τη δύναμη έλξης, εκτός από τους συντελεστές, είναι οι ίδιοι, μπορεί να υποτεθεί ότι η αεροδυναμική ποιότητα του αεροσκάφους καθορίζεται από την αναλογία των συντελεστών Cy και Cx. Η γραφική παράσταση αυτής της αναλογίας για ορισμένες γωνίες προσβολής ονομάζεται πολική πτέρυγα. Ένα παράδειγμα τέτοιου γραφήματος φαίνεται παρακάτω.
Τα σύγχρονα αεροσκάφη έχουν αεροδυναμική τιμή ποιότητας περίπου 17-21, και τα ανεμόπτερα - έως 50. Αυτό σημαίνει ότι στο αεροσκάφος η ανύψωση πτερυγίων βρίσκεται σε βέλτιστες συνθήκες17-21 φορές μεγαλύτερη από τη δύναμη αντίστασης. Σε σύγκριση με το αεροπλάνο των αδερφών Ράιτ, που βαθμολογείται με 6,5, η σχεδιαστική πρόοδος είναι εμφανής, αλλά ο αετός με το άτυχο γοφάρι στα πόδια του είναι ακόμα πολύ μακριά.
Τρόποι πτήσης
Οι διαφορετικές λειτουργίες πτήσης απαιτούν διαφορετική αναλογία ανύψωσης προς έλξη. Σε πτήση επιπέδου πλεύσης, η ταχύτητα του αεροσκάφους είναι αρκετά υψηλή και ο συντελεστής ανύψωσης, ανάλογος του τετραγώνου της ταχύτητας, είναι σε υψηλές τιμές. Το κύριο πράγμα εδώ είναι να ελαχιστοποιήσετε την αντίσταση. Κατά την απογείωση και ιδιαίτερα την προσγείωση, ο συντελεστής ανύψωσης παίζει καθοριστικό ρόλο. Η ταχύτητα του αεροσκάφους είναι χαμηλή, αλλά απαιτείται η σταθερή του θέση στον αέρα. Μια ιδανική λύση σε αυτό το πρόβλημα θα ήταν η δημιουργία μιας λεγόμενης προσαρμοστικής πτέρυγας, η οποία αλλάζει την καμπυλότητα και την ομοιόμορφη περιοχή της ανάλογα με τις συνθήκες πτήσης, περίπου με τον ίδιο τρόπο που κάνουν τα πουλιά. Μέχρι να τα καταφέρουν οι σχεδιαστές, η αλλαγή του συντελεστή ανύψωσης επιτυγχάνεται με τη χρήση μηχανισμού πτερυγίων, η οποία αυξάνει τόσο την περιοχή όσο και την καμπυλότητα του προφίλ, η οποία αυξάνοντας την αντίσταση αυξάνει σημαντικά την ανύψωση. Για τα μαχητικά αεροσκάφη χρησιμοποιήθηκε αλλαγή στο σκούπισμα της πτέρυγας. Η καινοτομία κατέστησε δυνατή τη μείωση της αντίστασης σε υψηλές ταχύτητες και την αύξηση της ανύψωσης σε χαμηλές ταχύτητες. Ωστόσο, αυτός ο σχεδιασμός αποδείχθηκε αναξιόπιστος και πρόσφατα κατασκευάστηκαν αεροσκάφη πρώτης γραμμής με σταθερή πτέρυγα. Ένας άλλος τρόπος για να αυξήσετε τη δύναμη ανύψωσης ενός πτερυγίου αεροσκάφους είναι να φυσήξετε επιπλέον το φτερό με ροή από τους κινητήρες. Αυτό έχει εφαρμοστεί στον στρατόΜεταφορικά αεροσκάφη An-70 και A-400M, τα οποία, λόγω αυτής της ιδιότητάς τους, διακρίνονται από συντομευμένες αποστάσεις απογείωσης και προσγείωσης.
