Αυτή η δύναμη οπισθέλκουσας εμφανίζεται στα αεροπλάνα λόγω των πτερυγίων ή ενός σώματος ανυψωτικού που ανακατευθύνει τον αέρα για να προκαλέσει ανύψωση και σε αυτοκίνητα με πτερύγια αεροτομής που ανακατευθύνουν τον αέρα για να προκαλέσουν κάθετη δύναμη. Ο Samuel Langley παρατήρησε ότι οι πιο επίπεδες πλάκες με υψηλότερο λόγο διαστάσεων είχαν υψηλότερη ανύψωση και χαμηλότερη αντίσταση και εισήχθησαν το 1902. Χωρίς την εφεύρεση της αεροδυναμικής ποιότητας του αεροσκάφους, ο σύγχρονος σχεδιασμός αεροσκαφών θα ήταν αδύνατος.
Ανύψωση και μετακίνηση
Η συνολική αεροδυναμική δύναμη που ασκείται σε ένα σώμα θεωρείται συνήθως ότι αποτελείται από δύο στοιχεία: ανύψωση και μετατόπιση. Εξ ορισμού, η συνιστώσα δύναμης παράλληλη προς την αντίθετη ροή ονομάζεται μετατόπιση, ενώ η συνιστώσα κάθετη στην αντίθετη ροή ονομάζεται ανύψωση.
Αυτά τα βασικά στοιχεία της αεροδυναμικής έχουν μεγάλη σημασία για την ανάλυση της αεροδυναμικής ποιότητας του πτερυγίου. Η ανύψωση παράγεται αλλάζοντας την κατεύθυνση ροής γύρω από το φτερό. ΑλλαγήΗ κατεύθυνση οδηγεί σε αλλαγή της ταχύτητας (ακόμα και αν δεν υπάρχει αλλαγή στην ταχύτητα, όπως φαίνεται στην ομοιόμορφη κυκλική κίνηση), που είναι η επιτάχυνση. Επομένως, για να αλλάξει η κατεύθυνση της ροής, απαιτείται να ασκηθεί δύναμη στο ρευστό. Αυτό είναι ξεκάθαρα ορατό σε οποιοδήποτε αεροσκάφος, απλά κοιτάξτε τη σχηματική αναπαράσταση της αεροδυναμικής ποιότητας του An-2.
Αλλά δεν είναι όλα τόσο απλά. Συνεχίζοντας το θέμα της αεροδυναμικής ποιότητας ενός πτερυγίου, αξίζει να σημειωθεί ότι η δημιουργία ανύψωσης αέρα κάτω από αυτό είναι σε υψηλότερη πίεση από την πίεση αέρα πάνω από αυτό. Σε ένα πτερύγιο πεπερασμένου ανοίγματος, αυτή η διαφορά πίεσης αναγκάζει τον αέρα να ρέει από τη ρίζα του πτερυγίου της κάτω επιφάνειας στη βάση της άνω επιφάνειάς του. Αυτή η ιπτάμενη ροή αέρα συνδυάζεται με τον ρέοντα αέρα για να προκαλέσει μια αλλαγή στην ταχύτητα και την κατεύθυνση που περιστρέφει τη ροή του αέρα και δημιουργεί δίνες κατά μήκος της ακμής του πτερυγίου. Οι δίνες που δημιουργούνται είναι ασταθείς, συνδυάζονται γρήγορα για να δημιουργήσουν δίνες φτερών. Οι δίνες που προκύπτουν αλλάζουν την ταχύτητα και την κατεύθυνση της ροής του αέρα πίσω από το πίσω άκρο, εκτρέποντάς το προς τα κάτω και προκαλώντας έτσι ένα πτερύγιο πίσω από το φτερό. Από αυτή την άποψη, για παράδειγμα, το αεροσκάφος MS-21 έχει υψηλό επίπεδο αναλογίας ανύψωσης προς έλξη.
Έλεγχος ροής αέρα
Οι δίνες με τη σειρά τους αλλάζουν τη ροή του αέρα γύρω από το φτερό, μειώνοντας την ικανότητα του πτερυγίου να δημιουργεί ανύψωση, επομένως απαιτεί μεγαλύτερη γωνία επίθεσης για την ίδια ανύψωση, η οποία κλίνει τη συνολική αεροδυναμική δύναμη προς τα πίσω και αυξάνει τη συνιστώσα οπισθέλκουσας αυτή η δύναμη. Η γωνιακή απόκλιση είναι αμελητέαεπηρεάζει την ανύψωση. Ωστόσο, υπάρχει μια αύξηση στην οπισθέλκουσα ίση με το γινόμενο της ανύψωσης και τη γωνία λόγω της οποίας αποκλίνει. Δεδομένου ότι η εκτροπή είναι η ίδια συνάρτηση της ανύψωσης, η πρόσθετη οπισθέλκουσα είναι ανάλογη με τη γωνία ανόδου, η οποία φαίνεται ξεκάθαρα στην αεροδυναμική του A320.
Ιστορικά παραδείγματα
Ένα ορθογώνιο πλανητικό φτερό δημιουργεί περισσότερες δονήσεις στροβιλισμού από ένα κωνικό ή ελλειπτικό φτερό, γι' αυτό πολλά σύγχρονα φτερά είναι κωνικά για να βελτιώσουν την αναλογία ανύψωσης προς έλξη. Ωστόσο, το ελλειπτικό πλαίσιο είναι πιο αποτελεσματικό καθώς η επαγόμενη πλύση (και επομένως η αποτελεσματική γωνία προσβολής) είναι σταθερή σε όλο το άνοιγμα των φτερών. Λόγω των κατασκευαστικών επιπλοκών, λίγα αεροσκάφη έχουν αυτήν την κάτοψη, τα πιο διάσημα παραδείγματα είναι το Spitfire του Β 'Παγκοσμίου Πολέμου και το Thunderbolt. Τα κωνικά φτερά με ευθείες μπροστινές και πίσω άκρες μπορούν να προσεγγίσουν μια ελλειπτική κατανομή ανύψωσης. Κατά γενικό κανόνα, τα ίσια, μη κωνικά φτερά παράγουν 5% και τα κωνικά φτερά παράγουν 1-2% περισσότερη επαγόμενη αντίσταση από ένα ελλειπτικό πτερύγιο. Επομένως, έχουν καλύτερη αεροδυναμική ποιότητα.
Αναλογικότητα
Ένα πτερύγιο με υψηλό λόγο διαστάσεων θα παράγει λιγότερη επαγόμενη οπισθέλκουσα από ένα πτερύγιο με χαμηλό λόγο διαστάσεων, επειδή υπάρχει λιγότερη διαταραχή αέρα στην άκρη ενός μακρύτερου, λεπτότερου πτερυγίου. Επομένως, η επαγόμενηΗ αντίσταση μπορεί να είναι αντιστρόφως ανάλογη της αναλογικότητας, όσο παράδοξο κι αν ακούγεται. Η κατανομή ανύψωσης μπορεί επίσης να αλλάξει με πλύσιμο, περιστροφή του πτερυγίου για να μειωθεί η πτώση προς τα φτερά και αλλάζοντας την αεροτομή κοντά στα φτερά. Αυτό σας επιτρέπει να πλησιάζετε περισσότερο στη ρίζα του φτερού και λιγότερο στο φτερό, γεγονός που οδηγεί σε μείωση της αντοχής των στροβιλισμών των φτερών και, κατά συνέπεια, σε βελτίωση της αεροδυναμικής ποιότητας του αεροσκάφους.
Στην ιστορία του σχεδιασμού αεροσκαφών
Σε μερικά πρώιμα αεροσκάφη τα πτερύγια ήταν τοποθετημένα στις άκρες της ουράς. Τα μεταγενέστερα αεροσκάφη έχουν διαφορετικό σχήμα φτερού για να μειώσουν την ένταση των στροβίλων και να επιτύχουν τη μέγιστη αναλογία ανύψωσης προς έλξη.
Οι δεξαμενές καυσίμου με φτερωτή στέγης μπορούν επίσης να προσφέρουν κάποιο όφελος αποτρέποντας τη χαοτική ροή αέρα γύρω από το φτερό. Τώρα χρησιμοποιούνται σε πολλά αεροσκάφη. Η αεροδυναμική ποιότητα του DC-10 θεωρήθηκε επάξια επαναστατική από αυτή την άποψη. Ωστόσο, η σύγχρονη αγορά αερομεταφορών έχει αναπληρωθεί εδώ και πολύ καιρό με πολύ πιο προηγμένα μοντέλα.
Τύπος μεταφοράς για μεταφορά: εξηγείται με απλούς όρους
Για τον υπολογισμό της συνολικής αντίστασης είναι απαραίτητο να ληφθεί υπόψη η λεγόμενη παρασιτική αντίσταση. Δεδομένου ότι η επαγόμενη οπισθέλκουσα είναι αντιστρόφως ανάλογη με το τετράγωνο της ταχύτητας αέρα (σε μια δεδομένη ανύψωση), ενώ η παρασιτική οπισθέλκουσα είναι ευθέως ανάλογη με αυτήν, η συνολική καμπύλη οπισθέλκουσας δείχνει την ελάχιστη ταχύτητα. Αεροπλάνο,πετώντας με τέτοια ταχύτητα, λειτουργεί με βέλτιστες αεροδυναμικές ιδιότητες. Σύμφωνα με τις παραπάνω εξισώσεις, η ταχύτητα της ελάχιστης αντίστασης εμφανίζεται σε μια ταχύτητα στην οποία η επαγόμενη αντίσταση είναι ίση με την παρασιτική αντίσταση. Αυτή είναι η ταχύτητα με την οποία επιτυγχάνεται η βέλτιστη γωνία ολίσθησης για αεροσκάφη σε αδράνεια. Για να μην είστε αβάσιμοι, εξετάστε τον τύπο στο παράδειγμα ενός αεροσκάφους:
Η συνέχεια της φόρμουλας είναι επίσης αρκετά περίεργη (φωτογραφία παρακάτω). Πετώντας ψηλότερα, όπου ο αέρας είναι πιο αραιός, θα αυξηθεί η ταχύτητα με την οποία εμφανίζεται η ελάχιστη οπισθέλκουσα, και έτσι θα επιτρέψει ταχύτερο ταξίδι με την ίδια ποσότητα καύσιμο.
Αν ένα αεροσκάφος πετά με τη μέγιστη επιτρεπόμενη ταχύτητά του, τότε το υψόμετρο στο οποίο η πυκνότητα του αέρα θα του προσφέρει την καλύτερη αεροδυναμική ποιότητα. Το βέλτιστο ύψος στη μέγιστη ταχύτητα και η βέλτιστη ταχύτητα στο μέγιστο ύψος ενδέχεται να αλλάξουν κατά τη διάρκεια της πτήσης.
Stamina
Ταχύτητα για μέγιστη αντοχή (δηλαδή χρόνος στον αέρα) είναι η ταχύτητα για την ελάχιστη κατανάλωση καυσίμου και η μικρότερη ταχύτητα για τη μέγιστη εμβέλεια. Η κατανάλωση καυσίμου υπολογίζεται ως το γινόμενο της απαιτούμενης ισχύος και της ειδικής κατανάλωσης καυσίμου ανά κινητήρα (κατανάλωση καυσίμου ανά μονάδα ισχύος). Η απαιτούμενη ισχύς είναι ίση με το χρόνο έλξης.
Ιστορία
Η ανάπτυξη της σύγχρονης αεροδυναμικής ξεκίνησε μόλις τον XVIIαιώνες, αλλά οι αεροδυναμικές δυνάμεις έχουν χρησιμοποιηθεί από τους ανθρώπους για χιλιάδες χρόνια σε ιστιοφόρα και ανεμόμυλους, και εικόνες και ιστορίες πτήσης εμφανίζονται σε όλα τα ιστορικά έγγραφα και έργα τέχνης, όπως ο αρχαίος ελληνικός μύθος του Ίκαρου και του Δαίδαλου. Οι θεμελιώδεις έννοιες του συνεχούς, της αντίστασης και των κλίσεων πίεσης εμφανίζονται στο έργο του Αριστοτέλη και του Αρχιμήδη.
Το 1726, ο Sir Isaac Newton έγινε ο πρώτος άνθρωπος που ανέπτυξε τη θεωρία της αντίστασης του αέρα, καθιστώντας την ένα από τα πρώτα επιχειρήματα σχετικά με τις αεροδυναμικές ιδιότητες. Ο Ολλανδο-Ελβετός μαθηματικός Daniel Bernoulli έγραψε μια πραγματεία το 1738 με την ονομασία Hydrodynamica στην οποία περιέγραψε τη θεμελιώδη σχέση μεταξύ πίεσης, πυκνότητας και ταχύτητας ροής για ασυμπίεστη ροή, γνωστή σήμερα ως αρχή του Bernoulli, η οποία παρέχει μία μέθοδο για τον υπολογισμό της αεροδυναμικής ανύψωσης. Το 1757, ο Leonhard Euler δημοσίευσε τις πιο γενικές εξισώσεις Euler, οι οποίες μπορούν να εφαρμοστούν τόσο σε συμπιεστές όσο και σε ασυμπίεστες ροές. Οι εξισώσεις Euler επεκτάθηκαν για να συμπεριλάβουν τα αποτελέσματα του ιξώδους στο πρώτο μισό του 1800, δημιουργώντας τις εξισώσεις Navier-Stokes. Αεροδυναμική απόδοση/αεροδυναμική ποιότητα του πολικού ανακαλύφθηκε περίπου την ίδια εποχή.
Με βάση αυτά τα γεγονότα, καθώς και έρευνα που έγινε στη δική τους αεροδυναμική σήραγγα, οι αδελφοί Ράιτ πέταξαν το πρώτο αεροπλάνο στις 17 Δεκεμβρίου 1903.
Τύποι αεροδυναμικής
Τα αεροδυναμικά προβλήματα ταξινομούνται με βάση τις συνθήκες ροής ή τις ιδιότητες ροής, συμπεριλαμβανομένων χαρακτηριστικών όπως η ταχύτητα, η συμπιεστότητα και το ιξώδες. Τις περισσότερες φορές χωρίζονται σε δύο τύπους:
- Εξωτερική αεροδυναμική είναι η μελέτη της ροής γύρω από στερεά αντικείμενα διαφόρων σχημάτων. Παραδείγματα εξωτερικής αεροδυναμικής είναι η αξιολόγηση της ανύψωσης και της έλξης σε ένα αεροσκάφος ή τα κρουστικά κύματα που σχηματίζονται μπροστά από τη μύτη ενός πυραύλου.
- Εσωτερική αεροδυναμική είναι η μελέτη της ροής μέσω διόδων σε στερεά αντικείμενα. Για παράδειγμα, η εσωτερική αεροδυναμική καλύπτει τη μελέτη της ροής αέρα μέσω ενός κινητήρα τζετ ή μέσω μιας καμινάδας κλιματισμού.
Αεροδυναμικά προβλήματα μπορούν επίσης να ταξινομηθούν σύμφωνα με ταχύτητες ροής κάτω ή κοντά στην ταχύτητα του ήχου.
Το πρόβλημα ονομάζεται:
- υποηχητικό, εάν όλες οι ταχύτητες στο πρόβλημα είναι μικρότερες από την ταχύτητα του ήχου;
- υπερηχητικό εάν υπάρχουν ταχύτητες κάτω και πάνω από την ταχύτητα του ήχου (συνήθως όταν η χαρακτηριστική ταχύτητα είναι περίπου ίση με την ταχύτητα του ήχου),
- υπερηχητικό, όταν η χαρακτηριστική ταχύτητα ροής είναι μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου,
- υπερηχητικό, όταν η ταχύτητα ροής είναι πολύ μεγαλύτερη από την ταχύτητα του ήχου.
Οι αεροδυναμικοί διαφωνούν στον ακριβή ορισμό της υπερηχητικής ροής.
Η επίδραση του ιξώδους στη ροή υπαγορεύει μια τρίτη ταξινόμηση. Ορισμένα προβλήματα μπορεί να έχουν μόνο πολύ μικρά ιξώδη αποτελέσματα, οπότε το ιξώδες μπορεί να θεωρηθεί αμελητέο. Οι προσεγγίσεις σε αυτά τα προβλήματα ονομάζονται άγνωστεςρεύματα. Οι ροές για τις οποίες το ιξώδες δεν μπορεί να παραμεληθεί ονομάζονται ιξώδεις ροές.
συμπιεστότητα
Μια ασυμπίεστη ροή είναι μια ροή στην οποία η πυκνότητα είναι σταθερή τόσο στο χρόνο όσο και στο χώρο. Αν και όλα τα πραγματικά ρευστά είναι συμπιέσιμα, η ροή συχνά προσεγγίζεται ως ασυμπίεστη εάν η επίδραση μιας αλλαγής στην πυκνότητα προκαλεί μόνο μικρές αλλαγές στα υπολογισμένα αποτελέσματα. Αυτό είναι πιο πιθανό όταν ο ρυθμός ροής είναι πολύ χαμηλότερος από την ταχύτητα του ήχου. Τα αποτελέσματα της συμπιεστότητας είναι πιο σημαντικά σε ταχύτητες κοντά ή υψηλότερες από την ταχύτητα του ήχου. Ο αριθμός Mach χρησιμοποιείται για την αξιολόγηση της πιθανότητας ασυμπίεσης, διαφορετικά πρέπει να συμπεριληφθούν τα αποτελέσματα συμπιεστότητας.
Σύμφωνα με τη θεωρία της αεροδυναμικής, η ροή θεωρείται συμπιεστή εάν η πυκνότητα αλλάζει κατά μήκος της γραμμής ροής. Αυτό σημαίνει ότι, σε αντίθεση με μια ασυμπίεστη ροή, λαμβάνονται υπόψη οι αλλαγές στην πυκνότητα. Γενικά, αυτό συμβαίνει όταν ο αριθμός Mach μέρους ή ολόκληρης της ροής υπερβαίνει το 0,3. Η τιμή Mach του 0,3 είναι μάλλον αυθαίρετη, αλλά χρησιμοποιείται επειδή μια ροή αερίου κάτω από αυτήν την τιμή παρουσιάζει αλλαγές πυκνότητας μικρότερες από 5%. Επίσης, η μέγιστη αλλαγή πυκνότητας 5% εμφανίζεται στο σημείο στασιμότητας (το σημείο του αντικειμένου όπου η ταχύτητα ροής είναι μηδέν), ενώ η πυκνότητα γύρω από το υπόλοιπο αντικείμενο θα είναι πολύ μικρότερη. Οι υπερηχητικές, υπερηχητικές και υπερηχητικές ροές είναι όλες συμπιέσιμες.
Συμπέρασμα
Η αεροδυναμική είναι μια από τις πιο σημαντικές επιστήμες στον κόσμο σήμερα. Μας παρέχεικατασκευή ποιοτικών αεροπλάνων, πλοίων, αυτοκινήτων και κωμικών λεωφορείων. Διαδραματίζει τεράστιο ρόλο στην ανάπτυξη σύγχρονων τύπων όπλων - βαλλιστικών πυραύλων, ενισχυτών, τορπίλων και drones. Όλα αυτά θα ήταν αδύνατα αν δεν υπήρχαν οι σύγχρονες προηγμένες ιδέες αεροδυναμικής ποιότητας.
Έτσι, οι ιδέες για το θέμα του άρθρου άλλαξαν από όμορφες, αλλά αφελείς φαντασιώσεις για τον Ίκαρο, σε λειτουργικά και πραγματικά λειτουργικά αεροσκάφη που προέκυψαν στις αρχές του περασμένου αιώνα. Σήμερα δεν μπορούμε να φανταστούμε τη ζωή μας χωρίς αυτοκίνητα, πλοία και αεροσκάφη, και αυτά τα οχήματα συνεχίζουν να βελτιώνονται με νέες ανακαλύψεις στην αεροδυναμική.
Οι αεροδυναμικές ιδιότητες των ανεμοπλάνων ήταν μια πραγματική ανακάλυψη στην εποχή τους. Στην αρχή, όλες οι ανακαλύψεις σε αυτόν τον τομέα γίνονταν μέσω αφηρημένων, ενίοτε χωρισμένων από την πραγματικότητα, θεωρητικών υπολογισμών, οι οποίοι πραγματοποιήθηκαν από Γάλλους και Γερμανούς μαθηματικούς στα εργαστήριά τους. Αργότερα, όλοι οι τύποι τους χρησιμοποιήθηκαν για άλλους, πιο φανταστικούς (με τα πρότυπα του 18ου αιώνα) σκοπούς, όπως για τον υπολογισμό του ιδανικού σχήματος και της ταχύτητας των μελλοντικών αεροσκαφών. Τον 19ο αιώνα, αυτές οι συσκευές άρχισαν να κατασκευάζονται σε μεγάλες ποσότητες, ξεκινώντας από τα ανεμόπτερα και τα αερόπλοια, οι Ευρωπαίοι στράφηκαν σταδιακά στην κατασκευή αεροσκαφών. Τα τελευταία χρησιμοποιήθηκαν αρχικά αποκλειστικά για στρατιωτικούς σκοπούς. Οι άσοι του Πρώτου Παγκοσμίου Πολέμου έδειξαν πόσο σημαντικό είναι το θέμα της κυριαρχίας στον αέρα για κάθε χώρα και οι μηχανικοί του Μεσοπολέμου ανακάλυψαν ότι τέτοια αεροσκάφη είναι αποτελεσματικά όχι μόνο για τον στρατό, αλλά και για τους πολίτες.στόχους. Με την πάροδο του χρόνου, η πολιτική αεροπορία μπήκε σταθερά στη ζωή μας και σήμερα κανένα κράτος δεν μπορεί να το κάνει χωρίς αυτό.
