Liftarea aripii aeronavei: formulă

Cuprins:

Liftarea aripii aeronavei: formulă
Liftarea aripii aeronavei: formulă
Anonim

În fiecare birou de design de aviație există o poveste despre o declarație a designerului șef. Se schimbă doar autorul declarației. Și sună așa: „Toată viața am avut de-a face cu avioane, dar încă nu înțeleg cum zboară această bucată de fier!”. Într-adevăr, până la urmă, prima lege a lui Newton nu a fost încă anulată, iar avionul este în mod clar mai greu decât aerul. Este necesar să ne dăm seama ce forță nu permite ca o mașină de mai multe tone să cadă la pământ.

Metode de călătorie cu avionul

Există trei moduri de a călători:

  1. Aerostatic, la ridicarea de pe sol se realizează cu ajutorul unui corp a cărui greutate specifică este mai mică decât densitatea aerului atmosferic. Acestea sunt baloane, dirijabile, sonde și alte structuri similare.
  2. Reactiv, care este forța brută a unui curent cu jet din combustibil combustibil, care permite depășirea forței gravitaționale.
  3. Și, în sfârșit, metoda aerodinamică de a crea portanță, când atmosfera Pământului este folosită ca substanță de susținere pentru vehiculele mai grele decât aerul. Avioane, elicoptere, autogire, planoare și, apropo, păsările se deplasează folosind această metodă specială.
sistemfluxul aripii aeronavei
sistemfluxul aripii aeronavei

Forțe aerodinamice

O aeronavă care se deplasează prin aer este afectată de patru forțe multidirecționale principale. În mod convențional, vectorii acestor forțe sunt direcționați înainte, înapoi, în jos și în sus. Este aproape o lebădă, cancer și știucă. Forța care împinge avionul înainte este generată de motor, înapoi este forța naturală a rezistenței aerului, iar în jos este gravitația. Ei bine, în loc să lăsați avionul să cadă - portanța generată de fluxul de aer datorită fluxului din jurul aripii.

forte care actioneaza asupra aripii
forte care actioneaza asupra aripii

Atmosfera standard

Starea aerului, temperatura și presiunea acestuia pot varia semnificativ în diferite părți ale suprafeței pământului. În consecință, toate caracteristicile aeronavei vor diferi și atunci când zboară într-un loc sau altul. Prin urmare, pentru comoditate și pentru a aduce toate caracteristicile și calculele la un numitor comun, am convenit să definim așa-numita atmosferă standard cu următorii parametri principali: presiunea 760 mm Hg deasupra nivelului mării, densitatea aerului 1,188 kg pe metru cub, viteza de sunet 340,17 metri pe secundă, temperatură +15 ℃. Pe măsură ce altitudinea crește, acești parametri se schimbă. Există tabele speciale care dezvăluie valorile parametrilor pentru diferite înălțimi. Toate calculele aerodinamice, precum și determinarea caracteristicilor de performanță a aeronavei, sunt efectuate folosind acești indicatori.

planor în zbor
planor în zbor

Cel mai simplu principiu al creării liftului

Dacă în fluxul de aer care se apropiepentru a plasa un obiect plat, de exemplu, scoțând palma pe geamul unei mașini în mișcare, poți simți această forță, așa cum se spune, „pe degete”. La întoarcerea palmei la un unghi mic în raport cu fluxul de aer, se simte imediat că, pe lângă rezistența aerului, a apărut o altă forță, trăgând în sus sau în jos, în funcție de direcția unghiului de rotație. Unghiul dintre planul corpului (în acest caz, palmele) și direcția fluxului de aer se numește unghi de atac. Controlând unghiul de atac, puteți controla liftul. Se poate observa cu ușurință că odată cu creșterea unghiului de atac, forța care împinge palma în sus va crește, dar până la un anumit punct. Și când ajunge la un unghi apropiat de 70-90 de grade, va dispărea cu totul.

Aripa aeronavei

Suprafața principală de sprijin care creează portanță este aripa aeronavei. Profilul aripii este de obicei curbat în formă de lacrimă, așa cum se arată.

profilul aripii
profilul aripii

Când aerul curge în jurul aripii, viteza aerului care trece de-a lungul părții superioare a aripii depășește viteza fluxului inferior. În acest caz, presiunea statică a aerului în partea de sus devine mai mică decât sub aripă. Diferența de presiune împinge aripa în sus, creând portanță. Prin urmare, pentru a asigura diferența de presiune, toate profilele aripilor sunt realizate asimetrice. Pentru o aripă cu profil simetric la unghi zero de atac, portanța în zbor la nivel este zero. Cu o astfel de aripă, singura modalitate de a o crea este schimbarea unghiului de atac. Există o altă componentă a forței de ridicare - inductivă. Ea estese formează din cauza înclinării în jos a fluxului de aer de către suprafața curbată a aripii, ceea ce are ca rezultat în mod natural o forță inversă ascendentă care acționează asupra aripii.

Epurarea aeronavei
Epurarea aeronavei

Calcul

Formula pentru calcularea forței de susținere a unei aripi de avion este următoarea:

Y=CyS(PV 2)/2

Unde:

  • Cy - coeficient de ridicare.
  • S - zona aripii.
  • V - viteza fluxului gratuit.
  • P - densitatea aerului.

Dacă totul este clar cu densitatea aerului, aria aripii și viteza, atunci coeficientul de portanță este o valoare obținută experimental și nu este o constantă. Acesta variază în funcție de profilul aripii, raportul său de aspect, unghiul de atac și alte valori. După cum puteți vedea, dependențele sunt în mare parte liniare, cu excepția vitezei.

Acest coeficient misterios

Coeficientul de ridicare a aripii este o valoare ambiguă. Calculele complexe în mai multe etape sunt încă verificate experimental. Acest lucru se face de obicei într-un tunel de vânt. Pentru fiecare profil de aripă și pentru fiecare unghi de atac, valoarea acestuia va fi diferită. Și, deoarece aripa în sine nu zboară, ci face parte din aeronave, astfel de teste sunt efectuate pe copiile reduse corespunzătoare ale modelelor de aeronave. Aripile sunt rareori testate separat. Conform rezultatelor numeroaselor măsurători ale fiecărei aripi particulare, este posibil să se reprezinte grafică dependența coeficientului de unghiul de atac, precum și diferite grafice care reflectă dependențaportare din viteza și profilul unei anumite aripi, precum și din mecanizarea eliberată a aripii. Un exemplu de diagramă este afișat mai jos.

dependenta de unghiul de atac
dependenta de unghiul de atac

De fapt, acest coeficient caracterizează capacitatea aripii de a converti presiunea aerului care intră în portanță. Valoarea sa obișnuită este de la 0 la 2. Recordul este 6. Până acum, o persoană este foarte departe de perfecțiunea naturală. De exemplu, acest coeficient pentru un vultur, atunci când se ridică de la sol cu un gopher prins, ajunge la o valoare de 14. Din graficul de mai sus este evident că o creștere a unghiului de atac determină o creștere a portanței până la anumite valori ale unghiului.. După aceea, efectul se pierde și chiar merge în direcția opusă.

Flux blocaj

După cum se spune, totul este bine cu moderație. Fiecare aripă are propria sa limită în ceea ce privește unghiul de atac. Așa-numitul unghi de atac supercritic duce la o blocare pe suprafața superioară a aripii, privând-o de portanță. Blocarea are loc neuniform pe întreaga zonă a aripii și este însoțită de fenomene corespunzătoare, extrem de neplăcute, cum ar fi tremuratul și pierderea controlului. În mod ciudat, acest fenomen nu depinde foarte mult de viteză, deși afectează și el, dar principalul motiv pentru apariția blocării este manevra intensivă, însoțită de unghiuri de atac supercritice. Din această cauză s-a produs singurul prăbușire al aeronavei Il-86, când pilotul, dorind să se „fadă” într-un avion gol, fără pasageri, a început brusc să urce, ceea ce s-a încheiat tragic.

Rezistență

Mâna în mână cu liftul vine tragerea,împiedicând aeronava să înainteze. Este format din trei elemente. Acestea sunt forța de frecare datorată efectului aerului asupra aeronavei, forța datorată diferenței de presiune în zonele din fața aripii și din spatele aripii și componenta inductivă discutată mai sus, deoarece vectorul acțiunii sale este direcționat. nu doar în sus, contribuind la creșterea portanței, ci și înapoi, fiind un aliat al rezistenței. În plus, una dintre componentele rezistenței inductive este forța care apare din cauza fluxului de aer prin capetele aripii, provocând fluxuri de vortex care măresc teșirea direcției de mișcare a aerului. Formula de rezistență aerodinamică este absolut identică cu formula forței de ridicare, cu excepția coeficientului Su. Se modifică în coeficientul Cx și este, de asemenea, determinat experimental. Valoarea sa depășește rareori o zecime de unu.

Raport de plasare la glisare

Raportul dintre forța de ridicare și rezistență se numește calitate aerodinamică. Aici trebuie luată în considerare o caracteristică. Deoarece formulele pentru forța de susținere și forța de rezistență, cu excepția coeficienților, sunt aceleași, se poate presupune că calitatea aerodinamică a aeronavei este determinată de raportul dintre coeficienții Cy și Cx. Graficul acestui raport pentru anumite unghiuri de atac se numește polara aripii. Un exemplu de astfel de diagramă este prezentat mai jos.

aripă polară
aripă polară

Avioanele moderne au o valoare a calității aerodinamice în jur de 17-21, iar planoarele - până la 50. Aceasta înseamnă că la aeronave portabilitatea aripii este în condiții optimede 17-21 de ori mai mare decât forța de rezistență. În comparație cu avionul fraților Wright, care are nota 6,5, progresul în proiectare este evident, dar vulturul cu nefericitul gopher în labe este încă departe.

Moduri de zbor

Diferitele moduri de zbor necesită un raport de ridicare/glisare diferit. În zborul la nivel de croazieră, viteza aeronavei este destul de mare, iar coeficientul de portanță, proporțional cu pătratul vitezei, este la valori mari. Principalul lucru aici este să minimizezi rezistența. În timpul decolării și mai ales aterizării, coeficientul de portanță joacă un rol decisiv. Viteza aeronavei este mică, dar este necesară poziția sa stabilă în aer. O soluție ideală la această problemă ar fi crearea unei așa-numite aripi adaptive, care își modifică curbura și chiar aria în funcție de condițiile de zbor, aproximativ în același mod ca și păsările. Până când proiectanții au reușit, modificarea coeficientului de portanță se realizează prin utilizarea mecanizării aripii, care mărește atât aria cât și curbura profilului, care, prin creșterea rezistenței, crește semnificativ portanța. Pentru avioanele de vânătoare, a fost utilizată o modificare a întinderii aripii. Inovația a făcut posibilă reducerea rezistenței la viteze mari și creșterea portanței la viteze mici. Cu toate acestea, acest design s-a dovedit a fi nefiabil, iar recent avioanele din prima linie au fost fabricate cu o aripă fixă. O altă modalitate de a crește forța de ridicare a unei aripi de avion este să suflați suplimentar aripa cu un flux de la motoare. Acest lucru a fost implementat în armatăAeronavele de transport An-70 și A-400M, care, datorită acestei proprietăți, se disting prin distanțe scurte de decolare și aterizare.

Recomandat: