Această forță de tracțiune apare în avioane din cauza aripilor sau a unui corp de ridicare care redirecționează aerul pentru a determina portanța și la mașinile cu aripi aerodinamice care redirecționează aerul pentru a provoca forța aerodinamică. Samuel Langley a observat că plăcile mai plate, cu raport de aspect mai ridicat, aveau o ridicare mai mare și o rezistență mai mică și au fost introduse în 1902. Fără invenția calității aerodinamice a aeronavei, designul modern al aeronavei ar fi imposibil.
Ridicare și deplasare
Forța aerodinamică totală care acționează asupra unui corp este de obicei considerată a fi formată din două componente: portanță și deplasare. Prin definiție, componenta de forță paralelă cu contracurent se numește deplasare, în timp ce componenta perpendiculară pe contracurent se numește susținere.
Aceste elemente de bază ale aerodinamicii sunt de mare importanță pentru analiza calității aerodinamice a aripii. Portabilitatea este produsă prin schimbarea direcției de curgere în jurul aripii. Schimbaredirecția are ca rezultat o schimbare a vitezei (chiar dacă nu există nicio modificare a vitezei, așa cum se vede în mișcarea circulară uniformă), care este accelerație. Prin urmare, pentru a schimba direcția de curgere, este necesară aplicarea unei forțe asupra fluidului. Acest lucru este clar vizibil pe orice aeronavă, doar uitați-vă la reprezentarea schematică a calității aerodinamice a lui An-2.
Dar nu totul este atât de simplu. Continuând tema calității aerodinamice a unei aripi, este de remarcat faptul că crearea de suspensie a aerului sub ea este la o presiune mai mare decât presiunea aerului de deasupra ei. Pe o aripă cu deschidere finită, această diferență de presiune face ca aerul să curgă de la rădăcina aripii de suprafață inferioară la baza suprafeței sale superioare. Acest flux de aer zburător se combină cu fluxul de aer pentru a provoca o schimbare a vitezei și direcției care răsucește fluxul de aer și creează vârtejuri de-a lungul marginii de fugă a aripii. Vârtejurile create sunt instabile, se combină rapid pentru a crea vârtejuri de aripi. Vortexurile rezultate schimbă viteza și direcția fluxului de aer în spatele marginii de fugă, deviând-o în jos și provocând astfel o clapă în spatele aripii. Din acest punct de vedere, de exemplu, aeronava MS-21 are un nivel ridicat al raportului de ridicare la tracțiune.
Controlul fluxului de aer
Vortexurile, la rândul lor, modifică fluxul de aer din jurul aripii, reducând capacitatea aripii de a genera portanță, astfel încât este nevoie de un unghi de atac mai mare pentru aceeași portanță, ceea ce înclină forța aerodinamică totală înapoi și crește componenta de rezistență a rezistenței. acea forta. Deviația unghiulară este neglijabilăafectează liftul. Cu toate acestea, există o creștere a rezistenței egală cu produsul portanței și unghiul datorită căruia se abate. Deoarece deformarea este ea însăși o funcție a suspensiei, rezistența suplimentară este proporțională cu unghiul de urcare, ceea ce poate fi observat clar în aerodinamica lui A320.
Exemple istorice
O aripă planetară dreptunghiulară creează mai multe vibrații de vortex decât o aripă conică sau eliptică, motiv pentru care multe aripi moderne sunt conice pentru a îmbunătăți raportul de ridicare la tracțiune. Cu toate acestea, structura eliptică este mai eficientă, deoarece spălarea indusă (și, prin urmare, unghiul efectiv de atac) este constantă pe toată întinderea aripilor. Din cauza complicațiilor de fabricație, puține aeronave au această formă de plan, cele mai cunoscute exemple fiind Spitfire al Doilea Război Mondial și Thunderbolt. Aripile conice cu margini drepte înainte și trase se pot apropia de o distribuție eliptică. Ca regulă generală, aripile drepte, neconice produc 5%, iar aripile conice produc cu 1-2% mai multă rezistență indusă decât o aripă eliptică. Prin urmare, au o calitate aerodinamică mai bună.
Proporționalitate
O aripă cu raport de aspect ridicat va produce mai puțină rezistență indusă decât o aripă cu raport de aspect scăzut, deoarece există mai puține perturbări ale aerului la vârful unei aripi mai lungi și mai subțiri. Prin urmare, cel indusrezistența poate fi invers proporțională cu proporționalitatea, indiferent cât de paradoxală ar suna. Distribuția de ridicare poate fi modificată și prin spălare, răsucire a aripii pentru a reduce căderea către aripi și prin schimbarea profilului aerodinamic lângă aripi. Acest lucru vă permite să obțineți mai multă portanță mai aproape de rădăcina aripii și mai puțin de aripă, ceea ce duce la o scădere a rezistenței vârtejurilor aripii și, în consecință, la o îmbunătățire a calității aerodinamice a aeronavei.
În istoria proiectării aeronavelor
La unele aeronave timpurii, aripioarele erau montate pe vârfurile cozilor. Aeronavele ulterioare au o formă diferită a aripii pentru a reduce intensitatea vârtejurilor și pentru a obține raportul maxim de ridicare/glisare.
Rezervoarele de combustibil cu rotor de pe acoperiș pot oferi, de asemenea, un anumit beneficiu prin prevenirea fluxului haotic de aer în jurul aripii. Acum sunt folosite în multe avioane. Calitatea aerodinamică a DC-10 a fost considerată revoluționară în acest sens. Cu toate acestea, piața modernă a aviației a fost completată de mult timp cu modele mult mai avansate.
Formula de glisare pentru a trage: explicată în termeni simpli
Pentru a calcula rezistența totală este necesar să se țină cont de așa-numita rezistență parazitară. Deoarece rezistența indusă este invers proporțională cu pătratul vitezei aerului (la o suspensie dată), în timp ce rezistența parazită este direct proporțională cu aceasta, curba de rezistență generală arată viteza minimă. Avion,zburând cu o asemenea viteză, operează cu calități aerodinamice optime. Conform ecuațiilor de mai sus, viteza rezistenței minime are loc la o viteză la care rezistența indusă este egală cu rezistența parazită. Aceasta este viteza cu care se atinge unghiul optim de alunecare pentru aeronavele inactiv. Pentru a nu fi nefondat, luați în considerare formula de pe exemplul unei aeronave:
Continuarea formulei este, de asemenea, destul de curioasă (imaginea de mai jos). Zborul mai sus, acolo unde aerul este mai subțire, va crește viteza cu care are loc rezistența minimă și, astfel, va permite călătorii mai rapide pe aceeași cantitate de combustibil.
Dacă o aeronavă zboară la viteza maximă permisă, atunci altitudinea la care densitatea aerului îi va oferi cea mai bună calitate aerodinamică. Altitudinea optimă la viteza maximă și viteza optimă la altitudinea maximă se pot schimba în timpul zborului.
Stamina
Viteza pentru rezistență maximă (adică timpul în aer) este viteza pentru consumul minim de combustibil și viteza mai mică pentru intervalul maxim. Consumul de combustibil este calculat ca produsul dintre puterea necesară și consumul specific de combustibil pe motor (consumul de combustibil pe unitatea de putere). Puterea necesară este egală cu timpul de tragere.
Istorie
Dezvoltarea aerodinamicii moderne a început abia în secolul XVIIsecole, dar forțele aerodinamice au fost folosite de oameni de mii de ani în bărci cu pânze și morile de vânt, iar imaginile și poveștile de zbor apar în toate documentele și operele de artă istorice, precum legenda antică greacă a lui Icar și Dedal. Conceptele fundamentale de continuum, rezistență și gradienți de presiune apar în lucrările lui Aristotel și Arhimede.
În 1726, Sir Isaac Newton a devenit prima persoană care a dezvoltat teoria rezistenței aerului, făcând-o unul dintre primele argumente despre calitățile aerodinamice. Matematicianul olandez-elvețian Daniel Bernoulli a scris un tratat în 1738 numit Hydrodynamica în care a descris relația fundamentală dintre presiune, densitate și viteza curgerii pentru curgerea incompresibilă, cunoscut astăzi sub numele de principiul lui Bernoulli, care oferă o metodă pentru calcularea portanței aerodinamice. În 1757, Leonhard Euler a publicat ecuațiile Euler mai generale, care pot fi aplicate atât fluxurilor compresibile, cât și incompresibile. Ecuațiile Euler au fost extinse pentru a include efectele vâscozității în prima jumătate a anilor 1800, dând naștere ecuațiilor Navier-Stokes. Performanța aerodinamică/calitatea aerodinamică a polarului a fost descoperită cam în același timp.
Pe baza acestor evenimente, precum și a cercetărilor efectuate în propriul tunel de vânt, frații Wright au zburat cu primul avion pe 17 decembrie 1903.
Tipuri de aerodinamică
Problemele aerodinamice sunt clasificate în funcție de condițiile de curgere sau de proprietățile de curgere, inclusiv de caracteristici precum viteza, compresibilitatea și vâscozitatea. Acestea sunt cel mai adesea împărțite în două tipuri:
- Aerodinamica externă este studiul curgerii în jurul obiectelor solide de diferite forme. Exemple de aerodinamică externă sunt evaluarea portanței și rezistenței la o aeronavă sau undele de șoc care se formează în fața nasului unei rachete.
- Aerodinamica internă este studiul curgerii prin pasaje în obiecte solide. De exemplu, aerodinamica internă acoperă studiul fluxului de aer printr-un motor cu reacție sau printr-un coș de aer condiționat.
Problemele aerodinamice pot fi, de asemenea, clasificate în funcție de vitezele de curgere sub sau aproape de viteza sunetului.
Problema se numește:
- subsonic, dacă toate vitezele din problemă sunt mai mici decât viteza sunetului;
- transonic dacă există viteze atât sub, cât și peste viteza sunetului (de obicei, când viteza caracteristică este aproximativ egală cu viteza sunetului);
- supersonic, când viteza caracteristică a curgerii este mai mare decât viteza sunetului;
- hipersonic, când viteza curgerii este mult mai mare decât viteza sunetului.
Aerodinamiștii nu sunt de acord cu privire la definiția exactă a fluxului hipersonic.
Efectul vâscozității asupra curgerii dictează o a treia clasificare. Unele probleme pot avea doar efecte vâscoase foarte mici, caz în care vâscozitatea poate fi considerată neglijabilă. Aproximarile acestor probleme se numesc inviscidecurenti. Fluxurile pentru care vâscozitatea nu poate fi neglijată se numesc fluxuri vâscoase.
Compresibilitate
Un flux incompresibil este un flux în care densitatea este constantă atât în timp, cât și în spațiu. Deși toate fluidele reale sunt compresibile, debitul este adesea aproximat ca incompresibil dacă efectul unei modificări a densității provoacă doar mici modificări ale rezultatelor calculate. Acest lucru este mai probabil atunci când debitul este mult sub viteza sunetului. Efectele compresibilității sunt mai semnificative la viteze apropiate sau mai mari decât viteza sunetului. Numărul Mach este folosit pentru a evalua posibilitatea de incompresibilitate, în caz contrar trebuie incluse efectele de compresibilitate.
Conform teoriei aerodinamicii, fluxul este considerat compresibil dacă densitatea se modifică de-a lungul liniei de curgere. Aceasta înseamnă că, spre deosebire de un flux incompresibil, se iau în considerare modificările de densitate. În general, acesta este cazul când numărul Mach al unei părți sau al întregului flux depășește 0, 3. Valoarea Mach de 0, 3 este destul de arbitrară, dar este utilizată deoarece un debit de gaz sub această valoare prezintă modificări de densitate mai mici de 5%. De asemenea, modificarea maximă a densității de 5% are loc în punctul de stagnare (punctul de pe obiect în care viteza curgerii este zero), în timp ce densitatea în jurul restului obiectului va fi mult mai mică. Fluxurile transonice, supersonice și hipersonice sunt toate compresibile.
Concluzie
Aerodinamica este una dintre cele mai importante științe din lume astăzi. Ea ne oferăconstruind avioane, nave, mașini și navete comice de calitate. Joacă un rol imens în dezvoltarea tipurilor moderne de arme - rachete balistice, amplificatoare, torpile și drone. Toate acestea ar fi imposibile dacă nu ar exista concepte moderne avansate de calitate aerodinamică.
Astfel, ideile despre subiectul articolului s-au schimbat de la fantezii frumoase, dar naive despre Icar, la avioane funcționale și cu adevărat funcționale care au apărut la începutul secolului trecut. Astăzi nu ne putem imagina viața fără mașini, nave și avioane, iar aceste vehicule continuă să se îmbunătățească cu noi descoperiri în aerodinamică.
Calitățile aerodinamice ale planoarelor au reprezentat o adevărată descoperire la vremea lor. La început, toate descoperirile din acest domeniu s-au făcut prin intermediul unor calcule teoretice abstracte, uneori divorțate de realitate, care au fost efectuate de matematicieni francezi și germani în laboratoarele lor. Mai târziu, toate formulele lor au fost folosite în alte scopuri, mai fantastice (după standardele secolului al XVIII-lea), cum ar fi calcularea formei și vitezei ideale a viitoarelor aeronave. În secolul al XIX-lea, aceste dispozitive au început să fie construite în cantități mari, începând cu planoare și dirijabile, europenii au trecut treptat la construcția de avioane. Acestea din urmă au fost folosite pentru prima dată exclusiv în scopuri militare. Asii Primului Război Mondial au arătat cât de importantă este problema dominației în aer pentru orice țară, iar inginerii din perioada interbelică au descoperit că astfel de aeronave sunt eficiente nu numai pentru militari, ci și pentru civili.obiective. De-a lungul timpului, aviația civilă a intrat ferm în viața noastră, iar astăzi niciun stat nu poate face fără ea.
