Аэродинамическое качество: определение, назначение и применение

Эта сила сопротивления возникает в самолетах из-за крыльев или подъемного тела, перенаправляющего воздух, чтобы вызвать подъем, а также в автомобилях с крыльями аэродинамического профиля, которые перенаправляют воздух, чтобы вызвать прижимную силу. Сэмюэль Лэнгли заметил, что более плоские пластины с более высоким соотношением сторон имели более высокий подъем и более низкое сопротивление, они были введены в оборот в 1902 году. Без изобретения аэродинамического качества самолета современное авиаконструирование было бы невозможным.

Подъем и перемещение

Общая аэродинамическая сила, действующая на тело, обычно считается состоящей из двух компонентов: подъем и перемещение. По определению компонент силы, параллельный встречному потоку, называется перемещением, в то время как компонент, перпендикулярный встречному потоку, называется подъемом.

Эти азы аэродинамики имеют огромное значение для анализа аэродинамического качества крыла. Подъем производится путем изменения направления потока вокруг крыла. Изменение направления приводит к изменению скорости (даже если нет изменения скорости, как это видно при равномерном круговом движении), что является ускорением. Поэтому для изменения направления потока требуется, чтобы сила была приложена к текучей среде. Это хорошо видно на любом самолете, достаточно взглянуть на схематическое изображение аэродинамического качества Ан-2.

Но не все так просто. Продолжая тему аэродинамического качества крыла, стоит отметить, что создание подъема воздуха под ним находится под более высоким давлением, чем давление воздуха над ним. На крыле конечного промежутка эта разность давлений заставляет воздух течь от корня нижнего поверхностного крыла к основанию его верхней поверхности. Этот пролетный поток воздуха сочетается с текучим воздухом, вызывая изменение скорости и направления, которое скручивает поток воздуха и создает вихри вдоль задней кромки крыла. Созданные вихри неустойчивы, они быстро объединяются для создания вихрей крыла. Результирующие вихри изменяют скорость и направление воздушного потока за задней кромкой, отклоняя ее вниз и тем самым вызывая задвижку за крылом. С этой точки зрения, например, самолет МС-21 имеет аэродинамическое качество на высоком уровне.

Управление воздушными потоками

Вихревые потоки в свою очередь меняют воздушный поток вокруг крыла, уменьшая способность крыла вырабатывать подъем, так что он требует более высокого угла атаки для одного и того же подъема, который наклоняет общую аэродинамическую силу назад и увеличивает компонент сопротивления этой силы. Угловое отклонение незначительно влияет на подъем. Однако есть увеличение сопротивления, равное произведению подъемной силы и угла, из-за которого он отклоняется. Поскольку отклонение само по себе является функцией подъемника, дополнительное сопротивление пропорционально углу подъема, что прекрасно видно на примере аэродинамического качества А320.

Исторические примеры

Прямоугольное планетарное крыло создает более сильные вихревые вибрики, чем коническое или эллиптическое крыло, поэтому многие современные крылья сужаются для улучшения аэродинамического качества. Однако эллиптическая плановая форма более эффективна, так как индуцированная промывка (и, следовательно, эффективный угол атаки) постоянна по всему размаху крыльев. Из-за производственных осложнений у немногих самолетов есть эта плановая форма, самые известные примеры: "Спитфайр" времен Второй мировой войны и "Тандерболт". Конические крылья с прямыми передними и задними краями могут приближаться к эллиптическому распределению подъема. Как правило, прямые обрезанные без конуса крылья производят 5 %, а конические крылья производят на 1-2 % больше индуцированного сопротивления, чем эллиптическое крыло. Следовательно, они обладают лучшим аэродинамическим качеством.

Пропорциональность

Крыло с высоким коэффициентом пропорциональности будет производить меньше индуцированного сопротивления, чем крыло с низким отношением сторон, поскольку на кончике более длинного более тонкого крыла меньше возмущений воздуха. Следовательно, индуцированное сопротивление может быть обратно пропорционально пропорциональности, как бы парадоксально это не звучало. Распределение подъема также может быть изменено путем вымывания, кругового скручивания крыла, чтобы уменьшить падение к крыльям и путем изменения аэродинамического профиля вблизи крыльев. Это позволяет получить больший подъем ближе к корню крыла и меньший к крылу, что приводит к уменьшению силы вихрей крыла и, соответственно, к улучшению аэродинамического качества самолета.

В истории авиаконструирования

На некоторых ранних самолетах плавники устанавливались на кончиках хвостов. Более поздние летательные аппараты имеют иную форму крыльев, чтобы уменьшить интенсивность вихрей и добиться максимального аэродинамического качества.

Крышные топливные баки с крыльчаткой также могут обеспечить некоторую выгоду, предотвращая создание хаотичного потока воздуха вокруг крыла. Сейчас они используются во многих самолетах. Аэродинамическое качество DC-10 в этом отношении заслуженно считалось революционным. Впрочем, современный авиационный рынок давно пополнился куда более совершенными моделями.

Формула аэродинамического качества: объяснение простыми словами

Чтобы вычислить полное сопротивление необходимо учесть так называемое паразитное сопротивление. Поскольку индуцированное сопротивление обратно пропорционально квадрату воздушной скорости (при данном подъеме), тогда как паразитное сопротивление прямо ей пропорционально, общая кривая сопротивления показывает минимальную скорость. Самолет, летающий с такой быстротой, работает с оптимальными аэродинамическими качествами. Согласно приведенным уравнениям быстрота минимального сопротивления происходит со скоростью, при которой индуцированное сопротивление равно паразитному сопротивлению. Это скорость, с которой для неработающих самолетов достигается оптимальный угол скольжения. Дабы не быть голословными, рассмотрим формулу на примере самолета:

Продолжение формулы также весьма любопытно (на фото ниже).Если летать выше, где воздух тоньше, будет повышаться скорость, с которой происходит минимальное сопротивление, и, таким образом, это позволяет быстрее путешествовать на одно и то же количество топлива.

Если самолет летает с максимально допустимой скоростью, то высота, при которой плотность воздуха будет обеспечивать ему наилучшее аэродинамическое качество. Оптимальная высота на максимальной скорости и оптимальная скорость на максимальной высоте могут изменяться во время полета.

Выносливость

Скорость для максимальной выносливости (то есть время в воздухе) - это скорость для минимального расхода топлива и меньше скорости для максимального диапазона. Расход топлива рассчитывается как произведение требуемой мощности и удельного расхода топлива на двигатель (расход топлива на единицу мощности). Требуемая мощность равна времени перетаскивания.

История

Развитие современной аэродинамики началось только в XVII столетии, но аэродинамические силы были использованы людьми в течение тысяч лет в парусных лодках и ветряных мельницах, а изображения и рассказы о полетах появляются во всех исторических документах и художественных произведениях, таких как древнегреческая легенда Икара и Дедала. Фундаментальные концепции континуума, сопротивления и градиентов давления проявляются в работах Аристотеля и Архимеда.

В 1726 году сэр Исаак Ньютон стал первым человеком, который разработал теорию сопротивления воздуха, сделав ее одним из первых рассуждений об аэродинамических качествах. Голландско-швейцарский математик Даниэль Бернулли в 1738 году написал трактат под названием Hydrodynamica, в котором описал фундаментальную связь между давлением, плотностью и скоростью потока для несжимаемого потока, известного сегодня как принцип Бернулли, который обеспечивает один метод расчета аэродинамического подъема. В 1757 году Леонард Эйлер опубликовал более общие уравнения Эйлера, которые могут быть применены как к сжимаемым, так и к несжимаемым потокам. Уравнения Эйлера были расширены, чтобы включить эффекты вязкости в первой половине 1800-х годов, что привело к появлению уравнений Навье-Стокса. Аэродинамические характеристики/аэродинамическое качество поляра было открыто приблизительно в то же время.

Основываясь на этих событиях, а также на исследованиях, проведенных в их собственной аэродинамической трубе, братья Райт вылетели на первом самолете 17 декабря 1903 года.

Виды аэродинамики

Аэродинамические проблемы классифицируются по условиям потока или свойствам потока, включая такие характеристики, как скорость, сжимаемость и вязкость. Они чаще всего делятся на два вида:

1. Внешняя аэродинамика - это исследование потока вокруг твердых объектов различной формы. Примерами внешней аэродинамики являются оценка подъема и перетаскивания на самолете или ударных волн, которые образуются перед носом ракеты.
2. Внутренняя аэродинамика - это исследование потока через проходы в твердых объектах. Например, внутренняя аэродинамика охватывает изучение воздушного потока через реактивный двигатель или через трубу для кондиционирования воздуха.

Аэродинамические проблемы также могут быть классифицированы в зависимости от скорости потока ниже или вблизи скорости звука.

Проблема называется:

• дозвуковой, если все скорости в задаче меньше скорости звука;
• трансзвуковой, если присутствуют скорости как ниже, так и выше скорости звука (обычно, когда характерная скорость примерно равна скорости звука);
• сверхзвуковой, когда характерная скорость потока больше скорости звука;
• гиперзвуковая, когда скорость потока намного больше скорости звука.

Аэродинамики не согласны с точным определением гиперзвукового потока.

Влияние вязкости на поток диктует третью классификацию. Некоторые проблемы могут иметь только очень малые вязкие эффекты, и в этом случае вязкость может считаться незначительной. Приближения к этим задачам называются невязкими течениями. Потоками, для которых вязкость нельзя пренебрегать, называются вязкими течениями.

Сжимаемость

Несжимаемый поток - это поток, в котором плотность постоянна как во времени, так и в пространстве. Хотя все реальные жидкости являются сжимаемыми, поток часто аппроксимируется как несжимаемый, если эффект изменения плотности вызывает только небольшие изменения в расчетных результатах. Это более вероятно, когда скорость потока значительно ниже скорости звука. Эффекты сжимаемости более значительны на скоростях, близких к скорости звука или выше. Число Маха используется для оценки возможности несжимаемости, в противном случае должны быть включены эффекты сжимаемости.

Согласно теории аэродинамики, поток считается сжимаемым, если плотность изменяется вдоль линии тока. Это означает, что в отличие от несжимаемого потока учитываются изменения плотности. В общем, это тот случай, когда число Маха в части или во всем потоке превышает 0,3. Значение Маха 0,3 довольно произвольно, но оно используется, поскольку поток газа с отметкой ниже этого значения демонстрирует изменения плотности менее 5 %. Кроме того, максимальное изменение плотности 5 % происходит в точке стагнации (точка на объекте, где скорость потока равна нулю), тогда как плотность вокруг остальной части объекта будет значительно ниже. Трансонные, сверхзвуковые и гиперзвуковые потоки - все они относятся к сжимаемым.

Заключение

Аэродинамика является одной из самых важных наук в современном мире. Она обеспечивает нам строительство качественных самолетов, кораблей, автомобилей и комических шаттлов. Она играет огромную роль в разработке современных видов вооружений - баллистических ракет, ускорителей, торпед и беспилотников. Все это было бы невозможно, если бы не современные продвинутые представления об аэродинамическом качестве.

Таким образом, представления о предмете статьи менялись от красивых, но наивных фантазий об Икаре, до функциональных и реально работающих летательных аппаратов, возникших в начале прошлого века. Сегодня мы не можем представить свою жизнь без машин, кораблей и самолетов, и эти транспортные средства продолжают улучшаться благодаря новым прорывам в области аэродинамики.

Аэродинамические качества планеров в свое время стали настоящим прорывом. Сначала все открытия в этой области совершались путем абстрактных, местами оторванных от реальности теоретических вычислений, которыми занимались французские и немецкие математики в своих лабораториях. Позже все их формулы использовались для других, более фантастических (по меркам XVIII века) целей, вроде вычисления идеальной формы и скорости летательных аппаратов будущего. В XIX веке эти аппараты начали строиться уже массово, начиная с планеров и дирижаблей, европейцы постепенно перешли к строительству самолетов. Последние первое время использовались исключительно для военных целей. Асы первой мировой показали, насколько важным для любой страны является вопрос доминирования в воздухе, а инженеры межвоенного периода открыли, что подобные летательные аппараты эффективны не только для военных, но и для мирных целей. Со временем гражданская авиация прочно вошла в нашу жизнь, и сегодня без нее не обходится ни одно государство.