Подъемная сила крыла самолета: формула

В каждом авиационном конструкторском бюро существует байка о высказывании главного конструктора. Меняется только автор высказывания. А звучит это так: «Я занимаюсь самолетами всю свою жизнь, но до сих пор не понимаю, как эта железяка летает!». Действительно, ведь первый закон Ньютона пока не отменен, а самолет явно тяжелее воздуха. Следует разобраться, какая сила не дает упасть многотонной машине на землю.

Способы передвижения по воздуху

Существует три способа передвижения:

1. Аэростатический, когда отрыв от земли осуществляется при помощи тела, удельный вес которого ниже плотности атмосферного воздуха. Это воздушные шары, дирижабли, зонды и прочие подобные конструкции.
2. Реактивный, представляющий собой грубую силу реактивной струи от сгораемого топлива, позволяющую преодолеть силу земного притяжения.
3. И, наконец, аэродинамический способ создания подъемной силы, когда атмосфера Земли используется в качестве поддерживающей субстанции для аппаратов тяжелее воздуха. Самолеты, вертолеты, автожиры, планеры и, кстати, птицы передвигаются, используя именно этот способ.

Аэродинамические силы

На самолет при движении по воздуху воздействуют четыре основные разнонаправленные силы. Условно вектора этих сил направлены вперед, назад, вниз и вверх. То есть почти лебедь, рак и щука. Сила, толкающая самолет вперед, образуется за счет двигателя, назад – это естественная сила сопротивления воздуха и вниз – земное притяжение. Ну, а не дает самолету упасть - подъемная сила, образуемая воздушным потоком за счет обтекания крыла.

Стандартная атмосфера

Состояние воздуха, его температура и давление могут существенно различаться на разных участках земной поверхности. Соответственно, будут различаться и все характеристики летательных аппаратов при полете в том или ином месте. Поэтому для удобства и приведения всех характеристик и расчетов к единому знаменателю договорились определить так называемую стандартную атмосферу со следующими основными параметрами: давление 760 мм ртутного столба над уровне моря, плотность воздуха 1,188 кг на кубический метр, скорость звука 340,17 метра в секунду, температура +15 ℃. С увеличением высоты над уровнем моря эти параметры изменяются. Существуют специальные таблицы, раскрывающие значения параметров для разных высот. Все аэродинамические расчеты, а также определение летно-технических характеристик летательных аппаратов осуществляются с использованием этих показателей.

Простейший принцип создания подъемной силы

Если в набегающий поток воздуха поместить плоский предмет, например, высунув ладонь руки из окна движущегося автомобиля, можно ощутить эту силу, что называется, «на пальцах». При повороте ладони на небольшой угол относительно воздушного потока сразу чувствуется, что помимо сопротивления воздуха, появилась еще одна сила, тянущая вверх или вниз в зависимости от направления угла поворота. Угол между плоскостью тела (в данном случае – ладони) и направлением движения воздушного потока называется углом атаки. Управляя углом атаки, можно управлять и подъемной силой. Можно легко заметить, что с увеличением угла атаки сила, толкающая ладонь вверх, будет расти, но до определенного момента. А при достижении угла, близкого к 70-90 градусам, вообще исчезнет.

Крыло самолета

Основной несущей поверхностью, создающей подъемную силу, является крыло самолета. Профиль крыла, как правило, имеет изогнутую каплеобразную форму, как показано на рисунке.

При обтекании крыла воздушным потоком скорость воздуха, проходящего вдоль верхней части крыла, превышает скорость нижнего потока. При этом статическое давление воздуха вверху становится ниже, чем под крылом. Разница давлений и толкает крыло вверх, создавая подъемную силу. Поэтому для обеспечения разницы давлений все профили крыла делаются несимметричными. Для крыла с симметричным профилем при нулевом угле атаки подъемная сила в горизонтальном полете равна нулю. При таком крыле единственным способом ее создания является изменение угла атаки. Существует еще одна составляющая подъемной силы — индуктивная. Она образуется из-за скоса потока воздуха искривленной нижней поверхностью крыла вниз, что естественным образом приводит к возникновению обратной силы, направленной вверх и воздействующей на крыло.

Расчет

Формула расчета подъемной силы крыла самолета выглядит следующим образом:

Y = Cy * S * (PV ²)/2

Где:

• Cy - коэффициент подъемной силы.
• S - площадь крыла.
• V - скорость набегающего потока.
• P - плотность воздуха.

Если с плотностью воздуха, площадью крыла и скоростью все понятно, то коэффициент подъемной силы - величина, получаемая экспериментальным способом и не являющаяся константой. Она меняется в зависимости от профиля крыла, его удлинения, угла атаки и прочих величин. Как видно, зависимости в основном линейные, за исключением скорости.

Этот загадочный коэффициент

Коэффициент подъемной силы крыла – величина неоднозначная. Сложные многоступенчатые расчеты все равно проверяются экспериментальным способом. Обычно это делается в аэродинамической трубе. Для каждого профиля крыла и для каждого угла атаки его значение будет другим. А поскольку крыло само по себе не летает, а находится в составе самолета, такие испытания проводятся на соответствующих уменьшенных копиях моделей летательных аппаратов. Реже испытываются отдельно крылья. По результатам многочисленных замеров каждого конкретного крыла можно построить зависимости коэффициента от угла атаки, а также различные графики, отражающие зависимость подъемной силы от скорости и профиля того или иного крыла, а также от выпущенной механизации крыла. Образец графика приведен ниже.

По сути, этот коэффициент характеризует способность крыла преобразовать напор набегающего воздуха в подъемную силу. Обычное его значение от 0 до 2. Рекорд – 6. Пока еще человеку очень далеко до природного совершенства. Например, этот коэффициент для орла, когда он поднимается от земли с пойманным сусликом, достигает значения 14. Из приведенного графика очевидно, что увеличение угла атаки вызывает увеличение подъемной силы до определенных значений угла. После чего эффект теряется и даже идет в обратную сторону.

Срыв потока

Как говорят, все хорошо в меру. Каждое крыло имеет свой предел в отношении угла атаки. Так называемый закритический угол атаки приводит к срыву потока на верхней поверхности крыла, лишая его подъемной силы. Срыв происходит неравномерно по всей площади крыла и сопровождается соответствующими, крайне неприятными явлениями типа тряски и потери управляемости. Как ни странно, это явление мало зависит от скорости, хотя она также влияет, но главная причина возникновения срыва потока – это интенсивное маневрирование, сопровождаемое закритическими углами атаки. Именно из-за этого произошла единственная катастрофа самолета Ил-86, когда летчик, желая «покрасоваться» на пустом самолете без пассажиров, резко стал набирать высоту, что окончилось трагически.

Сопротивление

Рука об руку с подъемной силой идет сила сопротивления, препятствующая движению самолета вперед. Она состоит из трех элементов. Это сила трения, возникающая из-за воздействия воздуха на летательный аппарат, сила, возникающая из-за разницы давлений в областях перед крылом и за крылом и индуктивная составляющая, рассмотренная выше, поскольку вектор ее действия направлен не только вверх, способствуя увеличению подъемной силы, но и назад, являясь союзником сопротивления. Кроме этого, одной из составляющих индуктивного сопротивления являются силы, возникающее по причине перетекания воздуха через торцы крыла, вызывающее вихревые потоки, увеличивающие скос направления движения воздуха. Формула аэродинамического сопротивления абсолютно идентична формуле подъемной силы, за исключением коэффициента Су. Он меняется на коэффициент Сх и также определяется экспериментально. Его значение редко превышает одну десятую долю единицы.

Аэродинамическое качество

Отношение подъемной силы к силе сопротивления называется аэродинамическим качеством. Здесь нужно учитывать одну особенность. Поскольку формулы подъемной силы и силы сопротивления, за исключением коэффициентов, одинаковы, можно принять, что аэродинамическое качество летательного аппарата определяется отношением коэффициентов Су и Сх. График этого соотношения для определенных углов атаки получил название поляры крыла. Образец такого графика приведен ниже.

Современные самолеты имеют значение аэродинамического качества в районе 17-21, а планеры – до 50. Это означает, что на самолетах подъемная сила крыла на оптимальных режимах в 17-21 раз превышает силу сопротивления. По сравнению с самолетом братьев Райт, с оценкой этого значения равным 6,5, прогресс в конструировании очевиден, но до орла с несчастным сусликом в лапах все равно еще далеко.

Режимы полета

Различные режимы полета требуют разное аэродинамическое качество. При крейсерском горизонтальном полете скорость самолета достаточно высока, и коэффициент подъемной силы, пропорциональный квадрату скорости, находится на больших значениях. Здесь главное – минимизация сопротивления. При взлете и особенно посадке коэффициент подъемной силы играет решающее значение. Скорость самолета невелика, но требуется его устойчивое положение в воздухе. Идеальным решением этой проблемы было бы создание так называемого адаптивного крыла, меняющего свою кривизну и даже площадь в зависимости от условий полета приблизительно так, как это делают птицы. Пока это у конструкторов не получилось, изменение коэффициента подъемной силы достигается применением механизации крыла, увеличивающей как площадь, так и кривизну профиля, что, повышая сопротивление, значительно увеличивает подъемную силу. Для истребительной авиации применялось изменение стреловидности крыла. Нововведение позволяло уменьшить сопротивление на высоких скоростях и увеличивать подъемную силу на малых скоростях. Однако данная конструкция оказалась ненадежной, и в последнее время самолеты фронтовой авиации изготавливают с фиксированным крылом. Еще одним способом увеличения подъемной силы крыла самолета является дополнительный обдув крыла потоком от двигателей. Это реализовано на военно-транспортных самолетах Ан-70 и А-400М, которые благодаря этому свойству отличаются укороченными дистанциями для взлета и посадки.