V každej leteckej dizajnérskej kancelárii je príbeh o vyhlásení hlavného dizajnéra. Mení sa len autor výroku. A znie to takto: „Celý život sa zaoberám lietadlami, ale stále nechápem, ako tento kus železa lieta! Skutočne, prvý Newtonov zákon ešte nebol zrušený a lietadlo je jednoznačne ťažšie ako vzduch. Je potrebné prísť na to, aká sila nedovolí niekoľkotonovému stroju spadnúť na zem.
Metódy leteckej dopravy
Existujú tri spôsoby, ako cestovať:
- Aerostatické, kedy sa zdvíhanie od zeme vykonáva pomocou telesa, ktorého špecifická hmotnosť je nižšia ako hustota atmosférického vzduchu. Sú to balóny, vzducholode, sondy a iné podobné konštrukcie.
- Reaktívna, čo je hrubá sila prúdiaceho prúdu z horľavého paliva, ktorá umožňuje prekonať silu gravitácie.
- A nakoniec aerodynamická metóda vytvárania vztlaku, kedy sa zemská atmosféra používa ako nosná látka pre vozidlá ťažšie ako vzduch. Lietadlá, vrtuľníky, vírniky, vetrone a mimochodom aj vtáky sa pohybujú pomocou tejto konkrétnej metódy.
Aerodynamické sily
Na lietadlo pohybujúce sa vzduchom pôsobia štyri hlavné viacsmerné sily. Tradične vektory týchto síl smerujú dopredu, dozadu, dole a hore. To je takmer labuť, rakovina a šťuka. Sila, ktorá tlačí lietadlo dopredu, je generovaná motorom, dozadu je prirodzená sila odporu vzduchu a smerom dole je gravitácia. No, namiesto toho, aby sme nechali lietadlo spadnúť - zdvih generovaný prúdením vzduchu v dôsledku prúdenia okolo krídla.
Štandardná atmosféra
Stav vzduchu, jeho teplota a tlak sa môžu v rôznych častiach zemského povrchu výrazne líšiť. V súlade s tým sa všetky charakteristiky lietadiel budú líšiť aj pri lietaní na jednom alebo druhom mieste. Preto sme sa pre pohodlie a zjednotenie všetkých charakteristík a výpočtov do spoločného menovateľa dohodli na definovaní takzvanej štandardnej atmosféry s týmito hlavnými parametrami: tlak 760 mm Hg nad morom, hustota vzduchu 1,188 kg na meter kubický, rýchlosť zvuk 340,17 metra za sekundu, teplota +15 ℃. S rastúcou nadmorskou výškou sa tieto parametre menia. Existujú špeciálne tabuľky, ktoré odhaľujú hodnoty parametrov pre rôzne výšky. Všetky aerodynamické výpočty, ako aj určenie výkonnostných charakteristík lietadla, sa vykonávajú pomocou týchto ukazovateľov.
Najjednoduchší princíp vytvárania výťahu
Ak je v prichádzajúcom prúde vzduchuna položenie plochého predmetu, napríklad vystrčením dlane z okna idúceho auta, môžete túto silu cítiť, ako sa hovorí, „na prstoch“. Pri otáčaní dlane pod malým uhlom voči prúdu vzduchu je okamžite cítiť, že okrem odporu vzduchu sa objavila aj iná sila, ktorá ťahá nahor alebo nadol v závislosti od smeru uhla natočenia. Uhol medzi rovinou tela (v tomto prípade dlaňami) a smerom prúdenia vzduchu sa nazýva uhol nábehu. Ovládaním uhla nábehu môžete ovládať zdvih. Dá sa ľahko vidieť, že so zväčšujúcim sa uhlom nábehu sa sila, ktorá tlačí dlaň nahor, zväčší, ale až do určitého bodu. A keď dosiahne uhol blízky 70-90 stupňom, úplne zmizne.
Krídlo lietadla
Hlavnou nosnou plochou, ktorá vytvára vztlak, je krídlo lietadla. Profil krídla je zvyčajne zakrivený v tvare slzy, ako je znázornené.
Keď vzduch prúdi okolo krídla, rýchlosť vzduchu prechádzajúceho po hornej časti krídla prevyšuje rýchlosť spodného prúdenia. V tomto prípade je statický tlak vzduchu v hornej časti nižší ako pod krídlom. Tlakový rozdiel tlačí krídlo nahor a vytvára vztlak. Preto, aby sa zabezpečil tlakový rozdiel, všetky profily krídel sú vyrobené asymetricky. Pre krídlo so symetrickým profilom pri nulovom uhle nábehu je vztlak vo vodorovnom lete nulový. S takýmto krídlom ho vytvoríte len zmenou uhla nábehu. Existuje ďalšia zložka zdvíhacej sily - indukčná. Ona jevzniká v dôsledku zošikmenia prúdenia vzduchu zakriveným spodným povrchom krídla, čo prirodzene vedie k obrátenej sile pôsobiacej na krídlo.
Výpočet
Vzorec na výpočet vztlakovej sily krídla lietadla je nasledujúci:
Y=CyS(PV 2)/2
Kde:
- Cy – koeficient zdvihu.
- S - oblasť krídla.
- V – bezplatná rýchlosť prúdu.
- P - hustota vzduchu.
Ak je všetko jasné s hustotou vzduchu, plochou krídla a rýchlosťou, potom koeficient vztlaku je hodnota získaná experimentálne a nie je konštantná. Mení sa v závislosti od profilu krídla, jeho pomeru strán, uhla nábehu a ďalších hodnôt. Ako vidíte, závislosti sú väčšinou lineárne, s výnimkou rýchlosti.
Tento záhadný koeficient
Koeficient vztlaku krídla je nejednoznačná hodnota. Komplexné viacstupňové výpočty sú stále overované experimentálne. Zvyčajne sa to robí vo veternom tuneli. Pre každý profil krídla a pre každý uhol nábehu bude jeho hodnota iná. A keďže samotné krídlo nelieta, ale je súčasťou lietadla, takéto testy sa vykonávajú na zodpovedajúcich zmenšených kópiách modelov lietadiel. Krídla sa zriedka testujú samostatne. Podľa výsledkov početných meraní každého konkrétneho krídla je možné vykresliť závislosť koeficientu od uhla nábehu, ako aj rôzne grafy, ktoré závislosť odrážajú.vztlak od rýchlosti a profilu konkrétneho krídla, ako aj od uvoľnenej mechanizácie krídla. Vzorový graf je zobrazený nižšie.
V skutočnosti tento koeficient charakterizuje schopnosť krídla premeniť tlak nasávaného vzduchu na vztlak. Jeho obvyklá hodnota je od 0 do 2. Rekord je 6. K prirodzenej dokonalosti má človek zatiaľ veľmi ďaleko. Napríklad tento koeficient pre orla, keď sa zdvihne zo zeme s uloveným gopherom, dosahuje hodnotu 14. Z vyššie uvedeného grafu je zrejmé, že zväčšenie uhla nábehu spôsobuje zvýšenie vztlaku na určité hodnoty uhla.. Potom sa efekt stratí a dokonca ide opačným smerom.
Zastavenie toku
Ako sa hovorí, všetko je dobré s mierou. Každé krídlo má svoj vlastný limit z hľadiska uhla nábehu. Takzvaný superkritický uhol nábehu vedie k zaseknutiu na hornej ploche krídla, čo ho zbaví zdvihu. Zastavenie sa vyskytuje nerovnomerne po celej ploche krídla a je sprevádzané zodpovedajúcimi, mimoriadne nepríjemnými javmi, ako je trasenie a strata kontroly. Napodiv, tento jav veľmi nezávisí od rýchlosti, aj keď tiež ovplyvňuje, ale hlavným dôvodom výskytu zablokovania je intenzívne manévrovanie sprevádzané nadkritickými uhlami nábehu. Práve kvôli tomu došlo k jedinej havárii lietadla Il-86, keď pilot, ktorý sa chcel „predviesť“na prázdnom lietadle bez pasažierov, prudko začal stúpať, čo sa skončilo tragicky.
Odpor
Ruka v ruke so zdvihom prichádza ťah,zabránenie pohybu lietadla vpred. Skladá sa z troch prvkov. Sú to trecia sila spôsobená pôsobením vzduchu na lietadlo, sila spôsobená tlakovým rozdielom v oblastiach pred krídlom a za krídlom a vyššie diskutovaná indukčná zložka, pretože vektor jej pôsobenia smeruje nielen smerom nahor, čo prispieva k zvýšeniu zdvihu, ale aj späť, pretože je spojencom odporu. Okrem toho je jednou zo zložiek indukčného odporu sila, ktorá vzniká v dôsledku prúdenia vzduchu cez konce krídla a spôsobuje vírivé prúdy, ktoré zväčšujú skosenie smeru pohybu vzduchu. Vzorec aerodynamického odporu je úplne identický so vzorcom vztlakovej sily, s výnimkou koeficientu Su. Mení sa na koeficient Cx a určuje sa aj experimentálne. Jeho hodnota zriedka presahuje jednu desatinu jednej.
Pomer poklesu a pretiahnutia
Pomer zdvihu a sily odporu sa nazýva aerodynamická kvalita. Tu je potrebné vziať do úvahy jednu vlastnosť. Keďže vzorce pre vztlakovú silu a odporovú silu sú okrem koeficientov rovnaké, dá sa predpokladať, že aerodynamická kvalita lietadla je určená pomerom koeficientov Cy a Cx. Graf tohto pomeru pre určité uhly nábehu sa nazýva krídlo polárne. Príklad takéhoto grafu je uvedený nižšie.
Moderné lietadlá majú hodnotu aerodynamickej kvality okolo 17-21 a vetrone - až 50. To znamená, že na lietadlách je vztlak krídla v optimálnych podmienkach17-21 krát väčšia ako odporová sila. V porovnaní s lietadlom bratov Wrightovcov, ktoré má skóre 6,5, je pokrok v dizajne zrejmý, no orol s nešťastným gopherom v labkách je ešte ďaleko.
Letové režimy
Rôzne letové režimy vyžadujú rôzny pomer zdvihu a odporu. Pri letoch v cestovnej hladine je rýchlosť lietadla pomerne vysoká a koeficient vztlaku, úmerný druhej mocnine rýchlosti, je na vysokých hodnotách. Hlavnou vecou je minimalizovať odpor. Pri vzlete a najmä pristávaní zohráva rozhodujúcu úlohu koeficient vztlaku. Rýchlosť lietadla je nízka, ale vyžaduje sa jeho stabilná poloha vo vzduchu. Ideálnym riešením tohto problému by bolo vytvorenie takzvaného adaptívneho krídla, ktoré mení svoje zakrivenie a rovnomernú plochu v závislosti od letových podmienok približne tak, ako to robia vtáky. Kým sa to konštruktérom nepodarilo, zmena súčiniteľa vztlaku sa dosahuje použitím mechanizácie krídla, čím sa zväčší plocha aj zakrivenie profilu, čím sa zvýšením odporu výrazne zväčší vztlak. Pre stíhacie lietadlá bola použitá zmena sklonu krídla. Inovácia umožnila znížiť odpor pri vysokých rýchlostiach a zvýšiť vztlak pri nízkych rýchlostiach. Ukázalo sa však, že táto konštrukcia je nespoľahlivá a v poslednej dobe sa frontové lietadlá vyrábajú s pevným krídlom. Ďalším spôsobom, ako zvýšiť vztlakovú silu krídla lietadla, je dodatočné prefúknutie krídla prúdom z motorov. Toto bolo implementované v armádeDopravné lietadlá An-70 a A-400M, ktoré sa vďaka tejto vlastnosti vyznačujú skrátenou vzdialenosťou vzletu a pristátia.
