Kiekviename aviacijos projektavimo biure yra istorija apie vyriausiojo dizainerio pareiškimą. Keičiasi tik pareiškimo autorius. Ir tai skamba taip: „Visą gyvenimą turėjau reikalų su lėktuvais, bet iki šiol nesuprantu, kaip šis geležies gabalas skrenda!“. Išties, juk pirmasis Niutono dėsnis dar neatšauktas, o lėktuvas akivaizdžiai sunkesnis už orą. Būtina išsiaiškinti, kokia jėga neleidžia kelių tonų sveriančiai mašinai nukristi ant žemės.
Kelionių lėktuvu būdai
Yra trys keliavimo būdai:
- Aerostatinis, kai pakėlimas nuo žemės atliekamas naudojant kūną, kurio savitasis svoris yra mažesnis už atmosferos oro tankį. Tai yra oro balionai, dirižabliai, zondai ir kitos panašios konstrukcijos.
- Reaktyvioji, kuri yra grubi degiojo kuro reaktyvinio srauto jėga, leidžianti įveikti gravitacijos jėgą.
- Ir galiausiai aerodinaminis keltuvo sukūrimo metodas, kai Žemės atmosfera naudojama kaip pagalbinė medžiaga už orą sunkesnėms transporto priemonėms. Lėktuvai, sraigtasparniai, giroplanai, sklandytuvai ir, beje, paukščiai juda naudodami šį konkretų metodą.
Aerodinaminės jėgos
Oru judantį orlaivį veikia keturios pagrindinės daugiakryptės jėgos. Paprastai šių jėgų vektoriai yra nukreipti pirmyn, atgal, žemyn ir aukštyn. Tai beveik gulbė, vėžys ir lydeka. Jėgą, stumiančią lėktuvą į priekį, sukuria variklis, atgal yra natūrali oro pasipriešinimo jėga, o žemyn - gravitacija. Na, užuot leidę lėktuvui nukristi – oro srauto sukuriamas pakėlimas dėl srauto aplink sparną.
Standartinė atmosfera
Oro būklė, jo temperatūra ir slėgis įvairiose žemės paviršiaus vietose gali labai skirtis. Atitinkamai, skrendant vienoje ar kitoje vietoje skirsis ir visos orlaivių charakteristikos. Todėl dėl patogumo ir visų charakteristikų bei skaičiavimų sujungimo į bendrą vardiklį sutarėme taip vadinamą standartinę atmosferą apibrėžti šiais pagrindiniais parametrais: slėgis 760 mm Hg virš jūros lygio, oro tankis 1,188 kg kubiniame metre, greitis garsas 340,17 metro per sekundę, temperatūra +15 ℃. Didėjant aukščiui šie parametrai keičiasi. Yra specialių lentelių, kurios atskleidžia skirtingų aukščių parametrų reikšmes. Visi aerodinaminiai skaičiavimai, taip pat orlaivio eksploatacinių charakteristikų nustatymas, atliekami naudojant šiuos rodiklius.
Paprasčiausias lifto kūrimo principas
Jei artėjančiame oro srautepadėti plokščią daiktą, pavyzdžiui, iškišęs delną pro važiuojančio automobilio langą, šią jėgą galite pajusti, kaip sakoma, „ant pirštų“. Pasukus delną nedideliu kampu oro srauto atžvilgiu iš karto jaučiama, kad be oro pasipriešinimo atsirado dar viena jėga, traukianti aukštyn arba žemyn, priklausomai nuo sukimosi kampo krypties. Kampas tarp kūno plokštumos (šiuo atveju delnų) ir oro srauto krypties vadinamas atakos kampu. Valdydami atakos kampą, galite valdyti kėlimą. Galima nesunkiai pastebėti, kad padidėjus atakos kampui, padidės jėga, stumianti delną aukštyn, bet iki tam tikro taško. O kai pasieks 70–90 laipsnių kampą, jis visai išnyks.
Lėktuvo sparnas
Pagrindinis atraminis paviršius, sukuriantis pakėlimą, yra orlaivio sparnas. Sparno profilis paprastai yra išlenktas ašaros formos, kaip parodyta.
Kai oras teka aplink sparną, oro, einančio išilgai viršutinės sparno dalies, greitis viršija apatinio srauto greitį. Tokiu atveju statinis oro slėgis viršuje tampa mažesnis nei po sparnu. Slėgio skirtumas stumia sparną aukštyn, sukurdamas pakėlimą. Todėl, siekiant užtikrinti slėgio skirtumą, visi sparnų profiliai yra asimetriški. Sparnui su simetrišku profiliu, kai atakos kampas nulinis, lygiagrečiojo skrydžio keliamoji galia yra lygi nuliui. Su tokiu sparnu vienintelis būdas jį sukurti – pakeisti atakos kampą. Yra dar vienas kėlimo jėgos komponentas – indukcinis. Ji yrasusidaro dėl lenkto apatinio sparno paviršiaus oro srauto pasvirimo į apačią, o tai natūraliai lemia aukštyn nukreiptą atvirkštinę jėgą, veikiančią sparną.
Skaičiavimas
Orlaivio sparno keliamosios jėgos apskaičiavimo formulė yra tokia:
Y=CyS(PV 2) / 2
Kur:
- Cy – kėlimo koeficientas.
- S – sparno sritis.
- V – nemokamo srauto greitis.
- P – oro tankis.
Jei viskas aišku su oro tankiu, sparnų plotu ir greičiu, tai keliamosios galios koeficientas yra eksperimentiniu būdu gauta vertė, o ne konstanta. Jis skiriasi priklausomai nuo sparno profilio, jo kraštinių santykio, atakos kampo ir kitų reikšmių. Kaip matote, priklausomybės dažniausiai yra tiesinės, išskyrus greitį.
Šis paslaptingas koeficientas
Sparno pakėlimo koeficientas yra dviprasmiška vertė. Sudėtingi kelių etapų skaičiavimai vis dar tikrinami eksperimentiškai. Paprastai tai daroma vėjo tunelyje. Kiekvienam sparno profiliui ir kiekvienam atakos kampui jo vertė bus skirtinga. O kadangi pats sparnas neskraido, o yra orlaivio dalis, tokie bandymai atliekami su atitinkamomis sumažintomis lėktuvų modelių kopijomis. Sparnai retai išbandomi atskirai. Remiantis daugybės kiekvieno konkretaus sparno matavimų rezultatais, galima nubrėžti koeficiento priklausomybę nuo atakos kampo, taip pat įvairius grafikus, atspindinčius priklausomybę.pakėlimas nuo konkretaus sparno greičio ir profilio, taip pat nuo atleisto sparno mechanizacijos. Pavyzdinė diagrama parodyta žemiau.
Tiesą sakant, šis koeficientas apibūdina sparno gebėjimą įeinančio oro slėgį paversti keltuvu. Įprasta jo reikšmė – nuo 0 iki 2. Rekordas – 6. Kol kas žmogui labai toli iki prigimtinio tobulumo. Pavyzdžiui, šis koeficientas ereliui, kai jis pakyla nuo žemės su pagautu goferiu, pasiekia reikšmę 14. Iš aukščiau pateikto grafiko matyti, kad atakos kampo padidėjimas sukelia pakilimo padidėjimą iki tam tikrų kampų reikšmių.. Po to efektas prarandamas ir netgi pasikeičia priešinga kryptimi.
Stauto srautas
Kaip sakoma, saikingai viskas yra gerai. Kiekvienas sparnas turi savo atakos kampo ribą. Vadinamasis superkritinis atakos kampas sukelia strigimą viršutiniame sparno paviršiuje ir atima jo pakėlimą. Užsikimšimas vyksta netolygiai visame sparno plote ir jį lydi atitinkami itin nemalonūs reiškiniai, tokie kaip drebulys ir valdymo praradimas. Kaip bebūtų keista, šis reiškinys nelabai priklauso nuo greičio, nors turi ir įtakos, tačiau pagrindinė strigimo priežastis – intensyvus manevravimas, lydimas superkritinių atakos kampų. Būtent dėl to įvyko vienintelė lėktuvo Il-86 katastrofa, kai pilotas, norėdamas „pasipuikuoti“tuščiame lėktuve be keleivių, staiga pradėjo kilti, o tai baigėsi tragiškai.
Atsparumas
Kontaktai su pakėlimu ateina tempimas,neleidžiantis orlaiviui judėti į priekį. Jį sudaro trys elementai. Tai yra trinties jėga, atsirandanti dėl oro poveikio orlaiviui, jėga, atsirandanti dėl slėgio skirtumo srityse prieš sparną ir už sparno, ir aukščiau aptartas indukcinis komponentas, nes jo veikimo vektorius yra nukreiptas ne tik aukštyn, prisidedant prie pakėlimo padidėjimo, bet ir atgal, būdamas pasipriešinimo sąjungininkas. Be to, vienas iš indukcinio pasipriešinimo komponentų yra jėga, atsirandanti dėl oro srauto per sparno galus, sukeliančius sūkurius, kurie padidina oro judėjimo krypties nuolydį. Aerodinaminio pasipriešinimo formulė yra visiškai identiška kėlimo jėgos formulei, išskyrus koeficientą Su. Jis keičiasi į Cx koeficientą ir taip pat nustatomas eksperimentiškai. Jo vertė retai viršija dešimtadalį vienos.
Nuleidimo ir vilkimo santykis
Kėlimo ir pasipriešinimo jėgos santykis vadinamas aerodinamine kokybe. Čia reikia atsižvelgti į vieną ypatybę. Kadangi keliamosios jėgos ir pasipriešinimo jėgos formulės, išskyrus koeficientus, yra vienodos, galima daryti prielaidą, kad lėktuvo aerodinaminę kokybę lemia koeficientų Cy ir Cx santykis. Šio santykio grafikas tam tikriems atakos kampams vadinamas sparno poliniu. Tokios diagramos pavyzdys pateiktas toliau.
Šiuolaikinių orlaivių aerodinaminės kokybės vertė yra maždaug 17–21, o sklandytuvų – iki 50. Tai reiškia, kad orlaiviuose sparnų pakėlimas yra optimaliomis sąlygomis17-21 karto didesnė už pasipriešinimo jėgą. Palyginti su brolių Wrightų lėktuvu, kurio balas yra 6,5, projektavimo pažanga akivaizdi, tačiau iki erelio su nelaiminguoju goferiu letenose dar toli.
Skrydžio režimai
Įvairiems skrydžio režimams reikalingas skirtingas kėlimo ir pasipriešinimo santykis. Kreiseriniame lygiame skrydžio metu orlaivio greitis yra gana didelis, o kėlimo koeficientas, proporcingas greičio kvadratui, yra aukštų verčių. Svarbiausia čia sumažinti pasipriešinimą. Kilimo ir ypač tūpimo metu lemiamą vaidmenį atlieka kėlimo koeficientas. Lėktuvo greitis mažas, tačiau būtina stabili jo padėtis ore. Idealus šios problemos sprendimas būtų sukurti vadinamąjį adaptyvųjį sparną, kuris, priklausomai nuo skrydžio sąlygų, keičia savo kreivumą ir lygų plotą, maždaug taip, kaip tai daro paukščiai. Kol projektuotojams nepavyko, keliamosios galios koeficiento pokytis pasiekiamas naudojant sparnų mechanizaciją, kuri padidina tiek plotą, tiek profilio kreivumą, o tai, padidinus pasipriešinimą, ženkliai padidina keliamąją galią. Naikintuvams buvo naudojamas sparno judėjimo pakeitimas. Naujovė leido sumažinti pasipriešinimą važiuojant dideliu greičiu ir padidinti keliamąją galią važiuojant mažu greičiu. Tačiau ši konstrukcija pasirodė nepatikima, o pastaruoju metu priekinės linijos lėktuvai buvo gaminami su fiksuotu sparnu. Kitas būdas padidinti orlaivio sparno keliamąją jėgą – papildomai išpūsti sparną srautu iš variklių. Tai buvo įgyvendinta kariuomenėjeTransportiniai orlaiviai An-70 ir A-400M, kurie dėl šios savybės išsiskiria trumpesniais kilimo ir tūpimo atstumais.
