Ši pasipriešinimo jėga atsiranda lėktuvuose dėl sparnų arba keliamojo korpuso, nukreipiančio orą, kad sukeltų pakilimą, ir automobiliuose su sparnais, nukreipiančius orą, kad sukeltų prispaudimo jėgą. Samuelis Langley pastebėjo, kad plokštesnės, didesnio formato plokštės turi didesnį keliamąjį kėlimą ir mažesnį pasipriešinimą, todėl buvo pristatytos 1902 m. Be orlaivio aerodinaminės kokybės išradimo modernus orlaivio dizainas būtų neįmanomas.
Kėlimas ir judėjimas
Manoma, kad bendrą kūną veikiančią aerodinaminę jėgą sudaro du komponentai: pakilimas ir poslinkis. Pagal apibrėžimą jėgos komponentas, lygiagretus priešiniam srautui, vadinamas poslinkiu, o statmenas priešpriešiniam srautui komponentas vadinamas pakėlimu.
Šie aerodinamikos pagrindai yra labai svarbūs analizuojant sparno aerodinaminę kokybę. Pakėlimas sukuriamas keičiant srauto aplink sparną kryptį. Keistikryptis lemia greičio pokytį (net jei greitis nesikeičia, kaip matyti tolygiai sukamaisiais judesiais), tai yra pagreitis. Todėl norint pakeisti srauto kryptį, skysčiui reikia taikyti jėgą. Tai aiškiai matoma bet kuriame orlaivyje, tiesiog pažiūrėkite į scheminį An-2 aerodinaminės kokybės vaizdą.
Bet ne viskas taip paprasta. Tęsiant sparno aerodinaminės kokybės temą, verta paminėti, kad oro keltuvo sukūrimas žemiau jo yra didesnio slėgio nei oro slėgis virš jo. Ribinio tarpatramio sparne dėl šio slėgio skirtumo oras teka iš apatinio paviršiaus sparno šaknies į viršutinio paviršiaus pagrindą. Šis skraidantis oro srautas susijungia su tekančiu oru, kad sukeltų greičio ir krypties pasikeitimą, kuris sukasi oro srautą ir sukuria sūkurius išilgai užpakalinio sparno krašto. Sukurti sūkuriai yra nestabilūs, jie greitai susijungia ir sukuria sparnų sūkurius. Susidarantys sūkuriai keičia oro srauto už galinio krašto greitį ir kryptį, nukreipdami jį žemyn ir taip sukeldami atvartą už sparno. Pavyzdžiui, šiuo požiūriu orlaivis MS-21 turi aukštą pakilimo ir pasipriešinimo santykį.
Oro srauto valdymas
Sūkuriai savo ruožtu keičia oro srautą aplink sparną, sumažindami sparno gebėjimą generuoti keliamąją galią, todėl tam pačiam pakėlimui reikalingas didesnis atakos kampas, o tai pakreipia bendrą aerodinaminę jėgą atgal ir padidina sparno pasipriešinimo komponentą. ta jėga. Kampinis nuokrypis yra nereikšmingasturi įtakos liftui. Tačiau pasipriešinimas padidėja, lygus keltuvo ir kampo, dėl kurio jis nukrypsta, sandaugai. Kadangi deformacija yra pati kėlimo funkcija, papildomas pasipriešinimas yra proporcingas pakilimo kampui, o tai aiškiai matyti iš A320 aerodinamikos.
Istorijos pavyzdžiai
Stačiakampis planetinis sparnas sukuria daugiau sūkurių virpesių nei kūginis arba elipsinis sparnas, todėl daugelis šiuolaikinių sparnų yra nusmailinti, kad pagerintų kėlimo ir pasipriešinimo santykį. Tačiau elipsinis lėktuvo korpusas yra efektyvesnis, nes sukeltas plovimas (taigi ir efektyvus atakos kampas) yra pastovus per visą sparnų tarpą. Dėl gamybos komplikacijų nedaugelis orlaivių turi tokią plano formą, žinomiausi pavyzdžiai yra Antrojo pasaulinio karo Spitfire ir Thunderbolt. Kūginiai sparnai su tiesiais priekiniais ir užpakaliniais kraštais gali priartėti prie elipsės formos kėlimo paskirstymo. Paprastai tiesūs, nenusmailinti sparnai sukuria 5 %, o smailėjantys sparnai sukuria 1–2 % didesnį pasipriešinimą nei elipsės formos sparnai. Todėl jų aerodinaminė kokybė geresnė.
Proporcingumas
Didelio kraštinių santykio sparnas sukels mažesnį pasipriešinimą nei žemo formato sparno sparnas, nes ilgesnio, plonesnio sparno galas mažiau trikdo orą. Todėl sukeltaspasipriešinimas gali būti atvirkščiai proporcingas proporcingumui, kad ir kaip paradoksaliai tai skambėtų. Kėlimo paskirstymą taip pat galima pakeisti išplaunant, pasukant sparną, kad būtų sumažintas kritimas link sparnų, ir pakeičiant sparnų paviršių šalia sparnų. Tai leidžia jums pasiekti didesnį pakėlimą arčiau sparno šaknies ir mažiau prie sparno, todėl sumažėja sparno sūkurių stiprumas ir atitinkamai pagerėja orlaivio aerodinaminė kokybė.
Orlaivių dizaino istorijoje
Kai kurių ankstyvųjų orlaivių pelekai buvo pritvirtinti prie uodegų galiukų. Vėlesni orlaiviai turi kitokią sparno formą, kad sumažintų sūkurių intensyvumą ir pasiektų maksimalų kėlimo ir pasipriešinimo santykį.
Stogo sparnuotės degalų bakai taip pat gali būti naudingi, nes neleidžia chaotiškam oro srautui aplink sparną. Dabar jie naudojami daugelyje orlaivių. DC-10 aerodinaminė kokybė buvo pelnytai laikoma revoliucine šiuo atžvilgiu. Tačiau šiuolaikinė aviacijos rinka jau seniai buvo papildyta daug pažangesniais modeliais.
Vilkimo ir vilkimo formulė: paaiškinta paprastai
Norint apskaičiuoti bendrą atsparumą, būtina atsižvelgti į vadinamąjį parazitinį atsparumą. Kadangi sukeltas pasipriešinimas yra atvirkščiai proporcingas oro greičio kvadratui (esant tam tikram pakilimui), o parazitinis pasipriešinimas yra jam tiesiogiai proporcingas, bendra pasipriešinimo kreivė rodo mažiausią greitį. Lėktuvas,skrisdamas tokiu greičiu, pasižymi optimaliomis aerodinaminėmis savybėmis. Pagal pirmiau pateiktas lygtis, minimalaus pasipriešinimo greitis atsiranda tokiu greičiu, kuriuo indukuotas pasipriešinimas yra lygus parazitiniam pasipriešinimui. Tai greitis, kuriuo pasiekiamas optimalus tuščiosios eigos orlaivių slydimo kampas. Kad nebūtų nepagrįstas, apsvarstykite formulę orlaivio pavyzdyje:
Formulės tęsinys taip pat gana keistas (nuotrauka žemiau). Skrendant aukščiau, kur oras yra plonesnis, padidės greitis, kuriuo susidaro minimalus pasipriešinimas, taigi tai leidžia greičiau važiuoti tuo pačiu kiekiu kuro.
Jei orlaivis skrenda didžiausiu leistinu greičiu, tai aukštis, kuriame oro tankis užtikrins jam geriausią aerodinaminę kokybę. Optimalus aukštis esant didžiausiam greičiui ir optimalus greitis didžiausiame aukštyje gali keistis skrydžio metu.
Ištvermė
Greitis, užtikrinantis maksimalią ištvermę (t. y. laikas ore), yra greitis, užtikrinantis minimalias degalų sąnaudas, o mažesnis greitis maksimaliam atstumui. Degalų sąnaudos apskaičiuojamos kaip reikiamos galios ir specifinių degalų sąnaudų vienam varikliui sandauga (degalų sąnaudos galios vienetui). Reikiama galia lygi vilkimo laikui.
Istorija
Šiuolaikinės aerodinamikos plėtra prasidėjo tik XVII ašimtmečius, tačiau aerodinamines jėgas žmonės tūkstančius metų naudojo burlaiviuose ir vėjo malūnuose, o skrydžio vaizdai ir istorijos atsiranda visuose istoriniuose dokumentuose ir meno kūriniuose, pavyzdžiui, senovės graikų legendoje apie Ikarą ir Dedalą. Pagrindinės kontinuumo, pasipriešinimo ir slėgio gradientų sąvokos pateikiamos Aristotelio ir Archimedo darbuose.
1726 m. seras Izaokas Niutonas tapo pirmuoju žmogumi, sukūrusiu oro pasipriešinimo teoriją, todėl tai buvo vienas pirmųjų argumentų apie aerodinamines savybes. Olandų ir šveicarų matematikas Danielis Bernoulli 1738 m. parašė traktatą pavadinimu „Hydrodynamica“, kuriame aprašė pagrindinį ryšį tarp slėgio, tankio ir srauto greičio nesuspaudžiamam srautui, šiandien žinomas kaip Bernulio principas, kuris yra vienas iš aerodinaminės keliamosios galios apskaičiavimo metodų. 1757 m. Leonhardas Euleris paskelbė bendresnes Eulerio lygtis, kurios gali būti taikomos ir suspaudžiamiems, ir nesuspaudžiamiems srautams. Eulerio lygtys buvo išplėstos, kad apimtų klampumo poveikį 1800-ųjų pirmoje pusėje, todėl atsirado Navier-Stokes lygtys. Aerodinaminės charakteristikos / aerodinaminė poliaus kokybė buvo atrasta maždaug tuo pačiu metu.
Remiantis šiais įvykiais ir savo vėjo tunelyje atliktais tyrimais, broliai Wrightai pirmuoju lėktuvu skrido 1903 m. gruodžio 17 d.
Aerodinamikos tipai
Aerodinaminės problemos klasifikuojamos pagal srauto sąlygas arba srauto savybes, įskaitant tokias charakteristikas kaip greitis, suspaudžiamumas ir klampumas. Dažniausiai jie skirstomi į du tipus:
- Išorinė aerodinamika – tai srauto aplink įvairių formų kietus objektus tyrimas. Išorinės aerodinamikos pavyzdžiai yra orlaivio pakilimo ir pasipriešinimo įvertinimas arba smūginės bangos, susidarančios prieš raketos nosį.
- Vidinė aerodinamika yra srauto per kietų objektų kanalus tyrimas. Pavyzdžiui, vidinė aerodinamika apima oro srauto per reaktyvinį variklį arba oro kondicionavimo kaminą tyrimą.
Aerodinaminės problemos taip pat gali būti klasifikuojamos pagal srauto greitį, mažesnį arba artimą garso greičiui.
Problema vadinama:
- ikigarsinis, jei visi problemos greičiai yra mažesni už garso greitį;
- transonic, jei yra greičių, mažesnių ir didesnių už garso greitį (paprastai kai būdingas greitis yra maždaug lygus garso greičiui);
- viršgarsinis, kai būdingas srauto greitis yra didesnis už garso greitį;
- hipersoninis, kai srauto greitis yra daug didesnis nei garso greitis.
Aerodinamikai nesutaria dėl tikslaus hipergarsinio srauto apibrėžimo.
Klampumo poveikis srautui lemia trečią klasifikaciją. Kai kurios problemos gali turėti tik labai mažą klampumą, tokiu atveju klampumas gali būti laikomas nereikšmingu. Šių problemų aproksimacijos vadinamos inviscidinėmissrovės. Srautai, kurių klampumo negalima nepaisyti, vadinami klampiais srautais.
Suspaudžiamumas
Nesuspaudžiamas srautas yra srautas, kurio tankis yra pastovus tiek laike, tiek erdvėje. Nors visi tikrieji skysčiai yra suspaudžiami, srautas dažnai apytiksliai vertinamas kaip nesuspaudžiamas, jei tankio pokyčio poveikis sukelia tik nedidelius apskaičiuotų rezultatų pokyčius. Tai labiau tikėtina, kai srauto greitis yra gerokai mažesnis už garso greitį. Suspaudžiamumo poveikis yra reikšmingesnis, kai greitis yra artimas garso greičiui arba didesnis už jį. Macho skaičius naudojamas nesuspaudžiamumo galimybei įvertinti, kitu atveju turi būti įtraukti suspaudžiamumo efektai.
Pagal aerodinamikos teoriją srautas laikomas gniuždomu, jei tankis keičiasi išilgai srauto linijos. Tai reiškia, kad, priešingai nei nesuspaudžiamas srautas, atsižvelgiama į tankio pokyčius. Paprastai tai yra atvejis, kai dalies arba viso srauto Macho skaičius viršija 0,3. Macho reikšmė 0,3 yra gana savavališka, tačiau ji naudojama, nes dujų srautas, mažesnis už šią vertę, keičia mažiau nei 5 % tankio. Be to, didžiausias 5% tankio pokytis įvyksta stagnacijos taške (objekto taške, kuriame srauto greitis yra lygus nuliui), o tankis aplink likusį objektą bus daug mažesnis. Transoniniai, viršgarsiniai ir hipergarsiniai srautai yra suspaudžiami.
Išvada
Aerodinamika šiandien yra vienas svarbiausių mokslų pasaulyje. Ji mums teikiakokybiškų lėktuvų, laivų, automobilių ir komiškų šaudyklių statyba. Ji vaidina didžiulį vaidmenį kuriant šiuolaikinių tipų ginklus – balistines raketas, stiprintuvus, torpedas ir dronus. Visa tai būtų neįmanoma, jei ne šiuolaikinės pažangios aerodinaminės kokybės koncepcijos.
Taigi, idėjos apie straipsnio temą pasikeitė iš gražių, bet naivių fantazijų apie Ikarą į funkcionalius ir tikrai veikiančius lėktuvus, kilusius praėjusio amžiaus pradžioje. Šiandien neįsivaizduojame savo gyvenimo be automobilių, laivų ir orlaivių, o šios transporto priemonės ir toliau tobulėja dėl naujų aerodinamikos proveržių.
Sklandytuvų aerodinaminės savybės savo laiku buvo tikras proveržis. Iš pradžių visi atradimai šioje srityje buvo padaryti pasitelkus abstrakčius, kartais nuo realybės atskirtus, teorinius skaičiavimus, kuriuos savo laboratorijose atliko prancūzų ir vokiečių matematikai. Vėliau visos jų formulės buvo panaudotos kitiems, fantastiškesniems (pagal XVIII a. standartus) tikslams, pavyzdžiui, apskaičiuojant idealią ateities orlaivių formą ir greitį. XIX amžiuje šie įrenginiai buvo pradėti statyti dideliais kiekiais, pradedant sklandytuvais ir dirižabliais, europiečiai pamažu perėjo prie lėktuvų kūrimo. Pastarieji pirmą kartą buvo naudojami išimtinai kariniams tikslams. Pirmojo pasaulinio karo asai parodė, koks svarbus bet kuriai šaliai yra dominavimo ore problema, o tarpukario inžinieriai atrado, kad tokie orlaiviai efektyvūs ne tik kariškiams, bet ir civiliams.tikslus. Laikui bėgant civilinė aviacija tvirtai įsiliejo į mūsų gyvenimą, o šiandien be jos neapsieina nė viena valstybė.
