Във всяко авиационно конструкторско бюро има разказ за изявление на главния конструктор. Променя се само авторът на изявлението. И звучи така: „Цял живот се занимавам със самолети, но все още не разбирам как лети това парче желязо!“. Всъщност, в края на краищата първият закон на Нютон все още не е отменен и самолетът очевидно е по-тежък от въздуха. Необходимо е да се разбере каква сила не позволява на многотонна машина да падне на земята.
Методи за въздушно пътуване
Има три начина за пътуване:
- Аеростатично, при повдигане от земята се извършва с помощта на тяло, чието специфично тегло е по-ниско от плътността на атмосферния въздух. Това са балони, дирижабъли, сонди и други подобни структури.
- Реактивна, която е грубата сила на реактивна струя от горимо гориво, която позволява да се преодолее силата на гравитацията.
- И накрая, аеродинамичният метод за създаване на повдигане, когато земната атмосфера се използва като поддържащо вещество за превозни средства, по-тежки от въздуха. Самолети, хеликоптери, жироплани, планери и, между другото, птиците се движат по този конкретен метод.
Аеродинамични сили
Въздушно средство, движещо се във въздуха, се влияе от четири основни многопосочни сили. Обикновено векторите на тези сили са насочени напред, назад, надолу и нагоре. Това е почти лебед, рак и щука. Силата, тласкаща самолета напред, се генерира от двигателя, назад е естествената сила на въздушното съпротивление, а надолу е гравитацията. Е, вместо да оставиш самолета да падне - повдигането, генерирано от въздушния поток поради потока около крилото.
Стандартна атмосфера
Състоянието на въздуха, неговата температура и налягане могат да варират значително в различните части на земната повърхност. Съответно всички характеристики на самолетите също ще се различават, когато летят на едно или друго място. Ето защо, за удобство и привеждане на всички характеристики и изчисления към общ знаменател, се съгласихме да дефинираме така наречената стандартна атмосфера със следните основни параметри: налягане 760 mm Hg над морското равнище, плътност на въздуха 1,188 kg на кубичен метър, скорост на звук 340,17 метра в секунда, температура +15 ℃. С увеличаване на надморската височина тези параметри се променят. Има специални таблици, които разкриват стойностите на параметрите за различни височини. Всички аеродинамични изчисления, както и определянето на експлоатационните характеристики на самолета, се извършват с помощта на тези показатели.
Най-простият принцип за създаване на лифт
Ако в насрещния въздушен потокда поставите плосък предмет, например, като издърпате дланта си през прозореца на движеща се кола, можете да почувствате тази сила, както се казва, „на пръстите си“. При завъртане на дланта под малък ъгъл спрямо въздушния поток веднага се усеща, че освен въздушното съпротивление се е появила и друга сила, дърпаща се нагоре или надолу, в зависимост от посоката на ъгъла на въртене. Ъгълът между равнината на тялото (в този случай дланите) и посоката на въздушния поток се нарича ъгъл на атака. Като контролирате ъгъла на атака, можете да контролирате повдигането. Лесно се вижда, че с увеличаване на ъгъла на атака силата, избутваща дланта нагоре, ще се увеличи, но до определен момент. И когато достигне ъгъл близо до 70-90 градуса, ще изчезне напълно.
Крило на самолета
Основната носеща повърхност, която създава подемна сила, е крилото на самолета. Профилът на крилото обикновено е с извита капковидна форма, както е показано.
Когато въздухът тече около крилото, скоростта на въздуха, преминаващ по горната част на крилото, превишава скоростта на долния поток. В този случай статичното налягане на въздуха в горната част става по-ниско, отколкото под крилото. Разликата в налягането избутва крилото нагоре, създавайки повдигане. Следователно, за да се осигури разликата в налягането, всички профили на крилата са направени асиметрични. За крило със симетричен профил при нулев ъгъл на атака, подемната сила при равен полет е нула. При такова крило единственият начин да го създадете е да промените ъгъла на атака. Има и друг компонент на повдигащата сила - индуктивен. Тя есе образува поради наклона надолу на въздушния поток от извитата долна повърхност на крилото, което естествено води до обратна сила нагоре, действаща върху крилото.
Изчисление
Формулата за изчисляване на подемната сила на крилото на самолета е както следва:
Y=CyS(PV 2)/2
Къде:
- Cy - коефициент на повдигане.
- S - площ на крилото.
- V - скорост на свободния поток.
- P - плътност на въздуха.
Ако всичко е ясно с плътността на въздуха, площта на крилото и скоростта, тогава коефициентът на подемна сила е стойност, получена експериментално и не е константа. Тя варира в зависимост от профила на крилото, неговото съотношение на страните, ъгъла на атака и други стойности. Както можете да видите, зависимостите са предимно линейни, с изключение на скоростта.
Този мистериозен коефициент
Коефициентът на повдигане на крилото е двусмислена стойност. Сложните многоетапни изчисления все още се проверяват експериментално. Това обикновено се прави в аеродинамичен тунел. За всеки профил на крилото и за всеки ъгъл на атака неговата стойност ще бъде различна. И тъй като самото крило не лети, а е част от самолета, такива тестове се извършват на съответните намалени копия на модели на самолети. Крилата рядко се тестват отделно. Според резултатите от множество измервания на всяко конкретно крило е възможно да се начертае зависимостта на коефициента от ъгъла на атака, както и различни графики, които отразяват зависимосттаповдигане от скоростта и профила на конкретно крило, както и от освободената механизация на крилото. Примерна диаграма е показана по-долу.
Всъщност този коефициент характеризира способността на крилото да преобразува налягането на входящия въздух в подемна сила. Обичайната му стойност е от 0 до 2. Рекордът е 6. Засега човек е много далеч от естественото съвършенство. Например, този коефициент за орел, когато се издигне от земята с уловен гофер, достига стойност 14. От горната графика е очевидно, че увеличаването на ъгъла на атака причинява увеличаване на повдигането до определени стойности на ъгъла. След това ефектът се губи и дори отива в обратна посока.
Поток на застой
Както се казва, всичко е добро в умерени количества. Всяко крило има своя собствена граница по отношение на ъгъла на атака. Така нареченият свръхкритичен ъгъл на атака води до спиране на горната повърхност на крилото, което го лишава от повдигане. Сриването се случва неравномерно по цялата площ на крилото и е придружено от съответните, изключително неприятни явления като треперене и загуба на контрол. Колкото и да е странно, това явление не зависи много от скоростта, въпреки че също влияе, но основната причина за появата на срив е интензивното маневриране, придружено от свръхкритични ъгли на атака. Именно поради това се случи единствената катастрофа на самолета Ил-86, когато пилотът, желаейки да се „покачи“на празен самолет без пътници, рязко започна да се изкачва, което завърши трагично..
Съпротивление
Ръка за ръка с повдигането идва плъзгането,предотвратяване на движението на самолета напред. Състои се от три елемента. Това са силата на триене, дължаща се на въздействието на въздуха върху самолета, силата, дължаща се на разликата в налягането в областите пред крилото и зад крилото, и индуктивната компонента, обсъдена по-горе, тъй като векторът на нейното действие е насочен не само нагоре, допринасяйки за увеличаване на повдигането, но и обратно, като съюзник на съпротивата. В допълнение, един от компонентите на индуктивното съпротивление е силата, която възниква поради потока въздух през краищата на крилото, причинявайки вихрови потоци, които увеличават скосяването на посоката на движение на въздуха. Формулата за аеродинамично съпротивление е абсолютно идентична с формулата за подемната сила, с изключение на коефициента Su. Той се променя в коефициента Cx и също се определя експериментално. Стойността му рядко надвишава една десета от едно.
Съотношение на пускане към плъзгане
Съотношението на повдигане към сила на съпротивление се нарича аеродинамично качество. Тук трябва да се вземе предвид една особеност. Тъй като формулите за подемната сила и силата на съпротивление, с изключение на коефициентите, са еднакви, може да се приеме, че аеродинамичното качество на самолета се определя от съотношението на коефициентите Cy и Cx. Графиката на това съотношение за определени ъгли на атака се нарича полярна на крилото. Пример за такава диаграма е показан по-долу.
Съвременните самолети имат стойност на аеродинамичното качество около 17-21, а планерите - до 50. Това означава, че на самолета повдигането на крилото е при оптимални условия17-21 пъти по-голяма от силата на съпротивление. В сравнение със самолета на братя Райт, който получава 6,5, напредъкът в дизайна е очевиден, но орелът с нещастния гофер в лапите му все още е далеч.
Режими на полет
Различните режими на полет изискват различно съотношение на повдигане към съпротивление. При крейсерски полет скоростта на самолета е доста висока, а коефициентът на подемна сила, пропорционален на квадрата на скоростта, е с високи стойности. Основното тук е да се сведе до минимум съпротивата. По време на излитане и особено кацане коефициентът на подемна сила играе решаваща роля. Скоростта на самолета е ниска, но се изисква стабилното му положение във въздуха. Идеално решение на този проблем би било създаването на така нареченото адаптивно крило, което променя своята кривина и равномерна площ в зависимост от условията на полет, приблизително по същия начин, както правят птиците. Докато конструкторите не успеят, промяната в коефициента на подемна сила се постига чрез използване на механизация на крилата, която увеличава както площта, така и кривината на профила, което с увеличаване на съпротивлението значително увеличава подемната сила. За изтребителите е използвана промяна в размаха на крилото. Иновацията направи възможно намаляването на съпротивлението при високи скорости и увеличаването на повдигането при ниски скорости. Този дизайн обаче се оказа ненадежден и наскоро се произвеждат фронтови самолети с фиксирано крило. Друг начин за увеличаване на подемната сила на крилото на самолета е допълнителното издухване на крилото с поток от двигателите. Това е приложено в армиятаТранспортни самолети Ан-70 и А-400М, които поради това свойство се отличават със скъсени дистанции за излитане и кацане.
