Тази сила на съпротивление се появява в самолети поради крила или подемно тяло, пренасочващи въздуха, за да предизвикат повдигане, и в автомобили с крила на аерофол, които пренасочват въздуха, за да предизвикат притискаща сила. Самюел Лангли забеляза, че по-плоските плочи с по-високо съотношение имат по-високо повдигане и по-ниско съпротивление и са въведени през 1902 г. Без изобретяването на аеродинамичното качество на самолета, съвременният дизайн на самолета би бил невъзможен.
Повдигане и преместване
Общата аеродинамична сила, действаща върху тялото, обикновено се счита за съставена от два компонента: повдигане и изместване. По дефиниция, компонентът на силата, успореден на противопотока, се нарича изместване, докато компонентът, перпендикулярен на противопотока, се нарича повдигане.
Тези основи на аеродинамиката са от голямо значение за анализа на аеродинамичното качество на крилото. Повдигането се получава чрез промяна на посоката на потока около крилото. Промянапосоката води до промяна в скоростта (дори и да няма промяна в скоростта, както се вижда при равномерно кръгово движение), което е ускорение. Следователно, за да се промени посоката на потока, е необходимо да се приложи сила към течността. Това е ясно видимо на всеки самолет, просто погледнете схематичното представяне на аеродинамичното качество на Ан-2.
Но не всичко е толкова просто. Продължавайки темата за аеродинамичното качество на крилото, заслужава да се отбележи, че създаването на въздушно повдигане под него е при по-високо налягане от налягането на въздуха над него. При крило с краен размах тази разлика в налягането кара въздуха да тече от корена на долното повърхностно крило към основата на горната му повърхност. Този летящ въздушен поток се комбинира с течащ въздух, за да предизвика промяна в скоростта и посоката, която усуква въздушния поток и създава вихри по задния ръб на крилото. Създадените вихри са нестабилни, те бързо се комбинират, за да създадат вихри на крила. Получените вихри променят скоростта и посоката на въздушния поток зад задния ръб, като го отклоняват надолу и по този начин причиняват клапа зад крилото. От тази гледна точка, например, самолетът MS-21 има високо ниво на съотношение на повдигане към съпротивление.
Управление на въздушния поток
Вихрите на свой ред променят въздушния поток около крилото, намалявайки способността на крилото да генерира подемна сила, така че изисква по-висок ъгъл на атака за същото повдигане, което накланя общата аеродинамична сила назад и увеличава компонента на съпротивлението на тази сила. Ъгловото отклонение е незначителнозасяга повдигането. Има обаче увеличение на съпротивлението, равно на произведението на повдигането и ъгъла, поради който то се отклонява. Тъй като отклонението само по себе си е функция на повдигането, допълнителното съпротивление е пропорционално на ъгъла на изкачване, което може ясно да се види в аеродинамиката на A320.
Исторически примери
Правоъгълно планетарно крило създава повече вихрови вибрации от конусовидно или елипсовидно крило, поради което много съвременни крила са заострени, за да подобрят съотношението на повдигане към съпротивление. Елиптичният планер обаче е по-ефективен, тъй като индуцираното измиване (и следователно ефективният ъгъл на атака) е постоянен през целия размах на крилата. Поради производствените усложнения, малко самолети имат този план, като най-известните примери са Spitfire от Втората световна война и Thunderbolt. Заострените крила с прави предни и задни ръбове могат да се доближат до елиптично разпределение на повдигането. Като общо правило правите, незаострени крила произвеждат 5%, а заострените крила произвеждат 1-2% повече индуцирано съпротивление от елипсовидно крило. Следователно те имат по-добро аеродинамично качество.
Пропорционалност
Крилото с високо съотношение на страните ще произведе по-малко индуцирано съпротивление от крилото с ниско съотношение, тъй като има по-малко въздушни смущения на върха на по-дълго, по-тънко крило. Следователно, индуциранатасъпротивлението може да бъде обратно пропорционално на пропорционалността, колкото и парадоксално да звучи. Разпределението на подемната сила може също да се промени чрез измиване, завъртане на крилото наоколо, за да се намали падането към крилата, и чрез смяна на аерофола близо до крилата. Това ви позволява да получите повече подемна сила по-близо до корена на крилото и по-малко до крилото, което води до намаляване на силата на вихрите на крилото и съответно до подобряване на аеродинамичното качество на самолета.
В историята на дизайна на самолети
На някои ранни самолети перките бяха монтирани на върховете на опашките. По-късните самолети имат различна форма на крилото, за да се намали интензивността на вихрите и да се постигне максимално съотношение на повдигане към съпротивление.
Горивните резервоари на покрива на покрива също могат да осигурят известна полза, като предотвратяват хаотичния въздушен поток около крилото. Сега те се използват в много самолети. Аеродинамичното качество на DC-10 заслужено се счита за революционно в това отношение. Съвременният авиационен пазар обаче отдавна се попълва с много по-модерни модели.
Формула за плъзгане към плъзгане: обяснено с прости думи
За изчисляване на общото съпротивление е необходимо да се вземе предвид така наречената паразитна устойчивост. Тъй като индуцираното съпротивление е обратно пропорционално на квадрата на въздушната скорост (при дадено повдигане), докато паразитното съпротивление е право пропорционално на него, общата крива на съпротивление показва минималната скорост. самолет,летейки с такава скорост, работи с оптимални аеродинамични качества. Съгласно горните уравнения скоростта на минималното съпротивление възниква при скорост, при която индуцираното съпротивление е равно на паразитното съпротивление. Това е скоростта, при която се достига оптималният ъгъл на приплъзване за самолети на празен ход. За да не бъдете неоснователни, разгледайте формулата на примера на самолет:
Продължението на формулата също е доста любопитно (на снимката по-долу). Летенето по-високо, където въздухът е по-разреден, ще увеличи скоростта, с която се получава минималното съпротивление, и по този начин позволява по-бързо пътуване при същото количество гориво.
Ако самолет лети с максималната си допустима скорост, тогава височината, на която плътността на въздуха ще му осигури най-доброто аеродинамично качество. Оптималната височина при максимална скорост и оптималната скорост при максимална височина може да се променят по време на полет.
Издръжливост
Скорост за максимална издръжливост (т.е. време във въздуха) е скоростта за минимален разход на гориво и по-малка скорост за максимален обхват. Разходът на гориво се изчислява като произведение на необходимата мощност и специфичния разход на гориво на двигател (разход на гориво за единица мощност). Необходимата мощност е равна на времето за влачене.
История
Развитието на съвременната аеродинамика започва едва през XVIIвекове, но аеродинамичните сили са били използвани от хората в продължение на хиляди години в платноходки и вятърни мелници, а изображения и истории за полет се появяват във всички исторически документи и произведения на изкуството, като древногръцката легенда за Икар и Дедал. Основните концепции за континуум, съпротивление и градиенти на налягане се появяват в работата на Аристотел и Архимед.
През 1726 г. сър Исак Нютон става първият човек, който развива теорията за въздушното съпротивление, което я прави един от първите аргументи за аеродинамичните качества. Холандско-швейцарският математик Даниел Бернули написа през 1738 г. трактат, наречен Hydrodynamica, в който описва фундаменталната връзка между налягането, плътността и скоростта на потока за несвиваемия поток, известен днес като принцип на Бернули, който предоставя един метод за изчисляване на аеродинамичното повдигане. През 1757 г. Леонхард Ойлер публикува по-общите уравнения на Ойлер, които могат да се прилагат както към компресируеми, така и към несвиваеми потоци. Уравненията на Ойлер са разширени, за да включват ефектите на вискозитета през първата половина на 1800-те, което води до уравненията на Навие-Стокс. Аеродинамичните характеристики/аеродинамичното качество на полярния са открити приблизително по същото време.
Въз основа на тези събития, както и на изследвания, направени в техния собствен аеродинамичен тунел, братя Райт летят с първия самолет на 17 декември 1903 г.
Видове аеродинамика
Аеродинамичните проблеми се класифицират по условия на потока или свойства на потока, включително характеристики като скорост, свиваемост и вискозитет. Най-често се делят на два вида:
- Външната аеродинамика е изследване на потока около твърди обекти с различни форми. Примери за външна аеродинамика са оценката на повдигането и съпротивлението на самолета или ударните вълни, които се образуват пред носа на ракетата.
- Вътрешната аеродинамика е изследване на потока през проходи в твърди обекти. Например вътрешната аеродинамика обхваща изследването на въздушния поток през реактивен двигател или през комин на климатика.
Аеродинамичните проблеми могат също да бъдат класифицирани според скоростите на потока под или близо до скоростта на звука.
Проблемът се нарича:
- подзвуков, ако всички скорости в проблема са по-малки от скоростта на звука;
- трансзвуков, ако има скорости както под, така и над скоростта на звука (обикновено когато характерната скорост е приблизително равна на скоростта на звука);
- свръхзвуков, когато характерната скорост на потока е по-голяма от скоростта на звука;
- хиперзвукова, когато скоростта на потока е много по-голяма от скоростта на звука.
Аеродинамиките не са съгласни с точната дефиниция на хиперзвуковия поток.
Ефектът на вискозитета върху потока диктува трета класификация. Някои проблеми може да имат само много малки вискозни ефекти, в който случай вискозитетът може да се счита за незначителен. Приближенията към тези проблеми се наричат невисящитечения. Потоци, за които вискозитетът не може да се пренебрегне, се наричат вискозни потоци.
Сгъваемост
Несвиваем поток е поток, при който плътността е постоянна както във времето, така и в пространството. Въпреки че всички реални течности са свиваеми, потокът често се приближава като несвиваем, ако ефектът от промяна в плътността причинява само малки промени в изчислените резултати. Това е по-вероятно, когато скоростта на потока е доста под скоростта на звука. Ефектите от свиваемостта са по-значими при скорости, близки или по-високи от скоростта на звука. Числото на Мах се използва за оценка на възможността за несвиваемост, в противен случай трябва да се включат ефекти на компресия.
Според теорията на аеродинамиката, потокът се счита за свиваем, ако плътността се промени по линията на тока. Това означава, че за разлика от несвиваемия поток се вземат предвид промените в плътността. Като цяло това е случаят, когато числото на Мах на част или целия поток надвишава 0,3 Стойността на Мах от 0,3 е доста произволна, но се използва, тъй като газов поток под тази стойност показва по-малко от 5% промени в плътността. Също така, максималната промяна на плътността от 5% се случва в точката на застой (точката на обекта, където скоростта на потока е нула), докато плътността около останалата част от обекта ще бъде много по-ниска. Трансзвуковите, свръхзвуковите и хиперзвуковите потоци са всички компресируеми.
Заключение
Аеродинамиката е една от най-важните науки в света днес. Тя ни осигуряваизграждане на качествени самолети, кораби, автомобили и комични совалки. Той играе огромна роля в развитието на съвременните видове оръжия - балистични ракети, ускорители, торпеда и дронове. Всичко това би било невъзможно, ако не бяха съвременните усъвършенствани концепции за аеродинамично качество.
Така идеите за темата на статията се промениха от красиви, но наивни фантазии за Икар, към функционални и наистина работещи самолети, възникнали в началото на миналия век. Днес не можем да си представим живота си без автомобили, кораби и самолети и тези превозни средства продължават да се подобряват с нови пробиви в аеродинамиката.
Аеродинамичните качества на планерите бяха истински пробив в своето време. Първоначално всички открития в тази област бяха направени с помощта на абстрактни, понякога отделени от реалността, теоретични изчисления, които бяха извършени от френски и немски математици в техните лаборатории. По-късно всичките им формули са използвани за други, по-фантастични (по стандартите на 18 век) цели, като изчисляване на идеалната форма и скорост на бъдещите самолети. През 19 век тези устройства започват да се изграждат в големи количества, като се започне с планери и дирижабли, европейците постепенно преминават към конструкцията на самолети. Последните за първи път са били използвани изключително за военни цели. Асовете от Първата световна война показаха колко важен е въпросът за господството във въздуха за всяка страна, а инженерите от междувоенния период откриха, че такива самолети са ефективни не само за военните, но и за цивилните.цели. С течение на времето гражданската авиация здраво навлезе в живота ни и днес нито една държава не може без нея.
