U svakom zrakoplovnom projektantskom birou postoji priča o izjavi glavnog projektanta. Mijenja se samo autor izjave. A zvuči ovako: "Cijeli život se bavim avionima, ali još uvijek ne razumijem kako ovaj komad željeza leti!". Doista, nakon svega, Newtonov prvi zakon još nije poništen, a avion je očito teži od zraka. Potrebno je shvatiti koja sila ne dopušta višetonskom stroju da padne na tlo.
Metode zračnog putovanja
Postoje tri načina putovanja:
- Aerostatski, kada se uzdizanje od tla vrši uz pomoć tijela čija je specifična težina manja od gustoće atmosferskog zraka. To su baloni, zračni brodovi, sonde i druge slične strukture.
- Reaktivno, što je gruba sila mlazne struje iz zapaljivog goriva, koja omogućuje prevladavanje sile gravitacije.
- I, konačno, aerodinamička metoda stvaranja uzgona, kada se Zemljina atmosfera koristi kao potporna tvar za vozila teža od zraka. Avioni, helikopteri, žiroplani, jedrilice i, usput rečeno, ptice se kreću ovom posebnom metodom.
Aerodinamičke sile
Na zrakoplov koji se kreće kroz zrak utječu četiri glavne višesmjerne sile. Konvencionalno, vektori ovih sila su usmjereni naprijed, natrag, dolje i gore. To je gotovo labud, rak i štuka. Silu koja gura avion naprijed stvara motor, unatrag je prirodna sila otpora zraka, a prema dolje je gravitacija. Pa, umjesto da pustite avion da padne - uzgona koje stvara strujanje zraka zbog strujanja oko krila.
Standardna atmosfera
Stanje zraka, njegova temperatura i tlak mogu značajno varirati u različitim dijelovima zemljine površine. Sukladno tome, sve karakteristike zrakoplova će se također razlikovati kada lete na jednom ili drugom mjestu. Stoga smo, radi praktičnosti i dovođenja svih karakteristika i proračuna u zajednički nazivnik, dogovorili definiranje tzv. standardne atmosfere sa sljedećim glavnim parametrima: tlak 760 mm Hg iznad razine mora, gustoća zraka 1,188 kg po kubnom metru, brzina zvuk 340,17 metara u sekundi, temperatura +15 ℃. Kako se visina povećava, ti se parametri mijenjaju. Postoje posebne tablice koje otkrivaju vrijednosti parametara za različite visine. Svi aerodinamički proračuni, kao i određivanje karakteristika izvedbe zrakoplova, provode se pomoću ovih pokazatelja.
Najjednostavniji princip stvaranja lifta
Ako je u nadolazećem strujanju zrakada postavite ravan predmet, na primjer, izbacivanjem dlana iz prozora automobila u pokretu, možete osjetiti ovu silu, kako kažu, "na prstima". Pri okretanju dlana pod malim kutom u odnosu na strujanje zraka odmah se osjeti da se osim otpora zraka pojavila još jedna sila koja vuče gore ili dolje, ovisno o smjeru kuta rotacije. Kut između ravnine tijela (u ovom slučaju dlanova) i smjera strujanja zraka naziva se napadni kut. Kontrolirajući napadni kut, možete kontrolirati podizanje. Lako se može vidjeti da će se povećanjem napadnog kuta povećati sila koja gura dlan prema gore, ali do određene točke. A kada dosegne kut blizu 70-90 stupnjeva, potpuno će nestati.
krilo zrakoplova
Glavna nosiva površina koja stvara uzgon je krilo zrakoplova. Profil krila je obično zakrivljenog oblika suze kao što je prikazano.
Kada zrak struji oko krila, brzina zraka koji prolazi duž gornjeg dijela krila prelazi brzinu donjeg strujanja. U tom slučaju, statički tlak zraka na vrhu postaje niži nego ispod krila. Razlika tlaka gura krilo prema gore, stvarajući uzlet. Stoga su, kako bi se osigurala razlika tlaka, svi profili krila izrađeni asimetrično. Za krilo sa simetričnim profilom pri nultom napadnom kutu, uzgona u ravnom letu je nula. S takvim krilom jedini način da ga se stvori je promjena kuta napada. Postoji još jedna komponenta sile dizanja - induktivna. Ona jenastaje zbog nagnutog protoka zraka prema dolje od strane zakrivljene donje površine krila, što prirodno rezultira prema gore obrnutoj sili koja djeluje na krilo.
Izračun
Formula za izračunavanje sile uzgona krila zrakoplova je sljedeća:
Y=CyS(PV 2)/2
Gdje:
- Cy - koeficijent podizanja.
- S - područje krila.
- V - brzina slobodnog toka.
- P - gustoća zraka.
Ako je sve jasno s gustoćom zraka, površinom krila i brzinom, tada je koeficijent uzgona vrijednost dobivena eksperimentalno i nije konstanta. Razlikuje se ovisno o profilu krila, njegovom omjeru stranica, napadnom kutu i drugim vrijednostima. Kao što možete vidjeti, ovisnosti su uglavnom linearne, osim brzine.
Ovaj tajanstveni koeficijent
Koeficijent podizanja krila je dvosmislena vrijednost. Složeni višestupanjski proračuni još uvijek se provjeravaju eksperimentalno. To se obično radi u aerotunelu. Za svaki profil krila i za svaki napadni kut, njegova će vrijednost biti različita. A budući da samo krilo ne leti, već je dio zrakoplova, takvi se testovi provode na odgovarajućim smanjenim kopijama modela zrakoplova. Krila se rijetko testiraju zasebno. Prema rezultatima brojnih mjerenja svakog pojedinog krila, moguće je nacrtati ovisnost koeficijenta o napadnom kutu, kao i različite grafikone koji odražavaju ovisnostpodizanje od brzine i profila pojedinog krila, kao i od oslobođene mehanizacije krila. Uzorak grafikona prikazan je u nastavku.
Zapravo, ovaj koeficijent karakterizira sposobnost krila da pretvori pritisak nadolazećeg zraka u uzgonu. Njegova uobičajena vrijednost je od 0 do 2. Rekord je 6. Do sada je osoba jako daleko od prirodnog savršenstva. Na primjer, ovaj koeficijent za orla, kada se uzdiže iz zemlje s uhvaćenim goferom, doseže vrijednost od 14. Iz gornjeg grafikona je očito da povećanje napadnog kuta uzrokuje povećanje uzgona na određene vrijednosti kuta. Nakon toga, učinak se gubi i čak ide u suprotnom smjeru.
Zastoji
Kao što kažu, sve je dobro umjereno. Svako krilo ima svoju granicu u smislu napadnog kuta. Takozvani nadkritični napadni kut dovodi do zastoja na gornjoj površini krila, što ga lišava podizanja. Zastoj se javlja neravnomjerno po cijeloj površini krila i popraćen je odgovarajućim, izrazito neugodnim pojavama kao što su podrhtavanje i gubitak kontrole. Začudo, ovaj fenomen ne ovisi puno o brzini, iako također utječe, ali glavni razlog zastoja je intenzivno manevriranje, popraćeno nadkritičnim kutovima napada. Zbog toga se dogodio i jedini pad zrakoplova Il-86, kada se pilot, želeći se "pokazati" na praznom avionu bez putnika, naglo počeo penjati, što je završilo tragično..
Otpor
Ruku pod ruku s podizanjem dolazi povlačenje,sprječavanje kretanja zrakoplova naprijed. Sastoji se od tri elementa. To su sila trenja zbog djelovanja zraka na zrakoplov, sila zbog razlike tlaka u područjima ispred krila i iza krila, te induktivna komponenta o kojoj je bilo riječi, budući da je vektor njezina djelovanja usmjeren ne samo prema gore, pridonoseći povećanju uspinjanja, već i natrag, budući da je saveznik otpora. Osim toga, jedna od komponenti induktivnog otpora je sila koja nastaje zbog strujanja zraka kroz krajeve krila, uzrokujući vrtložna strujanja koja povećavaju kosinu smjera kretanja zraka. Formula aerodinamičkog otpora je apsolutno identična formuli sile uzgona, osim koeficijenta Su. Mijenja se u koeficijent Cx i također se određuje eksperimentalno. Njegova vrijednost rijetko prelazi jednu desetinu jedan.
Omjer pada i povlačenja
Omjer uzgona i sile otpora naziva se aerodinamička kvaliteta. Ovdje se mora uzeti u obzir jedna značajka. Budući da su formule za silu uzgona i otpora, osim koeficijenata, iste, može se pretpostaviti da je aerodinamička kvaliteta zrakoplova određena omjerom koeficijenata Cy i Cx. Graf ovog omjera za određene napadne kutove naziva se polarnim krilom. Primjer takvog grafikona prikazan je u nastavku.
Moderni zrakoplovi imaju vrijednost aerodinamičke kvalitete oko 17-21, a jedrilice - do 50. To znači da je na zrakoplovu podizanje krila u optimalnim uvjetima17-21 puta veća od sile otpora. U usporedbi s avionom braće Wright, koji ima ocjenu 6,5, napredak dizajna je očit, ali orao s nesretnim goferom u šapama još je daleko.
Načini letenja
Različiti načini leta zahtijevaju različit omjer uzgona i otpora. U letu na krstarenju brzina zrakoplova je dosta velika, a koeficijent uzgona, proporcionalan kvadratu brzine, je na visokim vrijednostima. Ovdje je glavna stvar minimalizirati otpor. Tijekom polijetanja, a posebno slijetanja, koeficijent uzgona igra odlučujuću ulogu. Brzina zrakoplova je mala, ali je potreban njegov stabilan položaj u zraku. Idealno rješenje za ovaj problem bilo bi stvaranje takozvanog adaptivnog krila, koje mijenja svoju zakrivljenost, pa čak i površinu ovisno o uvjetima leta, otprilike na isti način kao i ptice. Dok projektanti u tome nisu uspjeli, promjena koeficijenta uzgona postiže se korištenjem krilne mehanizacije, čime se povećava i površina i zakrivljenost profila, što povećanjem otpora značajno povećava uzgon. Za borbene zrakoplove korištena je promjena zamaha krila. Inovacija je omogućila smanjenje otpora pri velikim brzinama i povećanje uzgona pri malim brzinama. Međutim, ovaj dizajn se pokazao nepouzdanim, a nedavno su se proizvodili i frontalni zrakoplovi s fiksnim krilom. Drugi način povećanja uzgonske sile krila zrakoplova je dodatno puhanje krila strujanjem iz motora. To je implementirano u vojsciTransportni avioni An-70 i A-400M, koji se zbog ovog svojstva odlikuju skraćenim udaljenostima polijetanja i slijetanja.
