Katrā aviācijas dizaina birojā ir stāsts par galvenā dizainera paziņojumu. Mainās tikai paziņojuma autors. Un tas izklausās šādi: "Es visu mūžu nodarbojos ar lidmašīnām, bet joprojām nesaprotu, kā šis dzelzs gabals lido!". Patiešām, galu galā pirmais Ņūtona likums vēl nav atcelts, un lidmašīna ir acīmredzami smagāka par gaisu. Jāizdomā, kāds spēks neļauj vairākas tonnas smagai mašīnai nokrist zemē.
Avioceļošanas metodes
Ir trīs ceļošanas veidi:
- Aerostatiskais, pacelšanās no zemes tiek veikta ar ķermeņa palīdzību, kura īpatnējais svars ir mazāks par atmosfēras gaisa blīvumu. Tie ir baloni, dirižabļi, zondes un citas līdzīgas struktūras.
- Reaktīvs, kas ir degošas degvielas reaktīvas straumes brutālais spēks, kas ļauj pārvarēt gravitācijas spēku.
- Un, visbeidzot, aerodinamiskā pacēluma radīšanas metode, kad Zemes atmosfēru izmanto kā atbalsta vielu par gaisu smagākiem transportlīdzekļiem. Lidmašīnas, helikopteri, žiroplāni, planieri un, starp citu, putni pārvietojas, izmantojot šo konkrēto metodi.
Aerodinamiskie spēki
Lidaparātu, kas pārvietojas pa gaisu, ietekmē četri galvenie daudzvirzienu spēki. Parasti šo spēku vektori ir vērsti uz priekšu, atpakaļ, uz leju un uz augšu. Tas ir gandrīz gulbis, vēzis un līdaka. Spēku, kas virza lidmašīnu uz priekšu, ģenerē dzinējs, atpakaļ ir dabiskais gaisa pretestības spēks, un lejup ir gravitācija. Tā vietā, lai ļautu lidmašīnai nokrist – gaisa plūsmas radītais pacēlums, kas saistīts ar plūsmu ap spārnu.
Standarta atmosfēra
Gaisa stāvoklis, tā temperatūra un spiediens var ievērojami atšķirties dažādās zemes virsmas daļās. Attiecīgi visas lidaparātu īpašības atšķirsies arī lidojot vienā vai otrā vietā. Tāpēc ērtībai un visu raksturlielumu un aprēķinu apvienošanai vienojāmies definēt tā saukto standarta atmosfēru ar šādiem galvenajiem parametriem: spiediens 760 mm Hg virs jūras līmeņa, gaisa blīvums 1,188 kg uz kubikmetru, ātrums skaņa 340,17 metri sekundē, temperatūra +15 ℃. Palielinoties augstumam, šie parametri mainās. Ir īpašas tabulas, kas atklāj dažādu augstumu parametru vērtības. Visi aerodinamiskie aprēķini, kā arī gaisa kuģa darbības raksturlielumu noteikšana tiek veikti, izmantojot šos rādītājus.
Vienkāršākais lifta izveides princips
Ja pretimnākošajā gaisa plūsmānovietot plakanu priekšmetu, piemēram, izbāzt plaukstu pa braucošas automašīnas logu, šo spēku var sajust, kā saka, “uz pirkstiem”. Pagriežot plaukstu nelielā leņķī attiecībā pret gaisa plūsmu, uzreiz jūtams, ka papildus gaisa pretestībai ir parādījies cits spēks, kas velk uz augšu vai uz leju, atkarībā no griešanās leņķa virziena. Leņķi starp ķermeņa plakni (šajā gadījumā plaukstām) un gaisa plūsmas virzienu sauc par uzbrukuma leņķi. Kontrolējot uzbrukuma leņķi, jūs varat kontrolēt pacēlumu. Var viegli redzēt, ka, palielinoties uzbrukuma leņķim, pieaugs spēks, kas spiež plaukstu uz augšu, bet līdz noteiktam punktam. Un, kad tas sasniedz leņķi tuvu 70-90 grādiem, tas pazudīs pavisam.
Lidmašīnas spārns
Galvenā nesošā virsma, kas rada pacēlumu, ir lidmašīnas spārns. Spārna profilam parasti ir izliekta asaras forma, kā parādīts attēlā.
Kad gaiss plūst ap spārnu, gaisa ātrums, kas plūst gar spārna augšējo daļu, pārsniedz apakšējās plūsmas ātrumu. Šajā gadījumā statiskais gaisa spiediens augšpusē kļūst zemāks nekā zem spārna. Spiediena starpība spiež spārnu uz augšu, radot pacēlumu. Tāpēc, lai nodrošinātu spiediena starpību, visi spārnu profili ir izgatavoti asimetriski. Spārnam ar simetrisku profilu nulles uzbrukuma leņķī pacēlājs horizontālā lidojumā ir nulle. Ar šādu spārnu vienīgais veids, kā to izveidot, ir mainīt uzbrukuma leņķi. Ir vēl viena celšanas spēka sastāvdaļa - induktīvā. Viņa irveidojas gaisa plūsmas slīpuma dēļ uz leju ar izliekto spārna apakšējo virsmu, kā rezultātā uz spārnu iedarbojas uz augšu vērsts pretējs spēks.
Aprēķins
Lidakuģa spārna pacelšanas spēka aprēķināšanas formula ir šāda:
Y=CyS(PV 2)/2
Kur:
- Cy - pacelšanas koeficients.
- S - spārna zona.
- V - bezmaksas straumes ātrums.
- P - gaisa blīvums.
Ja ar gaisa blīvumu, spārnu laukumu un ātrumu viss ir skaidrs, tad pacelšanas koeficients ir eksperimentāli iegūta vērtība, nevis konstante. Tas mainās atkarībā no spārna profila, tā malu attiecības, uzbrukuma leņķa un citām vērtībām. Kā redzat, atkarības lielākoties ir lineāras, izņemot ātrumu.
Šis noslēpumainais koeficients
Spārnu pacēluma koeficients ir neskaidra vērtība. Sarežģīti daudzpakāpju aprēķini joprojām tiek pārbaudīti eksperimentāli. Parasti to dara vēja tunelī. Katram spārna profilam un katram uzbrukuma leņķim tā vērtība būs atšķirīga. Un tā kā pats spārns nelido, bet ir daļa no gaisa kuģa, šādi testi tiek veikti ar attiecīgajām samazinātajām lidmašīnu modeļu kopijām. Spārni reti tiek pārbaudīti atsevišķi. Pēc katra konkrētā spārna daudzo mērījumu rezultātiem ir iespējams uzzīmēt koeficienta atkarību no uzbrukuma leņķa, kā arī dažādus grafikus, kas atspoguļo atkarību.pacēlums no konkrētā spārna ātruma un profila, kā arī no atbrīvotās spārna mehanizācijas. Tālāk ir parādīts diagrammas paraugs.
Faktiski šis koeficients raksturo spārna spēju pārvērst ienākošā gaisa spiedienu pacēlumā. Tā parastā vērtība ir no 0 līdz 2. Rekords ir 6. Pagaidām cilvēks ir ļoti tālu no dabiskās pilnības. Piemēram, šis koeficients ērglim, kad tas paceļas no zemes ar noķertu goferu, sasniedz vērtību 14. No iepriekš minētā grafika redzams, ka uzbrukuma leņķa palielināšanās izraisa pacēluma palielināšanos līdz noteiktām leņķa vērtībām.. Pēc tam efekts zūd un pat iet pretējā virzienā.
Apstāšanās plūsma
Kā saka, ar mēru viss ir labi. Katram spārnam ir savs ierobežojums uzbrukuma leņķa ziņā. Tā sauktais superkritiskais uzbrukuma leņķis noved pie spārna augšējās virsmas iestrēgšanas, liedzot tam pacelties. Apstāšanās notiek nevienmērīgi visā spārna laukumā, un to pavada atbilstošas, ārkārtīgi nepatīkamas parādības, piemēram, kratīšana un kontroles zaudēšana. Savādi, ka šī parādība nav īpaši atkarīga no ātruma, lai gan tā arī ietekmē, bet galvenais iemesls, kāpēc iestrēgst, ir intensīva manevrēšana, ko pavada superkritiskie uzbrukuma leņķi. Tieši tādēļ notika vienīgā lidmašīnas Il-86 avārija, kad pilots, vēlēdamies "parādīties" tukšā lidmašīnā bez pasažieriem, pēkšņi sāka kāpt, kas beidzās traģiski.
Pretestība
Roku rokā ar pacelšanu nāk vilkšana,neļaujot gaisa kuģim virzīties uz priekšu. Tas sastāv no trim elementiem. Tie ir berzes spēks, ko rada gaisa ietekme uz lidmašīnu, spēks, kas rodas spiediena starpības dēļ zonās spārna priekšā un aiz spārna, kā arī iepriekš apspriestais induktīvā komponents, jo tā darbības vektors ir vērsts. ne tikai uz augšu, veicinot pacēluma pieaugumu, bet arī atpakaļ, būdams pretestības sabiedrotais. Turklāt viena no induktīvās pretestības sastāvdaļām ir spēks, kas rodas gaisa plūsmas dēļ caur spārna galiem, izraisot virpuļplūsmas, kas palielina gaisa kustības virziena slīpumu. Aerodinamiskās pretestības formula ir absolūti identiska celšanas spēka formulai, izņemot koeficientu Su. Tas mainās uz Cx koeficientu un tiek noteikts arī eksperimentāli. Tā vērtība reti pārsniedz vienu desmito daļu no vienas.
Nomešanas un vilkšanas attiecība
Pacelšanas un pretestības spēka attiecību sauc par aerodinamisko kvalitāti. Šeit ir jāņem vērā viena iezīme. Tā kā celšanas spēka un pretestības spēka formulas, izņemot koeficientus, ir vienādas, var pieņemt, ka gaisa kuģa aerodinamisko kvalitāti nosaka koeficientu Cy un Cx attiecība. Šīs attiecības grafiku noteiktiem uzbrukuma leņķiem sauc par spārna polu. Šādas diagrammas piemērs ir parādīts zemāk.
Mūsdienu lidmašīnu aerodinamiskās kvalitātes vērtība ir aptuveni 17-21, bet planieriem - līdz 50. Tas nozīmē, ka lidmašīnās spārnu pacelšana ir optimālos apstākļos17-21 reizi lielāks par pretestības spēku. Salīdzinot ar brāļu Raitu lidmašīnu, kuras vērtējums ir 6,5, projektēšanas progress ir acīmredzams, taču līdz ērglim ar nelaimīgo goferu ķepās vēl ir tālu.
Lidojuma režīmi
Dažādiem lidojuma režīmiem nepieciešama atšķirīga pacelšanas un pretestības attiecība. Kreisēšanas līmenī gaisa kuģa ātrums ir diezgan liels, un pacelšanas koeficients, kas ir proporcionāls ātruma kvadrātam, ir lielās vērtībās. Galvenais šeit ir samazināt pretestību. Pacelšanās un īpaši nosēšanās laikā pacēluma koeficientam ir izšķiroša loma. Lidmašīnas ātrums ir mazs, taču ir nepieciešama tās stabila pozīcija gaisā. Ideāls risinājums šai problēmai būtu tā sauktā adaptīvā spārna izveide, kas maina savu izliekumu un vienmērīgu laukumu atkarībā no lidojuma apstākļiem, aptuveni tāpat kā to dara putni. Kamēr projektētājiem tas nav izdevies, pacēluma koeficienta izmaiņas tiek panāktas, izmantojot spārnu mehanizāciju, kas palielina gan laukumu, gan profila izliekumu, kas, palielinot pretestību, būtiski palielina pacēlumu. Cīņas lidmašīnām tika izmantotas spārna kustības izmaiņas. Inovācija ļāva samazināt pretestību lielā ātrumā un palielināt celtspēju mazā ātrumā. Tomēr šis dizains izrādījās neuzticams, un nesen frontes līnijas lidmašīnas tika ražotas ar fiksētu spārnu. Vēl viens veids, kā palielināt lidmašīnas spārna pacelšanas spēku, ir papildus izpūst spārnu ar plūsmu no dzinējiem. Tas ir īstenots armijāTransporta lidmašīnas An-70 un A-400M, kuras šīs īpašības dēļ izceļas ar saīsinātiem pacelšanās un nosēšanās attālumiem.
