Šis pretestības spēks rodas lidmašīnās, jo spārni vai pacelšanas korpuss novirza gaisu, lai izraisītu pacelšanos, un automašīnās ar spārnu spārniem, kas novirza gaisu, lai radītu piespiedējspēku. Semjuels Lenglijs pamanīja, ka plakanākām, augstākas malu attiecības plāksnēm ir augstāka pacelšana un zemāka pretestība, un tās tika ieviestas 1902. gadā. Bez lidmašīnas aerodinamiskās kvalitātes izgudrošanas moderna gaisa kuģu konstrukcija nebūtu iespējama.
Pacelšana un pārvietošana
Uzskata, ka kopējais aerodinamiskais spēks, kas iedarbojas uz ķermeni, sastāv no divām sastāvdaļām: pacelšanas un pārvietošanās. Pēc definīcijas spēka komponentu, kas ir paralēla pretplūsmai, sauc par pārvietojumu, savukārt komponentu, kas ir perpendikulāra pretplūsmai, sauc par pacēlumu.
Šie aerodinamikas pamati ir ļoti svarīgi, lai analizētu spārna aerodinamisko kvalitāti. Pacēlumu rada, mainot plūsmas virzienu ap spārnu. Mainītvirziens rada ātruma izmaiņas (pat ja ātrums nemainās, kā redzams vienmērīgā apļveida kustībā), kas ir paātrinājums. Tāpēc, lai mainītu plūsmas virzienu, šķidrumam jāpieliek spēks. Tas ir skaidri redzams uz jebkura gaisa kuģa, vienkārši apskatiet An-2 aerodinamiskās kvalitātes shematisku attēlojumu.
Bet ne viss ir tik vienkārši. Turpinot tēmu par spārna aerodinamisko kvalitāti, ir vērts atzīmēt, ka gaisa pacēluma radīšana zem tā notiek ar lielāku spiedienu nekā gaisa spiediens virs tā. Ierobežota laiduma spārnā šī spiediena starpība izraisa gaisa plūsmu no apakšējās virsmas spārna saknes uz tā augšējās virsmas pamatni. Šī lidojošā gaisa plūsma apvienojas ar plūstošo gaisu, izraisot ātruma un virziena izmaiņas, kas izgriež gaisa plūsmu un rada virpuļus gar spārna aizmugurējo malu. Izveidotie virpuļi ir nestabili, tie ātri apvienojas, veidojot spārnu virpuļus. Iegūtie virpuļi maina gaisa plūsmas ātrumu un virzienu aiz aizmugurējās malas, novirzot to uz leju un tādējādi izraisot atloku aiz spārna. No šī viedokļa, piemēram, lidmašīnām MS-21 ir augsts pacēluma un pretestības koeficients.
Gaisa plūsmas kontrole
Virpuļi savukārt maina gaisa plūsmu ap spārnu, samazinot spārna spēju radīt pacēlumu, tāpēc vienam un tam pašam pacēlumam ir nepieciešams lielāks uzbrukuma leņķis, kas sasver kopējo aerodinamisko spēku atpakaļ un palielina spārna pretestības komponentu. tas spēks. Leņķa novirze ir niecīgaietekmē lifts. Tomēr pretestības pieaugums ir vienāds ar pacēluma un leņķa reizinājumu, kura dēļ tas novirzās. Tā kā novirze pati par sevi ir pacēluma funkcija, papildu pretestība ir proporcionāla kāpuma leņķim, ko var skaidri redzēt A320 aerodinamikā.
Vēstures piemēri
Taisnstūrveida planētas spārns rada vairāk virpuļvibrāciju nekā konisks vai eliptisks spārns, tāpēc daudzi mūsdienu spārni ir koniski, lai uzlabotu pacelšanas un pretestības attiecību. Tomēr elipsveida lidmašīnas korpuss ir efektīvāks, jo inducētā mazgāšana (un līdz ar to arī efektīvais uzbrukuma leņķis) ir nemainīga visā spārnu garumā. Ražošanas sarežģījumu dēļ dažiem lidaparātiem ir šāda plāna forma, slavenākie piemēri ir Otrā pasaules kara Spitfire un Thunderbolt. Konusveida spārni ar taisnām priekšējām un aizmugurējām malām var tuvoties elipsveida pacelšanas sadalījumam. Parasti taisni, nekoniski spārni rada 5% un konusveida spārni rada par 1–2% lielāku pretestību nekā eliptisks spārns. Tāpēc tiem ir labāka aerodinamiskā kvalitāte.
Proporcionalitāte
Augstas malu attiecības spārns radīs mazāku pretestību nekā zemas malu attiecības spārns, jo garāka, plānāka spārna galā ir mazāk gaisa traucējumu. Tāpēc inducētaispretestība var būt apgriezti proporcionāla proporcionalitātei, lai cik paradoksāli tas izklausītos. Pacēluma sadalījumu var mainīt arī, izmazgājot, pagriežot spārnu, lai samazinātu kritumu pret spārniem, un mainot gaisa spārnu pie spārniem. Tas ļauj iegūt lielāku pacēlumu tuvāk spārna saknei un mazāk spārnam, kā rezultātā samazinās spārnu virpuļu spēks un attiecīgi uzlabojas lidmašīnas aerodinamiskā kvalitāte.
Lidaparātu dizaina vēsturē
Dažiem agrīniem lidaparātiem spuras tika uzstādītas uz astes galiem. Vēlāk lidmašīnām ir cita spārnu forma, lai samazinātu virpuļu intensitāti un sasniegtu maksimālo pacēluma un pretestības attiecību.
Jumta lāpstiņriteņa degvielas tvertnes var arī sniegt zināmu labumu, novēršot haotisku gaisa plūsmu ap spārnu. Tagad tos izmanto daudzās lidmašīnās. DC-10 aerodinamiskā kvalitāte šajā ziņā tika pelnīti uzskatīta par revolucionāru. Tomēr mūsdienu aviācijas tirgus jau sen ir papildināts ar daudz modernākiem modeļiem.
Velciet, lai vilktu formula: izskaidrota vienkāršā izteiksmē
Lai aprēķinātu kopējo pretestību, jāņem vērā tā sauktā parazitārā pretestība. Tā kā inducētā pretestība ir apgriezti proporcionāla gaisa ātruma kvadrātam (pie dotā pacēluma), bet parazītiskā pretestība ir tieši proporcionāla tai, kopējā pretestības līkne parāda minimālo ātrumu. lidmašīna,lidojot ar tādu ātrumu, darbojas ar optimālām aerodinamiskām īpašībām. Saskaņā ar iepriekšminētajiem vienādojumiem minimālās pretestības ātrums rodas pie ātruma, kurā inducētā pretestība ir vienāda ar parazītisko pretestību. Tas ir ātrums, ar kādu tiek sasniegts optimālais slīdēšanas leņķis dīkstāves lidmašīnām. Lai nebūtu nepamatots, apsveriet formulu gaisa kuģa piemērā:
Arī formulas turpinājums ir diezgan kuriozs (attēlā zemāk). Lidojot augstāk, kur gaiss ir plānāks, palielināsies minimālās pretestības ātrums, un tādējādi tas ļauj ātrāk pārvietoties ar tādu pašu gaisa daudzumu. degviela.
Ja lidmašīna lido ar maksimālo pieļaujamo ātrumu, tad augstums, kādā gaisa blīvums nodrošinās tai vislabāko aerodinamisko kvalitāti. Optimālais augstums pie maksimālā ātruma un optimālais ātrums maksimālajā augstumā lidojuma laikā var mainīties.
Izturība
Ātrums maksimālai izturībai (t.i., laiks gaisā) ir ātrums minimālam degvielas patēriņam un mazāks ātrums maksimālajam diapazonam. Degvielas patēriņu aprēķina kā vajadzīgās jaudas un īpatnējā degvielas patēriņa uz vienu dzinēju reizinājumu (degvielas patēriņš uz jaudas vienību). Nepieciešamā jauda ir vienāda ar vilkšanas laiku.
Vēsture
Mūsdienu aerodinamikas attīstība sākās tikai XVIIgadsimtiem, bet aerodinamiskos spēkus cilvēki ir izmantojuši jau tūkstošiem gadu buru laivās un vējdzirnavās, un lidojuma attēli un stāsti parādās visos vēstures dokumentos un mākslas darbos, piemēram, sengrieķu leģendā par Ikaru un Dedalu. Kontinuuma, pretestības un spiediena gradientu pamatjēdzieni parādās Aristoteļa un Arhimēda darbos.
1726. gadā sers Īzaks Ņūtons kļuva par pirmo cilvēku, kurš izstrādāja gaisa pretestības teoriju, padarot to par vienu no pirmajiem argumentiem par aerodinamiskajām īpašībām. Holandiešu un šveiciešu matemātiķis Daniels Bernulli 1738. gadā uzrakstīja traktātu ar nosaukumu Hydrodynamica, kurā viņš aprakstīja pamata attiecības starp spiedienu, blīvumu un plūsmas ātrumu nesaspiežamajai plūsmai, ko mūsdienās sauc par Bernulli principu, kas nodrošina vienu metodi aerodinamiskā pacēluma aprēķināšanai. 1757. gadā Leonhards Eilers publicēja vispārīgākus Eilera vienādojumus, kurus var piemērot gan saspiežamām, gan nesaspiežamām plūsmām. Eilera vienādojumi tika paplašināti, iekļaujot viskozitātes ietekmi 1800. gadu pirmajā pusē, radot Navjē-Stoksa vienādojumus. Aptuveni tajā pašā laikā tika atklāta polāra aerodinamiskā veiktspēja/aerodinamiskā kvalitāte.
Pamatojoties uz šiem notikumiem, kā arī uz pētījumiem, kas veikti viņu pašu vēja tunelī, brāļi Raiti ar pirmo lidmašīnu lidoja 1903. gada 17. decembrī.
Aerodinamikas veidi
Aerodinamiskās problēmas klasificē pēc plūsmas apstākļiem vai plūsmas īpašībām, tostarp tādiem raksturlielumiem kā ātrums, saspiežamība un viskozitāte. Visbiežāk tos iedala divos veidos:
- Ārējā aerodinamika ir plūsmas izpēte ap dažādu formu cietiem objektiem. Ārējās aerodinamikas piemēri ir gaisa kuģa pacēluma un pretestības novērtējums vai triecienviļņi, kas veidojas raķetes priekšgala priekšā.
- Iekšējā aerodinamika ir plūsmas izpēte caur ejām cietos objektos. Piemēram, iekšējā aerodinamika aptver gaisa plūsmas izpēti caur reaktīvo dzinēju vai gaisa kondicionēšanas skursteni.
Aerodinamiskās problēmas var klasificēt arī pēc plūsmas ātrumiem, kas ir mazāki vai tuvu skaņas ātrumam.
Problēma saucas:
- zemskaņas, ja visi uzdevuma ātrumi ir mazāki par skaņas ātrumu;
- transonic ja ir ātrumi gan zem, gan virs skaņas ātruma (parasti, ja raksturīgais ātrums ir aptuveni vienāds ar skaņas ātrumu);
- virsskaņas, kad raksturīgais plūsmas ātrums ir lielāks par skaņas ātrumu;
- hipersonisks, kad plūsmas ātrums ir daudz lielāks par skaņas ātrumu.
Aerodinamikas speciālistiem nav vienprātības par precīzu hiperskaņas plūsmas definīciju.
Viskozitātes ietekme uz plūsmu nosaka trešo klasifikāciju. Dažām problēmām var būt tikai ļoti maza viskozitāte, un tādā gadījumā viskozitāti var uzskatīt par nenozīmīgu. Šo problēmu tuvinājumus sauc par inviscīdiemstraumes. Plūsmas, kuru viskozitāti nevar ignorēt, sauc par viskozām plūsmām.
Saspiežamība
Nesaspiežama plūsma ir plūsma, kurā blīvums ir nemainīgs gan laikā, gan telpā. Lai gan visi reālie šķidrumi ir saspiežami, plūsma bieži tiek tuvināta kā nesaspiežama, ja blīvuma izmaiņu ietekme izraisa tikai nelielas izmaiņas aprēķinātajos rezultātos. Tas ir vairāk iespējams, ja plūsmas ātrums ir krietni zem skaņas ātruma. Saspiežamības ietekme ir nozīmīgāka ātrumā, kas ir tuvu skaņas ātrumam vai lielāks par to. Maha skaitli izmanto, lai novērtētu nesaspiežamības iespējamību, pretējā gadījumā ir jāiekļauj saspiežamības efekti.
Saskaņā ar aerodinamikas teoriju, plūsma tiek uzskatīta par saspiežamu, ja blīvums mainās pa straumi. Tas nozīmē, ka atšķirībā no nesaspiežamas plūsmas tiek ņemtas vērā blīvuma izmaiņas. Kopumā tas ir gadījums, kad Maha skaitlis daļai vai visai plūsmai pārsniedz 0,3. Mach vērtība 0,3 ir diezgan patvaļīga, taču to izmanto, jo gāzes plūsmai, kas ir zemāka par šo vērtību, blīvuma izmaiņas ir mazākas par 5%. Arī maksimālā blīvuma izmaiņas par 5% notiek stagnācijas punktā (objekta punktā, kur plūsmas ātrums ir nulle), savukārt blīvums ap pārējo objektu būs daudz mazāks. Transoniskās, virsskaņas un hiperskaņas plūsmas ir saspiežamas.
Secinājums
Aerodinamika ir viena no svarīgākajām zinātnēm mūsdienu pasaulē. Viņa mūs nodrošinabūvējot kvalitatīvas lidmašīnas, kuģus, automašīnas un komiksus. Tam ir milzīga loma mūsdienu ieroču veidu - ballistisko raķešu, pastiprinātāju, torpēdu un dronu - izstrādē. Tas viss būtu neiespējami, ja nebūtu modernu, progresīvu aerodinamiskās kvalitātes koncepciju.
Tādējādi priekšstati par raksta tēmu no skaistām, bet naivām fantāzijām par Ikaru mainījās uz funkcionāliem un reāli strādājošiem lidaparātiem, kas radās pagājušā gadsimta sākumā. Mūsdienās mēs nevaram iedomāties savu dzīvi bez automašīnām, kuģiem un lidmašīnām, un šie transportlīdzekļi turpina pilnveidoties ar jauniem aerodinamikas sasniegumiem.
Planieru aerodinamiskās īpašības bija īsts izrāviens savā laikā. Sākumā visi atklājumi šajā jomā tika veikti, izmantojot abstraktus, dažreiz no realitātes atdalītus, teorētiskus aprēķinus, kurus savās laboratorijās veica franču un vācu matemātiķi. Vēlāk visas viņu formulas tika izmantotas citiem, fantastiskākiem (pēc 18. gadsimta standartiem) mērķiem, piemēram, nākotnes lidmašīnu ideālās formas un ātruma aprēķināšanai. 19. gadsimtā šīs ierīces sāka būvēt lielos daudzumos, sākot ar planieriem un dirižabļiem, eiropieši pamazām pārgāja uz lidmašīnu būvniecību. Pēdējie vispirms tika izmantoti tikai militāriem nolūkiem. Pirmā pasaules kara dūži parādīja, cik svarīgs jebkurai valstij ir jautājums par dominēšanu gaisā, un starpkaru perioda inženieri atklāja, ka šādas lidmašīnas ir efektīvas ne tikai militārpersonām, bet arī civiliedzīvotājiem.mērķi. Laika gaitā civilā aviācija ir stingri ienākusi mūsu dzīvē, un šodien bez tās nevar iztikt neviena valsts.
