I varje flygdesignbyrå finns en berättelse om ett uttalande från chefsdesignern. Endast författaren till uttalandet ändras. Och det låter så här: "Jag har sysslat med flygplan hela mitt liv, men jag förstår fortfarande inte hur den här järnbiten flyger!". Faktum är att trots allt, Newtons första lag har ännu inte upphävts, och planet är klart tyngre än luft. Det är nödvändigt att ta reda på vilken kraft som inte tillåter en flertonsmaskin att falla till marken.
Metoder för flygresor
Det finns tre sätt att resa:
- Aerostatisk, när lyftning från marken utförs med hjälp av en kropp vars specifika vikt är lägre än densiteten av atmosfärisk luft. Dessa är ballonger, luftskepp, sonder och andra liknande strukturer.
- Reactive, som är den råa kraften hos en jetström från brännbart bränsle, som gör det möjligt att övervinna tyngdkraften.
- Och, slutligen, den aerodynamiska metoden att skapa lyft, när jordens atmosfär används som stödsubstans för fordon som är tyngre än luft. Plan, helikoptrar, gyroplan, segelflygplan och förresten fåglar rör sig med denna speciella metod.
Aerodynamiska krafter
Ett flygplan som rör sig genom luften påverkas av fyra huvudkrafter i flera riktningar. Konventionellt är vektorerna för dessa krafter riktade framåt, bakåt, nedåt och uppåt. Det är nästan en svan, cancer och gädda. Kraften som trycker planet framåt genereras av motorn, bakåt är luftmotståndets naturliga kraft och nedåt är gravitationen. Tja, istället för att låta planet falla - lyftet som genereras av luftflödet på grund av flödet runt vingen.
Standard atmosfär
Luftens tillstånd, dess temperatur och tryck kan variera avsevärt i olika delar av jordens yta. Följaktligen kommer alla egenskaper hos flygplan också att skilja sig åt när de flyger på ett eller annat ställe. Därför, för enkelhetens skull och för att föra alla egenskaper och beräkningar till en gemensam nämnare, kom vi överens om att definiera den så kallade standardatmosfären med följande huvudparametrar: tryck 760 mm Hg över havet, luftdensitet 1,188 kg per kubikmeter, hastighet på ljud 340,17 meter per sekund, temperatur +15 ℃. När höjden ökar ändras dessa parametrar. Det finns speciella tabeller som avslöjar värdena för parametrarna för olika höjder. Alla aerodynamiska beräkningar, såväl som bestämningen av flygplanets prestandaegenskaper, utförs med dessa indikatorer.
Den enklaste principen för att skapa lyft
Om i det mötande luftflödetatt placera ett plant föremål, till exempel genom att sticka ut handflatan genom fönstret på en bil i rörelse, kan du känna denna kraft, som man säger, "på fingrarna". När man vrider handflatan i en liten vinkel i förhållande till luftflödet känns det direkt att förutom luftmotståndet har en annan kraft uppträtt som drar uppåt eller nedåt, beroende på rotationsvinkelns riktning. Vinkeln mellan kroppens plan (i detta fall handflatorna) och luftflödets riktning kallas attackvinkeln. Genom att kontrollera anfallsvinkeln kan du kontrollera lyftet. Det kan lätt ses att med en ökning av anfallsvinkeln kommer kraften som trycker handflatan uppåt att öka, men upp till en viss punkt. Och när den når en vinkel nära 70-90 grader försvinner den helt.
Flygplansvinge
Den huvudsakliga bärytan som skapar lyft är flygplanets vinge. Vingprofilen är vanligtvis böjd droppformad enligt bilden.
När luften strömmar runt vingen överstiger hastigheten för luften som passerar längs den övre delen av vingen hastigheten för det nedre flödet. I detta fall blir det statiska lufttrycket i toppen lägre än under vingen. Tryckskillnaden trycker upp vingen och skapar lyft. Därför är alla vingprofiler asymmetriska för att säkerställa tryckskillnaden. För en vinge med en symmetrisk profil vid noll anfallsvinkel är lyftet i planflygning noll. Med en sådan vinge är det enda sättet att skapa den att ändra anfallsvinkeln. Det finns en annan komponent i lyftkraften - induktiv. Hon ärbildas på grund av den nedåtgående lutningen av luftflödet av den krökta underytan av vingen, vilket naturligtvis resulterar i en uppåtriktad omvänd kraft som verkar på vingen.
Kalkyl
Formeln för att beräkna lyftkraften för en flygplansvinge är följande:
Y=CyS(PV 2)/2
Var:
- Cy - lyftkoefficient.
- S - flygelområde.
- V - fri strömningshastighet.
- P - luftdensitet.
Om allt är klart med luftdensitet, vingarea och hastighet, så är lyftkoefficienten ett värde som erhålls experimentellt och är inte en konstant. Det varierar beroende på vingprofilen, dess bildförhållande, anfallsvinkel och andra värden. Som du kan se är beroenden mestadels linjära, förutom hastighet.
Denna mystiska koefficient
Vinglyftskoefficienten är ett tvetydigt värde. Komplexa flerstegsberäkningar verifieras fortfarande experimentellt. Detta görs vanligtvis i en vindtunnel. För varje vingprofil och för varje anfallsvinkel kommer dess värde att vara olika. Och eftersom själva vingen inte flyger, utan är en del av flygplanet, utförs sådana tester på motsvarande reducerade kopior av flygplansmodeller. Vingar testas sällan separat. Enligt resultaten av många mätningar av varje enskild vinge är det möjligt att plotta koefficientens beroende av attackvinkeln, såväl som olika grafer som återspeglar beroendet.lyft från hastigheten och profilen för en viss vinge, såväl som från vingens frigjorda mekanisering. Ett exempeldiagram visas nedan.
Faktum är att denna koefficient kännetecknar vingens förmåga att omvandla trycket från den inkommande luften till lyft. Dess vanliga värde är från 0 till 2. Rekordet är 6. Hittills är en person väldigt långt ifrån naturlig perfektion. Till exempel når denna koefficient för en örn, när den stiger från marken med en fångad gopher, värdet 14. Det är uppenbart från ovanstående graf att en ökning av attackvinkeln orsakar en ökning av lyftkraften till vissa vinkelvärden. Därefter försvinner effekten och går till och med i motsatt riktning.
Stall flow
Som de säger, allt är bra med måtta. Varje vinge har sin egen gräns när det gäller anfallsvinkel. Den så kallade superkritiska anfallsvinkeln leder till ett stall på vingens övre yta, vilket berövar den från lyftet. Stoppet uppstår ojämnt över hela vingens område och åtföljs av motsvarande, extremt obehagliga fenomen som skakning och förlust av kontroll. Märkligt nog beror detta fenomen inte mycket på hastighet, även om det också påverkar, men huvudorsaken till uppkomsten av stall är intensiv manövrering, åtföljd av superkritiska anfallsvinklar. Det var på grund av detta som den enda kraschen av Il-86-flygplanet inträffade, när piloten, som ville "visa upp" på ett tomt plan utan passagerare, plötsligt började klättra, vilket slutade tragiskt.
Resistance
Hand i hand med lyft kommer drag,förhindrar flygplanet från att röra sig framåt. Den består av tre element. Dessa är friktionskraften på grund av luftens inverkan på flygplanet, kraften på grund av tryckskillnaden i områdena framför vingen och bakom vingen, och den induktiva komponenten som diskuterats ovan, eftersom vektorn för dess verkan är riktad inte bara uppåt, vilket bidrar till en ökning av lyftet, utan också ryggen, som är en allierad till motståndet. Dessutom är en av komponenterna i induktivt motstånd kraften som uppstår på grund av luftflödet genom ändarna av vingen, vilket orsakar virvelflöden som ökar avfasningen av luftrörelsens riktning. Formeln för aerodynamisk motstånd är helt identisk med lyftkraftsformeln, förutom koefficienten Su. Den ändras till Cx-koefficienten och bestäms också experimentellt. Dess värde överstiger sällan en tiondel av en.
Släpp-till-dra-förhållande
Förhållandet mellan lyftkraft och dragkraft kallas aerodynamisk kvalitet. En funktion måste beaktas här. Eftersom formlerna för lyftkraften och dragkraften, förutom koefficienterna, är desamma, kan det antas att flygplanets aerodynamiska kvalitet bestäms av förhållandet mellan koefficienterna Cy och Cx. Grafen för detta förhållande för vissa anfallsvinklar kallas vingpolar. Ett exempel på ett sådant diagram visas nedan.
Moderna flygplan har ett aerodynamiskt kvalitetsvärde på runt 17-21, och glidflygplan - upp till 50. Det betyder att på flygplan är vinglyften under optimala förhållanden17-21 gånger större än motståndskraften. Jämfört med bröderna Wrights plan, som får 6,5 poäng, är designframstegen uppenbara, men örnen med den olyckliga gophern i tassarna är fortfarande långt borta.
Flyglägen
Olika flyglägen kräver olika lyft-till-drag-förhållande. Vid flygning på marschnivå är flygplanets hastighet ganska hög, och lyftkoefficienten, proportionell mot kvadraten på hastigheten, har höga värden. Huvudsaken här är att minimera motståndet. Vid start och framför allt vid landning spelar lyftkoefficienten en avgörande roll. Flygplanets hastighet är låg, men dess stabila position i luften krävs. En idealisk lösning på detta problem skulle vara skapandet av en så kallad adaptiv vinge, som ändrar sin krökning och jämna yta beroende på flygförhållandena, ungefär på samma sätt som fåglar gör. Tills konstruktörerna lyckats uppnås förändringen av lyftkoefficienten genom att använda vingmekanisering, vilket ökar både arean och krökningen på profilen, vilket genom att öka motståndet ökar lyftet avsevärt. För stridsflygplan användes en förändring av vingens svep. Innovationen gjorde det möjligt att minska luftmotståndet i höga hastigheter och öka lyftet i låga hastigheter. Denna design visade sig dock vara opålitlig, och nyligen har frontlinjeflygplan tillverkats med en fast vinge. Ett annat sätt att öka lyftkraften hos en flygplansvinge är att dessutom blåsa vingen med ett flöde från motorerna. Detta har implementerats inom militärenAn-70 och A-400M transportflygplan, som på grund av denna egenskap kännetecknas av förkortade start- och landningssträckor.
