Denna dragkraft uppstår i flygplan på grund av att vingar eller en lyftkropp omdirigerar luft för att orsaka lyft, och i bilar med bärytevingar som omdirigerar luft för att orsaka nedåtkraft. Samuel Langley märkte att plattare plattor med högre bildförhållande hade högre lyftkraft och lägre dragkraft och introducerades 1902. Utan uppfinningen av flygplanets aerodynamiska kvalitet skulle modern flygplansdesign vara omöjlig.
Lyfta och flytta
Den totala aerodynamiska kraften som verkar på en kropp anses vanligtvis bestå av två komponenter: lyft och förskjutning. Per definition kallas kraftkomponenten parallell med motströmmen förskjutning, medan komponenten vinkelrät mot motströmmen kallas lyft.
Dessa grunder inom aerodynamik är av stor betydelse för analysen av vingens aerodynamiska kvalitet. Lyft produceras genom att ändra flödesriktningen runt vingen. Förändrariktning resulterar i en hastighetsförändring (även om det inte sker någon hastighetsförändring, sett i enhetlig cirkulär rörelse), vilket är acceleration. Därför, för att ändra flödesriktningen, krävs en kraft som appliceras på vätskan. Detta är tydligt synligt på alla flygplan, titta bara på den schematiska representationen av den aerodynamiska kvaliteten hos An-2.
Men allt är inte så enkelt. För att fortsätta med temat aerodynamisk kvalitet hos en vinge är det värt att notera att skapandet av luftlyft under den är vid ett högre tryck än lufttrycket ovanför det. På en vinge med ändlig spännvidd får denna tryckskillnad luft att strömma från roten av den undre ytvingen till basen av dess övre yta. Detta flygande luftflöde kombineras med strömmande luft för att orsaka en förändring i hastighet och riktning som vrider luftflödet och skapar virvlar längs vingens bakkant. Virvlarna som skapas är instabila, de kombineras snabbt för att skapa vingvirvlar. De resulterande virvlarna ändrar hastigheten och riktningen för luftflödet bakom bakkanten, böjer det nedåt och orsakar därigenom en klaff bakom vingen. Ur denna synvinkel har till exempel MS-21-flygplanet en hög nivå av lyft-till-drag-förhållande.
Luftflödeskontroll
Virvlarna ändrar i sin tur luftflödet runt vingen, vilket minskar vingens förmåga att generera lyft, så det krävs en högre attackvinkel för samma lyft, vilket tippar den totala aerodynamiska kraften bakåt och ökar luftmotståndskomponenten av den kraften. Vinkelavvikelsen är försumbarpåverkar lyftet. Det finns dock en ökning av luftmotståndet som är lika med produkten av lyftet och vinkeln på grund av vilken den avviker. Eftersom nedböjning i sig är en funktion av lyftet är det extra motståndet proportionellt mot stigningsvinkeln, vilket tydligt kan ses i A320:s aerodynamik.
Historiska exempel
En rektangulär planetvinge skapar fler virvelvibrationer än en konisk eller elliptisk vinge, vilket är anledningen till att många moderna vingar är avsmalnande för att förbättra lyft-till-drag-förhållandet. Den elliptiska flygkroppen är dock mer effektiv eftersom den inducerade tvätten (och därmed den effektiva anfallsvinkeln) är konstant över vingarnas hela spann. På grund av tillverkningskomplikationer är det få flygplan som har denna planform, de mest kända exemplen är Spitfire från andra världskriget och Thunderbolt. Avsmalnande vingar med raka fram- och bakkanter kan närma sig en elliptisk lyftfördelning. Som en allmän regel ger raka, avsmalnande vingar 5% och avsmalnande vingar ger 1-2% mer inducerat motstånd än en elliptisk vinge. Därför har de bättre aerodynamisk kvalitet.
Proportionalitet
En vinge med högt sidförhållande ger mindre inducerat motstånd än en vinge med lågt sidförhållande eftersom det finns mindre luftstörningar vid spetsen av en längre, tunnare vinge. Därför den inducerademotstånd kan vara omvänt proportionellt mot proportionalitet, hur paradox alt det än kan låta. Lyftfördelningen kan även ändras genom att tvätta ur, vrida vingen för att minska fallet mot vingarna och genom att byta vingprofilen nära vingarna. Detta gör att du kan få mer lyft närmare vingroten och mindre till vingen, vilket leder till en minskning av styrkan i vingvirvlarna och följaktligen till en förbättring av flygplanets aerodynamiska kvalitet.
I flygplansdesignens historia
På några tidiga flygplan var fenorna monterade på stjärtspetsarna. Senare flygplan har en annan vingform för att minska virvlarnas intensitet och uppnå maxim alt lyft-till-drag-förhållande.
Bränsletankar för takhjul kan också ge viss fördel genom att förhindra kaotiskt luftflöde runt vingen. Nu används de i många flygplan. Den aerodynamiska kvaliteten på DC-10 ansågs välförtjänt vara revolutionerande i detta avseende. Den moderna flygmarknaden har dock länge fyllts på med mycket mer avancerade modeller.
Drag-till-dra-formel: förklaras i enkla termer
För att beräkna det totala motståndet är det nödvändigt att ta hänsyn till den så kallade parasitresistensen. Eftersom inducerat luftmotstånd är omvänt proportionellt mot kvadraten av flyghastighet (vid en given lyft), medan parasitmotstånd är direkt proportionellt mot det, visar den övergripande luftmotståndskurvan minimihastigheten. Flygplan,flyger med sådan hastighet, fungerar med optimala aerodynamiska egenskaper. Enligt ovanstående ekvationer inträffar hastigheten för minsta motstånd vid en hastighet vid vilken det inducerade motståndet är lika med det parasitära motståndet. Detta är den hastighet med vilken den optimala slirvinkeln uppnås för tomgångsflygplan. För att inte vara ogrundad, överväg formeln på exemplet med ett flygplan:
Fortsättningen av formeln är också ganska märklig (bilden nedan). Att flyga högre, där luften är tunnare, kommer att öka hastigheten med vilken det minsta luftmotståndet uppstår, och därmed möjliggör det snabbare färd på samma mängd bränsle.
Om ett flygplan flyger med sin högsta tillåtna hastighet, då den höjd där luftdensiteten kommer att ge det den bästa aerodynamiska kvaliteten. Optimal höjd vid maximal hastighet och optimal hastighet vid maximal höjd kan ändras under flygning.
Stamina
Hastighet för maximal uthållighet (dvs tid i luften) är hastigheten för minsta bränsleförbrukning och lägre hastighet för maximal räckvidd. Bränsleförbrukningen beräknas som produkten av den erforderliga effekten och den specifika bränsleförbrukningen per motor (bränsleförbrukning per effektenhet). Den kraft som krävs är lika med dragtiden.
Historia
Utvecklingen av modern aerodynamik började först i XVIIårhundraden, men aerodynamiska krafter har använts av människor i tusentals år i segelbåtar och väderkvarnar, och bilder och berättelser om flykt förekommer i alla historiska dokument och konstverk, som den antika grekiska legenden om Ikaros och Daidalos. De grundläggande begreppen kontinuum, motstånd och tryckgradienter förekommer i Aristoteles och Arkimedes arbete.
År 1726 blev Sir Isaac Newton den första personen som utvecklade teorin om luftmotstånd, vilket gjorde den till ett av de första argumenten om aerodynamiska egenskaper. Den holländsk-schweiziske matematikern Daniel Bernoulli skrev en avhandling 1738 kallad Hydrodynamica där han beskrev det grundläggande förhållandet mellan tryck, densitet och flödeshastighet för inkompressibelt flöde, idag känd som Bernoullis princip, som ger en metod för att beräkna aerodynamisk lyftkraft. 1757 publicerade Leonhard Euler de mer allmänna Euler-ekvationerna, som kan appliceras på både komprimerbara och inkompressibla flöden. Euler-ekvationerna utökades till att omfatta effekterna av viskositet under första hälften av 1800-talet, vilket gav upphov till Navier-Stokes ekvationer. Aerodynamisk prestanda/aerodynamisk kvalitet hos polaren upptäcktes ungefär samtidigt.
Baserat på dessa händelser, såväl som forskning gjord i deras egen vindtunnel, flög bröderna Wright det första planet den 17 december 1903.
Typer av aerodynamik
Aerodynamiska problem klassificeras efter flödesförhållanden eller flödesegenskaper, inklusive egenskaper som hastighet, kompressibilitet och viskositet. De är oftast indelade i två typer:
- Extern aerodynamik är studiet av flödet runt fasta föremål av olika former. Exempel på yttre aerodynamik är bedömningen av lyft och motstånd på ett flygplan, eller de stötvågor som bildas framför en missils nos.
- Intern aerodynamik är studiet av flöde genom passager i fasta föremål. Till exempel omfattar intern aerodynamik studiet av luftflöde genom en jetmotor eller genom en luftkonditioneringsskorsten.
Aerodynamiska problem kan också klassificeras enligt flödeshastigheter under eller nära ljudets hastighet.
Problemet heter:
- subsonic, om alla hastigheter i problemet är lägre än ljudets hastighet;
- transonic om det finns hastigheter både under och över ljudhastigheten (vanligtvis när den karakteristiska hastigheten är ungefär lika med ljudets hastighet);
- supersonisk, när den karakteristiska flödeshastigheten är större än ljudets hastighet;
- hypersonisk, när flödeshastigheten är mycket högre än ljudets hastighet.
Aerodynamiker är oense om den exakta definitionen av hypersoniskt flöde.
Viskositetens effekt på flödet dikterar en tredje klassificering. Vissa problem kan bara ha mycket små viskösa effekter, i vilket fall viskositeten kan anses vara försumbar. Approximationer till dessa problem kallas inviscidströmmar. Flöden för vilka viskositeten inte kan försummas kallas viskösa flöden.
Kompressibilitet
Ett inkompressibelt flöde är ett flöde där densiteten är konstant både i tid och rum. Även om alla verkliga vätskor är komprimerbara, uppskattas flöde ofta som inkompressibelt om effekten av en förändring i densitet endast orsakar små förändringar i de beräknade resultaten. Detta är mer sannolikt när flödet är långt under ljudets hastighet. Effekterna av kompressibilitet är mer betydande vid hastigheter nära eller högre än ljudets hastighet. Mach-talet används för att utvärdera möjligheten till inkompressibilitet, annars måste kompressibilitetseffekter inkluderas.
Enligt aerodynamikens teori anses flödet komprimerbart om densiteten ändras längs strömlinjen. Detta innebär att i motsats till ett inkompressibelt flöde tas hänsyn till förändringar i densitet. I allmänhet är detta fallet när Mach-talet för en del av eller hela flödet överstiger 0,3. Mach-värdet på 0,3 är ganska godtyckligt, men det används eftersom ett gasflöde under detta värde uppvisar mindre än 5% densitetsförändringar. Den maximala täthetsförändringen på 5 % inträffar också vid stagnationspunkten (den punkt på objektet där flödeshastigheten är noll), medan densiteten runt resten av objektet kommer att vara mycket lägre. Transoniska, överljuds- och hypersoniska flöden är alla komprimerbara.
Slutsats
Aerodynamik är en av de viktigaste vetenskaperna i världen idag. Hon ger ossbygga kvalitetsflygplan, fartyg, bilar och komiska skyttlar. Det spelar en stor roll i utvecklingen av moderna typer av vapen - ballistiska missiler, boosters, torpeder och drönare. Allt detta skulle vara omöjligt om det inte vore för moderna avancerade koncept för aerodynamisk kvalitet.
Således förändrades idéer om ämnet för artikeln från vackra, men naiva fantasier om Ikaros, till funktionella och riktigt fungerande flygplan som uppstod i början av förra seklet. Idag kan vi inte föreställa oss våra liv utan bilar, fartyg och flygplan, och dessa fordon fortsätter att förbättras med nya genombrott inom aerodynamik.
De aerodynamiska egenskaperna hos segelflygplan var ett verkligt genombrott på sin tid. Till en början gjordes alla upptäckter inom detta område med hjälp av abstrakta, ibland skilda från verkligheten, teoretiska beräkningar, som utfördes av franska och tyska matematiker i deras laboratorier. Senare användes alla deras formler för andra, mer fantastiska (med 1700-talets normer) syften, som att beräkna den ideala formen och hastigheten för framtida flygplan. På 1800-talet började dessa enheter byggas i stora mängder, från och med segelflygplan och luftskepp gick européerna gradvis över till konstruktion av flygplan. De senare användes först uteslutande för militära ändamål. Första världskrigets ess visade hur viktig frågan om dominans i luften är för vilket land som helst, och mellankrigstidens ingenjörer upptäckte att sådana flygplan är effektiva inte bara för militären utan också för civila.mål. Med tiden har den civila luftfarten kommit in i våra liv, och idag kan inte en enda stat klara sig utan den.
