На данный момент создано множество различных летательных аппаратов: самолеты, воздушные шары, планеры, аэропланы и др. Но условие для осуществления полета любых летательных аппаратов общее — они должны преодолевать силу земного притяжения, т.е. в процессе полета создавать подъемную силу, превышающую силу притяжения Земли.
Подъёмная сила
Всего существует 3 основных принципа создания подъёмной силы: реактивный, аэростатический и аэродинамический. Последний принцип является самым распространённым. Он характерен для летательных аппаратов тяжелее воздуха, а именно для самолётов различного типа. Его суть в том, что подъемная сила создается несущими поверхностями, в основном крылом, при перемещении самолета относительно воздуха в результате работы двигательной установки.
В 1505 году великий Леонардо да Винчи писал: «… когда птица находится в ветре, она может держаться в нём без взмахов крыльями, ибо ту же роль, которую при неподвижном воздухе крыло выполняет в отношении воздуха, выполняет движущийся воздух в отношении крыльев при неподвижных крыльях».
Из этой идеи следует: чтобы полететь, не нужно размахивать крыльями, нужно заставить их двигаться относительно воздуха. Для этого крылу с помощью двигательной установки сообщают горизонтальную скорость, благодаря которой крыло и воздух начнут взаимодействовать с образованием подъёмной силы.
Тем не менее, величина подъёмной силы зависит не только от взаимодействия между крылом и воздухом. Она также зависит от угла, под которым воздух дует на крыло. Этот угол называется углом атаки и чем он больше, тем больше подъёмная сила. Однако, если на плоскую пластину под небольшим углом действует набегающий поток воздуха, то помимо подъёмной силы, старающейся поднять пластину, возникает сила сопротивления, пытающаяся «сдуть» её назад.
Получается, что чем больше угол атаки, тем больше и подъёмная сила, и сила сопротивления. Так каким же должен быть угол атаки, чтобы эти силы находились в эффективном балансе? Ещё в 80-х годах XIX века учёные выяснили, что оптимальный угол атаки для плоского крыла лежит в пределах от 2 до 9 градусов. Если угол сделать меньше, то подъёмной силы будет недостаточно для совершения полёта, а если больше, то сопротивление будет настолько большим, что крыло будет выполнять роль паруса.
Также большое значение для величины подъёмной силы имеет форма крыла. Ещё очень давно люди заметили, что у птиц крылья не плоские, а в тех же 1880-х годах английский физик Горацио Филлипс провёл эксперименты в аэродинамической трубе и доказал, что аэродинамическое качество выпуклой пластины значительно больше, чем плоской. Почему же так происходит? Представьте, что вам удалось сделать крыло, у которого нижняя поверхность плоская, а верхняя — выпуклая. Поток воздуха, набегающий на переднюю кромку крыла, делится на две части: одна обтекает крыло снизу, другая — сверху. Обратите внимание, что сверху воздуху приходится пройти путь несколько больший, чем снизу, следовательно, сверху скорость воздуха будет тоже чуть больше, чем снизу. Однако, согласно закону Бернулли давление газа, протекающего по поверхности, выше там, где скорость его движения меньше, и наоборот: там, где скорость больше, давление меньше. Следовательно, давление воздуха под крылом оказывается выше, чем над ним, что и влечет появление подъёмной силы.
В заключение
Подъёмная сила – это сила, возникающая при перемещении несущей поверхности относительно воздуха и направленная на преодоление силы притяжения, а также зависящая от формы крыла и его угла атаки. Она является неотъемлемой частью современной авиации, так как без неё ни один авиатранспорт не сможет взлететь, не говоря о совершении авиаперелётов.
Пример 1. Атмосферное давление в центре торнадо, к примеру, равно 500 мм р. с. Вопрос: какого веса должен быть люк размерами метр на метр, обеспечивающий своим весом надёжное герметичное закрытие вертикального входа в убежище, если атмосферное давление внутри помещений убежища равно 756 мм р. с.? Ответ: вес такого люка должен быть больше трёх тонн. Эта задачка решается “в уме”, если знать, что нормальное атмосферное давление – 1 кг/cм2. К примеру, если такой люк сделать из стали, то его толщина будет около 40 см.
Но если даже стальной люк может летать, то всё остальное, что летает, делает это по причине совсем небольшой асимметрии атмосферного давления на крыло. Действительно, если атмосферное давление со стороны одной из поверхностей крыла убрать, то со стороны противоположной поверхности сразу возникнет давление 10000 кг/м2. Да, 10 тонн на каждый квадратный метр поверхности! Мы будем считать эту величину максимально возможной подъёмной силой. Но это только для простоты.
Пример 2. На какой разнице атмосферного давления летают птицы и самолёты? К примеру, орёл весом 4 кг, имея «площадь несущих поверхностей» как раз 1м2, почти неподвижно парит в вышине при положительной разнице атмосферного давления на его крылья всего 0,04% от 1 кг/см2; АН-2 («кукурузник») летает горизонтально на разности 0,4%; а современному скоростному пассажирскому авиалайнеру для горизонтального полёта достаточно и 5% от 10000 кг/м2.
Как мы это узнали?.. Просто применили принцип пропорциональности Леонардо да Винчи и разделили вес самолёта или божьей твари на площадь крыльев, и всё. А математики считают, что подъёмная сила – это результат механического сопротивления воздушной среды атакующему крылу, и у математиков всё, что летает, летать не может по причине крайне не достаточной (в 6 раз меньше веса самолёта или божьей твари) подъёмной силы, вычисленной ими по самым надёжным математическим законам. Если не верите, то посмотрите по запросу «Парадокс шмеля», или Трактат О подъёмной силе … Леонардо да Винчи (1452-1519) открыл будущим авиаконструкторам принцип пропорциональности: подъёмная сила пропорциональна «площади несущих поверхностей». Как математики из NASA и британские учёные вычисляли подъёмную силу. Ужас! Знание ньютоновской механики сделало их ещё глупее, чем когда они родились.
Идеальный аэродинамический профиль – это «беспрофиль», то есть плоское, как бритва, крыло. Это для передовых инженеров уже аксиома и “новая аэродинамика”, а Природа это знала ещё со времён первых насекомых и птеродактилей. Так вот, асимметричное атмосферное давление на совершенно плоское крыло возникает и при его нулевом угле наклона к вектору движения встречного потока, если верхняя поверхность крыла испещрена микроскопическими неровностями, а нижняя – максимально гладкая. В воде “эффект хаоса над крылом” проявляется ещё значительно сильнее.
Это утверждение доказано самой эволюцией живой природы и передовой практикой авиастроения. Смотрим на расправленное крыло любой птицы: сверху оно бархатистое и может играть всеми цветами радуги, что физику говорит о дисперсии света на мельчайших неровностях поверхности, а снизу – всегда очень плотное, гладкое и со стальным отливом. Смотрим на современный пассажирский «Боинг»: сверху он словно матовый, а снизу – зеркально гладкий. И пусть та положительная разница в атмосферном давлении на крыло, которая возникает только по причине различного качества покрытия его аэродинамических поверхностей, будет и недостаточной для полёта, но именно она позволит самолёту или божьей твари лететь горизонтально с меньшим углом атаки, то есть с меньшим лобовым сопротивление, экономя силы и топливо.
Инженеры «Боинга» говорят, что уже экономят на эффекте “хаоса над крылом” до 7-ми процентов топлива, а это огромные деньги. Смотрите фотографии «Боингов» и читайте по запросу «Аэродинамика Боинг». Кожа акулы тоже только кажется гладкой, а на ощупь она сравнима с наждачной бумагой. И таких примеров “миллион”.
Давление атмосферного потока на атакующий беспрофиль всегда меньше сверху и больше снизу по двум причинам: разрежения воздуха и хаоса в движении частиц потока над крылом и сдавливания и уплотнения упругого потока под крылом. И величина этой разницы пропорциональна скорости крыла или потока.
Как диагональ делит прямоугольник на два равных прямоугольных треугольника, так и атакующий беспрофиль делит воздушный поток на две равнозначные и самостоятельные причины возникновения подъёмной силы. То есть, любую из поверхностей крыла можно сделать параллельной продольной оси фюзеляжа и вектору тяги, противоположная ей причина возникновения подъёмной силы при этом сохранится. К примеру, на сверхзвуковых самолётах верхняя поверхность крыла делается параллельной продольной оси самолёта, а нижняя лишь слегка наклонена, образуя угол атаки примерно в 1 градус. Избыточная подъёмная сила, возникающая на больших скоростях, может быть очень опасной. У крыльев самых первых самолётов, казалось бы, была только одна аэродинамическая поверхность – нижняя, а верхом крыла была ничем не прикрытая «арматура»… Но и у этих крыльев уже была избыточная подъёмная сила, поэтому самолёты тогда часто кувыркались в воздухе[…]
Источник по теме: “Парадокс шмеля”, или Трактат о подъёмной силеКаждому самолёту свои крылья
Азы практической аэродинамики:
Рис. 1
В этом разделе статьи представлены все возможные варианты несущих крыльев их конструктивные особенности и преимущества, а также аэродинамические характеристики, на картинках в упрощённой и доходчивой форме:
Угол атаки(У.а) профиля — угол α между направлением вектора скорости набегающего потока и направлением хорды профиля (рис. 1, см. также Профиль крыла); геометрическая характеристика, определяющая режим обтекания профиля. Изменение У. а. приводит к изменению всех аэродинамических характеристик профиля. Для профиля вводятся следующие характерные У. а.: α0 — У. а., при котором подъёмная сила равна нулю; αкр — критический У. а., при котором достигается максимальное значение коэффициент подъёмной силы; αKmax — У. а., при котором достигается максимальное значение аэродинамического качества(подъёмной силы).
Итак, атмосферное давление проявляет себя как реальная сила только тогда, когда есть разница этого давления. Нас интересует положительная разница атмосферного давления на крыло, то есть подъёмная сила.
Удлинение крыла
Перейдем к магическому слову – крылья! Начнем знакомство с соотношения сторон: размах, поделенный на хорду (отношение длины и ширины).
Каждая из представленных схем летательных аппаратов имеет одинаковую площадь, но разную форму. Каждая форма имеет свои преимущества и недостатки.
Крылья с большим удлинением крыла, поскольку ими проще управлять и они структурно не сложнее крыльев с низким удлинением.
Стреловидность крыла
Вернемся к вопросу стреловидности крыльев: угол, под которым находится крыло по отношению к фюзеляжу. Все видели ловкие истребители, но на что на самом деле влияет стреловидность крыла.
Когда скорость самолёта становится близка к скорости звука, ударные волны становятся сверхзвуковыми. Стреловидность крыльев уменьшает сопротивление на околозвуковых скоростях, поскольку изгиб крыла уменьшает лобовое сопротивление, что можно увидеть по воздушному потоку.
Наикратчайшее расстояние между двумя точками – это прямая. Поскольку воздушный поток через стреловидное крыло проделывает больший путь, чем через прямое крыло и контур крыла, который пересекает поток, не выглядит как стенка, то ударных волн в случае со стреловидным крылом не создается(при одинаковых скоростях полёта) или возникают при значительно большей скорости полёта) .
Поперечность V-крыла
Идем дальше…. Рассматриваем крепление крыла и поперечный угол крыла, то есть угол наклона крыла. Если центр давления располагается над центром масс, то повышается устойчивость летательного аппарата. Перенос же крыльев наверх фюзеляжа создает стабилизирующий эффект для летательного аппарата, который носит название поперечного эффекта.
Следовательно, если центр давления располагается ниже центра масс, либо крылья переносятся вниз фюзеляжа, то самолёт становится более маневренный, но менее устойчивым в полёте.
Устойчивость летательного аппарата можно контролировать переносом крыльев выше – ниже относительно фюзеляжа, другими словами переносом центра масс(голубой- центр давления; жёлтый – центр масс).
Практическое применение комбинаций крыльев и центров масс:
Увеличения подъемной силы можно добиться следующим путём:
- Добавить площадь крыльям
- Увеличить скорость
Увеличение количества крыльев, как и их площади, приведет к увеличению лобового сопротивления и к замедлению самолёта, с одной стороны. С другой стороны, это приведет к снижению скорости сваливания и минимальной скорости полёта, а, следовательно, уменьшению взлетной и посадочной дистанций.
Слишком большое количество крыльев и плоскостей управлений приведет к тому, что летательным аппаратом придется сложнее управлять: малейшие колебания на ручке управления будут вызывать сильные изменения в направлении полёта. Масса самолёта и его желаемая крейсерская скорость полёта (сваливания) будут определять количество подъемных сил, требуемых для самолёта.
Чем больше угол атаки, тем больше подъемная сила. Но это правило работает до некоторых пор: «до критического угла атаки». После достижения критического угла аэродинамический поток начинает переходить в срыв, а самолёт теряет подъемную силу. Для каждого типа самолёта свой критический угол атаки.
Угол установки крыла(*Угол падения на рис.)
Угол (φ)0 между центральной хордой крыла и базовой осью самолёта . В зависимости от аэродинамической компоновки самолёта этот угол может быть как положительным, так и отрицательным.
Обычно он находится в пределах от ―2(°) до +3(°). Угол (φ)0 считается положительным, когда передняя точка хорды крыла расположена выше задней относительно базовой оси самолёта.
Угол установки крыла влияет на аэродинамические характеристики самолёта. Установка крыла на отрицательный угол приводит к возникновению кабрирующего момента из-за увеличения подъёмной силы фюзеляжа, что позволяет уменьшить расходы рулей на балансировку ЛА и увеличить аэродинамическое качество самолёта.
Установка крыла на положительный угол позволяет увеличить подъемную силу крыла на взлёте и посадке, не увеличивая высоту шасси.
Рост этого угла увеличивает абсолютное значение угла атаки и повышает подъемную силу, но в тоже время увеличивает лобовое сопротивление.
Кому-то может показаться: «Оно того стоит!». Но конструкция крыла становится сложнее и изменяется характер полёта. Крыло с положительным углом атаки имеет отличающиеся подъемные свойства по сравнению с горизонтальным крылом. Другими словами подъемная сила(аэродинамическое качество )у такого крыла становится гораздо больше, чем у крыла с горизонтальным расположением. Установка крыла на положительный угол позволяет увеличить подъемную силу крыла на взлёте и посадке, не увеличивая высоту шасси.
Поскольку основное крыло создает чрезмерно большую подъемную силу, по сравнению с хвостовым стабилизатором, пилоту придется опускать вниз рычаг управления самолётом или работать триммером на хвостовом оперении, но лишь бы не дать самолёту подняться вверх. И наоборот, ручку убирать на себя в том случае, если нос самолёта опуститься слишком низко.
Летательный аппарат, спроектированный с нулевым углом установки крыла, проще поддается контролю, но имеет недостатки:
- не возможно заранее установить идеальный крейсерский угол тангажа
- приходится резко увеличивать угол тангажа(задирать нос самолёта вверх) вверх во время взлета (для предотвращения удара хвостом)
В заключение
В тексте прозвучало упоминание про «крейсерский режим полёта»: это относится к режиму, в котором летательный аппарат будет вести себя лучше всего. Если самолёт не находится в таком режиме полёта, то все его узлы и сам полёт не будут находиться в оптимальном режиме: повышенный расход топлива, увеличенный износ двигателя. Изначально в конструкции все закладывается именно исходя из условий полёта в оптимальных условиях: оперение, двигатели, площадь крыльев, материалы и многое другое рассчитывается на полёт в оптимальных условиях.
Имеется мнение: Просто и наглядно поясняется: почему самолёт тяжелее воздуха летает с различными конфигурациями крыльев…