U svakom vazduhoplovnom konstruktorskom birou postoji priča o izjavi glavnog konstruktora. Mijenja se samo autor izjave. A to zvuči ovako: „Cijeli život se bavim avionima, ali još uvijek ne razumijem kako ovaj komad željeza leti!“. Zaista, na kraju krajeva, prvi Newtonov zakon još nije poništen, a avion je očito teži od zraka. Potrebno je odgonetnuti koja sila ne dozvoljava da mašina od više tona padne na tlo.
Metode putovanja avionom
Postoje tri načina putovanja:
- Aerostatik, pri podizanju od tla se vrši uz pomoć tijela čija je specifična težina manja od gustine atmosferskog zraka. To su baloni, zračni brodovi, sonde i druge slične strukture.
- Reaktivno, što je gruba sila mlaznog toka iz zapaljivog goriva, što omogućava da se savlada sila gravitacije.
- I, konačno, aerodinamička metoda stvaranja uzgona, kada se Zemljina atmosfera koristi kao noseća supstanca za vozila teža od zraka. Avioni, helikopteri, žiroplani, jedrilice i, usput rečeno, ptice se kreću ovom metodom.
Aerodinamičke sile
Na letelicu koja se kreće kroz vazduh utiču četiri glavne višesmerne sile. Konvencionalno, vektori ovih sila su usmjereni naprijed, nazad, dolje i gore. To je skoro labud, rak i štuka. Silu koja gura avion naprijed stvara motor, unazad je prirodna sila otpora zraka, a prema dolje je gravitacija. Pa, umjesto da pustite avion da padne - uzgon koji stvara strujanje zraka zbog strujanja oko krila.
Standardna atmosfera
Stanje vazduha, njegova temperatura i pritisak mogu značajno da variraju u različitim delovima zemljine površine. Shodno tome, sve karakteristike aviona će se takođe razlikovati kada lete na jednom ili drugom mestu. Stoga smo se, radi pogodnosti i dovođenja svih karakteristika i proračuna u zajednički nazivnik, dogovorili da definišemo takozvanu standardnu atmosferu sa sljedećim glavnim parametrima: pritisak 760 mm Hg iznad nivoa mora, gustina zraka 1,188 kg po kubnom metru, brzina zvuk 340,17 metara u sekundi, temperatura +15 ℃. Kako se visina povećava, ovi parametri se mijenjaju. Postoje posebne tablice koje otkrivaju vrijednosti parametara za različite visine. Svi aerodinamički proračuni, kao i određivanje performansi aviona, vrše se pomoću ovih indikatora.
Najjednostavniji princip stvaranja lifta
Ako je u nadolazećem protoku zrakada postavite ravan predmet, na primjer, izbacivanjem dlana iz prozora automobila u pokretu, možete osjetiti ovu silu, kako kažu, "na prstima". Prilikom okretanja dlana pod malim uglom u odnosu na strujanje zraka, odmah se osjeti da se osim otpora zraka pojavila još jedna sila koja vuče gore ili dolje, ovisno o smjeru kuta rotacije. Ugao između ravnine tijela (u ovom slučaju dlanova) i smjera strujanja zraka naziva se napadni ugao. Kontrolom napadnog ugla, možete kontrolisati podizanje. Lako se može uočiti da će se povećanjem napadnog ugla povećavati sila koja gura dlan prema gore, ali do određene tačke. A kada dostigne ugao blizu 70-90 stepeni, potpuno će nestati.
Krilo aviona
Glavna nosiva površina koja stvara uzgon je krilo aviona. Profil krila je obično zakrivljenog oblika suze kao što je prikazano.
Kada vazduh struji oko krila, brzina vazduha koji prolazi duž gornjeg dela krila prelazi brzinu donjeg strujanja. U tom slučaju, statički pritisak zraka na vrhu postaje manji nego ispod krila. Razlika u pritisku gura krilo prema gore, stvarajući uzlet. Zbog toga, da bi se osigurala razlika pritisaka, svi profili krila su napravljeni asimetrično. Za krilo sa simetričnim profilom pri nultom napadnom kutu, uzgona u ravnom letu je nula. Sa takvim krilom, jedini način da ga se stvori je promjena ugla napada. Postoji još jedna komponenta sile dizanja - induktivna. Ona jenastaje zbog nagnutog protoka zraka naniže od strane zakrivljene donje površine krila, što prirodno rezultira povratnom silom prema gore koja djeluje na krilo.
Obračun
Formula za izračunavanje sile uzgona krila aviona je sljedeća:
Y=CyS(PV 2)/2
Gdje:
- Cy - koeficijent dizanja.
- S - površina krila.
- V - brzina slobodnog toka.
- P - gustina vazduha.
Ako je sve jasno sa gustinom vazduha, površinom krila i brzinom, tada je koeficijent uzgona vrijednost dobijena eksperimentalno i nije konstanta. Razlikuje se u zavisnosti od profila krila, njegovog omjera, napadnog ugla i drugih vrijednosti. Kao što vidite, zavisnosti su uglavnom linearne, osim brzine.
Ovaj misteriozni koeficijent
Koeficijent podizanja krila je dvosmislena vrijednost. Složeni višestepeni proračuni se još uvijek eksperimentalno verificiraju. To se obično radi u aerotunelu. Za svaki profil krila i za svaki napadni ugao, njegova vrijednost će biti različita. A kako samo krilo ne leti, već je dio aviona, takvi se testovi provode na odgovarajućim smanjenim kopijama modela aviona. Krila se rijetko testiraju zasebno. Prema rezultatima brojnih mjerenja svakog pojedinog krila, moguće je nacrtati ovisnost koeficijenta od napadnog ugla, kao i različite grafove koji odražavaju ovisnostpodizanje od brzine i profila određenog krila, kao i od oslobođene mehanizacije krila. Uzorak grafikona je prikazan ispod.
U stvari, ovaj koeficijent karakteriše sposobnost krila da pretvori pritisak nadolazećeg vazduha u uzgonu. Njegova uobičajena vrijednost je od 0 do 2. Rekord je 6. Do sada je osoba jako daleko od prirodnog savršenstva. Na primjer, ovaj koeficijent za orla, kada se uzdiže sa zemlje sa uhvaćenim goferom, dostiže vrijednost od 14. Očigledno je iz gornjeg grafikona da povećanje napadnog ugla uzrokuje povećanje uzgona na određene vrijednosti ugla. Nakon toga, efekat se gubi i čak ide u suprotnom smjeru.
Protok zastoja
Kao što kažu, sve je dobro umjereno. Svako krilo ima svoje ograničenje u smislu napadnog ugla. Takozvani superkritični napadni ugao dovodi do zastoja na gornjoj površini krila, lišavajući ga podizanja. Zastoj se javlja neravnomjerno po cijeloj površini krila i praćen je odgovarajućim, izuzetno neugodnim pojavama kao što su drhtanje i gubitak kontrole. Začudo, ova pojava ne ovisi mnogo o brzini, iako također utječe, ali glavni razlog zastoja je intenzivno manevriranje, praćeno nadkritičnim uglovima napada. Zbog toga je došlo do jedinog pada aviona Il-86, kada je pilot, želeći da se "pokaže" na praznom avionu bez putnika, naglo počeo da se penje, što se završilo tragično..
Otpor
Ruku pod ruku sa podizanjem dolazi povlačenje,sprečavanje kretanja aviona napred. Sastoji se od tri elementa. To su sila trenja zbog dejstva vazduha na avion, sila zbog razlike pritisaka u oblastima ispred krila i iza krila, i induktivna komponenta o kojoj je bilo reči, budući da je vektor njenog delovanja usmeren ne samo prema gore, doprinoseći povećanju podizanja, već i natrag, budući saveznik otpora. Osim toga, jedna od komponenti induktivnog otpora je sila koja nastaje zbog strujanja zraka kroz krajeve krila, uzrokujući vrtložna strujanja koja povećavaju kosinu smjera kretanja zraka. Formula aerodinamičkog otpora je apsolutno identična formuli sile uzgona, osim koeficijenta Su. On se mijenja u Cx koeficijent i također se određuje eksperimentalno. Njegova vrijednost rijetko prelazi jednu desetinu jedinice.
Omjer pada i povlačenja
Odnos podizanja i sile otpora se naziva aerodinamičkim kvalitetom. Ovdje se mora uzeti u obzir jedna karakteristika. Budući da su formule za silu uzgona i otpora, osim koeficijenata, iste, može se pretpostaviti da je aerodinamički kvalitet aviona određen odnosom koeficijenata Cy i Cx. Grafikon ovog omjera za određene napadne uglove naziva se polarnim krilom. Primjer takvog grafikona je prikazan ispod.
Savremeni avioni imaju vrednost aerodinamičkog kvaliteta oko 17-21, a jedrilice - do 50. To znači da je na avionima podizanje krila u optimalnim uslovima17-21 puta veća od sile otpora. U poređenju sa avionom braće Wright, koji ima 6,5, napredak u dizajnu je očigledan, ali orao sa nesretnim goferom u šapama je još daleko.
Načini letenja
Različiti načini leta zahtijevaju različit omjer podizanja i otpora. U letu na krstarenju brzina aviona je prilično velika, a koeficijent uzgona, proporcionalan kvadratu brzine, je na visokim vrijednostima. Ovdje je glavna stvar minimalizirati otpor. Prilikom polijetanja, a posebno slijetanja, koeficijent uzgona igra odlučujuću ulogu. Brzina aviona je mala, ali je potreban njegov stabilan položaj u vazduhu. Idealno rješenje za ovaj problem bilo bi stvaranje takozvanog adaptivnog krila, koje mijenja svoju zakrivljenost, pa čak i površinu u zavisnosti od uslova leta, otprilike na isti način kao što to rade ptice. Dok projektanti nisu uspjeli, promjena koeficijenta uzgona postiže se primjenom krilne mehanizacije, čime se povećava i površina i zakrivljenost profila, što povećanjem otpora značajno povećava uzgonu. Za borbene avione korišćena je promena zamaha krila. Inovacija je omogućila smanjenje otpora pri velikim brzinama i povećanje podizanja pri malim brzinama. Međutim, ispostavilo se da je ovaj dizajn nepouzdan, a nedavno su se proizvodili frontalni avioni sa fiksnim krilom. Drugi način povećanja uzgonske sile krila aviona je dodatno duvanje krila strujanjem iz motora. Ovo je implementirano u vojsciTransportni avioni An-70 i A-400M, koji se zbog ovog svojstva odlikuju skraćenim razdaljinama poletanja i sletanja.
