Jokaisessa ilmailusuunnittelutoimistossa on tarina pääsuunnittelijan lausunnosta. Vain lausunnon kirjoittaja vaihtuu. Ja se kuulostaa tältä: "Olen ollut tekemisissä lentokoneiden kanssa koko ikäni, mutta en vieläkään ymmärrä, kuinka tämä rautapala lentää!". Todellakin, loppujen lopuksi Newtonin ensimmäistä lakia ei ole vielä peruutettu, ja kone on selvästi ilmaa raskaampi. On tarpeen selvittää, mikä voima ei salli usean tonnin koneen pudota maahan.
Lentomatkustustavat
On kolme tapaa matkustaa:
- Aerostaattinen, kun maasta nostaminen tapahtuu sellaisen kappaleen avulla, jonka ominaispaino on pienempi kuin ilmakehän ilman tiheys. Nämä ovat ilmapalloja, ilmalaivoja, luotain ja muita vastaavia rakenteita.
- Reaktiivinen, joka on palavasta polttoaineesta peräisin olevan suihkun raakavoima, jonka avulla voidaan voittaa painovoima.
- Ja lopuksi aerodynaaminen menetelmä noston luomiseksi, kun maapallon ilmakehää käytetään ilmaa raskaampien ajoneuvojen tukiaineena. Lentokoneet, helikopterit, gyrokoneet, purjelentokoneet ja muuten linnut liikkuvat tällä menetelmällä.
Aerodynaamiset voimat
Ilman halki liikkuvaan lentokoneeseen vaikuttaa neljä pääasiallista monisuuntaista voimaa. Perinteisesti näiden voimien vektorit suunnataan eteenpäin, taaksepäin, alas ja ylös. Se on melkein joutsen, syöpä ja hauki. Konetta eteenpäin työntävän voiman tuottaa moottori, taaksepäin on ilmanvastuksen luonnollinen voima ja alaspäin painovoima. No, sen sijaan, että antaisit koneen pudota - ilmavirran synnyttämä nosto, joka johtuu siiven ympärillä olevasta virtauksesta.
Tavallinen tunnelma
Ilman tila, sen lämpötila ja paine voivat vaihdella merkittävästi maan pinnan eri osissa. Vastaavasti kaikki lentokoneiden ominaisuudet vaihtelevat myös lentäessään jossakin paikassa. Siksi sovimme mukavuuden vuoksi ja kaikkien ominaisuuksien ja laskelmien saattamiseksi yhteiseksi nimittäjäksi niin kutsutun vakioilmakehän määrittelemisestä seuraavilla pääparametreilla: paine 760 mm Hg merenpinnan yläpuolella, ilman tiheys 1,188 kg kuutiometriä kohti, nopeus ääni 340,17 metriä sekunnissa, lämpötila +15 ℃. Korkeuden kasvaessa nämä parametrit muuttuvat. On olemassa erityisiä taulukoita, jotka paljastavat parametrien arvot eri korkeuksille. Kaikki aerodynaamiset laskelmat sekä ilma-aluksen suorituskykyominaisuuksien määrittäminen suoritetaan näiden indikaattoreiden avulla.
Yksinkertaisin periaate hissin luomiseen
Jos vastaantulevassa ilmavirrassaasettamalla litteän esineen esimerkiksi työntämällä kämmen ulos liikkuvan auton ikkunasta, voit tuntea tämän voiman, kuten sanotaan, "sormillasi". Käännettäessä kämmentä pienessä kulmassa suhteessa ilmavirtaan, tuntuu heti, että ilmanvastuksen lisäksi on ilmaantunut toinen voima, joka vetää ylös tai alas pyörimiskulman suunnasta riippuen. Vartalon tason (tässä tapauksessa kämmenten) ja ilmavirran suunnan välistä kulmaa kutsutaan iskukulmaksi. Ohjaamalla hyökkäyskulmaa voit hallita nostoa. Voidaan helposti nähdä, että hyökkäyskulman kasvaessa kämmentä ylöspäin työntävä voima kasvaa, mutta tiettyyn pisteeseen asti. Ja kun se saavuttaa kulman lähellä 70-90 astetta, se katoaa kokonaan.
Lentokoneen siipi
Päälaakeripinta, joka luo noston, on lentokoneen siipi. Siipiprofiili on yleensä kaareva pisaran muotoinen kuvan mukaisesti.
Kun ilma virtaa siiven ympärillä, siiven yläosaa pitkin kulkevan ilman nopeus ylittää alemman virtauksen nopeuden. Tässä tapauksessa staattinen ilmanpaine yläosassa on pienempi kuin siiven alla. Paine-ero työntää siipeä ylöspäin, mikä luo nostovoimaa. Siksi paine-eron varmistamiseksi kaikki siipiprofiilit on tehty epäsymmetrisiksi. Symmetrisen profiilin siivelle nollakohtauskulmassa nosto vaakalennossa on nolla. Tällaisella siivellä ainoa tapa luoda se on muuttaa hyökkäyskulmaa. Nostovoimassa on toinen komponentti - induktiivinen. Hän onmuodostuu siiven kaarevan alapinnan ilmavirran alaspäin kallistumisesta, mikä luonnollisesti johtaa siipiin vaikuttavaan ylöspäin suuntautuvaan käänteiseen voimaan.
Laskelma
Kaava lentokoneen siiven nostovoiman laskemiseksi on seuraava:
Y=CyS(PV 2)/2
Missä:
- Cy - nostokerroin.
- S - siipialue.
- V - vapaan virran nopeus.
- P - ilman tiheys.
Jos kaikki on selvää ilman tiheydellä, siiven pinta-alalla ja nopeudella, niin nostokerroin on kokeellisesti saatu arvo, eikä se ole vakio. Se vaihtelee siipiprofiilin, sen kuvasuhteen, hyökkäyskulman ja muiden arvojen mukaan. Kuten näet, riippuvuudet ovat enimmäkseen lineaarisia nopeutta lukuun ottamatta.
Tämä mystinen kerroin
Siipien nostokerroin on epäselvä arvo. Monimutkaiset monivaiheiset laskelmat varmistetaan edelleen kokeellisesti. Tämä tehdään yleensä tuulitunnelissa. Jokaisen siipiprofiilin ja kunkin hyökkäyskulman kohdalla sen arvo on erilainen. Ja koska itse siipi ei lennä, vaan on osa lentokonetta, tällaiset testit suoritetaan vastaaville lentokonemallien supistetuille kopioille. Siipiä testataan harvoin erikseen. Kunkin tietyn siiven lukuisten mittausten tulosten perusteella on mahdollista piirtää kertoimen riippuvuus hyökkäyskulmasta sekä erilaisia riippuvuutta kuvaavia käyriä.nosto tietyn siiven nopeudesta ja profiilista sekä siiven vapautuneesta koneellistamisesta. Alla on esimerkkikaavio.
Itse asiassa tämä kerroin luonnehtii siiven kykyä muuntaa tulevan ilman paine nostovoimaksi. Sen tavallinen arvo on 0-2. Ennätys on 6. Toistaiseksi ihminen on hyvin kaukana luonnollisesta täydellisyydestä. Esimerkiksi tämä kerroin kotkalle, kun se nousee maasta kiinni jääneen gopherin kanssa, saavuttaa arvon 14. Yllä olevasta kaaviosta on selvää, että hyökkäyskulman kasvu aiheuttaa nostovoiman nousun tiettyihin kulmaarvoihin. Sen jälkeen vaikutus häviää ja menee jopa päinvastaiseen suuntaan.
Pysähdys
Kuten sanotaan, kaikki on hyvää kohtuudella. Jokaisella siivellä on oma rajansa hyökkäyskulman suhteen. Niin sanottu ylikriittinen hyökkäyskulma johtaa siiven yläpinnalle jumittumiseen, mikä estää sen nostokyvyn. Pysähdys tapahtuu epätasaisesti koko siiven alueella ja siihen liittyy vastaavia, erittäin epämiellyttäviä ilmiöitä, kuten tärinä ja hallinnan menetys. Kummallista kyllä, tämä ilmiö ei paljoa riipu nopeudesta, vaikka se myös vaikuttaa, mutta suurin syy pysähtymisen esiintymiseen on intensiivinen ohjailu, johon liittyy ylikriittisiä hyökkäyskulmia. Juuri tästä syystä Il-86-koneen ainoa törmäys tapahtui, kun lentäjä, joka halusi "esiintyä" tyhjässä koneessa ilman matkustajia, alkoi äkillisesti kiivetä, mikä päättyi traagisesti.
Resistanssi
Käsi kädessä hissin kanssa tulee veto,estää lentokonetta liikkumasta eteenpäin. Se koostuu kolmesta elementistä. Nämä ovat ilman vaikutuksesta lentokoneeseen johtuva kitkavoima, siiven edessä ja takana olevien alueiden paine-eron aiheuttama voima sekä edellä käsitelty induktiivinen komponentti, koska sen vaikutusvektori on suunnattu ei vain ylöspäin, mikä lisää nostoa, vaan myös taaksepäin, koska se on vastuksen liittolainen. Lisäksi yksi induktiivisen vastuksen komponenteista on voima, joka syntyy ilmavirran siiven päiden läpi aiheuttaen pyörteitä, jotka lisäävät ilman liikkeen suunnan viistoa. Aerodynaaminen vastuskaava on täysin identtinen nostovoimakaavan kanssa, paitsi kerroin Su. Se muuttuu Cx-kertoimeksi ja määritetään myös kokeellisesti. Sen arvo harvoin ylittää kymmenesosan yhdestä.
Pudotuksen ja vedämisen suhde
Nostovoiman suhdetta vetovoimaan kutsutaan aerodynaamiseksi laaduksi. Tässä on otettava huomioon yksi ominaisuus. Koska nostovoiman ja vastusvoiman kaavat kertoimia lukuun ottamatta ovat samat, voidaan olettaa, että ilma-aluksen aerodynaaminen laatu määräytyy kertoimien Cy ja Cx suhteen perusteella. Tämän suhteen kuvaajaa tietyille hyökkäyskulmille kutsutaan siiven napaksi. Esimerkki tällaisesta kaaviosta on esitetty alla.
Nykyaikaisten lentokoneiden aerodynaaminen laatuarvo on noin 17-21 ja purjelentokoneiden - jopa 50. Tämä tarkoittaa, että lentokoneissa siiven nosto on optimaalisissa olosuhteissa17-21 kertaa suurempi kuin vastusvoima. Verrattuna Wright-veljesten koneeseen, jonka pistemäärä on 6,5, suunnittelun edistyminen on ilmeistä, mutta kotka, jolla on onneton gopher tassuissaan, on vielä kaukana.
Lentotilat
Eri lentotilat vaativat erilaisen nosto-vastussuhteen. Risteilytasolennolla koneen nopeus on melko suuri ja nopeuden neliöön verrannollinen nostokerroin korkeilla arvoilla. Tärkeintä tässä on minimoida vastus. Lentoonlähdön ja erityisesti laskun aikana nostokerroin on ratkaisevassa roolissa. Lentokoneen nopeus on pieni, mutta sen vakaa asento ilmassa edellyttää. Ihanteellinen ratkaisu tähän ongelmaan olisi ns. mukautuvan siiven luominen, joka muuttaa kaarevuutta ja tasaista pinta-alaansa lento-olosuhteiden mukaan, suunnilleen samalla tavalla kuin linnut. Suunnittelijoiden onnistumiseen asti nostokertoimen muutos saavutetaan käyttämällä siipien koneistusta, joka lisää sekä profiilin pinta-alaa että kaarevuutta, mikä lisää vastusta nostamalla merkittävästi nostovoimaa. Hävittäjälentokoneissa käytettiin muutosta siiven pyyhkäisyssä. Innovaatio mahdollistaa vastuksen vähentämisen suurilla nopeuksilla ja nostamisen lisäämisen pienillä nopeuksilla. Tämä suunnittelu osoittautui kuitenkin epäluotettavaksi, ja viime aikoina etulinjan lentokoneita on valmistettu kiinteällä siivellä. Toinen tapa lisätä lentokoneen siiven nostovoimaa on puh altaa siipeä lisäksi moottoreista tulevalla virtauksella. Tämä on toteutettu armeijassaAn-70- ja A-400M-kuljetuskoneet, joille tämän ominaisuuden ansiosta on ominaista lyhennetyt nousu- ja laskumatkat.
