Tämä vastusvoima ilmenee lentokoneissa, koska siivet tai nostorunko ohjaa ilmaa aiheuttamaan nostovoimaa, ja autoissa, joissa on kantosiivet, jotka ohjaavat ilmaa aiheuttamaan painevoimaa. Samuel Langley huomasi, että litteämmillä, korkeammalla kuvasuhteella olevilla levyillä oli suurempi nostovoima ja pienempi vastus, ja ne otettiin käyttöön vuonna 1902. Ilman lentokoneen aerodynaamisen laadun keksimistä nykyaikainen lentokonesuunnittelu olisi mahdotonta.
Nostaminen ja siirtäminen
Kehon vaikuttavan aerodynaamisen kokonaisvoiman katsotaan yleensä koostuvan kahdesta osasta: nosto ja siirtymä. Määritelmän mukaan vastavirtauksen suuntaista voimakomponenttia kutsutaan siirtymäksi, kun taas vastavirtaan kohtisuorassa olevaa komponenttia kutsutaan nousuksi.
Näillä aerodynamiikan perusteilla on suuri merkitys siiven aerodynaamisen laadun analysoinnissa. Nosto saadaan aikaan muuttamalla virtaussuuntaa siiven ympärillä. Muuttaasuunta johtaa nopeuden muutokseen (vaikka nopeudessa ei olisikaan muutosta, kuten tasaisessa ympyräliikkeessä nähdään), mikä on kiihtyvyyttä. Siksi virtaussuunnan muuttamiseksi nesteeseen on kohdistettava voima. Tämä näkyy selvästi kaikissa lentokoneissa, katsokaa vain kaavamaista esitystä An-2:n aerodynaamisesta laadusta.
Mutta kaikki ei ole niin yksinkertaista. Jatkamalla teemaa siiven aerodynaamisesta laadusta, on syytä huomata, että sen alapuolelle syntyvä ilmanosto on korkeammalla paineella kuin sen yläpuolella oleva ilmanpaine. Rajavälisessä siivessä tämä paine-ero saa ilman virtaamaan alapinnan siiven juuresta sen yläpinnan tyveen. Tämä lentävä ilmavirta yhdistyy virtaavaan ilmaan aiheuttaen nopeuden ja suunnan muutoksen, joka vääntää ilmavirtaa ja synnyttää pyörteitä siiven takareunaa pitkin. Syntyneet pyörteet ovat epävakaita, ne yhdistyvät nopeasti muodostaen siipipyörteitä. Syntyvät pyörteet muuttavat ilmavirran nopeutta ja suuntaa takareunan takana, kääntäen sitä alaspäin ja aiheuttaen siten läpän siiven taakse. Tästä näkökulmasta katsottuna esimerkiksi MS-21-koneella on korkea nosto-vastussuhde.
Ilmavirran ohjaus
Pyöritteet puolestaan muuttavat ilmavirtaa siiven ympärillä, mikä vähentää siiven kykyä synnyttää nostovoimaa, joten se vaatii suuremman iskukulman samalle nostolle, mikä kallistaa aerodynaamista kokonaisvoimaa taaksepäin ja lisää siiven vastuskomponenttia. sitä voimaa. Kulmapoikkeama on mitätönvaikuttaa nostoon. Vastuksen kasvu on kuitenkin yhtä suuri kuin noston ja sen kulman tulo, jonka vuoksi se poikkeaa. Koska taipuma on itsessään noston funktio, lisävastus on verrannollinen nousukulmaan, mikä näkyy selvästi A320:n aerodynamiikassa.
Historiallisia esimerkkejä
Suorakulmainen planetaarinen siipi luo enemmän pyörrevärähtelyjä kuin kartiomainen tai elliptinen siipi, minkä vuoksi monet nykyaikaiset siivet ovat kapenevia nosto-vastussuhteen parantamiseksi. Elliptinen lentokoneen runko on kuitenkin tehokkaampi, koska indusoitu pesu (ja siten tehokas iskukulma) on vakio koko siipien jännevälillä. Valmistuksen komplikaatioiden vuoksi harvoilla lentokoneilla on tämä suunnitelma, tunnetuimpia esimerkkejä ovat toisen maailmansodan Spitfire ja Thunderbolt. Suippenevat siivet, joissa on suorat etu- ja takareunat, voivat lähestyä elliptistä nostojakaumaa. Yleissääntönä on, että suorat, kapenemattomat siivet tuottavat 5 % ja kapenevat 1-2 % enemmän vastusta kuin elliptinen siipi. Siksi niillä on parempi aerodynaaminen laatu.
Suhteellisuus
Suuri kuvasuhteinen siipi tuottaa vähemmän vastusta kuin pieni sivusuhde, koska pidemmän, ohuemman siiven kärjessä on vähemmän ilmahäiriöitä. Siksi indusoituvastus voi olla kääntäen verrannollinen suhteellisuuteen, vaikka se kuulostaa kuinka paradoksaalista. Nostojakoa voidaan muuttaa myös pesemällä pois, kiertämällä siipiä ympäri siipien pudotuksen vähentämiseksi sekä vaihtamalla kantosiipiä siipien lähellä. Näin saat enemmän nostoa lähemmäksi siiven juurta ja vähemmän siipeä, mikä johtaa siiven pyörteiden lujuuden heikkenemiseen ja vastaavasti lentokoneen aerodynaamisen laadun paranemiseen.
Lentokonesuunnittelun historiassa
Joissakin varhaisissa lentokoneissa evät oli asennettu pyrstöjen kärkiin. Myöhemmillä lentokoneilla on erilainen siipien muoto pyörteiden voimakkuuden vähentämiseksi ja maksimaalisen nosto-vastussuhteen saavuttamiseksi.
Katon siipipyörän polttoainesäiliöt voivat myös tarjota jonkin verran hyötyä estämällä kaoottisen ilmavirran siiven ympärillä. Nyt niitä käytetään monissa lentokoneissa. DC-10:n aerodynaaminen laatu katsottiin ansaitusti vallankumoukselliseksi tässä suhteessa. Nykyaikaiset ilmailumarkkinat ovat kuitenkin jo pitkään täyttyneet paljon edistyneemmillä malleilla.
Vedä-vedä-kaava: selitetty yksinkertaisesti
Kokonaisvastuksen laskemiseksi on otettava huomioon ns. loisvastus. Koska indusoitu vastus on kääntäen verrannollinen ilmanopeuden neliöön (tietyllä nostolla), kun taas loisvastus on suoraan verrannollinen siihen, kokonaisvastuskäyrä näyttää miniminopeuden. Lentokone,lentää sellaisella nopeudella, toimii optimaalisilla aerodynaamisilla ominaisuuksilla. Yllä olevien yhtälöiden mukaan minimivastuksen nopeus tapahtuu nopeudella, jolla indusoitu vastus on yhtä suuri kuin loisvastus. Tämä on nopeus, jolla saavutetaan optimaalinen luistokulma tyhjäkäynnillä oleville lentokoneille. Jotta et olisi perusteeton, harkitse kaavaa lentokoneen esimerkissä:
Kaavan jatko on myös varsin omituinen (kuvassa alla) Lentäminen korkeammalle, missä ilma on ohuempaa, lisää nopeutta, jolla minimaalinen vastus tapahtuu, ja mahdollistaa siten nopeamman matkan samalla määrällä polttoaine.
Jos lentokone lentää suurimmalla sallitulla nopeudellaan, korkeus, jolla ilman tiheys tarjoaa sille parhaan aerodynaamisen laadun. Optimaalinen korkeus maksiminopeudella ja optimaalinen nopeus enimmäiskorkeudessa voivat muuttua lennon aikana.
Kestävyys
Nopeus maksimaalisen kestävyyden saavuttamiseksi (eli aika ilmassa) on nopeus, jolla polttoaineenkulutus on pienin ja pienempi nopeus maksimimatkan saavuttamiseksi. Polttoaineenkulutus lasketaan vaaditun tehon ja moottorikohtaisen ominaiskulutuksen tulona (polttoaineenkulutus tehoyksikköä kohti). Tarvittava teho on yhtä suuri kuin vetoaika.
Historia
Modernin aerodynamiikan kehitys alkoi vasta XVIIvuosisatoja, mutta ihmiset ovat käyttäneet aerodynaamisia voimia tuhansien vuosien ajan purjeveneissä ja tuulimyllyissä, ja kuvia ja tarinoita lentämisestä esiintyy kaikissa historiallisissa asiakirjoissa ja taideteoksissa, kuten muinaisessa kreikkalaisessa legendassa Ikaruksesta ja Daedaluksesta. Jatkuvuuden, vastuksen ja painegradientin peruskäsitteet esiintyvät Aristoteleen ja Arkhimedesen teoksissa.
Vuonna 1726 Sir Isaac Newtonista tuli ensimmäinen henkilö, joka kehitti ilmanvastuksen teorian, mikä teki siitä yhden ensimmäisistä aerodynaamisia ominaisuuksia koskevista väitteistä. Hollantilais-sveitsiläinen matemaatikko Daniel Bernoulli kirjoitti vuonna 1738 tutkielman nimeltä Hydrodynamica, jossa hän kuvaili paineen, tiheyden ja virtausnopeuden välistä perussuhdetta kokoonpuristumattomassa virtauksessa, joka tunnetaan nykyään Bernoullin periaatteena, joka tarjoaa yhden menetelmän aerodynaamisen noston laskemiseen. Vuonna 1757 Leonhard Euler julkaisi yleisemmät Euler-yhtälöt, joita voidaan soveltaa sekä kokoonpuristuviin että kokoonpuristumattomiin virtauksiin. Eulerin yhtälöt laajennettiin sisältämään viskositeetin vaikutukset 1800-luvun ensimmäisellä puoliskolla, mikä johti Navier-Stokes-yhtälöihin. Polaarisen aerodynaaminen suorituskyky/aerodynaaminen laatu havaittiin suunnilleen samaan aikaan.
Näiden tapahtumien sekä omassa tuulitunnelissaan tehdyn tutkimuksen perusteella Wrightin veljekset lensivät ensimmäisellä koneella 17. joulukuuta 1903.
Aerodynamiikkatyypit
Aerodynaamiset ongelmat luokitellaan virtausolosuhteiden tai virtausominaisuuksien mukaan, mukaan lukien ominaisuudet, kuten nopeus, kokoonpuristuvuus ja viskositeetti. Ne jaetaan useimmiten kahteen tyyppiin:
- Ulkoinen aerodynamiikka tutkii virtausta erimuotoisten kiinteiden esineiden ympärillä. Esimerkkejä ulkoisesta aerodynamiikasta ovat lentokoneen nostovoiman ja vastuksen arviointi tai ohjuksen nokan eteen muodostuvat shokkiaallot.
- Sisäinen aerodynamiikka tutkii virtausta kiinteiden esineiden käytävien läpi. Esimerkiksi sisäinen aerodynamiikka kattaa ilmavirran tutkimuksen suihkumoottorin tai ilmastointipiipun läpi.
Aerodynaamiset ongelmat voidaan luokitella myös äänen nopeuden ala- tai lähellä olevien virtausnopeuksien mukaan.
Ongelman nimi:
- aliääni, jos kaikki ongelman nopeudet ovat pienempiä kuin äänen nopeus;
- transonic, jos nopeuksia on sekä äänen nopeuden alapuolella että yli (yleensä kun ominaisnopeus on suunnilleen sama kuin äänen nopeus);
- yliääninen, kun ominaisvirtausnopeus on suurempi kuin äänen nopeus;
- yliääninen, kun virtausnopeus on paljon suurempi kuin äänen nopeus.
Aerodynamiikka on eri mieltä hypersonic flown tarkasta määritelmästä.
Viskositeetin vaikutus virtaukseen sanelee kolmannen luokituksen. Joillakin ongelmilla voi olla vain hyvin pieniä viskoosisia vaikutuksia, jolloin viskositeettia voidaan pitää merkityksettömänä. Näiden ongelmien likiarvoja kutsutaan inviscideiksivirrat. Virtauksia, joiden viskositeettia ei voida jättää huomiotta, kutsutaan viskoosiksi virtaukseksi.
Pakkaus
Kokoamaton virtaus on virtaus, jonka tiheys on vakio sekä ajallisesti että avaruudessa. Vaikka kaikki todelliset nesteet ovat kokoonpuristuvia, virtaus on usein likimääräinen kokoonpuristumattomaksi, jos tiheyden muutoksen vaikutus aiheuttaa vain pieniä muutoksia laskettuihin tuloksiin. Tämä on todennäköisempää, kun virtausnopeus on selvästi alle äänen nopeuden. Kokoonpuristuvuuden vaikutukset ovat merkittävämpiä nopeuksilla, jotka ovat lähellä äänen nopeutta tai sitä suurempia. Mach-lukua käytetään kokoamattomuuden mahdollisuuden arvioimiseen, muuten pakkausvaikutukset on otettava mukaan.
Aerodynamiikan teorian mukaan virtausta pidetään kokoonpuristuvana, jos tiheys muuttuu virtaviivaa pitkin. Tämä tarkoittaa, että toisin kuin kokoonpuristumattomassa virtauksessa, tiheyden muutokset otetaan huomioon. Yleensä tämä on tilanne, kun virtauksen osan tai koko Mach-luku ylittää 0,3. Mach-arvo 0,3 on melko mieliv altainen, mutta sitä käytetään, koska tämän arvon alapuolella oleva kaasuvirtaus osoittaa alle 5 %:n tiheysmuutoksia. Myös suurin tiheyden muutos 5 % tapahtuu pysähtymispisteessä (kohteen pisteessä, jossa virtausnopeus on nolla), kun taas tiheys muun kohteen ympärillä on paljon pienempi. Transonic-, yliääni- ja hypersonic-virrat ovat kaikki pakattavissa.
Johtopäätös
Aerodynamiikka on yksi tämän päivän tärkeimmistä tieteistä maailmassa. Hän tarjoaa meillelaadukkaiden lentokoneiden, laivojen, autojen ja sarjakuvasukkuloiden rakentaminen. Sillä on v altava rooli nykyaikaisten aseiden - ballististen ohjusten, vahvistimien, torpedojen ja droonien - kehittämisessä. Kaikki tämä olisi mahdotonta, ellei nykyaikaisia edistyneitä aerodynaamisen laadun käsitteitä olisi.
Näin käsitykset artikkelin aiheesta muuttuivat kauniista, mutta naiiveista fantasioista Icaruksesta toimiviksi ja todella toimiviksi lentokoneiksi, jotka syntyivät viime vuosisadan alussa. Nykyään emme voi kuvitella elämäämme ilman autoja, laivoja ja lentokoneita, ja nämä ajoneuvot kehittyvät jatkuvasti uusien aerodynamiikan läpimurtojen myötä.
Purjelentokoneiden aerodynaamiset ominaisuudet olivat todellinen läpimurto omana aikanaan. Aluksi kaikki löydöt tällä alueella tehtiin abstraktien, joskus todellisuudesta erottuneiden teoreettisten laskelmien avulla, jotka ranskalaiset ja saksalaiset matemaatikot suorittivat laboratorioissaan. Myöhemmin kaikkia niiden kaavoja käytettiin muihin, fantastisempiin (1700-luvun standardien mukaan) tarkoituksiin, kuten tulevaisuuden lentokoneiden ihanteellisen muodon ja nopeuden laskemiseen. 1800-luvulla näitä laitteita alettiin rakentaa suuria määriä alkaen purjelentokoneista ja ilmalaivoista, eurooppalaiset siirtyivät vähitellen lentokoneiden rakentamiseen. Viimeksi mainittuja käytettiin ensin yksinomaan sotilaallisiin tarkoituksiin. Ensimmäisen maailmansodan ässät osoittivat, kuinka tärkeä kysymys ilmassa vallitsevasta asemasta on mille tahansa maalle, ja sotien välisen ajanjakson insinöörit havaitsivat, että tällaiset lentokoneet eivät ole tehokkaita vain armeijalle, vaan myös siviileille.tavoitteet. Ajan myötä siviili-ilmailu on tullut elämäämme lujasti, ja nykyään yksikään v altio ei tule toimeen ilman sitä.
