Ez a légellenállási erő a repülőgépeken a szárnyak vagy az emelőtest miatt lép fel, amely átirányítja a levegőt, hogy emelést idézzen elő, és azokban az autókban, amelyek szárnyas szárnyaik átirányítják a levegőt leszorítóerő előidézésére. Samuel Langley észrevette, hogy a laposabb, nagyobb oldalarányú lemezek nagyobb emelőképességgel és kisebb ellenállással rendelkeznek, ezért 1902-ben vezették be. A repülőgép aerodinamikai minőségének feltalálása nélkül a modern repülőgép-tervezés lehetetlen lenne.
Emelés és mozgatás
A testre ható teljes aerodinamikai erő általában két összetevőből áll: az emelésből és az elmozdulásból. Definíció szerint az ellenárammal párhuzamos erőkomponenst elmozdulásnak, míg az ellenáramra merőleges komponenst emelésnek nevezzük.
Ezek az aerodinamikai alapismeretek nagy jelentőséggel bírnak a szárny aerodinamikai minőségének elemzése szempontjából. Az emelés a szárny körüli áramlási irány megváltoztatásával jön létre. változásirány sebességváltozást eredményez (még akkor is, ha nincs sebességváltozás, amint az egyenletes körmozgásnál látható), ami gyorsulás. Ezért az áramlási irány megváltoztatásához erőt kell kifejteni a folyadékra. Ez minden repülőgépen jól látható, csak nézze meg az An-2 aerodinamikai minőségének sematikus ábrázolását.
De nem minden ilyen egyszerű. Folytatva a szárny aerodinamikai minőségének témáját, érdemes megjegyezni, hogy alatta a léglift létrehozása nagyobb nyomáson történik, mint a felette lévő légnyomás. Egy véges fesztávú szárnyon ez a nyomáskülönbség hatására levegő áramlik az alsó felületi szárny tövétől a felső felületének tövébe. Ez a repülő légáram az áramló levegővel kombinálva sebesség- és irányváltozást okoz, ami elforgatja a légáramlást és örvényeket hoz létre a szárny kifutó éle mentén. A létrejövő örvények instabilok, gyorsan egyesülve szárnyörvényeket hoznak létre. Az így létrejövő örvények megváltoztatják a légáramlás sebességét és irányát a hátsó él mögött, lefelé terelve azt, és ezáltal a szárny mögött csapást okoznak. Ebből a szempontból például az MS-21 repülőgépnek magas az emelő-ellenállás aránya.
Légáramlás szabályozás
Az örvények viszont megváltoztatják a szárny körüli légáramlást, csökkentve a szárny azon képességét, hogy felhajtóerőt generáljon, ezért ugyanazon emelésnél nagyobb ütési szöget igényel, ami a teljes aerodinamikai erőt hátrafelé billenti, és növeli a légellenállást. azt az erőt. A szögeltérés elhanyagolhatóaz emelést befolyásolja. Azonban a légellenállás növekedése megegyezik az emelés és az elmozdulás szögének szorzatával. Mivel az elhajlás maga az emelés függvénye, a többletellenállás arányos az emelkedési szöggel, ami jól látható az A320 aerodinamikáján.
Történelmi példák
A téglalap alakú bolygószárny több örvényrezgést kelt, mint egy kúpos vagy elliptikus szárny, ezért sok modern szárny kúpos kialakítású, hogy javítsa az emelési-ellenállás arányt. Az elliptikus repülőgépváz azonban hatékonyabb, mivel az indukált mosás (és ezáltal a tényleges támadási szög) állandó a szárnyak teljes fesztávolságán. A gyártási bonyodalmak miatt kevés repülőgép rendelkezik ilyen tervformával, a leghíresebb példa a második világháborús Spitfire és a Thunderbolt. Az egyenes elülső és hátsó élekkel kúpos szárnyak megközelíthetik az elliptikus emelési eloszlást. Általános szabály, hogy az egyenes, kúpos szárnyak 5%-kal, a kúpos szárnyak 1-2%-kal nagyobb ellenállást produkálnak, mint egy elliptikus szárny. Ezért jobb az aerodinamikai minőségük.
Arányosság
A nagy oldalarányú szárny kisebb ellenállást produkál, mint az alacsony oldalarányú szárny, mivel a hosszabb, vékonyabb szárny csúcsánál kisebb a légzavar. Ezért az indukáltAz ellenállás fordítottan arányos lehet az arányossággal, bármilyen paradox módon is hangzik. Az emelés eloszlása is módosítható kimosással, a szárny körbeforgatásával, hogy csökkentse a szárnyak felé esést, illetve a szárnyak közelében lévő légszárny cseréjével. Ez lehetővé teszi, hogy a szárny gyökeréhez közelebb, a szárnyhoz pedig kisebb emelés kerüljön, ami a szárnyörvények erejének csökkenéséhez és ennek megfelelően a repülőgép aerodinamikai minőségének javulásához vezet.
A repülőgép-tervezés történetében
Néhány korai repülőgépen az uszonyokat a farok hegyére szerelték fel. A későbbi repülőgépek szárnyaik alakja más, hogy csökkentsék az örvények intenzitását és elérjék a maximális emelő-ellenállás arányt.
A tetőtéri járókerekes üzemanyagtartályok bizonyos előnyökkel is járhatnak, mivel megakadályozzák a kaotikus légáramlást a szárny körül. Ma már sok repülőgépen használják. A DC-10 aerodinamikai minőségét méltán tekintették forradalminak ebből a szempontból. A modern légiközlekedési piac azonban már régóta feltöltődött sokkal fejlettebb modellekkel.
Húzással húzásra képlet: egyszerű kifejezésekkel magyarázva
A teljes ellenállás kiszámításához figyelembe kell venni az úgynevezett parazita rezisztenciát. Mivel az indukált légellenállás fordítottan arányos a légsebesség négyzetével (adott emelésnél), míg a parazita ellenállás egyenesen arányos vele, a teljes légellenállási görbe a minimális sebességet mutatja. Repülőgép,ilyen sebességgel repül, optimális aerodinamikai tulajdonságokkal működik. A fenti egyenletek szerint a minimális ellenállás sebessége olyan sebességnél következik be, amelynél az indukált ellenállás megegyezik a parazita ellenállással. Ez az a sebesség, amellyel az üresjáratban lévő repülőgépek optimális csúszási szögét elérik. Annak érdekében, hogy ne legyen alaptalan, vegye figyelembe a képletet egy repülőgép példáján:
A képlet folytatása is elég érdekes (az alábbi képen) Magasabb repülés, ahol vékonyabb a levegő, megnöveli a minimális légellenállás sebességét, és így gyorsabb haladást tesz lehetővé azonos mennyiségű légellenálláson. üzemanyag.
Ha egy repülőgép a megengedett legnagyobb sebességgel repül, akkor az a magasság, amelyen a levegő sűrűsége biztosítja a legjobb aerodinamikai minőséget. Az optimális magasság maximális sebességnél és az optimális sebesség maximális magasságnál változhat repülés közben.
Kitartás
A sebesség a maximális kitartásért (azaz a levegőben töltött idő) a minimális üzemanyag-fogyasztást, a kisebb sebességet pedig a maximális hatótávot jelenti. Az üzemanyag-fogyasztást a szükséges teljesítmény és a motoronkénti fajlagos üzemanyag-fogyasztás szorzataként számítják ki (teljesítményegységenkénti üzemanyag-fogyasztás). A szükséges teljesítmény egyenlő a vontatási idővel.
Előzmények
A modern aerodinamika fejlődése csak a XVIIszázadban, de az aerodinamikai erőket az emberek évezredek óta használják vitorlásokban és szélmalmokban, a repülés képei és történetei pedig minden történelmi dokumentumban és műalkotásban megjelennek, például az ókori görög legendában Ikaroszról és Daedalusról. A kontinuum, az ellenállás és a nyomásgradiens alapvető fogalmai Arisztotelész és Arkhimédész munkáiban jelennek meg.
1726-ban Sir Isaac Newton volt az első ember, aki kidolgozta a légellenállás elméletét, így ez az egyik első érv az aerodinamikai tulajdonságokkal kapcsolatban. Daniel Bernoulli holland-svájci matematikus 1738-ban írt egy értekezést Hydrodynamica néven, amelyben leírta a nyomás, a sűrűség és az áramlási sebesség közötti alapvető összefüggést összenyomhatatlan áramlás esetén, amelyet ma Bernoulli-elvként ismernek, amely az aerodinamikai emelés kiszámításának egyik módszere. Leonhard Euler 1757-ben publikálta az általánosabb Euler-egyenleteket, amelyek összenyomható és össze nem tömöríthető áramlásokra egyaránt alkalmazhatók. Az 1800-as évek első felében az Euler-egyenleteket kiterjesztették a viszkozitás hatásaira, így születtek meg a Navier-Stokes egyenletek. A sarki aerodinamikai teljesítményt/aerodinamikai minőséget nagyjából ugyanabban az időben fedezték fel.
Ezek az események, valamint a saját szélcsatornájukban végzett kutatások alapján a Wright fivérek 1903. december 17-én repültek az első géppel.
Aerodinamikai típusok
Az aerodinamikai problémákat az áramlási viszonyok vagy az áramlási tulajdonságok szerint osztályozzák, beleértve az olyan jellemzőket, mint a sebesség, összenyomhatóság és viszkozitás. Leggyakrabban két típusra osztják őket:
- A külső aerodinamika a különböző alakú szilárd tárgyak körüli áramlás tanulmányozása. A külső aerodinamika példái a repülőgépen fellépő emelés és légellenállás értékelése, vagy a rakéta orra előtt kialakuló lökéshullámok.
- A belső aerodinamika a szilárd tárgyak járataiban való áramlás tanulmányozása. Például a belső aerodinamika lefedi a sugárhajtóművön vagy a légkondicionáló kéményén keresztüli légáramlás tanulmányozását.
Az aerodinamikai problémák a hangsebesség alatti vagy ahhoz közeli áramlási sebesség szerint is osztályozhatók.
A probléma neve:
- szubszonikus, ha a probléma összes sebessége kisebb, mint a hangsebesség;
- transzonic, ha vannak hangsebesség alatti és feletti sebességek is (általában ha a jellemző sebesség megközelítőleg egyenlő a hangsebességgel);
- szuperszonikus, amikor a jellemző áramlási sebesség nagyobb, mint a hangsebesség;
- hiperszonikus, amikor az áramlási sebesség sokkal nagyobb, mint a hangsebesség.
Az aerodinamikusok nem értenek egyet a hiperszonikus áramlás pontos meghatározásával kapcsolatban.
A viszkozitás áramlásra gyakorolt hatása egy harmadik besorolást diktál. Egyes problémáknak csak nagyon kicsi viszkózus hatásai lehetnek, ebben az esetben a viszkozitás elhanyagolhatónak tekinthető. Ezeknek a problémáknak a közelítését inviscidnek nevezzükáramlatok. Azokat az áramlásokat, amelyeknél a viszkozitás nem elhanyagolható, viszkózus áramlásoknak nevezzük.
Tömöríthetőség
Az összenyomhatatlan áramlás olyan áramlás, amelyben a sűrűség időben és térben is állandó. Bár minden valós folyadék összenyomható, az áramlást gyakran összenyomhatatlannak közelítik, ha a sűrűségváltozás hatása csak kis változásokat okoz a számított eredményekben. Ez valószínűbb, ha az áramlási sebesség jóval a hangsebesség alatt van. A tömöríthetőség hatásai jelentősebbek a hangsebességhez közeli vagy azt meghaladó sebességeknél. A Mach-számot a tömöríthetetlenség lehetőségének értékelésére használjuk, ellenkező esetben a tömörítési hatásokat bele kell foglalni.
Az aerodinamika elmélete szerint az áramlás összenyomhatónak tekinthető, ha a sűrűség az áramvonal mentén változik. Ez azt jelenti, hogy az összenyomhatatlan áramlással ellentétben a sűrűség változásait figyelembe veszik. Általában ez az eset áll fenn, ha az áramlás egy részének vagy egészének Mach-száma meghaladja a 0,3-at. A 0,3-as Mach-érték meglehetősen önkényes, de azért használják, mert az alatta lévő gázáram 5%-nál kisebb sűrűségű változást mutat. Ezenkívül a maximális 5%-os sűrűségváltozás a stagnálási ponton (az objektum azon pontján, ahol az áramlási sebesség nulla) következik be, míg az objektum többi része körül a sűrűség sokkal kisebb lesz. A transzonikus, szuperszonikus és hiperszonikus áramlások mind tömöríthetők.
Következtetés
Az aerodinamika a mai világ egyik legfontosabb tudománya. Ellát minketminőségi repülőgépek, hajók, autók és képregény-kompok építése. Óriási szerepet játszik a modern típusú fegyverek - ballisztikus rakéták, boosterek, torpedók és drónok - fejlesztésében. Mindez lehetetlen lenne, ha nem lennének az aerodinamikai minőség modern, fejlett koncepciói.
Így a cikk témájával kapcsolatos elképzelések az Icarusról szóló gyönyörű, de naiv fantáziákról a múlt század elején keletkezett működőképes és valóban működő repülőgépekre változtak. Ma már nem tudjuk elképzelni az életünket autók, hajók és repülőgépek nélkül, és ezek a járművek folyamatosan fejlődnek az aerodinamika terén elért új áttörésekkel.
A vitorlázórepülőgépek aerodinamikai tulajdonságai igazi áttörést jelentettek a maguk idejében. Eleinte minden felfedezés ezen a területen elvont, néha a valóságtól elszakított elméleti számítások segítségével történt, amelyeket francia és német matematikusok végeztek laboratóriumaikban. Később minden képletüket más, fantasztikusabb (a XVIII. századi mércével mérve) célokra használták fel, például a jövő repülőgépeinek ideális alakjának és sebességének kiszámítására. A 19. században ezeket az eszközöket nagy mennyiségben kezdték építeni, kezdve a vitorlázó- és léghajókkal, az európaiak fokozatosan tértek át a repülőgépek építésére. Ez utóbbiakat először kizárólag katonai célokra használták. Az első világháború ászai megmutatták, hogy a légi dominancia kérdése mennyire fontos bármely ország számára, és a két világháború közötti időszak mérnökei felfedezték, hogy az ilyen repülőgépek nem csak a katonaság, hanem a civilek számára is hatékonyak.célokat. Az idők során a polgári repülés szilárdan beépült az életünkbe, és ma már egyetlen állam sem nélkülözheti.
