Авиация-это просто

Данный раздел   посвящён всем тем знаниям, которые необходимы авиаторам.

Основной упор сделан на новичковый уровень восприятия информации авиационной теории. То, что написано ниже не является истиной в последней инстанции, также как и догмой некоторые соображения, которые мы будем озвучивать. Авиационная теория крайнее время претерпевает ряд существенных изменений-в частности, поставлен под вопрос закон Бернулли-так ли всё происходит в нём на самом деле? Не найдено рациональное объяснение и многим вихревым процессам, которые встречаются в авиации достаточно часто. Изучение всех этих вопросов-приоритетная задача нашего проекта.

Первое с чего хотелось бы начать-это  теория. Для начала не будем заморачиваться с заумными  формулами и прочими премудростями, однако, чтобы избежать недоразумений, ознакомлю Вас с первичной авиационной терминологией и кратким ознакомительным курсом про летательные аппараты (отсюда и далее-аббревиатура летательный аппарат в авиационной терминологии зовётся  сокращённо - ЛА). Терминологию нужно знать как Отче Наш. Оговорюсь сразу-я не стану делать различий между моделями и настоящей авиацией, так как подавляющее большинство терминов применимы в авиации повсеместно.

Итак начнём.

Первое, на что обратим внимание-какие бывают летательные аппараты (ЛА) по принципу создания подъёмной силы.

1- Аэростатические ЛА. Воздушный шар или дирижабль Подъёмная сила возникает вследствии того, что газ или горячий воздух легче окружающего воздуха, поэтому и создаётся подъёмная сила, ЛА как пузырь воздуха в воде (Архимедова сила) стремится туда, где меньшее давление (вверх, где давление атмосферы меньше).

2 -Аэродинамические ЛА. Эти аппараты получают подъёмную силу за счёт движения относительно среды, в которой находятся. Это воздух (атмосфера). Наиболее эффективный способ получения подъёмной силы на сегодняшний момент. Вид ЛА, использующих этот способ, весьма обширен-здесь и самолёты, и планеры, и вертолёты, то есть все те летательные аппараты, которые используют аэродинамические поверхности (крыло или воздушный винт)  для создания аэродинамической подъёмной силы.

3-Ракетодинамические ЛА. Представители этого семейства-всем известные ракеты-поднимаются в воздух за счёт использования реактивного двигателя, работающего по реактивному принципу отброса массы (всем известный закон – действие равно противодействие).

4-Баллистические ЛА. Весьма специфические летательные аппараты. Наиболее наглядный пример-орбитальные искусственные спутники земли. Они держатся на орбите лишь за счёт большой скорости, приобретённой начальным ускорением или импульсом относительно земли. (центробежная сила). Также в этом семействе находятся снаряды и пули, которые, как известно, после выстрела (начальный импульс) имеют скорость, и за счёт этого преодолевают значительные расстояния.

5-Альтернативные и другие способы получения подъёмной силы. Наука не стоит на месте и не оставляет попыток получения подъёмной силы каким либо альтернативным путём от обычного.  Весьма продвинулись в этом направлении Японцы-магнитодинамическая подъёмная сила используется для создания сверхскоростных пассажирских поездов, уже курсирующих между некоторыми японскими городами. Ионный способ основан на разгоне воздушных молекул активными наэлектризованными ионами вследствии прохождения через проводники электрического тока и наведения ими электромагнитного электродинамического поля.

 

 

Так как аэродинамические ЛА наиболее многочисленны, рассмотрим их поближе.

Первое, на что обратим внимание-это принцип создания подъёмной силы на аэродинамических ЛА.

Подъёмная сила создаётся, как мы уже заметили, вследствии движения ЛА в воздухе. Это значит, что ,крыло самолёта (или воздушный винт вертолёта) омываются встречным потоком воздуха. Идея возникновения подъёмной силы проста и гениальна- крыло или лопасть вертолёта, будучи в движении, становится под некоторым углом к набегающему потоку (угол атаки). Воздушный поток, огибая препятствие в виде аэродинамической плоскости (крыло) создаёт подъёмную силу. Тем самым, происходит общее отклонение вектора движения воздуха относительно самого летательного аппарата. В нижней части нашего крыла образуется зона повышенного давления , а в верхней зона пониженного давления. Перепад давлений обусловлен тем, что при движении низ крыла как бы подминает воздух под себя, он уплотняется и скорость движения воздушных молекул уменьшается. Сверху же наоборот, скорость увеличивается, так как воздух там попросту выталкивается (смывается) и с большей скоростью устремляется к месту встречи двух потоков-нижнего и верхнего у задней кромки крыла. Образуется значительный перепад  воздушного давления между низом и верхом крыла, и, если подъёмная сила достигает необходимых значений, ЛА поднимается в воздух.

Возникновение подъёмной силы крыла

 


 

Для увеличения подъёмной силы в авиации используют аэродинамический профиль-крыло в разрезе не тонкая пластинка, оно выпуклое сверху и плоское снизу. Это необходимо для ещё большего ускорения верхних частиц воздуха. Решим для понимания сути происходящего небольшую задачку.

2 человека вышли из пункта А в пункт Б. У них задача-добраться до пункта Б единовременно. Пункт А на нашем крыле будет передняя кромка крыла (точка деления потока), а пунктом Б -задняя кромка. Один из них, тот что снизу, пошёл коротким маршрутом-по плоской стороне крыльевого профиля. Второй же выбрал более длинный маршрут (верхняя изогнутая поверхность), а так как им необходимо прибыть из пункта А в пункт Б единовременно, то второй человек несомненно должен увеличить скорость, чтобы за такое же время преодолеть более длинный маршрут. Также ведут себя и частицы воздуха на поверхности крыла, и абсолютно также образуется перепад давлений вследствии применения аэродинамического профиля. По закону Бернулли-чем выше скорость, тем меньшее давление имеет поток газа или жидкости.

Векторы сил, которые воздействуют на аэродинамический летательный аппарат-в первую очередь это сила земного тяготения. Она всегда направлена строго вниз. Именно этой силе в основном и противостоит подъёмная сила, направленная вверх. При движении ЛА возникает ещё и сила лобового сопротивления, она имеет направление назад горизонтально. Сила тяги моторной установки (вперёд горизонтально) должно её превысить , иначе самолёт не взлетит. При движении результирующие силы от подъёмной силы и силы аэродинамического сопротивления смещают вектор подъёмной силы, в результате истинная подъёмная сила называется результирующая подъёмная сила, и направлена немного назад от векторной идеальной. У безмоторных аэродинамических ЛА силу лобового сопротивления превышает сам аппарат, двигаясь с некоторой полученной извне скоростью, а также, если есть необходимость, увеличивает скорость путём движения вниз-результирующие векторы скорости (направления движения) и вектор земного притяжения позволят преодолеть аэродинамическое сопротивление.

На картинке наглядно в двух словах показаны основные векторные силы воздействующие на крыло самолёта или лопасть воздушного винта.

 

 

 

Далее рассмотрим силы, действующие на сам летательный аппарат. Их не много и они аналогичны силам , воздействующим на крыло.

 

 

 

 

1-подъёмная сила крыла

2-тяга мотоустановки

3-сила земного тяготения

4-сила лобового аэродинамического сопротивления

Из всего вышеуказанного следует отметить, что сила лобового сопротивления должна быть меньше силы тяги мотора.

Далее будем рассматривать виды аэродинамических ЛА.

 

 

 

Виды аэродинамических летательных аппаратов

Самый распространённый вид аэродинамических ЛА-это самолёт и планер.

Самолёт произошёл от планера-безмоторного летательного аппарата. Самолёт отличается от планера тем, что на нём установлен мотор, а также несколько изменена конструкция.

В авиационной терминологии очень часто встречается понятие планер самолёта-это то, что останется от самолёта если с него демонтировать мотоустановку.

Основные части самолёта-это крыло, фюзеляж, хвостовое оперение и мотор.

Наименование основных частей самолёта


Рассмотрим поотдельности каждый из элементов конструкции самолёта.

Крыло необходимо для создания подъёмной силы -и поэтому оно неотъемлемый элемент летательных аппаратов аэродинамического типа.

Фюзеляж необходим для крепления крыла, хвостового оперения , мотоустановки и размещения экипажа с полезной нагрузкой.

Хвостовое оперение решает три важные задачи-обеспечивает устойчивость , управляемость и балансировку. Устойчивость-это способность летательного аппарата стабилизироваться после воздействия внешнего фактора (ветер например) и возвращатся в исходное положение. Управляемость-это способность летательного аппарата адекватно реагировать на действия органами управления и чётко их выполнять. Балансировка ЛА-это приведение суммы моментов ,действующих в каждом канале управления к нулю. Для каждого режима скоростей, центровок существуют свои балансировочные режимы отклонения рулей.

Хвостовое оперение состоит из  2х частей-вертикальной и горизонтальной. Вертикальная называется киль, горизонтальная -стабилизатор.

Также на самолёте находятся шасси-необходимый элемент для взлёта и посадки.

Аэродинамические рули управления ЛА-это аэродинамические отклоняемые поверхности для управления летательным аппаратом в продольном и поперечном канале (тангаж , крен, рысканье).

Тангаж-самолёт летит вверх или вниз (обеспечивается отклонением руля  высоты на стабилизаторе)

Крен-наклон самолёта набок (обеспечивается элеронами на крыле)

Руль направления (на киле) необходим для корректировки курса на различных режимах полёта (рысканье).

Кабина пилота закрыта прозрачным стеклом -это фонарь кабины.

Типы аэродинамических схем самолётов

Первая из рассмотренных схем - нормальная аэродинамическая схема.

Самолёт Як 52 построен по нормальной аэродинамической схеме

Она характерна тем, что в ней крыло самолёта располагается впереди хвостового оперения. Такая схема самая распространённая ввиду своей аэродинамической стабильности и оптимальности.

Схема Утка-отличается расположением крыла позади переднего горизонтального оперения (ПГО). Главное достоинство такой схемы-увеличение манёвренности, что нашло её применение на боевых самолётах. Недостаток-плохая продольная устойчивость ЛА ввиду того, что ПГО дестабилизирует ЛА .

Бесхвостка-отличается отсутствием горизонтального оперения. Функции руля высоты в этом случае выполняют элевоны-гибрид элеронов и руля высоты, элевоны могут выполнять функции одновременно как элеронов так и руля высоты.

Самолёт мираж 2000 построен по схеме бесхвостка

Летающее крыло-характерно отсутствующим и горизонтальным и вертикальным хвостовым оперением. Также для управления по крену и тангажу используют элевоны.

Беспилотник Х 47 В имеет схему летающее крыло

Схема рама-является весьма распространённой.Она отличается от нормальной тем, что фюзеляж состоит из трёх частей-центральной гондолы и двух хвостовых балок, на которых закреплено хвостовое оперение. Органы управлениея такой схемой аналогичны нормальной.

М 55 Геофизика-выполнен по схеме «Рама»

Тандемная схема не получила широкого распространения ввиду своей экзотичности.

Квики Берта Рутана тандемной схемы

Двухфюзеляжная схема . В этой схеме два фюзеляжа с индивидуальным хвостовым оперением располагаются параллельно на одном крыле. Управление как на нормальной схеме.

Суборбитальный носитель двухфюзеляжной схемы. Посередине, между двумя фюзеляжами располагается суборбитальный челнок

Интегральная аэродинамическая схема. Эта схема  подразумевает наличие всех элементов нормальной схемы, однако эти элементы плавно переходят (интегрируют) друг с другом. Подъёмную силу в такой схеме создаёт не только крыло, но также и подфюзеляжная часть летательного аппарата. По такой схеме построено большое количество современных самолётов-истребителей.

Миг 29

Самолёты подразделяются и по количеству несущих плоскостей-крыльев.

Самолёты с одним крылом называются монопланы. С двумя-бипланы, а с тремя -трипланы. У  моноплана одно! крыло, состоящее из двух консолей левой и правой.

Самолёт Ан 2 имеет бипланную схему

У биплана как раз 2 крыла, расположенных друг над другом.

Трипланы -весьма интересны-дело в том, что трипланом называется такая схема, которая имеет три крыла-как например самолёт Фоккер Д.Р. 1 на котором летал знаменитый ас первой мировой Барон Фон Рихтгофен. Однако выяснилось,  что эта схема оказалась аэродинамически нецелесообразной.

Триплан Фоккер ДР 1 имеет три крыла

Сейчас трипланами называют самолёты, у которых три последовательно расположенные плоскости (дестабилизатор ПГО, крыло, горизонтальное оперение). Такую компоновку имеют многие боевые самолёты  марки Су.

Самолёт Су 30 имеет адаптированную схему триплан

В зависимости от расположения крыла относительно фюзеляжа монопланы подразделяются на низкопланы, среднепланы , высокопланы и парасоли. Соответственно-низкоплан-крыло внизу фюзеляжа, среднеплан-посередине и высокоплан сверху. Парасоль-от французского слова зонтик-крыло расположено сверху отдельно отфюзеляжа.

Геометрия крыла.

Разобравшись с принципами возникновения подъёмной силы обратим внимание на геометрию крыла.
Крыло самолёта имеет различную геометрию, в зависимости от того, для каких целей используется летательный аппарат.
Самолёты, как известно, бывают различных типов. Например, для скоростного истребителя нужно крыло с максимальными скоростными качествами, а тяжеловозу-транспортнику важны характеристики подъёмной силы и уменьшение аэродинамического сопротивления.
Характеристики различаются по нескольким критериям. Первый из них-форма крыла. Существуют множество различных конфигураций крыла.
Второе-поперечный угол V образности. Третье-профиль крыла.
Форма крыла определяется функциональным предназначением летательного аппарата. Здесь опишу лишь базовые конфигурации, встречающиеся повсеместно в авиации, и вкратце расскажем о нестандартных конструкциях, которые были созданы за всю историю авиации.
Так как основной принцип формирования облика летательного аппарата имеет в своей основе его функциональную принадлежность то и все несущие плоскости создаются для этих же целей. Часть теории геометрии крыла актуальна и для несущих лопастей вертолётов и автожиров-винтокрылого класса машин, которые, однако, используют аналогичные аэродинамические принципы создания подъёмной силы.
Обратимся к первоисточникам. Первые прототипы крыла человек начал создавать ещё в доисторические времена, основываясь на примеры живой природы-а именно птиц и насекомых. Первое, что примечательно в конструкции аэродинамических летательных аппаратов большинства распространённых аэродинамических схем-симметричность конструкции, и, в частности конструкции несущих аэродинамических плоскостей.
Вся более-менее приспособленная к полёту живая природа летает именно на подобной компоновке своих аэродинамических плоскостей. Типичными примерами являются птицы и насекомые, у которых присутствует парная симметричность их крыльев.
В авиации этот принцип сохранился неизменным-симметричные плоскости наиболее эффективны для полёта в атмосфере. Они создают наиболее оптимальную аэродинамическую компоновку, требующую наименьших энергозатрат и позволяющую перемещаться на значительные расстояния при этом.
Несомненно, что представители живой природы лучше приспособлены к условиям полёта, нежели какие-либо технические средства-в результате многомиллионолетней эволюции живых существ.
К сожалению, у человека таких сроков в распоряжении нет, зато есть разум-и первые учёные, мыслители и выдающиеся деятели своих эпох создавали прототипы летающих машин опираясь именно на животных прототипов. Выдающихся успехов в этих начинаниях достигли азиатские конструкторы-первые технические аэродинамические средства появились в Китае свыше 5000 лет назад. Никто не знает имени этих гениальных людей, что создали первый воздушный змей и подняли его в воздух, однако элементарная база этого невзрачного на первый взгляд изобретения через много тысяч лет привела к созданию более совершенных летательных аппаратов, которые мы все сейчас прекрасно знаем.
Немного истории. Так как никто не знает имени того человека, что создал первый воздушный змей перейдём непосредственно к сути его изобретения. Наблюдая за парящими птицами или за полётами насекомых, изучая их строение удалось выяснить, что эти существа каким-то образом могут удерживать себя в воздухе за счёт самого воздуха. Так, проанализировав обширный анатомический и физиологический материал исследователь прошлого постарался максимально точно воспроизвести процесс полёта, но уже на искусственной  копии крыла птицы. Как уже описывалось выше, первое известное условие-симметричность крыла-и в древности пошли таким путём-создали лёгкую конструкцию прямоугольной формы из бамбуковых реек и обтянутую лёгкой тканью. Симметричность есть, однако что делать с крылом, которое без необходимой энергии не взлетит? Выход нашёлся-снова из мира живых существ-принципы создания подъёмной силы тогда также были известны, и поэтому создатели сделали угол атаки своей конструкции- и змей поднялся в небо от набегающего потока воздуха.
Малоизвестный факт-именно в Китае впервые были применены воздушные змеи в военных целях-для сигнализации союзных войск и анализа обстановки, происходящей у тех , кто эту сигнализацию производит.
Конструктивно любое крыло состоит из двух консолей-правой и левой. Ошибочно мнение что крыла два-оно у летательных аппаратов одно, и подразделяется на правую-левую консоль и место их крепления, называемое центропланом.
Центроплан-как правило отдельный особопрочный элемент крепления крыла и фюзеляжа воедино. Находится центроплан на фюзеляже.
Весьма распространена конструкция, объединяющая центроплан и фюзеляж-интегрированная компоновка обеспечивает достаточную прочность и надёжность одновременно с малым весом и небольшой трудоёмкостью производства, геометрической сбалансированности для улучшения аэродинамики.

Геометрически крыло может быть нескольких распространённых типов-прямоугольное, трапециевидное, стреловидное, треугольное, обратной стреловидности,элиптическое, дисковое, а также производные этих конфигураций- например, трапециевидное крыло со скруглёнными законцовками, трапециевидное крыло со стреловидностями по передней или задней кромке, стреловидное крыло изменяемой геометрии или крыло переменной стреловидности-ближе к центроплану прямоугольного сечения, ближе к законцовкам переменного трапециевидного.
Отсюда необходимо вывести дополнение- стреловидностью крыла называют угол, образуемый его передней или задней кромкой относительно геометрического центра конструкции крыла, перпендикулярного оси симметрии фюзеляжа. Иными словами, наклон передней и задней кромки относительно фюзеляжа. Независимо от того, трапециевидное крыло или нет, оно имеет стреловидность, если, разумеется речь не идёт о прямоугольном крыле.

Прямоугольное крыло-название говорит само за себя- его стороны пересекаются друг с другом под прямыми углами, создавая при виде сверху правильный прямоугольник. В плане геометрической формы крыло подобных конструкций весьма технологично, что обуславливается тем, что все его сечения одинаковы на всём размахе.
Примечание ред. - размахом крыла называют постоянную величину, измеряемую расстоянием от наибольших точек законцовки левой и правой консоли совместно с центропланом. Иными словами, это величина, составляющая размер (длину) крыла вместе с той частью фюзеляжа, к которой оно пристыковано.

Самолёт, оснащённый прямоугольными  крыльями (бипланная компоновка)

Говоря вкратце об основных плюсах прямоугольного крыла необходимо отметить следующее-его высокую технологичность, простоту конструкции, стабильность поведения в воздухе и достаточно солидную подъёмную силу. Из минусов отметим слишком малые достижимые скорости на таких плоскостях-ввиду особенностей обтекания прямоугольной формы происходит достаточно сильное аэродинамическое сопротивление на участках поверхности крыла, в общем счёте, летательный аппарат, оснащённый таким крылом не способен на высокие и  сверхзвуковые скорости. Такая же ситуация происходит и с лопастями несущих винтов вертолётов, что имеют прямоугольную форму-ротор не может вращаться слишком быстро, малая прочность и стойкость к аэродинамическим нагрузкам у крыла или лопасти такого типа делает их совершенно не пригодным к большим скоростям.
Как правило, подобные компоновки крыла имеют летательные аппараты с небольшими скоростями полёта, и применяются в основном, в лёгкой авиации и авиации малых скоростей (приблизительно до 450 километров в час).

Трапециевидное крыло-одна из самых распространённых форм. Применяется повсеместно-и на низкоскоростных конструкциях, и высокоскоростных дозвуковых, и на различных типах летательных аппаратов по своему функциональному назначению.
Причина столь высокой популярности-аэродинамический баланс, который достигается именно в конструкциях трапециевидных крыльев.
Благодаря своему переменному сечению крыло такой конструкции более гибко подстраивается под поток воздуха. Обтекание происходит на переменных сечениях, что также является плюсом-возможно достижение больших скоростей без сильного увеличения аэродинамического сопротивления, высокая стабильность летательных аппаратов, оснащённых таким крылом, конструкционная прочность и техническая надёжность делают эту компоновку популярной в авиации уже много лет.

Самолёт, оснащённый трапециевидным крылом со скруглёнными законцовками

Основные плюсы, как уже было перечислено выше-лучшая аэродинамика, достижение больших скоростей и высокая надёжность. Из минусов отметим большую трудоёмкость при изготовлении, строгость в управлении летательным аппаратом, оснащённым подобным крылом.
Применяется в авиации со скоростями полёта до 800 километров в час (околозвуковые скорости). Дальнейший рост скорости затруднителен на подобных компоновках ввиду особенностей скоростного обтекания-появляются интерференционные вихри, стремящиеся закрутить крыло в сторону своего движения, из-за этого теряется управляемость летательного аппарата. Трапециевидные лопасти применяются в скоростных роторах вертолётов, позволяющие достичь околозвуковых окружных скоростей и наибольшего коэффициента полезного действия.

Стреловидное крыло. Компоновка больших скоростей. Стреловидное крыло имеет максимум адаптации для скоростного обтекания своей поверхности ввиду её развитой стреловидности. Поток воздуха проходит по касательной, создавая необходимую подъёмную силу и минимизируя при этом силу лобового сопротивления (из-за того , что воздух идёт по касательной, соответственно и сила трения будет минимальной) прим. авт.
Стреловидное крыло не приспособлено для малых скоростей. На  малой скорости такое крыло  работает не эффективно ввиду малого обтекания воздухом своей рабочей площади. При увеличении скорости коэффициент обтекания увеличивается, нагрузка на крыло растёт, увеличивается нагрузка на управляющие плоскости (элероны например), происходит улучшение управляемости.
Основные плюсы такой формы-высокие скорости и малое сопротивление при достаточно большой подъёмной силе. Применяется в современной реактивной авиации повсеместно. В совокупности с развитой механизацией такое крыло способно выполнять низкоскоростной полёт с приемлемой управляемостью летательным аппаратом.
Режим механизации используется преимущественно при взлёте и посадке, а также в боевой авиации для выполнения кратковременных манёвров, связанных с необходимостью быстрой потери скорости и эффективным изменением траектории движения.

Су 27  оснащён стреловидным крылом

Механизация крыла, её классификация и применение опишем позже. Вкратце-механизация крыла это элементы аэродинамического управления летательным аппаратом, установленные на крыле и представляющие собой аэродинамические плоскости взаимодействующие с основным потоком воздуха, огибающим крыло и создающим подъёмную силу, механизация может вмешиваться непосредственно в этот процесс, внося векторные корректировки воздушного потока тем или иным способом, тем самым оказывая управляющее воздействие на весь летательный аппарат.Доступные скорости на сегодняшний момент неизвестны. Весь скоростной потенциал стреловидного крыла до сих пор не реализован. На практике крыло подобного типа применялось и с достаточно большими скоростями-при орбитальных спусках воздушно-космических систем типа Спейс шаттл (США) или Буран (СССР), при этом крыло подобного типа работало во всём спектре исследуемых скоростей весьма эффективно. Разработаны системы изменяемой стреловидности, позволяющие реализовать широкий скоростной диапазон летательных аппаратов-от низких скоростей до высоких.

Треугольное крыло-практически аналогично стреловидному, однако имеет одну деталь-задняя кромка ровная и представляет собой одну из сторон треугольника (основание). Скорости достижимы наравне со стреловидным крылом. Летательный аппарат, оснащённый таким крылом имеет особенности в управляемости- из-за того, что центр тяжести и центр давления в таком крыле смещён на значительные расстояния. Корректировка отклонений происходит механизацией крыла аэродинамически. В целом, неплохая компоновка, позволяющая реализовать скоростной потенциал летательного аппарата.

Миг 21 имеет треугольное крыло

Крыло обратной стреловидности. Экспериментальные разработки. Компоновка, позволяющая эффективно управлять летательным аппаратом в максимально широком спектре скоростей. В серию  компоновка не пошла ввиду технической сложности производства и нюансов управления.

Су 47 Беркут с крылом обратной стреловидности

Элипсовидное крыло-также весьма редкий тип геометрии. Применяется для снижения лобового и индуктивного аэродинамического снижения. Эффективнее трапециевидного по сопротивлению, однако более трудоёмко в производстве. Не для больших скоростей. Скоростной аналог-трапециевидное крыло.

 

Английский истребитель времён Второй мировой войны Спитфайр  имеет элипсовидное крыло

Дисковидное крыло-сугубо экспериментальные образцы . Имеет форму диска (окружность). Летательные аппараты, построенные с таким крылом обладали большим приростом подъёмной силы,отличались величиной значительно большего критического угла атаки и практическое отсутствие штопора (срыв потока). Уникальные характеристики такого крыла обусловлены тем, что оно обтекается воздухом равномерно по всей площади, при этом не возникает паразитных завихрений дестабилизирующих летательный аппарат.  Основной минус-малое аэродинамическое качество, приводящее к большим энергозатратам силовой установки.Скоростные характеристики неизвестны.

Проект фирмы Авро -самолёт с дискообразным крылом для нужд ВВС США

Серийных летательных аппаратов с дискообразным крылом нет, а с появлением винтокрылой техники концепция самого дискообразного крыла попала в анналы истории под кодовым названием «железный капут». :)

Аэродинамические профили крыла

Крыло, создаваемое с учётом требований законов аэродинамики представляет из себя не плоскую пластину, а профилированную плоскость, имеющую в своём поперечном сечении определённую выпуклую или вогнутую форму.

Исходя из требований, предъявляемых к летательным аппаратам, эта форма имеет и свои величины, характерные для наиболее востребованного аэродинамического баланса летательного аппарата.

Как уже выше описывалось, строение крыла имеет в своей основе фактический набор компромиссов, позволяющий наиболее оптимально использовать функциональное предназначение крыла, И, следовательно оптимальное поведение летательного аппарата в воздухе.
Исходя из этих первостепенных условий, постараемся выполнить обзор и вкратце охарактеризовать большинство известных форм крыльевых профилей.
И снова мы обратимся к первоисточнику знаний-живой природе. Здесь, среди тысяч видов представителей летающей фауны есть весьма обширное поле для аналогий, и более того, весьма узкая специализация по ряду аэродинамических характеристик.
Начнём с простейшего. Как нам стало уже известно из вышеописанной теории возникновения и способах создания аэродинамической подъёмной силы, профиль крыла необходим в первую очередь для её увеличения. Создание подъёмной силы происходит в принципиальном понимании этого физического процесса за счёт некой плоскости, которая отклоняет воздушный поток придавая некоторый вектор движения относительно летательного аппарата в ходе движения самого летательного аппарата в воздушной среде.  Этот процесс наиболее объективно отражается в полётах насекомых, а точнее, в способах их создания подъёмной силы. Если обратить внимание, то преимущественно у большего числа известных науке насекомых имеет плоский профиль крыла, если выполнить его поперечное сечение.Обусловлено это тем, что у насекомых нет потребности производить большое количество подъёмной силы, и, кроме того, они имеют примитивное строение из-за своих малых размеров. Природа в этом случае пошла по простому пути-создала наиболее простые аэродинамические плоскости для удовлетворения этим потребностей примитивных живых существ. Очевидно, что функционально и принципиально такие несущие плоскости не отличаются ничем от профилированных, однако здесь и есть разница- крыло насекомого обладает низким аэродинамическим качеством ввиду того, что воздух, огибая плоскую поверхность, получает слишком большое сопротивление и завихряется. Природа решила этот вопрос весьма элегантно-если потери столь велики-то их необходимо компенсировать, и происходит это, очевидно за счёт высокой частоты колебаний крыла. Во время колебаний происходит движение относительно воздушного потока, и цикл создания подъёмной силы тем самым продолжается достаточно долго. Но это энергозатратный способ, и более того, применим исключительно к небольшим представителям фауны (насекомым). в технике подобные профили-плоские также применимы исключительно к простейшим летательным аппаратам-воздушным змеям например.
Более сложные аэродинамические представители фауны считаются птицы. Их энергозатраты на колебания крыла ограничены, и не могут быть слишком высокими ввиду их большего размера относительно насекомых. Птичье крыло представляет из себя уже профилированное крыло, причём имеет самые различные конфигурации профиля, зачастую изменяемые в полёте. Для чего нужен столь чуткий инструмент? Птица, в отличие от насекомого, имеет солидные габариты, и, более того, энергетически не способна совершать высокочастотные колебания крылом. Природа здесь пошла по пути авиаконструктора-и максимально оптимизировала крыло для полёта, убрав все паразитные завихрения, ламинизировав профиль (придав ему каплевидную удобообтекаемую форму) и снизив общее аэродинамическое сопротивление. В ходе эволюционных мероприятий также повысилось и аэродинамическое качество птичьего крыла. Все эти меры непременно отразились на способности птицы к полёту.
Резонный вопрос-у современных летучих мышей и древних ящеров крыло представляет собой тонкую мембрану, натянутую на костный скелет, что, по сути также представляло из себя плоский профиль-но здесь скорее исключение из правил – плоский профиль крыла не рационален в плане аэродинамического обтекания, ведёт к чрезмерным затратам энергии вследствие слишком высокого сопротивления, и поэтому  живые существа, имеющие подобное крыло, совершают полёты исключительно по необходимости да и то кратковременные ( всё из-за тех же причин-высокий отбор энергии из-за высокого сопротивления, часто необходим отдых), это нашло свое отражение и в эволюции-сейчас, кроме летучих мышей с плоским крылом -мембраной не осталось более ни одного вида крупных летающих животных.

Итак, первый рассматриваемый профиль-плоский. На примере представителей живой природы становится ясно, что это примитивная конструкция, не отвечающая оптимальным аэродинамическим требованиям. Однако, первые аэродинамические опыты были произведены именно с такими формами-воздушный змей являет собой простейшего представителя класса летательных аппаратов, имеющих плоский профиль крыла. Как известно, воздушный змей, находясь под углом атаки к воздушному потоку и отклоняя его относительно себя, тем самым создавая подъёмную силу, имеет весьма высокие требования к своей энерговооружённости. Это значит, для того, чтобы не наступило уменьшение подъёмной силы, требуется удержание подобной плоскости в строго определённом диапазоне угла атаки. В этом то и кроется основное отличие плоского профиля от других-его нестабильность в потоке. При увеличении угла атаки на таком крыле очень быстро происходит срыв потока (начинаются завихрения по верхней поверхности крыла, лобовое сопротивление растёт), что приводит к потере подъёмной силы и сваливанию летательного аппарата. Слишком узкий диапазон доступных углов атаки для тонкого плоского профиля-один из факторов, поставивших крест на его использование в авиации.

Плоско-выпуклый профиль. Один из часто встречающихся в авиации профиль крыла, отличающийся тем, что поверхности, разделяющие верх и низ крыла не параллельны друг другу. Верхняя поверхность не параллельна нижней и имеет выпуклую поверхность, а нижняя представляет из себя горизонтальную, ровную поверхность. Такой конструктив необходим прежде всего, для ламинаризации (улучшения обтекаемости) профиля, придания ему удобообтекаемой формы, а также увеличения подъёмной силы за счёт действия закона Бернулли, описанного в начальной статье про возникновение и способы создания подъёмной силы.
Плоско-выпуклый имеет больший по сравнению с плоским диапазон  углов атаки, и поэтому его применение нашло практически во всех видах летательных аппаратов. Профиль отличается высокой стабильностью обтекания, не создавая паразитных завихрений вплоть до достижения значительных критических углов атаки. Данный профиль имеет и недостатки-на больших скоростях перепад давлений становится настолько высоким (вследствие не равнозначности верхней и нижней поверхности крыла и действия закона Бернулли), что это начинает действовать паразитным образом-появляется момент, когда данная сила увеличившись многократно, вносит свои корректировки в управляемость летательным аппаратом-он начинает «уходить на петлю»-то есть, задирать самопроизвольно нос, пытаясь, под действием избыточной подъёмной силы подняться выше.

Плоско-выпуклый профиль Кларк 14

Этот профиль не пригоден для высоких скоростей в том числе и из-за вышеописанного эффекта, и применяется в основном на низкоскоростных летательных аппаратах, а также на летательных аппаратах, требовательных к значительному увеличению подъёмной силы в полёте без применения механизации крыла и имеющие небольшие полётные скорости.

Двояковыпуклый симметричный профиль. Также достаточно часто встречающийся профиль крыла. Отличается тем, что обе поверхности крыла представляют собой выпуклые симметричные стороны, поэтому профиль и называется выпукло-симметричным профилем. Основное предназначение такого профиля-ламинаризация воздушного потока, обтекающего крыло, при этом сохраняя высокий коэффициент подъёмной силы. В отличие от плоско-выпуклого профиля симметрично выпуклый уже не будет создавать чрезмерного перепада давления между верхней и нижней поверхностью, и следовательно, применим к более скоростным летательным аппаратам. По эффективному увеличению подъёмной силы этот тип профиля немного уступает плоско-выпуклому, однако выигрывает у него по скорости и лобовому сопротивлению, а также максимальным критическим углам атаки-они у него несколько больше, так как ламинизированный воздушный поток труднее исказить.

Двояко-выпуклый симметричный профиль

Двояковыпуклый несимметричный. Как правило, представляет из себя верхнюю и нижнюю плоскость, притом условии, что верхняя имеет большую выпуклость, чем нижняя. Ламинаризационные характеристики обтекания приблизительно аналогичны тем, что у двояковыпуклого симметричного, однако имеет больший коэффициент приращения подъёмной силы, и этот факт сказывается также и на уменьшении скоростных качеств данного профиля по вышеописанным причинам.Имеет меньший критический диапазон углов атаки по сравнению с двояковыпуклым. Применяется и на высокоскоростных летательных аппаратах, и на низкоскоростных. В целом, весьма распространён в авиации.

Двояко – выпуклый несимметричный профиль

Выпукло-вогнутый профиль, или сверхкритический. Достаточно редкий профиль в своём постоянном виде. Отличается тем, что его поверхности несимметричны друг другу и представляют собой выпуклую верхнюю часть и вогнутую нижнюю. Такая конструкция обусловлена тем, чтобы одновременно с высокими ламинарными свойствами происходило и значительное увеличение подъёмной силы. В авиации встречается преимущественно в авиамоделировании, а также на подобном сверхкритическом эффекте действует механизация крыла современных самолётов-при её выпуске профиль крыла изменяется таким образом, что характеристики соответствуют сверхкритическим.Механизация, при своём действии, изменяет воздушный поток, огибающий крыло, и , например на посадке, создаёт избыточное высокое давление под нижней поверхностью крыла, тем самым, увеличивая подъёмную силу, уменьшая скорость что позволяет оптимально сбалансировать аэродинамически летательный аппарат при выполнении посадки. Данный профиль не приспособлен для высоких скоростей, имеет невысокое аэродинамическое сопротивление при достаточно большом коэффициенте создаваемой подъёмной силы.

Выпукло-вогнутый сверхкритический профиль

Ромбовидный или профиль переменного сечения-также не частый представитель аэродинамических профилей. Форма такого профиля применяется на сверх и гиперзвуковых скоростях-воздух, проходя через него имеет лучшую текучесть, так как он, проходя через такую поверхность и встречая переменное сечение меняет направление движения достаточно резко, тем самым  происходит разрежение воздуха на локальных участках поверхности крыла,  что на таких высоких скоростях особенно актуально. Данный профиль позволяет сбрасывать пограничный слой воздуха, избегая постоянное «налипание» его на поверхностях крыла, препятствуя тем самым излишнему аэродинамическому сопротивлению.В отличие от ламинизирующих аэродинамических профилей, приведённых выше, этот профиль оказывает, скорее обратный эффект-не ламинаризация , а разделение потока. Имеет относительно небольшую ширину, что ещё более делает его похожим на лезвие клинка. При сверх и гиперзвуковых (более 5000 км/ч) скоростях данные профили работают весьма эффективно-при образовании  волн уплотнения они наиболее эффективно рассеивают кинетическую энергию  аэродинамического сопротивления, сбрасывая и отводя их в стороны за счёт своего переменного сечения.

Ромбовидный профиль

Малоскоростные профили с управлением пограничного слоя-данные профили повсеместно распространены в авиации, хотя и не столь популярны, как плоско-выпуклый и похожие ему двояко выпуклые. Всё из-за нетривиальности технического решения, заложенного в нём- пограничный слой воздуха, огибая поверхность такого профиля встречает на своём пути резкий перепад-отводящую плоскость или воздухозаборник в крыле, далее отводится этими механизмами в рабочую зону-в варианте с отверстием, или вниз, в варианте с плоскостью. В варианте с отверстиями воздух, оказавшийся в воздуховоде, имеющем малое сечение, уменьшает своё давление, но увеличивает скорость -по закону Бернулли, и идёт вдоль всей хорды и верхней поверхности крыльевого профиля, на выходе имея при этом достаточно высокую скорость, что увеличивает перепад давлений между верхней и нижней поверхностью крыла, и, тем самым возрастает подъёмная сила крыла в целом. В некоторых конструкциях внутренний воздухозаборник соединён с внешней верхней поверхностью крыла отверстиями-в них отбирается воздух, идущий по верху профиля, за счёт того, что воздух, идущий в воздухозаборнике и имеющий большую скорость, способен создавать эффект засасывания. Необходимо это в первую очередь для увеличения суммарного объёма воздушной массы, которая создаёт повышенное разрежение, а также убирает излишне ламинизированный воздух, не давая ему образовывать на поверхности крыла зоны чрезмерного уплотнения.

Варианты конструкций изменяемых профилей крыла для управления пограничным слоем воздуха


Продолжение следует.

  1. Борис:

    Так и не нашёл ответа на вопрос. КАКОЙ ПРОФИЛЬ КРЫЛА ОБЛАДАЕТ САМОЙ БОЛЬШОЙ ПОДЪЁМНОЙ СИЛОЙ ПРИ САМЫХ МАЛЕНЬКИХ СКОРОСТЯХ? =)

    • 1 Администратор:

      Все крыльевые профили работают в наивыгоднейших диапазонах скоростей. К представителям медленных профилей относятся плоско выпуклые и выпукло вогнутые, а также S образные профиля, последние встречаются в основном на аэродинамических плоскостях с малыми хордами относительно большого удлинения крыла (например, на лопастях автожиров). В авиации для эффективной работы крыла на малых скоростях применяется механизация в виде закрылок, воздушных тормозов, спойлеров, либо всевозможных комбинациях этих устройств.Для подбора аэродинамического профиля нужно воспользоваться Атласом аэродинамических профилей-там указаны все необходимые справочные данные об интересующих вас профилях.

Добавить комментарий для Борис Отменить ответ

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

*

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>