In elk luchtvaartontwerpbureau zit wel een verhaal over een statement van de hoofdontwerper. Alleen de auteur van de verklaring verandert. En het klinkt als volgt: "Ik heb mijn hele leven met vliegtuigen te maken gehad, maar ik begrijp nog steeds niet hoe dit stuk ijzer vliegt!". De eerste wet van Newton is immers nog niet geannuleerd en het vliegtuig is duidelijk zwaarder dan lucht. Het is noodzakelijk om erachter te komen met welke kracht een machine van meerdere ton niet op de grond kan vallen.
Methoden van vliegreizen
Er zijn drie manieren om te reizen:
- Aerostatisch, bij het optillen van de grond wordt uitgevoerd met behulp van een lichaam waarvan het soortelijk gewicht lager is dan de dichtheid van atmosferische lucht. Dit zijn ballonnen, luchtschepen, sondes en andere soortgelijke constructies.
- Reactief, wat de brute kracht is van een straalstroom van brandbare brandstof, die het mogelijk maakt om de zwaartekracht te overwinnen.
- En tot slot, de aerodynamische methode om lift te creëren, wanneer de atmosfeer van de aarde wordt gebruikt als ondersteunende substantie voor voertuigen die zwaarder zijn dan lucht. Vliegtuigen, helikopters, gyroplanes, zweefvliegtuigen en trouwens vogels bewegen met deze specifieke methode.
Aerodynamische krachten
Een vliegtuig dat door de lucht beweegt, wordt beïnvloed door vier belangrijke multidirectionele krachten. Conventioneel zijn de vectoren van deze krachten naar voren, naar achteren, naar beneden en naar boven gericht. Dat is bijna een zwaan, kanker en snoek. De kracht die het vliegtuig naar voren duwt, wordt gegenereerd door de motor, achteruit is de natuurlijke kracht van luchtweerstand en naar beneden is de zwaartekracht. Nou, in plaats van het vliegtuig te laten vallen - de lift die wordt gegenereerd door de luchtstroom als gevolg van de stroming rond de vleugel.
Standaard sfeer
De toestand van de lucht, de temperatuur en druk kunnen aanzienlijk variëren in verschillende delen van het aardoppervlak. Dienovereenkomstig zullen alle kenmerken van vliegtuigen ook verschillen wanneer ze op de een of andere plaats vliegen. Daarom zijn we, voor het gemak en om alle kenmerken en berekeningen onder één noemer te brengen, overeengekomen om de zogenaamde standaardatmosfeer te definiëren met de volgende hoofdparameters: druk 760 mm Hg boven zeeniveau, luchtdichtheid 1,188 kg per kubieke meter, snelheid van geluid 340,17 meter per seconde, temperatuur +15 ℃. Naarmate de hoogte toeneemt, veranderen deze parameters. Er zijn speciale tabellen die de waarden van de parameters voor verschillende hoogtes onthullen. Alle aerodynamische berekeningen, evenals de bepaling van de prestatiekenmerken van vliegtuigen, worden uitgevoerd met behulp van deze indicatoren.
Het eenvoudigste principe om lift te creëren
Als in de tegemoetkomende luchtstroomom een plat voorwerp te plaatsen, bijvoorbeeld door de palm van je hand uit het raam van een rijdende auto te steken, kun je deze kracht, zoals ze zeggen, "op je vingers" voelen. Bij het draaien van de handpalm onder een kleine hoek ten opzichte van de luchtstroom, wordt direct gevoeld dat er naast luchtweerstand nog een andere kracht is verschenen, omhoog of omlaag trekkend, afhankelijk van de richting van de draaihoek. De hoek tussen het vlak van het lichaam (in dit geval de handpalmen) en de richting van de luchtstroom wordt de aanvalshoek genoemd. Door de aanvalshoek te regelen, kun je de lift besturen. Het is gemakkelijk te zien dat met een toename van de aanvalshoek de kracht die de handpalm omhoog duwt, zal toenemen, maar tot een bepaald punt. En wanneer het een hoek van bijna 70-90 graden bereikt, zal het helemaal verdwijnen.
Vliegtuigvleugel
Het belangrijkste draagvlak dat lift creëert, is de vleugel van het vliegtuig. Het vleugelprofiel is meestal druppelvormig gebogen, zoals afgebeeld.
Als de lucht rond de vleugel stroomt, is de snelheid van de lucht die langs het bovenste deel van de vleugel gaat, groter dan de snelheid van de lagere stroom. In dit geval wordt de statische luchtdruk bovenin lager dan onder de vleugel. Het drukverschil duwt de vleugel omhoog, waardoor lift ontstaat. Om het drukverschil te waarborgen, zijn daarom alle vleugelprofielen asymmetrisch gemaakt. Voor een vleugel met een symmetrisch profiel bij een aanvalshoek van nul, is de lift in horizontale vlucht nul. Met zo'n vleugel kun je hem alleen maken door de aanvalshoek te veranderen. Er is nog een ander onderdeel van de hefkracht - inductief. Zij iswordt gevormd door de neerwaartse helling van de luchtstroom door de gebogen onderkant van de vleugel, wat natuurlijk resulteert in een opwaartse tegengestelde kracht die op de vleugel inwerkt.
Berekening
De formule voor het berekenen van de liftkracht van een vliegtuigvleugel is als volgt:
Y=CyS(PV 2)/2
Waar:
- Cy - liftcoëfficiënt.
- S - vleugelgebied.
- V - gratis streamsnelheid.
- P - luchtdichtheid.
Als alles duidelijk is met betrekking tot luchtdichtheid, vleugeloppervlak en snelheid, dan is de liftcoëfficiënt een experimenteel verkregen waarde en geen constante. Het varieert afhankelijk van het vleugelprofiel, de beeldverhouding, de aanvalshoek en andere waarden. Zoals je kunt zien, zijn de afhankelijkheden meestal lineair, behalve snelheid.
Deze mysterieuze coëfficiënt
De vleugelliftcoëfficiënt is een dubbelzinnige waarde. Complexe meertrapsberekeningen worden nog experimenteel geverifieerd. Dit gebeurt meestal in een windtunnel. Voor elk vleugelprofiel en voor elke aanvalshoek zal de waarde ervan verschillen. En aangezien de vleugel zelf niet vliegt, maar deel uitmaakt van het vliegtuig, worden dergelijke tests uitgevoerd op de overeenkomstige verkleinde kopieën van vliegtuigmodellen. Vleugels worden zelden apart getest. Volgens de resultaten van talrijke metingen van elke specifieke vleugel, is het mogelijk om de afhankelijkheid van de coëfficiënt van de aanvalshoek uit te zetten, evenals verschillende grafieken die de afhankelijkheid weergevenlift van de snelheid en het profiel van een bepaalde vleugel, evenals van de vrijgekomen mechanisatie van de vleugel. Hieronder ziet u een voorbeeldgrafiek.
In feite kenmerkt deze coëfficiënt het vermogen van de vleugel om de druk van de binnenkomende lucht om te zetten in lift. De gebruikelijke waarde is van 0 tot 2. Het record is 6. Tot nu toe is een persoon ver verwijderd van natuurlijke perfectie. Deze coëfficiënt voor een adelaar, bijvoorbeeld, bereikt een waarde van 14 wanneer deze uit de grond oprijst met een gevangen gopher. Het is duidelijk uit de bovenstaande grafiek dat een toename van de aanvalshoek een toename van de lift naar bepaalde hoekwaarden veroorzaakt.. Daarna gaat het effect verloren en gaat het zelfs de andere kant op.
Kraamstroom
Zoals ze zeggen, alles is goed met mate. Elke vleugel heeft zijn eigen limiet qua aanvalshoek. De zogenaamde superkritische aanvalshoek leidt tot een stal op het bovenoppervlak van de vleugel, waardoor deze geen lift krijgt. De stal komt ongelijkmatig voor over het hele gebied van de vleugel en gaat gepaard met bijbehorende, uiterst onaangename verschijnselen zoals schudden en controleverlies. Vreemd genoeg hangt dit fenomeen niet veel af van snelheid, hoewel het ook van invloed is, maar de belangrijkste reden voor het optreden van stall is intensief manoeuvreren, vergezeld van superkritische aanvalshoeken. Het was hierdoor dat de enige crash van het Il-86-vliegtuig plaatsvond, toen de piloot, die wilde "pronken" in een leeg vliegtuig zonder passagiers, abrupt begon te klimmen, wat tragisch eindigde.
Weerstand
Hand in hand met lift komt slepen,voorkomen dat het vliegtuig vooruit gaat. Het bestaat uit drie elementen. Dit zijn de wrijvingskracht als gevolg van het effect van lucht op het vliegtuig, de kracht als gevolg van het drukverschil in de gebieden voor de vleugel en achter de vleugel, en de hierboven besproken inductieve component, aangezien de vector van zijn actie gericht is niet alleen naar boven, wat bijdraagt aan een toename van de lift, maar ook terug, een bondgenoot van de weerstand. Bovendien is een van de componenten van inductieve weerstand de kracht die optreedt als gevolg van de luchtstroom door de uiteinden van de vleugel, waardoor wervelstromen ontstaan die de afschuining van de richting van de luchtbeweging vergroten. De formule van de luchtweerstand is absoluut identiek aan de formule van de liftkracht, behalve de coëfficiënt Su. Het verandert in de Cx-coëfficiënt en wordt ook experimenteel bepaald. De waarde overschrijdt zelden een tiende van één.
Drop-to-drag-verhouding
De verhouding tussen lift en sleepkracht wordt aerodynamische kwaliteit genoemd. Hierbij moet met één kenmerk rekening worden gehouden. Aangezien de formules voor de liftkracht en de weerstandskracht, behalve de coëfficiënten, hetzelfde zijn, kan worden aangenomen dat de aerodynamische kwaliteit van het vliegtuig wordt bepaald door de verhouding van de coëfficiënten Cy en Cx. De grafiek van deze verhouding voor bepaalde invalshoeken wordt de vleugelpolair genoemd. Een voorbeeld van zo'n grafiek wordt hieronder getoond.
Moderne vliegtuigen hebben een aerodynamische kwaliteitswaarde van ongeveer 17-21, en zweefvliegtuigen - tot 50. Dit betekent dat de vleugellift in vliegtuigen zich in optimale omstandigheden bevindt17-21 keer groter dan de weerstandskracht. Vergeleken met het vliegtuig van de gebroeders Wright, dat een 6,5 scoort, is de voortgang van het ontwerp duidelijk, maar de adelaar met de ongelukkige gopher in zijn poten is nog ver weg.
Vliegmodi
Verschillende vliegmodi vereisen een verschillende lift-naar-sleep-verhouding. Bij een vlucht op kruisniveau is de snelheid van het vliegtuig vrij hoog en is de liftcoëfficiënt, evenredig met het kwadraat van de snelheid, hoog. Het belangrijkste hier is om de weerstand te minimaliseren. Bij het opstijgen en vooral bij het landen speelt de liftcoëfficiënt een doorslaggevende rol. De snelheid van het vliegtuig is laag, maar zijn stabiele positie in de lucht is vereist. Een ideale oplossing voor dit probleem zou het creëren van een zogenaamde adaptieve vleugel zijn, die zijn kromming en zelfs gebied verandert afhankelijk van de vliegomstandigheden, ongeveer op dezelfde manier als vogels. Totdat de ontwerpers erin slaagden, wordt de verandering in de liftcoëfficiënt bereikt door gebruik te maken van vleugelmechanisatie, die zowel het oppervlak als de kromming van het profiel vergroot, wat, door de weerstand te vergroten, de lift aanzienlijk verhoogt. Voor jachtvliegtuigen werd een verandering in de zwaai van de vleugel gebruikt. De innovatie maakte het mogelijk om de weerstand bij hoge snelheden te verminderen en de lift bij lage snelheden te vergroten. Dit ontwerp bleek echter onbetrouwbaar en recent werden frontlinievliegtuigen vervaardigd met een vaste vleugel. Een andere manier om de liftkracht van een vliegtuigvleugel te vergroten, is door de vleugel extra te blazen met een stroom van de motoren. Dit is geïmplementeerd in het legerAn-70 en A-400M transportvliegtuigen, die zich door deze eigenschap onderscheiden door kortere start- en landingsafstanden.
