За исключением опытов с различным оснащением парусных судов наука аэродинамика в прикладном отношении не использовалась, более того, ее фактически просто не существовало до тех пор, пока 200 лет тому назад сэр Джордж Кайли не начал проводить свои исследования в этой области.
Аэродинамика изучает обтекание газами, такими как воздух, твердых поверхностей. В конце XIX века английский ученый Горацио Ф. Филипс начал методически проводить исследования, посвященные вопросам работы крыла в набегающем потоке воздуха. Он измерял подъемную силу, создаваемую различными моделями крыла, установленными на вращающейся стойке. Филипс также предложил простейшую конструкцию аэродинамической трубы. Первый прототип трубы современного типа был предложен К.Э. Циолковским в 1897 году. А в начале XX века аэродинам и че ские трубы были созданы в Лондоне (Т. Стантон), Москве (К. Жуковский), Геттингене (Л. Прандтль) и в Париже (Ж. Эйфель).
Типы крыльев
Когда люди впервые захотели взлететь, они сделали себе крылья и попытались повторить ими движения птиц. Летательные аппараты, построенные по этому принципу, называются орнитоптерами. Никому еще не удалось создать орнитоптер, имеющий практическое применение, — современная авиация основана исключительно на законах аэродинамики.
1. Крыло сэра Джорджа Кейли
В 1799 году житель Йоркшира, сэр Джордж Кейли, первым догадался, что подъемную и «толкающую» силы необходимо разделить. Он считал, что за подъем должно отвечать фиксированное крыло. Изобретатель предложил использовать в качестве такого крыла плоский лист, закрепленный под углом к набегающему воздушному потоку. Этот угол называется углом атаки. Кейли решил также, что для обеспечени аппарату потребуется хвостовое оперение.
|
Таким образом, Кейли изобрел аэроплан. Разумеется, очень сложно |
|
изготовить тонкий лист, эффективно сопротивляющийся сгибанию. |
|
Первые конструкторы аэропланов обнаружили, что для этого необходимо дабавить жесткую раму, соединив концы крыла проволочными растяжками. |
2. Выгнутое крыло
В действительности ровная, пуст и установленная под углом(по замыслу Кейли), плоскость имеет небольшуюподъемную силу. К 1850 году на большинстве рисунков, изображающих гипотетический аэроплан, крыло стало слегка выгнутым — выпуклым сверху и вогнутым снизу. Такое крыло имеет нулевой угол атаки, поэтому воздушный поток плавно обтекает его.
3. Первые настоящие крылья
Первым, кто подошел к проблеме полета с научной точки зрения, был англичанин Горацио Филлипс. Фактически его следует считать отцом аэродинамики. В 1884 году он получил свой первый патент на выпуклое крыло, а затем испытал десятки различных сечений крыла. Это были уже не просто изогнутые листы, но настоящие крылья с закругленной передней кромкой, утолщающимся в середине профилем
4. Как работает крыло
В эпоху бипланов конструкторы забыли о том, как работают настоящие аэродинамические секции крыла, отличающегося от простой наклонной плоскости. Ключевым фактором является то, что воздух обтекает верхнюю выпуклую (и более длинную) поверхность крыла быстрее, чем его почти плоскую нижнюю поверхность. Чтобы составить графическую схему обтекания крыла, специалисты по аэродинамике назвали путь, проделанный каждой молекулой воздуха, линией воздушного потока. В невозмущенном воздушном потоке эти линии параллельны, как показано слева. В области крыла ситуация кардинально меняется.
Толщина крыла и угол атаки
После того как была создана основная концепция крыла, инженеры и конструкторы принялись улучшать его. Развитие авиации шло стремительно. Нескольких лет хватало для внесения новых революционных изменений в конструкцию аэропланов. В свое время появился моноплан, а вместе с ним перед конструкторами самолетов возникли и новые проблемы.
В 1937 году инженер Сидней Кэмм, главный конструктор фирмы «Hawker», начал работу над самолетами Tornado и Typhoon. Их предполагалось оснастить двигателями мощностью 2000 л.с, что позволило бы развивать скорость до 644 км/ч. Пилоты, бросавшие новые самолеты в крутое пике, обнаружили, что они при этом сильно вибрируют. Иногда это приводило даже к потере контроля над управлением.
Стало ясно, что в аэродинамической схеме самолета допущена какая-то существенная ошибка. Со временем, после многочисленных происшествий в воздухе с этими и другими скоростными истребителями, ученые обнаружили, что при крутом пикировании скорость воздушного на верхней кромке крыла достигает скорости звука. Это и приводило к возникновению ударных волн . Решить проблему могли только еще более тонкие крылья, которые должны были стать гораздо прочнее и, следовательно, тяжелее.
Ключевым фактором, определяющим величину создаваемой крылом подъемной силы, является угол атаки, то есть угол между направлением скорости набегающего потока и хордой профиля крыла. Превышение максимального утла атаки может сделать самолет неуправляемым.
1. Идеальная подъемная сила
Подъемная сила возникает в результате несимметричности обтекания крыла воздушным потоком, и в каждой точке крыла она различна. Если посмотреть на самолет спереди, возникающие на крыле подъемные силы в идеале должны описываться эллиптической линией (на рисунке внизу она показана пунктиром).
Но на практике фюзеляж уменьшает подъемную силу на внутренней части крыла.
2. «Перевернутое» крыло
Взаимное влияние обтекания фюзеляжа и крыла может приводить к тому, что скорость обтекания под крылом будет больше, чем на его поверхности, в этом случае подъемная сила может даже поменять знак. И тогда профиль нижней части крыла делают другой формы. Именно так устроено крыло самолета DС-8 На первый взгляд подобное «перевернутое» крыло выглядит довольно странно.
3. Угол атаки
До сих пор мы рассматривали крыло только в нормальном полете, во время которого угол атаки обычно составляет около 3—4 градусов, поскольку при подобных углах отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению становится максимальным. Отметим, что к фюзеляжу это не имеет отношения — просто крыло прикреплено к фюзеляжу под углом атаки. Обычно его приближают к , чтобы во время полета фюзеляж самолета оставался в горизонтальном положении, а лобовое сопротивление, как следствие этого, было минимальным. Правда, в некоторых случаях угол атаки увеличивают. Так, в 1934 году сконструировали бомбардировщик Armstrong Whitworth Whitley. Тогда еще не были распространены крылья с закрылками, поэтому крыло установили под большим углом атаки. Более поздним примером самолета с большим углом атаки крыла стал В-52. В этом случае необычную конфигурацию выбрали потому, что иначе шасси Boeing заклинивало задней частью фюзеляжа при взлете. Возникающая при большом угле атаки подъемная сила приподнимала фюзеляж, после чего машина взлетала с опущенным вниз носом!
Форма крыла
Когда аэродинамические свойства крыла удалось изучить более полно, авиаконструкторы получили возможность улучшить эффективность крыла за счет снижения его лобового сопротивления. Решение этой задачи стало особенно важным с появлением реактивных двигателей, которые позволяли достигать больших скоростей полета.
Платой за рост скоростей реактивных самолетов стали ухудшение их маневренности и взлетно-
1. До появления реактивных двигателей: типичное соотношение толщины и длины хорды профиля крыла
Вплоть до появления реактивных двигателей, конструкторы проектировали крылья, опираясь на устоявшиеся правила. Для монопланов-истребителей обычно относительная толщина профиля крыла (отношение толщины к длине хорды) выбиралась равной 13%.
Относительная толщина профиля крыла тяжелого бомбардировщика принималась равной 20%.
2. Форма крыла в плане
В плане крыло могло сужаться к законцовкам по передней кромке (DC-3) или по задней (Boeing 247), а также по передней и по задней кромкам сразу Удлинение крыла варьировалось примерно от 4 (у истребителей) до 8 (у бомбардировщиков или пассажирских самолетов, тяжелый бомбардировщик В-24 Liberator имел большое удлинение крыла, равное 11,5), удлинение крыла высотных планеров и мотопланеров составляет примерно 20.
3. Стреловидное крыло
В 1935 году германские ученые-аэродинамики Буземан и Бетц доказали, что рост сопротивления с ростом числа Маха можно замедлить за счет уменьшения удлинения крыла и использования крыла стреловидной в плане формы. При достаточно большой стреловидности все крыло будет находиться внутри скачка уплотнения, формируемого носовой частью фюзеляжа, а формируемый самим крылом скачок уплотнения будет слабее.
4. Дельтовидное в плане крыло
Альтернативой стреловидному крылу стало дельтовидное в плане крыло, названное по заглавной греческой букве «Д», представляющей собой треугольник. Увеличив стреловидность передней кромки до 60″, а заднюю кромку сделав прямой, конструкторы снизили относительную толщину профиля до значения примерно 3.5%, Использование элевонов позволило отказаться от горизонтального хвостового оперения
5. Крыло изменяемой
В конце 1950-х годов конструкторы предложили поворачивать плоскости крыла с целью изменения угла стреловидности на различных режимах полета. Вначале консоли на больших углах стреловидности своими задними кромками задвигались в фюзеляж, позже конструкторы разместили поворотные узлы дальше от продольной оси самолета, а пространство между крылом и фюзеляжем, которое образуется на определенных углах стреловидности, стали закрывать пластинами.
6. Носок крыла
В 1950-е годы конструкторы пытались доработать носок и другие части стреловидного крыла с целью улучшения его несущих свойств в большом диапазоне скоростей и углов атаки. Одним из паллиативных решений стало искривление носка крыла для удлинения хорды профиля
Список литературы
[Электронный ресурс]//URL: https://drprom.ru/referat/gidro-i-aerodinamika/
1. http://civilavia.info/
