A cada oficina de disseny d'aviació hi ha una història sobre una declaració del dissenyador en cap. Només canvia l'autor de la declaració. I sona així: “He estat tota la vida tractant amb avions, però encara no entenc com vola aquest tros de ferro!”. De fet, després de tot, la primera llei de Newton encara no s'ha cancel·lat, i l'avió és clarament més pesat que l'aire. Cal esbrinar quina força no permet que una màquina de diverses tones caigui a terra.
Mètodes de viatge aeri
Hi ha tres maneres de viatjar:
- Aerostàtic, quan l'aixecament del terra es realitza amb l'ajuda d'un cos el pes específic del qual és inferior a la densitat de l'aire atmosfèric. Aquests són globus, dirigibles, sondes i altres estructures similars.
- Reactiu, que és la força bruta d'un corrent en raig de combustible combustible, que permet superar la força de la gravetat.
- I, finalment, el mètode aerodinàmic de crear sustentació, quan l'atmosfera terrestre s'utilitza com a substància de suport per a vehicles més pesats que l'aire. Avions, helicòpters, autogirs, planadors i, per cert, els ocells es mouen amb aquest mètode concret.
Forces aerodinàmiques
Una aeronau que es mou per l'aire es veu afectada per quatre forces multidireccionals principals. Convencionalment, els vectors d'aquestes forces es dirigeixen cap endavant, cap enrere, cap avall i cap amunt. Això és gairebé un cigne, càncer i lluç. La força que empeny l'avió cap endavant és generada pel motor, cap enrere és la força natural de la resistència de l'aire i cap avall és la gravetat. Bé, en lloc de deixar caure l'avió: la sustentació generada pel flux d'aire a causa del flux al voltant de l'ala.
Ambient estàndard
L'estat de l'aire, la seva temperatura i pressió poden variar significativament en diferents parts de la superfície terrestre. En conseqüència, totes les característiques dels avions també diferiran quan es vol en un lloc o un altre. Per això, per comoditat i aproximant totes les característiques i càlculs a un denominador comú, vam acordar definir l'anomenada atmosfera estàndard amb els següents paràmetres principals: pressió 760 mm Hg sobre el nivell del mar, densitat de l'aire 1,188 kg per metre cúbic, velocitat de so 340,17 metres per segon, temperatura +15 ℃. A mesura que augmenta l' altitud, aquests paràmetres canvien. Hi ha taules especials que revelen els valors dels paràmetres per a diferents altures. Tots els càlculs aerodinàmics, així com la determinació de les característiques de rendiment de l'aeronau, es realitzen mitjançant aquests indicadors.
El principi més senzill per crear elevació
Si hi ha el flux d'aire que veper col·locar un objecte pla, per exemple, enganxant el palmell de la mà per la finestra d'un cotxe en marxa, es pot sentir aquesta força, com diuen, "als dits". En girar el palmell amb un angle reduït en relació al flux d'aire, immediatament es nota que, a més de la resistència de l'aire, ha aparegut una altra força, tirant cap amunt o cap avall, depenent de la direcció de l'angle de rotació. L'angle entre el pla del cos (en aquest cas, els palmells) i la direcció del flux d'aire s'anomena angle d'atac. Controlant l'angle d'atac, podeu controlar l'ascensor. Es pot veure fàcilment que amb un augment de l'angle d'atac, augmentarà la força que empeny el palmell cap amunt, però fins a un cert punt. I quan arribi a un angle proper als 70-90 graus, desapareixerà del tot.
Ala d'avió
La superfície de suport principal que crea sustentació és l'ala de l'avió. El perfil de l'ala sol tenir forma de llàgrima corba com es mostra.
Quan l'aire flueix al voltant de l'ala, la velocitat de l'aire que passa per la part superior de l'ala supera la velocitat del flux inferior. En aquest cas, la pressió d'aire estàtica a la part superior es fa més baixa que a sota de l'ala. La diferència de pressió empeny l'ala cap amunt, creant sustentació. Per tant, per garantir la diferència de pressió, tots els perfils d'ala es fan asimètrics. Per a una ala amb un perfil simètric amb un angle d'atac zero, la sustentació en vol pla és zero. Amb una ala així, l'única manera de crear-la és canviar l'angle d'atac. Hi ha un altre component de la força d'elevació: inductiu. Ella éses forma a causa de la inclinació cap avall del flux d'aire per la part inferior corba de l'ala, que naturalment provoca una força inversa cap amunt que actua sobre l'ala.
Càlcul
La fórmula per calcular la força de sustentació d'una ala d'avió és la següent:
Y=CyS(PV 2)/2
On:
- Cy - coeficient d'elevació.
- S - zona de l'ala.
- V - velocitat de transmissió gratuïta.
- P - densitat de l'aire.
Si tot està clar amb la densitat de l'aire, l'àrea de l'ala i la velocitat, aleshores el coeficient de sustentació és un valor obtingut experimentalment i no és una constant. Varia en funció del perfil de l'ala, la seva relació d'aspecte, angle d'atac i altres valors. Com podeu veure, les dependències són majoritàriament lineals, tret de la velocitat.
Aquest misteriós coeficient
El coeficient de sustentació de l'ala és un valor ambigu. Els càlculs complexos de diverses etapes encara es verifiquen experimentalment. Normalment es fa en un túnel de vent. Per a cada perfil d'ala i per a cada angle d'atac, el seu valor serà diferent. I com que l'ala en si no vola, sinó que forma part de l'aeronau, aquestes proves es realitzen amb les corresponents còpies reduïdes dels models d'avió. Les ales poques vegades es posen a prova per separat. Segons els resultats de nombroses mesures de cada ala en particular, és possible traçar la dependència del coeficient de l'angle d'atac, així com diversos gràfics que reflecteixen la dependència.sustentació de la velocitat i el perfil d'una ala concreta, així com de la mecanització alliberada de l'ala. A continuació es mostra un gràfic de mostra.
De fet, aquest coeficient caracteritza la capacitat de l'ala per convertir la pressió de l'aire entrant en sustentació. El seu valor habitual és de 0 a 2. El registre és 6. Fins ara, una persona està molt lluny de la perfecció natural. Per exemple, aquest coeficient per a una àguila, quan s'aixeca del terra amb un gopher atrapat, arriba a un valor de 14. És obvi a partir del gràfic anterior que un augment de l'angle d'atac provoca un augment de la sustentació fins a determinats valors d'angle.. Després d'això, l'efecte es perd i fins i tot va en sentit contrari.
Flux de parada
Com diuen, tot va bé amb moderació. Cada ala té el seu propi límit quant a l'angle d'atac. L'anomenat angle d'atac supercrític condueix a una parada a la superfície superior de l'ala, privant-la de sustentació. La parada es produeix de manera desigual en tota l'àrea de l'ala i s'acompanya de fenòmens corresponents, extremadament desagradables, com ara sacsejades i pèrdua de control. Curiosament, aquest fenomen no depèn gaire de la velocitat, tot i que també afecta, però el motiu principal de l'aparició de la parada és la maniobra intensiva, acompanyada d'angles d'atac supercrítics. Va ser per això que es va produir l'únic xoc de l'avió Il-86, quan el pilot, amb ganes de "farar-se" en un avió buit sense passatgers, va començar a escalar de forma brusca, que va acabar tràgicament.
Resistència
De la mà amb l'ascensor arriba arrossegament,impedint que l'avió avanci. Consta de tres elements. Aquestes són la força de fricció deguda a l'efecte de l'aire sobre l'aeronau, la força deguda a la diferència de pressió a les zones davant de l'ala i darrere de l'ala, i la component inductiva comentada anteriorment, ja que el vector de la seva acció està dirigit. no només cap amunt, contribuint a augmentar la sustentació, sinó també cap enrere, essent un aliat de la resistència. A més, un dels components de la resistència inductiva és la força que es produeix a causa del flux d'aire pels extrems de l'ala, provocant fluxos de vòrtex que augmenten el bisell de la direcció del moviment de l'aire. La fórmula d'arrossegament aerodinàmic és absolutament idèntica a la fórmula de força de sustentació, excepte el coeficient Su. Canvia al coeficient Cx i també es determina experimentalment. El seu valor rarament supera la desena part d'un.
Ràtio de baixada per arrossegar
La relació entre la sustentació i la força d'arrossegament s'anomena qualitat aerodinàmica. Aquí s'ha de tenir en compte una característica. Com que les fórmules per a la força de sustentació i la força d'arrossegament, excepte els coeficients, són les mateixes, es pot suposar que la qualitat aerodinàmica de l'aeronau està determinada per la relació dels coeficients Cy i Cx. El gràfic d'aquesta relació per a certs angles d'atac s'anomena polar de l'ala. A continuació es mostra un exemple d'aquest gràfic.
Les aeronaus modernes tenen un valor de qualitat aerodinàmica d'uns 17-21, i els planadors, fins a 50. Això vol dir que a les aeronaus la sustentació de l'ala està en condicions òptimes.17-21 vegades més gran que la força de resistència. En comparació amb l'avió dels germans Wright, que té una puntuació de 6,5, el progrés del disseny és evident, però l'àguila amb el desafortunat gopher a les seves potes encara està molt lluny.
Modes de vol
Els diferents modes de vol requereixen una relació d'ascens/arrossegament diferent. En el vol a nivell de creuer, la velocitat de l'avió és força alta i el coeficient de sustentació, proporcional al quadrat de la velocitat, és en valors alts. El més important aquí és minimitzar la resistència. Durant l'enlairament i sobretot l'aterratge, el coeficient de sustentació juga un paper decisiu. La velocitat de l'avió és baixa, però es requereix la seva posició estable a l'aire. Una solució ideal a aquest problema seria la creació d'una anomenada ala adaptativa, que canvia la seva curvatura i fins i tot l'àrea en funció de les condicions de vol, aproximadament de la mateixa manera que ho fan els ocells. Fins que els dissenyadors ho aconsegueixen, el canvi en el coeficient de sustentació s'aconsegueix mitjançant la mecanització d'ala, que augmenta tant l'àrea com la curvatura del perfil, la qual cosa, en augmentar la resistència, augmenta notablement la sustentació. Per als avions de caça, es va utilitzar un canvi en l'escombrada de l'ala. La innovació va permetre reduir l'arrossegament a altes velocitats i augmentar la sustentació a baixes velocitats. No obstant això, aquest disseny va resultar poc fiable, i recentment s'han fabricat avions de primera línia amb una ala fixa. Una altra manera d'augmentar la força de sustentació de l'ala d'un avió és bufar l'ala amb un flux dels motors. Això s'ha implementat a l'exèrcitAeronaus de transport An-70 i A-400M, que, a causa d'aquesta propietat, es distingeixen per les distàncies d'enlairament i aterratge escurçades.
