See tõmbejõud ilmneb lennukites tiibade või tõstekorpuse tõttu, mis suunab õhku tõstejõu tekitamiseks, ja autodes, mille tiibade tiivad suunavad õhku ümber surujõu tekitamiseks. Samuel Langley märkas, et lamedamatel ja suurema kuvasuhtega plaatidel oli suurem tõstejõud ja väiksem takistus ning need võeti kasutusele 1902. aastal. Ilma lennuki aerodünaamilise kvaliteedi leiutamata oleks kaasaegne lennukidisain võimatu.
Tõstmine ja liigutamine
Kehale mõjuvat aerodünaamilist kogujõudu peetakse tavaliselt kahest komponendist: tõstejõust ja nihkest. Definitsiooni järgi nimetatakse vastuvooluga paralleelset jõukomponenti nihkeks, vastuvooluga risti olevat komponenti aga tõstmiseks.
Neil aerodünaamika põhitõdedel on suur tähtsus tiiva aerodünaamilise kvaliteedi analüüsimisel. Tõste saadakse tiiva ümber voolu suuna muutmisega. Muudasuund põhjustab kiiruse muutumise (isegi kui kiirus ei muutu, nagu näha ühtlase ringliikumise korral), mis on kiirendus. Seetõttu on voolu suuna muutmiseks vaja vedelikule rakendada jõudu. See on selgelt nähtav igal lennukil, vaadake lihts alt An-2 aerodünaamilise kvaliteedi skemaatiliselt.
Aga kõik pole nii lihtne. Tiiva aerodünaamilise kvaliteedi teemat jätkates väärib märkimist, et õhutõste tekitamine selle all on kõrgemal rõhul kui õhurõhk selle kohal. Piiratud ulatusega tiival põhjustab see rõhuerinevus õhu voolamise alumise pinnatiiva juurest selle ülemise pinna alusele. See lendav õhuvool kombineeritakse voolava õhuga, põhjustades kiiruse ja suuna muutusi, mis väänavad õhuvoolu ja tekitavad keeriseid piki tiiva tagumist serva. Tekkivad keerised on ebastabiilsed, ühinevad kiiresti, tekitades tiibpööriseid. Tekkivad keerised muudavad õhuvoolu kiirust ja suunda tagaserva taga, suunates selle allapoole ja tekitades seeläbi klapi tiiva taha. Sellest vaatenurgast on näiteks lennukil MS-21 kõrge tõste-tõmbe suhe.
Õhuvoolu juhtimine
Pöörised omakorda muudavad õhuvoolu tiiva ümber, vähendades tiiva võimet tekitada tõstejõudu, mistõttu on sama tõste jaoks vaja suuremat lööginurka, mis kallutab kogu aerodünaamilist jõudu tahapoole ja suurendab tiiva takistust. see jõud. Nurgade kõrvalekalle on tühinemõjutab tõstmist. Siiski on takistuse suurenemine võrdne tõstejõu ja selle kõrvalekaldumise nurga korrutisega. Kuna läbipaine on ise tõstejõu funktsioon, on täiendav takistus võrdeline tõusunurgaga, mis on A320 aerodünaamikast selgelt näha.
Ajaloolised näited
Ristkülikukujuline planetaarne tiib tekitab rohkem keerisvibratsiooni kui kooniline või elliptiline tiib, mistõttu on paljud kaasaegsed tiivad kitsenevad, et parandada tõstejõu ja tõmbe suhet. Elliptiline lennukiraam on aga tõhusam, kuna indutseeritud pesu (ja seega efektiivne ründenurk) on konstantne kogu tiibade ulatuses. Tootmisraskuste tõttu on vähestel lennukitel selline plaan, kuulsaimad näited on Teise maailmasõja aegne Spitfire ja Thunderbolt. Sirgete esi- ja tagaservadega kitsenevad tiivad võivad läheneda elliptilisele tõstejaotusele. Üldreeglina tekitavad sirged, kitsenemata tiivad 5% ja kitsenevad tiivad 1–2% rohkem indutseeritud takistust kui elliptiline tiib. Seetõttu on neil parem aerodünaamiline kvaliteet.
Proportsionaalsus
Kõrge kuvasuhtega tiib tekitab vähem takistust kui madala kuvasuhtega tiib, kuna pikema ja õhema tiiva otsas on vähem õhuhäireid. Seetõttu indutseeritudtakistus võib olla pöördvõrdeline proportsionaalsusega, ükskõik kui paradoksaalselt see ka ei kõlaks. Tõstejaotust saab muuta ka väljapesemise, tiiva ümberpööramise, tiibade suunas langemise vähendamiseks ja tiibade lähedal asuva õhutiiba vahetamise teel. See võimaldab teil saada rohkem tõstejõudu tiiva juurele lähemale ja vähem tiivale, mis viib tiiva keeriste tugevuse vähenemiseni ja vastav alt lennuki aerodünaamilise kvaliteedi paranemiseni.
Lennukidisaini ajaloos
Mõnedel varastel lennukitel olid uimed kinnitatud sabaotstele. Hilisematel lennukitel on erinev tiiva kuju, et vähendada keeriste intensiivsust ja saavutada maksimaalne tõstejõu ja tõmbe suhe.
Katuse tiiviku kütusepaagid võivad samuti anda kasu, takistades kaootilist õhuvoolu tiiva ümber. Nüüd kasutatakse neid paljudes lennukites. DC-10 aerodünaamilist kvaliteeti peeti selles osas vääriliselt revolutsiooniliseks. Kaasaegne lennundusturg on aga juba ammu täienenud palju arenenumate mudelitega.
Lohistamise valem: lihtsate sõnadega selgitatud
Kogu takistuse arvutamiseks on vaja arvestada nn parasiitresistentsusega. Kuna indutseeritud takistus on pöördvõrdeline õhukiiruse ruuduga (antud tõste korral), samas kui parasiittakistus on sellega otseselt võrdeline, näitab üldine takistuskõver minimaalset kiirust. lennuk,sellisel kiirusel lennates töötab optimaalsete aerodünaamiliste omadustega. Ül altoodud võrrandite kohaselt tekib minimaalse takistuse kiirus kiirusel, mille korral indutseeritud takistus on võrdne parasiittakistusega. See on kiirus, millega saavutatakse tühikäigul töötavate lennukite optimaalne libisemisnurk. Et mitte olla alusetu, kaaluge valemit lennuki näitel:
Päris kurioosne on ka valemi jätk (alloleval pildil). Kõrgemal lennates, kus õhk on hõredam, suureneb minimaalse takistuse tekkimise kiirus ja seega võimaldab see sama palju kiiremini sõita. kütus.
Kui lennuk lendab maksimaalse lubatud kiirusega, siis kõrgus, mille juures õhutihedus tagab sellele parima aerodünaamilise kvaliteedi. Optimaalne kõrgus maksimaalsel kiirusel ja optimaalne kiirus maksimaalsel kõrgusel võivad lennu ajal muutuda.
Vastupidavus
Kiirus maksimaalse vastupidavuse saavutamiseks (st õhus veedetud aeg) on kiirus minimaalse kütusekulu saavutamiseks ja väiksem kiirus maksimaalse sõiduulatuse saavutamiseks. Kütusekulu arvutatakse nõutava võimsuse ja kütuse erikulu korrutisena mootori kohta (kütusekulu võimsusühiku kohta). Nõutav võimsus on võrdne tõmbamisajaga.
Ajalugu
Kaasaegse aerodünaamika areng algas alles XVIIsajandil, kuid aerodünaamilisi jõude on inimesed purjekates ja tuuleveskites kasutanud tuhandeid aastaid ning lennupildid ja -lood esinevad kõigis ajaloolistes dokumentides ja kunstiteostes, näiteks Vana-Kreeka legendis Ikarusest ja Daidalusest. Aristotelese ja Archimedese töödes ilmnevad kontiinumi, takistuse ja rõhugradientide põhimõisted.
1726. aastal töötas Sir Isaac Newton esimese inimesena välja õhutakistuse teooria, muutes selle üheks esimeseks argumendiks aerodünaamiliste omaduste kohta. Hollandi-Šveitsi matemaatik Daniel Bernoulli kirjutas 1738. aastal traktaadi nimega "Hydrodynamica", milles ta kirjeldas rõhu, tiheduse ja voolukiiruse põhilist seost kokkusurumatu voolu korral, mida tänapäeval tuntakse Bernoulli printsiibina, mis pakub ühe meetodi aerodünaamilise tõstejõu arvutamiseks. 1757. aastal avaldas Leonhard Euler üldisemad Euleri võrrandid, mida saab rakendada nii kokkusurutavate kui ka kokkusurumatute voogude puhul. 1800. aastate esimesel poolel laiendati Euleri võrrandeid viskoossuse mõjudele, mille tulemusel tekkisid Navier-Stokesi võrrandid. Umbes samal ajal avastati polaarjoone aerodünaamiline jõudlus/aerodünaamiline kvaliteet.
Nende sündmuste ja oma tuuletunnelis tehtud uuringute põhjal lendasid vennad Wrightid 17. detsembril 1903 esimese lennukiga.
Aerodünaamika tüübid
Aerodünaamilised probleemid liigitatakse voolutingimuste või vooluomaduste järgi, sealhulgas selliste omaduste järgi nagu kiirus, kokkusurutavus ja viskoossus. Need jagunevad enamasti kahte tüüpi:
- Väline aerodünaamika on voolu uurimine erineva kujuga tahkete objektide ümber. Välise aerodünaamika näideteks on õhusõiduki tõstejõu ja takistuse hindamine või raketi nina ees tekkivad lööklained.
- Siseaerodünaamika uurib tahkete objektide läbipääsude voolu. Näiteks hõlmab sisemine aerodünaamika õhuvoolu uurimist läbi reaktiivmootori või kliimaseadme korstna.
Aerodünaamilisi probleeme saab klassifitseerida ka helikiirusest madalama või sellelähedase voolukiiruse järgi.
Probleemi nimi on:
- allhelikiirus, kui kõik ülesande kiirused on väiksemad kui heli kiirus;
- transonic, kui kiirused on nii helikiirusest madalamad kui ka suuremad (tavaliselt siis, kui iseloomulik kiirus on ligikaudu võrdne helikiirusega);
- ülehelikiirus, kui iseloomulik voolukiirus on suurem kui heli kiirus;
- ülihelivõimeline, kui voolukiirus on palju suurem kui heli kiirus.
Aerodünaamikud ei nõustu hüperhelivoolu täpse definitsiooniga.
Viskoossuse mõju voolavusele määrab kolmanda klassifikatsiooni. Mõnel probleemil võib viskoossuse mõju olla väga väike, sel juhul võib viskoossust pidada tühiseks. Nende probleemide lähendamist nimetatakse inviscidikshoovused. Voolusid, mille viskoossust ei saa tähelepanuta jätta, nimetatakse viskoosseteks vooludeks.
Tihendatavus
Tihendamatu vool on vool, mille tihedus on konstantne nii ajas kui ruumis. Kuigi kõik tegelikud vedelikud on kokkusurutavad, hinnatakse voolu sageli kokkusurumatuks, kui tiheduse muutuse mõjul on arvutustulemustes vaid väikesed muutused. See on tõenäolisem, kui voolukiirus on helikiirusest tunduv alt madalam. Kokkusurutavuse mõju on olulisem helikiirusele lähedasel või sellest suuremal kiirusel. Machi arvu kasutatakse tihendamatuse võimaluse hindamiseks, vastasel juhul tuleb lisada tihendatavuse efektid.
Vastav alt aerodünaamika teooriale loetakse voolu kokkusurutavaks, kui tihedus muutub piki voolujoont. See tähendab, et erinev alt kokkusurumatust voolust võetakse arvesse tiheduse muutusi. Üldiselt on see nii, kui osa või kogu voolu Machi arv ületab 0,3. Machi väärtus 0,3 on üsna meelevaldne, kuid seda kasutatakse, kuna sellest väärtusest madalama gaasivoolu tihedus muutub vähem kui 5%. Samuti toimub maksimaalne tiheduse muutus 5% paigalseisu punktis (objekti punkt, kus voolukiirus on null), samas kui ülejäänud objekti ümber on tihedus palju väiksem. Transonic, ülehelikiirusega ja hüperhelikiirusega vood on kõik tihendatavad.
Järeldus
Aerodünaamika on tänapäeval üks tähtsamaid teadusi maailmas. Ta pakub meilekvaliteetsete lennukite, laevade, autode ja koomiliste süstikute ehitamine. See mängib tohutut rolli kaasaegsete relvatüüpide - ballistiliste rakettide, võimendite, torpeedode ja droonide - väljatöötamisel. Kõik see oleks võimatu, kui poleks kaasaegseid arenenud aerodünaamilise kvaliteedi kontseptsioone.
Nii muutusid artikliteemalised ideed ilusatest, kuid naiivsetest fantaasiatest Icaruse kohta funktsionaalsete ja tõeliselt töötavate lennukiteni, mis tekkisid eelmise sajandi alguses. Tänapäeval ei kujuta me oma elu ette ilma autode, laevade ja lennukiteta ning need sõidukid täiustavad jätkuv alt uusi läbimurdeid aerodünaamikas.
Purilennukite aerodünaamilised omadused olid omal ajal tõeline läbimurre. Alguses tehti kõik selle valdkonna avastused abstraktsete, mõnikord tegelikkusest lahutatud teoreetiliste arvutuste abil, mille viisid läbi Prantsuse ja Saksa matemaatikud oma laborites. Hiljem kasutati kõiki nende valemeid muudel, fantastilisematel (18. sajandi standardite järgi) eesmärkidel, näiteks tulevaste lennukite ideaalse kuju ja kiiruse arvutamiseks. 19. sajandil hakati neid seadmeid ehitama suurtes kogustes, alustades purilennukitest ja õhulaevadest, läksid eurooplased järk-järgult üle lennukite ehitamisele. Viimaseid kasutati esm alt eranditult sõjalistel eesmärkidel. Esimese maailmasõja ässad näitasid, kui oluline on õhus domineerimise küsimus iga riigi jaoks ning sõdadevahelise perioodi insenerid avastasid, et sellised lennukid on tõhusad mitte ainult sõjaväele, vaid ka tsiviilisikutele.eesmärgid. Aja jooksul on tsiviillennundus kindl alt meie ellu sisenenud ja tänapäeval ei saa ükski riik ilma selleta hakkama.
