V každé letecké designérské kanceláři je příběh o prohlášení hlavního konstruktéra. Mění se pouze autor prohlášení. A zní to takto: „Celý život mám co do činění s letadly, ale pořád nechápu, jak ten kus železa létá!“. Skutečně, první Newtonův zákon ještě nebyl zrušen a letadlo je zjevně těžší než vzduch. Je potřeba přijít na to, jaká síla nedovolí mnohatunovému stroji spadnout na zem.
Metody letecké dopravy
Existují tři způsoby, jak cestovat:
- Aerostatické, kdy se zvedání od země provádí pomocí tělesa, jehož měrná hmotnost je nižší než hustota atmosférického vzduchu. Jedná se o balóny, vzducholodě, sondy a další podobné konstrukce.
- Reaktivní, což je hrubá síla tryskového proudu z hořlavého paliva, která umožňuje překonat gravitační sílu.
- A konečně aerodynamická metoda vytváření vztlaku, kdy se zemská atmosféra používá jako nosná látka pro vozidla těžší než vzduch. Letadla, vrtulníky, vírníky, kluzáky a mimochodem ptáci se pohybují pomocí této konkrétní metody.
Aerodynamické síly
Letadlo pohybující se vzduchem je ovlivňováno čtyřmi hlavními vícesměrnými silami. Obvykle jsou vektory těchto sil směrovány dopředu, dozadu, dolů a nahoru. To je skoro labuť, rakovina a štika. Síla tlačí letadlo dopředu je generována motorem, dozadu je přirozená síla odporu vzduchu a dolů je gravitace. No, místo toho, abychom nechali letadlo spadnout - vztlak generovaný prouděním vzduchu v důsledku proudění kolem křídla.
Standardní atmosféra
Stav vzduchu, jeho teplota a tlak se mohou v různých částech zemského povrchu výrazně lišit. V souladu s tím se také všechny vlastnosti letadel budou lišit při létání na jednom nebo druhém místě. Proto jsme se pro usnadnění a uvedení všech charakteristik a výpočtů do společného jmenovatele dohodli na definování tzv. standardní atmosféry s těmito hlavními parametry: tlak 760 mm Hg nad mořem, hustota vzduchu 1,188 kg na metr krychlový, rychlost zvuk 340,17 metrů za sekundu, teplota +15 ℃. S rostoucí nadmořskou výškou se tyto parametry mění. Existují speciální tabulky, které odhalují hodnoty parametrů pro různé výšky. Všechny aerodynamické výpočty, stejně jako stanovení výkonnostních charakteristik letadla, se provádějí pomocí těchto ukazatelů.
Nejjednodušší princip vytváření výtahu
Pokud je v proudu vzduchupoložit plochý předmět, například vystrčením dlaně z okénka jedoucího auta, cítíte tuto sílu, jak se říká, „na prstech“. Při natočení dlaně pod malým úhlem vůči proudu vzduchu je okamžitě cítit, že se kromě odporu vzduchu objevila další síla, tahající nahoru nebo dolů, v závislosti na směru úhlu natočení. Úhel mezi rovinou těla (v tomto případě dlaněmi) a směrem proudění vzduchu se nazývá úhel náběhu. Ovládáním úhlu náběhu můžete ovládat zdvih. Je snadno vidět, že se zvětšováním úhlu náběhu se bude síla tlačící dlaň nahoru zvyšovat, ale až do určitého bodu. A když dosáhne úhlu blízkého 70-90 stupňům, úplně zmizí.
Křídlo letadla
Hlavní nosnou plochou, která vytváří vztlak, je křídlo letadla. Profil křídla je obvykle zakřivený ve tvaru slzy, jak je znázorněno.
Když vzduch proudí kolem křídla, rychlost vzduchu proudícího podél horní části křídla převyšuje rychlost spodního proudění. V tomto případě je statický tlak vzduchu v horní části nižší než pod křídlem. Tlakový rozdíl tlačí křídlo nahoru a vytváří vztlak. Pro zajištění tlakového rozdílu jsou proto všechny profily křídel vyrobeny asymetricky. U křídla se symetrickým profilem při nulovém úhlu náběhu je vztlak ve vodorovném letu nulový. S takovým křídlem jej lze vytvořit pouze změnou úhlu náběhu. Existuje další složka zvedací síly - indukční. Jeje tvořeno zkosením proudění vzduchu zakřiveným spodním povrchem křídla, což přirozeně vede k obrácení síly působící na křídlo směrem nahoru.
Výpočet
Vzorec pro výpočet vztlakové síly křídla letadla je následující:
Y=CyS(PV 2)/2
Kde:
- Cy – koeficient zdvihu.
- S - oblast křídel.
- V – bezplatná rychlost proudu.
- P – hustota vzduchu.
Pokud je vše jasné s hustotou vzduchu, plochou křídla a rychlostí, pak koeficient vztlaku je hodnota získaná experimentálně a není konstanta. Liší se v závislosti na profilu křídla, jeho poměru stran, úhlu náběhu a dalších hodnotách. Jak vidíte, závislosti jsou většinou lineární, kromě rychlosti.
Tento záhadný koeficient
Koeficient vztlaku křídla je nejednoznačná hodnota. Složité vícestupňové výpočty jsou stále ověřovány experimentálně. To se obvykle provádí ve větrném tunelu. Pro každý profil křídla a pro každý úhel náběhu bude jeho hodnota jiná. A protože křídlo samo o sobě nelétá, ale je součástí letadla, provádějí se takové testy na odpovídajících zmenšených kopiích modelů letadel. Křídla jsou zřídka testována samostatně. Podle výsledků četných měření každého konkrétního křídla je možné vykreslit závislost koeficientu na úhlu náběhu a také různé grafy, které závislost odrážejívztlak od rychlosti a profilu konkrétního křídla i od uvolněné mechanizace křídla. Ukázkový graf je uveden níže.
Ve skutečnosti tento koeficient charakterizuje schopnost křídla přeměnit tlak nasávaného vzduchu na vztlak. Jeho obvyklá hodnota je od 0 do 2. Rekord je 6. K přirozené dokonalosti má člověk zatím hodně daleko. Například tento koeficient u orla, když se zvedne ze země s uloveným gopherem, dosahuje hodnoty 14. Z výše uvedeného grafu je zřejmé, že zvětšení úhlu náběhu způsobí zvýšení vztlaku na určité hodnoty úhlu.. Poté se efekt ztrácí a dokonce jde opačným směrem.
Zastavení průtoku
Jak se říká, všeho je dobré s mírou. Každé křídlo má svůj limit z hlediska úhlu náběhu. Takzvaný superkritický úhel náběhu vede k zablokování na horní ploše křídla, čímž je zbaveno vztlaku. Zablokování se vyskytuje nerovnoměrně po celé ploše křídla a je doprovázeno odpovídajícími, extrémně nepříjemnými jevy, jako je otřesy a ztráta kontroly. Kupodivu tento jev nezávisí příliš na rychlosti, i když také ovlivňuje, ale hlavním důvodem výskytu přetažení je intenzivní manévrování doprovázené nadkritickými úhly náběhu. Právě kvůli tomu došlo k jediné havárii letounu Il-86, kdy pilot, který se chtěl "předvést" v prázdném letadle bez cestujících, začal náhle stoupat, což skončilo tragicky.
Odpor
Ruku v ruce se zdvihem přichází tažení,brání letadlu v pohybu vpřed. Skládá se ze tří prvků. Jedná se o třecí sílu způsobenou účinkem vzduchu na letadlo, sílu způsobenou tlakovým rozdílem v oblastech před křídlem a za křídlem a výše diskutovanou indukční složku, protože vektor jejího působení je směrován nejen nahoru, což přispívá ke zvýšení zdvihu, ale také zpět, protože je spojencem odporu. Kromě toho je jednou ze složek indukčního odporu síla, která vzniká v důsledku proudění vzduchu konci křídla a způsobuje vířivé proudy, které zvyšují zkosení směru pohybu vzduchu. Vzorec aerodynamického odporu je absolutně identický se vzorcem vztlakové síly, s výjimkou koeficientu Su. Mění se na koeficient Cx a určuje se také experimentálně. Jeho hodnota zřídka přesahuje jednu desetinu jedné.
Poměr poklesu a přetažení
Poměr vztlaku k síle odporu se nazývá aerodynamická kvalita. Zde je třeba vzít v úvahu jednu vlastnost. Protože vzorce pro vztlakovou sílu a odporovou sílu jsou kromě koeficientů stejné, lze předpokládat, že aerodynamická kvalita letadla je určena poměrem koeficientů Cy a Cx. Graf tohoto poměru pro určité úhly náběhu se nazývá polární křídlo. Příklad takového grafu je uveden níže.
Moderní letadla mají hodnotu aerodynamické kvality kolem 17-21 a kluzáky - až 50. To znamená, že u letadel je vztlak křídel v optimálních podmínkách17-21 krát větší než odporová síla. Ve srovnání s letadlem bratří Wrightů, které má skóre 6,5, je pokrok v designu zřejmý, ale orel s nešťastným gopherem v tlapách je ještě hodně daleko.
Letové režimy
Různé letové režimy vyžadují různý poměr zdvihu a odporu. Při cestovním vodorovném letu je rychlost letadla poměrně vysoká a koeficient vztlaku, úměrný druhé mocnině rychlosti, je vysokých hodnot. Hlavní věcí je zde minimalizovat odpor. Při vzletu a zejména při přistání hraje rozhodující roli součinitel vztlaku. Rychlost letadla je nízká, ale je nutná jeho stabilní poloha ve vzduchu. Ideálním řešením tohoto problému by bylo vytvoření tzv. adaptivního křídla, které mění své zakřivení a rovnoměrnou plochu v závislosti na podmínkách letu přibližně stejně jako ptáci. Dokud se to konstruktérům nepodařilo, je změny součinitele vztlaku dosaženo použitím mechanizace křídla, která zvětší jak plochu, tak zakřivení profilu, čímž se zvýšením odporu výrazně zvýší vztlak. U stíhacích letounů byla použita změna sklonu křídla. Inovace umožnila snížit odpor při vysokých rychlostech a zvýšit vztlak při nízkých rychlostech. Tato konstrukce se však ukázala jako nespolehlivá a v poslední době byly frontové letouny vyráběny s pevným křídlem. Dalším způsobem, jak zvýšit vztlakovou sílu křídla letadla, je dodatečné profouknutí křídla proudem z motorů. Toto bylo implementováno v armáděDopravní letouny An-70 a A-400M, které se díky této vlastnosti vyznačují zkrácenou vzdáleností vzletu a přistání.
