In ogni ufficio di progettazione dell'aviazione c'è una storia su una dichiarazione del capo progettista. Solo l'autore della dichiarazione cambia. E suona così: “Ho avuto a che fare con gli aeroplani per tutta la vita, ma ancora non ho capito come vola questo pezzo di ferro!”. In effetti, dopotutto, la prima legge di Newton non è stata ancora cancellata e l'aereo è chiaramente più pesante dell'aria. È necessario capire quale forza non consente a una macchina multi-ton di cadere a terra.
Metodi di viaggio aereo
Ci sono tre modi di viaggiare:
- Aerostatico, quando il sollevamento da terra viene effettuato con l'aiuto di un corpo il cui peso specifico è inferiore alla densità dell'aria atmosferica. Questi sono palloncini, dirigibili, sonde e altre strutture simili.
- Reattivo, che è la forza bruta di un getto da combustibile combustibile, che permette di vincere la forza di gravità.
- E, infine, il metodo aerodinamico per creare portanza, quando l'atmosfera terrestre viene utilizzata come sostanza di supporto per i veicoli più pesanti dell'aria. Aerei, elicotteri, autogiri, alianti e, tra l' altro, uccelli si muovono usando questo particolare metodo.
Forze aerodinamiche
Un aereo che si muove nell'aria è influenzato da quattro principali forze multidirezionali. Convenzionalmente, i vettori di queste forze sono diretti in avanti, indietro, in basso e in alto. Quello è quasi un cigno, cancro e luccio. La forza che spinge l'aereo in avanti è generata dal motore, all'indietro è la forza naturale della resistenza dell'aria e verso il basso è la gravità. Bene, invece di far cadere l'aereo, la portanza generata dal flusso d'aria dovuto al flusso attorno all'ala.
Atmosfera standard
Lo stato dell'aria, la sua temperatura e pressione possono variare significativamente in diverse parti della superficie terrestre. Di conseguenza, tutte le caratteristiche dell'aeromobile differiranno anche quando si vola in un luogo o nell' altro. Pertanto, per comodità e riportando tutte le caratteristiche ed i calcoli a un denominatore comune, si è convenuto di definire la cosiddetta atmosfera standard con i seguenti parametri principali: pressione 760 mm Hg slm, densità dell'aria 1.188 kg per metro cubo, velocità di suono 340,17 metri al secondo, temperatura +15 ℃. All'aumentare dell' altitudine, questi parametri cambiano. Esistono tabelle speciali che rivelano i valori dei parametri per le diverse altezze. Tutti i calcoli aerodinamici, così come la determinazione delle caratteristiche delle prestazioni dell'aeromobile, vengono eseguiti utilizzando questi indicatori.
Il principio più semplice per creare un ascensore
Se nel flusso d'aria in arrivoper posizionare un oggetto piatto, ad esempio, sporgendo il palmo della mano dal finestrino di un'auto in movimento, puoi sentire questa forza, come si suol dire, "sulle dita". Quando si ruota il palmo di un piccolo angolo rispetto al flusso d'aria, si avverte immediatamente che oltre alla resistenza dell'aria, è apparsa un' altra forza, che si alza o si abbassa, a seconda della direzione dell'angolo di rotazione. L'angolo tra il piano del corpo (in questo caso i palmi delle mani) e la direzione del flusso d'aria è chiamato angolo di attacco. Controllando l'angolo di attacco, puoi controllare la portanza. Si può facilmente vedere che con un aumento dell'angolo di attacco, la forza che spinge il palmo verso l' alto aumenterà, ma fino a un certo punto. E quando raggiunge un angolo vicino a 70-90 gradi, scompare del tutto.
Ala dell'aeromobile
La superficie portante principale che crea portanza è l'ala dell'aereo. Il profilo dell'ala è solitamente curvo a forma di lacrima come mostrato.
Quando l'aria scorre intorno all'ala, la velocità dell'aria che passa lungo la parte superiore dell'ala supera la velocità del flusso inferiore. In questo caso, la pressione statica dell'aria nella parte superiore diventa inferiore a quella sotto l'ala. La differenza di pressione spinge l'ala verso l' alto, creando portanza. Pertanto, per garantire la differenza di pressione, tutti i profili delle ali sono resi asimmetrici. Per un'ala con un profilo simmetrico ad angolo di attacco zero, la portanza in volo livellato è zero. Con un'ala del genere, l'unico modo per crearla è cambiare l'angolo di attacco. C'è un' altra componente della forza di sollevamento: induttiva. Lei èsi forma a causa dell'inclinazione verso il basso del flusso d'aria da parte della superficie inferiore curva dell'ala, che si traduce naturalmente in una forza inversa verso l' alto che agisce sull'ala.
Calcolo
La formula per calcolare la forza di portanza di un'ala di aeromobile è la seguente:
Y=CyS(PV 2)/2
Dove:
- Cy - coefficiente di portanza.
- S - area alare.
- V - velocità del flusso libero.
- P - densità dell'aria.
Se tutto è chiaro con densità dell'aria, area alare e velocità, allora il coefficiente di portanza è un valore ottenuto sperimentalmente e non è una costante. Varia a seconda del profilo dell'ala, delle sue proporzioni, dell'angolo di attacco e di altri valori. Come puoi vedere, le dipendenze sono per lo più lineari, ad eccezione della velocità.
Questo misterioso coefficiente
Il coefficiente di portanza alare è un valore ambiguo. Complessi calcoli multifase sono ancora verificati sperimentalmente. Questo di solito viene fatto in una galleria del vento. Per ogni profilo alare e per ogni angolo di attacco, il suo valore sarà diverso. E poiché l'ala stessa non vola, ma fa parte dell'aeromobile, tali test vengono eseguiti sulle corrispondenti copie ridotte di modelli di aeromobili. Le ali sono raramente testate separatamente. In base ai risultati di numerose misurazioni di ogni particolare ala, è possibile tracciare la dipendenza del coefficiente dall'angolo di attacco, nonché vari grafici che riflettono la dipendenzasollevamento dalla velocità e dal profilo di una particolare ala, nonché dalla meccanizzazione rilasciata dell'ala. Di seguito è mostrato un grafico di esempio.
Infatti, questo coefficiente caratterizza la capacità dell'ala di convertire la pressione dell'aria in ingresso in portanza. Il suo valore normale è compreso tra 0 e 2. Il record è 6. Finora, una persona è molto lontana dalla perfezione naturale. Ad esempio, questo coefficiente per un'aquila, quando si alza da terra con un gopher catturato, raggiunge un valore di 14. Dal grafico sopra è evidente che un aumento dell'angolo di attacco provoca un aumento della portanza a determinati valori di angolo. Dopodiché, l'effetto si perde e va anche nella direzione opposta.
Flusso di stallo
Come si suol dire, tutto va bene con moderazione. Ogni ala ha il suo limite in termini di angolo di attacco. Il cosiddetto angolo di attacco supercritico porta ad uno stallo sulla superficie superiore dell'ala, privandola di portanza. Lo stallo si verifica in modo non uniforme su tutta l'area dell'ala ed è accompagnato da fenomeni corrispondenti ed estremamente spiacevoli come scuotimento e perdita di controllo. Stranamente, questo fenomeno non dipende molto dalla velocità, sebbene influisca anche, ma la ragione principale del verificarsi dello stallo è la manovra intensiva, accompagnata da angoli di attacco supercritici. Fu per questo che si verificò l'unico incidente dell'aereo Il-86, quando il pilota, volendo "mettersi in mostra" su un aereo vuoto senza passeggeri, iniziò bruscamente a salire, cosa che finì tragicamente.
Resistenza
Mano nella mano con il sollevamento arriva il trascinamento,impedendo al velivolo di avanzare. Si compone di tre elementi. Queste sono la forza di attrito dovuta all'effetto dell'aria sull'aeromobile, la forza dovuta alla differenza di pressione nelle aree davanti all'ala e dietro l'ala e la componente induttiva discussa sopra, poiché il vettore della sua azione è diretto non solo verso l' alto, contribuendo ad aumentare la portanza, ma anche indietro, essendo un alleato della resistenza. Inoltre, una delle componenti della resistenza induttiva è la forza che si verifica a causa del flusso d'aria attraverso le estremità dell'ala, provocando flussi a vortice che aumentano lo smusso della direzione del movimento dell'aria. La formula della resistenza aerodinamica è assolutamente identica alla formula della forza di portanza, ad eccezione del coefficiente Su. Cambia nel coefficiente Cx ed è anche determinato sperimentalmente. Il suo valore raramente supera un decimo di uno.
Rapporto caduta/trascinamento
Il rapporto tra portanza e forza di resistenza è chiamato qualità aerodinamica. Una caratteristica deve essere presa in considerazione qui. Poiché le formule per la forza di portanza e la forza di resistenza, ad eccezione dei coefficienti, sono le stesse, si può presumere che la qualità aerodinamica dell'aeromobile sia determinata dal rapporto tra i coefficienti Cy e Cx. Il grafico di questo rapporto per determinati angoli di attacco è chiamato ala polare. Un esempio di tale grafico è mostrato di seguito.
Gli aerei moderni hanno un valore di qualità aerodinamica di circa 17-21 e gli alianti - fino a 50. Ciò significa che sugli aerei l'alzata alare è in condizioni ottimali17-21 volte maggiore della forza di resistenza. Rispetto all'aereo dei fratelli Wright, che ha ottenuto un punteggio di 6,5, i progressi nella progettazione sono evidenti, ma l'aquila con lo sfortunato gopher tra le zampe è ancora molto lontana.
Modalità di volo
Diverse modalità di volo richiedono un diverso rapporto tra sollevamento e resistenza. Nel volo livellato di crociera, la velocità dell'aeromobile è piuttosto elevata e il coefficiente di portanza, proporzionale al quadrato della velocità, è a valori elevati. La cosa principale qui è ridurre al minimo la resistenza. Durante il decollo e soprattutto l'atterraggio, il coefficiente di portanza gioca un ruolo decisivo. La velocità dell'aereo è bassa, ma è richiesta la sua posizione stabile nell'aria. Una soluzione ideale a questo problema sarebbe la creazione di una cosiddetta ala adattiva, che cambia la sua curvatura e anche l'area a seconda delle condizioni di volo, più o meno allo stesso modo degli uccelli. Fino a quando i progettisti non ci sono riusciti, la modifica del coefficiente di portanza si ottiene utilizzando la meccanizzazione dell'ala, che aumenta sia l'area che la curvatura del profilo, che, aumentando la resistenza, aumenta notevolmente la portanza. Per gli aerei da combattimento è stata utilizzata una modifica nell'ampiezza dell'ala. L'innovazione ha permesso di ridurre la resistenza alle alte velocità e aumentare la portanza alle basse velocità. Tuttavia, questo progetto si è rivelato inaffidabile e recentemente sono stati prodotti velivoli in prima linea con un'ala fissa. Un altro modo per aumentare la forza di portanza di un'ala di aeroplano è di far esplodere ulteriormente l'ala con un flusso dai motori. Questo è stato implementato nell'esercitoAerei da trasporto An-70 e A-400M, che, grazie a questa proprietà, si distinguono per distanze di decollo e atterraggio ridotte.
