Природа виникнення аеродинамічних сил. Принципи створення піднімальної сили

Для здійснення польоту ЛА на нього повинні діяти піднімальна сила і сила тяги. Піднімальна сила врівноважує силу ваги ЛА і забезпечує втримання ЛА в повітрі, набір висоти або зниження. Сила тяги переміщає ЛА в потрібному напрямку, тобто забезпечує його політ.

Відомі три основних принципи створення піднімальної сили: аеростатичний, аеродинамічний і реактивний (ракетний). ЛА, у яких піднімальна сила створюється за аеростатичним принципом, називаються апаратами легше за повітря. ЛА, у яких піднімальна сила створюється по аеродинамічному і реактивному принципах, називаються апаратами важче за повітря.

2.7.1. Аеростатичний принцип створення піднімальної сили

Аеростатичний принцип створення піднімальної сили заснований на законі Архімеда і використовується в ЛА легше за повітря - аеростатах. Аеростати підрозділяються на некеровані та керовані (дирижаблі). Некеровані аеростати можуть бути вільними або прив'язними.

Вільний аеростат (рис. 2.19) являє собою сферичну оболонку 1 із прогумованої бавовняної тканини. Оболонка заповнюється газом легше повітря або підігрітим повітрям, що створює піднімальну силу (силу, що виштовхує) До оболонки привішується пояс 2 для кріплення строп 3. Нижні кінці строп кріплять до стропового кільця 4, до якого підвішують гондолу 5.

Рис. 2.19. Вільний аеростат.

В гондолі розміщається екіпаж, пасажири, прилади й інше обладнання. Під гондолою або на її бортах розміщають баласт (мішки з піском). Оболонка аеростата заповнюється газом легше повітря (воднем або гелієм), що забезпечує створення піднімальної сили аеростата. Один м³ водню створює піднімальну силу, здатну підняти масу в 1,2 кг, а один м³ гелію здатний підняти масу в 1,1 кг.

Вільні аеростати переміщаються в повітрі під дією вітру. Управляти ними можна тільки у вертикальному напрямку, тобто змінювати висоту польоту. Висота польоту аеростата залежить від співвідношення його ваги G і піднімальної (що виштовхує) сили Y. При Y > G - аеростат піднімається; при Y = G - на постійній висоті; при Y < G - знижується. Для підйому аеростат полегшують, викидаючи частину баласту. Для зниження аеростата відкривають спеціальний клапан у верхній частині оболонки і випускають частину газу, в результаті чого піднімальна сила зменшується. Вільні аеростати застосовуються для наукових досліджень атмосфери, випробувань різного авіаційного обладнання і спортивних цілей. Аеростати, призначені для польотів на більші висоти в атмосферу, називаються стратостатами. На вільному аеростаті “Оссавіахім-1” з об’ємом 24900 м³ з герметичною гондолою в 1934 р. стратонавти П.Ф. Федосеенко, А.Б. Васекко та І.Д.Усискин досягли висоти 22000 м.

До вільних аеростатів відносяться невеликі кулі-зонди, кулі-пілоти і радіозонди, застосовувані для метеорологічних і інших досліджень і, що піднімаються на дуже більшу висоту (кілька десятків км).

Прив'язні аеростати застосовуються для метеорологічних спостережень, а під час Великої Вітчизняної війни використовувалися в протиповітряній обороні міст і військових об'єктів. Підйом і спуск прив'язного аеростата здійснюється лебідкою.

Керованіаеростати називаються дирижаблями(рис. 2.20). Дирижабль складається з корпуса, оперення і гондоли.

Корпус - оболонка 1має подовжену форму з тупою носовою частиною і загостреною кормою, щоб забезпечити мінімальний лобовий опір. Оперення складається з горизонтальних і вертикальних нерухомих і рухомих поверхонь. Горизонтальна нерухома поверхня називається стабілізатором 2, а рухома - кермом висоти 3. Вертикальна нерухома поверхня називається кілем 5, а рухома - кермом напрямку 4. До корпуса дирижабля за допомогою строп 6 кріпиться одна або кілька гондол 8для розміщення екіпажа, пасажирів і двигунів 7.

Рис. 2.20. Дирижабль.

Піднімальна сила Yу дирижабля створюється, як і у вільного аеростата, за рахунок газонаповненого корпуса, а переміщення в повітрі - за рахунок сили тяги Р двигунів. Керування висотою і напрямком польоту здійснюється за допомогою відхилення керма висоти і керма напрямку або вектора тяги двигунів.

Розквіт дирижаблебудування доводиться на 30-і роки. На той час були створені дирижаблі, здатні перевозити до сотні пасажирів і десятки тонн вантажу, літати на необмежені відстані, кілька діб триматися в повітрі. У післявоєнні роки дирижаблі не витримали конкуренції з літаками і у сорокові роки їхнє будівництво припинилося. Останнім часом уважають, що застосування дирижаблів для перевезення великогабаритних вантажів, на монтажних роботах при зведенні більших споруджень економічно вигідно, тому що вартість будівництва причалів і елінгів, необхідних для їхньої експлуатації, менше вартості будівництва сучасного аеродрому. Основне достоїнство аеростатів і дирижаблів полягає в тім, що вони можуть підніматися і спускатися вертикально, літати зі скільки завгодно малими швидкостями і навіть нерухомо висіти в повітрі без витрати енергії.

2.7.2. Аеродинамічний принцип створення піднімальної сили. Повна аеродинамічна сила та її складові

Аеродинамічний принцип створення піднімальної сили був сформульований М.Є. Жуковським: „…рухаючись під малим кутом до горизонту з великою горизонтальною швидкістю, похила площина надає величезній кількості послідовно прилеглого до неї повітря малу швидкість вниз і тим розвиває велику піднімальну силу вгору при незначній витраті роботи на горизонтальне переміщення”. Отже, для створення піднімальної сили за аеродинамічним принципом необхідне переміщення тіла щодо повітря, або навпаки.

Аеродинамічний принцип створення піднімальної сили використовується апаратами важче повітря, до яких відносяться літаки(аероплани), планери, вертольоти, автожириілітальні апарати із крильми, що махають(ортоптери і орнітоптери).

Для створення піднімальної сили за аеродинамічним принципом необхідно здійснити рух тіла, наприклад, літака, щодо повітря. Картина обтікання крила літака потоком повітря показана на рис. 2.21.

а) б)

Рис. 2.21. Повна аеродинамічна сила крила: а) картина обтікання крила літака потоком повітря; б) схема створення повної аеродинамічної сили R.

На спектрі (рис. 2.21, а) наглядно видно, що потік обтікає верхню і нижню частини профілю крила неоднаково. Вдалині від крила струйки потоку повітря, що набігають на крило, мають однакові перетини. В міру наближення до крила вони починають деформуватися. Над крилом струйки стискаються, що приводить до збільшення їх швидкості по відношенню до швидкості струйок удалині від крила. Під крилом струйки повітря стають ширше тому швидкість їх зменшується. Пояснюється це тим, що частинки повітря, що обтікають крило зверху, повинні за один і той же час пробігти довший шлях, ніж частинки, що біжать знизу крила.

Відповідно до закону Бернуллі над крилом, де швидкість потоку більше, тиск у струйкі буде менше ( --), а під крилом, де швидкість потоку менше, тиск буде більше ( + ). Тому на кожному елементі поверхні крила виникає елементарна сила тиску dР(рис. 2.21, б), напрямок якої в різних точках крила різний. Крім того, на кожний елемент поверхні крила буде діяти елементарна сила тертя струйок повітря dF. У підсумку на кожний елемент поверхні крила буде діяти елементарна аеродинамічна сила dR як геометрична сума сил dP і dF. Результуюча елементарних сил dR називається повною аеродинамічною силою R(рис. 2.21, б).

Отже, при взаємодії потоку повітря з крилом виникає повна аеродинамічна сила, яка є рівнодіючою сил тиску і тертя, прикладена в точці, званої центром тиску (ц.т.) і спрямована під деяким кутом до потоку повітря, що набігає.

Повну аеродинамічну силу R можна розкласти на три складові (рис. 2.22), одна з яких Y спрямована перпендикулярно потоку повітря, що набігає і називається піднімальною силою крила, інша спрямована паралельно набігаючому потоку вбік протилежний руху крила і називається силою лобового опору крила X, а третя сила діє поперек напрямку потоку повітря, що набігає іназивається бічною силою Z.

Рис. 2.22. Складові повної аэродинамичної сили.

Зазначені аеродинамічні сили математично визначаються по наступних формулах:

,

де ρ - густина повітря;

V - швидкість руху ЛА або повітря;

S - площа крила (у плані);

С_r, С_y, С_x, C_z - відповідно коефіцієнти повної аеродинамічної сили R, піднімальної сили Y, сили лобового опору X і бічної сили Z. Ці коефіцієнти величини безрозмірні й визначаються дослідним шляхом при продувці крил або їх моделей в аеродинамічних трубах. Значення коефіцієнтів залежить від форми крила, положення крила в потоці повітря, якості обробки поверхні крила, точності виміру величин при продувці крила в аеродинамічних трубах і від ряду інших причин. При польотах з великими швидкостями коефіцієнти аеродинамічних сил будуть залежати і від стисливості повітря.

При симетричному розташуванні крила щодо вертикальної площини повна аеродинамічна сила умовно розкладається на дві складові: піднімальну силу Y і силу лобового опору X.

Піднімальна сила крила Y - це корисна сила, що дає можливість здійснювати політ ЛА. На рис. 2.23 показані повітряні потоки, що створюють силу тяги і піднімальну силу гвинтомоторного літака.

Рис. 2.23. Повітряні потоки (створюють силу тяги і піднімальну силу літака).

Сила лобового опору X – це шкідлива сила, що гальмує рух ЛА. Лобовий опір крила складається з профільного і індуктивного. Профільний опір X_p залежить в основному від форми крила, положення його в потоці повітря, а також від якості обробки крила. Індуктивний опір X_i пов'язаний з виникненням піднімальної сили.

Виникаюча при польоті літака піднімальна сила Y діє на крило. Відповідно до законів механіки крило буде діяти на повітряний потік, що його обтікає, з силою, рівної по величині піднімальній силі, але спрямованої в протилежну сторону, тобто вниз. Ця сила буде змінювати напрямок повітряного потоку, що набігає, відхиляючи його вниз.

Піднімальна сила крила спрямована перпендикулярно до набігаючого потоку. Оскільки в міру обтікання профілю повітряний потік поступово відхиляється вниз, то і фактична піднімальна сила Y_факт буде відхилятися назад на деякий кут. Розклавши Y_факт на складові - перпендикулярну і паралельну набігаючому незбуреному потоку повітря (рис. 2.24), ми бачимо, що відхилення назад піднімальної сили приводить до появи сили Х_i , яка і носить назву індуктивного лобового опору. Таким чином, X = X_p+ X_i або С_х = С_хp + С_xi .

Реактивний принцип створення піднімальної сили заснований на третьому законі Ньютона. Газовий струмінь, що відкидається двигуном ракети, створює силу реакції R, вертикальна складова якої є піднімальною силою Y, а горизонтальна складова - силою тяги Р (рис. 2.26).

Рис. 2.26. Реактивний принцип.

Для того щоб виникла піднімальна сила ракети необхідно, щоб сила реакції була спрямована під деяким кутом до горизонту. В окремому випадку, при вертикальному зльоті, сила реакції струменя R є піднімальною силою.