بالابر بال هواپیما: فرمول

فهرست مطالب:

بالابر بال هواپیما: فرمول
بالابر بال هواپیما: فرمول
Anonim

در هر دفتر طراحی هوانوردی داستانی در مورد بیانیه ای از طراح اصلی وجود دارد. فقط نویسنده بیانیه تغییر می کند. و این چنین به نظر می رسد: "من تمام عمرم با هواپیما سر و کار داشتم، اما هنوز نمی فهمم این تکه آهن چگونه پرواز می کند!". در واقع، پس از همه، قانون اول نیوتن هنوز لغو نشده است، و هواپیما به وضوح سنگین تر از هوا است. باید فهمید که چه نیرویی اجازه نمی دهد ماشین چند تنی روی زمین بیفتد.

روش های سفر هوایی

سه راه برای سفر وجود دارد:

  1. آئرواستاتیک، هنگامی که بلند کردن از زمین با کمک جسمی انجام می شود که وزن مخصوص آن کمتر از چگالی هوای جو است. اینها بالون ها، کشتی های هوایی، کاوشگرها و سایر سازه های مشابه هستند.
  2. واکنشی، که نیروی بی رحم جریان جت از سوخت قابل احتراق است که اجازه می دهد بر نیروی گرانش غلبه کنیم.
  3. و در نهایت، روش آیرودینامیکی ایجاد بالابر، زمانی که جو زمین به عنوان یک ماده حمایت کننده برای وسایل نقلیه سنگین تر از هوا استفاده می شود. هواپیماها، هلیکوپترها، جایروپلن ها، گلایدرها و اتفاقاً پرندگان با استفاده از این روش خاص حرکت می کنند.
طرحجریان بال هواپیما
طرحجریان بال هواپیما

نیروهای آیرودینامیکی

هواپیمایی که در هوا حرکت می کند تحت تأثیر چهار نیروی اصلی چند جهته قرار می گیرد. به طور معمول، بردارهای این نیروها به سمت جلو، عقب، پایین و بالا هدایت می شوند. این تقریباً یک قو، سرطان و پیک است. نیرویی که هواپیما را به جلو می راند توسط موتور ایجاد می شود، به عقب نیروی طبیعی مقاومت هوا و به سمت پایین گرانش است. خوب، به جای اینکه اجازه دهید هواپیما سقوط کند - بالابر ایجاد شده توسط جریان هوا به دلیل جریان اطراف بال.

نیروهای وارد بر بال
نیروهای وارد بر بال

فضای استاندارد

وضعیت هوا، دما و فشار آن می تواند به طور قابل توجهی در نقاط مختلف سطح زمین متفاوت باشد. بر این اساس، تمام ویژگی های هواپیما نیز هنگام پرواز در یک مکان یا مکان دیگر متفاوت خواهد بود. بنابراین، برای راحتی و رساندن همه مشخصات و محاسبات به یک مخرج مشترک، ما توافق کردیم که جو استاندارد را با پارامترهای اصلی زیر تعریف کنیم: فشار 760 میلی متر جیوه بالاتر از سطح دریا، چگالی هوا 1.188 کیلوگرم بر متر مکعب، سرعت صدا 340.17 متر در ثانیه، دما +15 ℃. با افزایش ارتفاع، این پارامترها تغییر می کنند. جداول خاصی وجود دارد که مقادیر پارامترها را برای ارتفاع های مختلف نشان می دهد. تمام محاسبات آیرودینامیکی و همچنین تعیین ویژگی های عملکرد هواپیما با استفاده از این شاخص ها انجام می شود.

گلایدر در حال پرواز
گلایدر در حال پرواز

ساده ترین اصل ایجاد بالابر

اگر در جریان هوای پیش روبرای قرار دادن یک جسم صاف، به عنوان مثال، با بیرون آوردن کف دست خود از پنجره یک ماشین در حال حرکت، می توانید این نیرو را به قول آنها "روی انگشتان خود" احساس کنید. هنگام چرخاندن کف دست در یک زاویه کوچک نسبت به جریان هوا، بلافاصله احساس می شود که علاوه بر مقاومت هوا، نیروی دیگری نیز ظاهر شده است که بسته به جهت زاویه چرخش به سمت بالا یا پایین می کشد. زاویه بین صفحه بدن (در این مورد، کف دست) و جهت جریان هوا را زاویه حمله می نامند. با کنترل زاویه حمله می توانید لیفت را کنترل کنید. به راحتی می توان دریافت که با افزایش زاویه حمله، نیروی هل دادن کف دست به سمت بالا افزایش می یابد، اما تا یک نقطه مشخص. و هنگامی که به زاویه نزدیک به ۷۰-۹۰ درجه برسد، به کلی ناپدید می شود.

بال هواپیما

سطح اصلی یاتاقان که بالابر را ایجاد می کند بال هواپیما است. نمای بال معمولاً مطابق شکل به شکل قطره اشک منحنی است.

پروفیل بال
پروفیل بال

هنگامی که هوا در اطراف بال جریان دارد، سرعت هوایی که در امتداد قسمت بالایی بال می گذرد از سرعت جریان پایینی بیشتر می شود. در این حالت، فشار هوای ساکن در بالا کمتر از زیر بال می شود. اختلاف فشار بال را به سمت بالا هل می دهد و باعث بالا رفتن می شود. بنابراین، برای اطمینان از اختلاف فشار، تمام پروفیل های بال نامتقارن ساخته می شوند. برای بال با مشخصات متقارن در زاویه حمله صفر، بالابر در پرواز در سطح صفر است. با چنین بال، تنها راه ایجاد آن تغییر زاویه حمله است. جزء دیگری از نیروی بالابر وجود دارد - القایی. او استبه دلیل کج شدن جریان هوا به سمت پایین توسط سطح زیرین منحنی بال ایجاد می شود که به طور طبیعی منجر به ایجاد نیروی معکوس رو به بالا بر روی بال می شود.

پاکسازی هواپیما
پاکسازی هواپیما

محاسبه

فرمول محاسبه نیروی بالابر بال هواپیما به شرح زیر است:

Y=CyS(PV 2)/2

کجا:

  • Cy - ضریب لیفت.
  • S - ناحیه بال.
  • V - سرعت جریان آزاد.
  • P - چگالی هوا.

اگر همه چیز با چگالی هوا، مساحت بال و سرعت مشخص باشد، ضریب بالابر مقداری است که به طور تجربی به دست می آید و ثابت نیست. بسته به مشخصات بال، نسبت ابعاد، زاویه حمله و سایر مقادیر متفاوت است. همانطور که می بینید، وابستگی ها عمدتاً خطی هستند، به جز سرعت.

این ضریب مرموز

ضریب بلند کردن بال یک مقدار مبهم است. محاسبات پیچیده چند مرحله ای هنوز به صورت تجربی تأیید می شوند. این کار معمولا در یک تونل باد انجام می شود. برای هر پروفیل بال و برای هر زاویه حمله، مقدار آن متفاوت خواهد بود. و از آنجایی که بال خود پرواز نمی کند، بلکه بخشی از هواپیما است، چنین آزمایشاتی بر روی نسخه های کاهش یافته مربوطه از مدل های هواپیما انجام می شود. بال ها به ندرت جداگانه آزمایش می شوند. با توجه به نتایج اندازه گیری های متعدد هر بال خاص، می توان وابستگی ضریب را به زاویه حمله و همچنین نمودارهای مختلفی که وابستگی را منعکس می کند ترسیم کرد.بالابر از سرعت و مشخصات یک بال خاص، و همچنین از مکانیزاسیون آزاد شده بال. یک نمودار نمونه در زیر نشان داده شده است.

وابستگی به زاویه حمله
وابستگی به زاویه حمله

در واقع، این ضریب توانایی بال را برای تبدیل فشار هوای ورودی به بالابر مشخص می کند. مقدار معمول آن از 0 تا 2 است. رکورد 6 است. تا کنون، یک فرد بسیار دور از کمال طبیعی است. به عنوان مثال، این ضریب برای یک عقاب، زمانی که با یک گوفر صید شده از زمین بلند می شود، به مقدار 14 می رسد. از نمودار بالا مشخص است که افزایش زاویه حمله باعث افزایش ارتفاع به مقادیر زاویه خاص می شود.. پس از آن، اثر از بین می رود و حتی در جهت مخالف می رود.

جریان توقف

همانطور که می گویند، همه چیز در حد اعتدال خوب است. هر بال از نظر زاویه حمله محدودیت خاص خود را دارد. زاویه حمله به اصطلاح فوق بحرانی منجر به استال در سطح بالایی بال می شود و آن را از بلند شدن محروم می کند. استال به طور ناهموار در کل منطقه بال رخ می دهد و با پدیده های متناظر و بسیار ناخوشایند مانند لرزش و از دست دادن کنترل همراه است. به اندازه کافی عجیب، این پدیده چندان به سرعت بستگی ندارد، اگرچه بر آن نیز تأثیر می گذارد، اما دلیل اصلی وقوع استال، مانور شدید همراه با زوایای حمله فوق بحرانی است. به همین دلیل بود که تنها سقوط هواپیمای Il-86 رخ داد، زمانی که خلبان که می خواست در یک هواپیمای خالی بدون مسافر "خودنمایی" کند، ناگهان شروع به صعود کرد که به طرز غم انگیزی پایان یافت.

مقاومت

دست در دست با بالابر می آید کشیدن،جلوگیری از حرکت هواپیما به جلو از سه عنصر تشکیل شده است. اینها نیروی اصطکاک ناشی از تأثیر هوا بر هواپیما، نیروی ناشی از اختلاف فشار در نواحی جلوی بال و پشت بال و مؤلفه القایی مورد بحث در بالا هستند، زیرا بردار عمل آن جهت است. نه تنها به سمت بالا، که به افزایش لیفت کمک می کند، بلکه به عقب، متحد مقاومت است. علاوه بر این، یکی از مولفه های مقاومت القایی، نیرویی است که در اثر عبور هوا از انتهای بال ایجاد می شود و باعث ایجاد جریان های گردابی می شود که باعث افزایش اریب جهت حرکت هوا می شود. فرمول درگ آیرودینامیکی کاملاً مشابه فرمول نیروی بالابر است، به جز ضریب Su. به ضریب Cx تغییر می کند و به صورت تجربی نیز تعیین می شود. مقدار آن به ندرت از یک دهم تجاوز می کند.

نسبت کاهش به کشیدن

نسبت نیروی بالابر به نیروی کشش کیفیت آیرودینامیکی نامیده می شود. در اینجا باید یک ویژگی را در نظر گرفت. از آنجایی که فرمول های نیروی بالابر و نیروی پسا به جز ضرایب یکسان است، می توان فرض کرد که کیفیت آیرودینامیکی هواپیما با نسبت ضرایب Cy و Cx تعیین می شود. نمودار این نسبت برای زوایای حمله خاص قطب بال نامیده می شود. نمونه ای از چنین نموداری در زیر نشان داده شده است.

بال قطبی
بال قطبی

هواپیماهای مدرن دارای ارزش کیفی آیرودینامیکی حدود 17-21 و گلایدرها - تا 50 هستند. این بدان معنی است که در هواپیما بال بالابر در شرایط بهینه است.17-21 برابر بیشتر از نیروی مقاومت. در مقایسه با هواپیمای برادران رایت که امتیاز 6.5 را کسب کرد، پیشرفت طراحی واضح است، اما عقاب با گوفر نگون بخت در پنجه هایش هنوز فاصله زیادی دارد.

حالت های پرواز

حالت های مختلف پرواز به نسبت بالابر به کشیدن متفاوتی نیاز دارند. در پرواز در سطح کروز، سرعت هواپیما بسیار زیاد است و ضریب بالابر متناسب با مجذور سرعت، در مقادیر بالایی قرار دارد. نکته اصلی در اینجا به حداقل رساندن مقاومت است. در هنگام برخاستن و به خصوص فرود، ضریب لیفت نقش تعیین کننده ای دارد. سرعت هواپیما کم است، اما موقعیت پایدار آن در هوا ضروری است. یک راه حل ایده آل برای این مشکل ایجاد یک بال به اصطلاح تطبیقی است که انحنا و مساحت آن را بسته به شرایط پرواز تقریباً به همان روشی که پرندگان انجام می دهند تغییر می دهد. تا زمانی که طراحان موفق نشدند، تغییر ضریب بالابر با استفاده از مکانیزاسیون بال حاصل می شود که هم مساحت و هم انحنای پروفیل را افزایش می دهد که با افزایش مقاومت، بالابر را به میزان قابل توجهی افزایش می دهد. برای هواپیماهای جنگنده، از تغییر در رفت و برگشت بال استفاده شد. این نوآوری امکان کاهش درگ در سرعت‌های بالا و افزایش نیروی بالابر در سرعت‌های پایین را ممکن کرد. با این حال، این طراحی غیر قابل اعتماد بود و اخیراً هواپیماهای خط مقدم با بال ثابت ساخته شده اند. راه دیگر برای افزایش نیروی بالابر بال هواپیما، دمیدن اضافی بال با جریانی از موتورها است. این در ارتش اجرا شده استهواپیماهای ترابری An-70 و A-400M که به دلیل این خاصیت، با فاصله کوتاه‌تر برخاست و فرود متمایز می‌شوند.

توصیه شده: