این نیروی پسا در هواپیماها به دلیل بالها یا بدنه بالابر که هوا را تغییر جهت می دهد و باعث بالا رفتن می شود، و در خودروهایی با بالهای ایرفویل که هوا را تغییر جهت می دهند و باعث ایجاد نیروی رو به پایین می شوند، رخ می دهد. ساموئل لنگلی متوجه شد که صفحات مسطح تر و با نسبت تصویر بالاتر، نیروی کشش و کشش کمتری دارند و در سال 1902 معرفی شدند. بدون اختراع کیفیت آیرودینامیکی هواپیما، طراحی مدرن هواپیما غیرممکن خواهد بود.
بلند کردن و حرکت
کل نیروی آیرودینامیکی وارد بر بدن معمولاً از دو جزء تشکیل شده است: بالابر و جابجایی. طبق تعریف، مؤلفه نیروی موازی با جریان شمارنده، جابجایی نامیده می شود، در حالی که مؤلفه عمود بر جریان شمارنده، بالابر نامیده می شود.
این اصول آیرودینامیک برای تجزیه و تحلیل کیفیت آیرودینامیکی بال از اهمیت بالایی برخوردار است. بالابر با تغییر جهت جریان در اطراف بال ایجاد می شود. تغییر دادنجهت منجر به تغییر سرعت می شود (حتی اگر تغییری در سرعت وجود نداشته باشد، همانطور که در حرکت دایره ای یکنواخت دیده می شود)، که شتاب است. بنابراین برای تغییر جهت جریان باید نیرویی به سیال وارد شود. این به وضوح در هر هواپیما قابل مشاهده است، فقط به نمایش شماتیک کیفیت آیرودینامیکی An-2 نگاه کنید.
اما همه چیز به این سادگی نیست. در ادامه موضوع کیفیت آیرودینامیکی یک بال، شایان ذکر است که ایجاد بالابر هوا در زیر آن در فشار بالاتری نسبت به فشار هوای بالای آن است. در یک بال با دهانه محدود، این اختلاف فشار باعث می شود که هوا از ریشه بال سطح پایین به سمت پایه سطح بالایی آن جریان یابد. این جریان هوای پرنده با جریان هوا ترکیب می شود و باعث تغییر در سرعت و جهت می شود که جریان هوا را می پیچد و گرداب هایی را در امتداد لبه عقب بال ایجاد می کند. گرداب های ایجاد شده ناپایدار هستند، آنها به سرعت ترکیب می شوند و گرداب های بال ایجاد می کنند. گرداب های حاصل سرعت و جهت جریان هوا را در پشت لبه دنباله دار تغییر می دهند و آن را به سمت پایین منحرف می کنند و در نتیجه باعث ایجاد فلپ در پشت بال می شوند. از این منظر، برای مثال، هواپیمای MS-21 از نسبت بالابر به درگ سطح بالایی برخوردار است.
کنترل جریان هوا
گرداب ها به نوبه خود جریان هوا را در اطراف بال تغییر می دهند و توانایی بال را برای ایجاد بالابر کاهش می دهند، بنابراین به زاویه حمله بالاتری برای همان بالابر نیاز دارد که کل نیروی آیرودینامیکی را به عقب متمایل می کند و مولفه درگ را افزایش می دهد. آن نیرو انحراف زاویه ای ناچیز استبر لیفت تاثیر می گذارد. با این حال، افزایش نیروی پسا برابر با حاصلضرب بالابر و زاویه انحراف آن وجود دارد. از آنجایی که انحراف خود تابعی از بالابر است، کشش اضافی متناسب با زاویه صعود است که به وضوح در آیرودینامیک A320 قابل مشاهده است.
نمونه های تاریخی
یک بال سیاره ای مستطیلی ارتعاشات گردابی بیشتری نسبت به بال های مخروطی یا بیضوی ایجاد می کند، به همین دلیل است که بسیاری از بال های مدرن برای بهبود نسبت بالابر به درگ مخروطی شده اند. با این حال، بدنه هواپیما بیضوی کارآمدتر است زیرا شستشوی القایی (و در نتیجه زاویه حمله موثر) در کل دهانه بالها ثابت است. به دلیل پیچیدگی‌های ساخت، تعداد کمی از هواپیماها این طرح را دارند که معروف‌ترین نمونه‌های آن اسپیت‌فایر و تاندربولت در جنگ جهانی دوم است. بال های مخروطی با لبه های مستقیم و انتهایی می توانند به توزیع بالابر بیضی نزدیک شوند. به عنوان یک قاعده کلی، بال های مستقیم و بدون مخروط 5% و بال های مخروطی 1-2% کشش القایی بیشتری نسبت به بال های بیضوی ایجاد می کنند. بنابراین کیفیت آیرودینامیکی بهتری دارند.
تناسب
یک بال با نسبت تصویر بالا در مقایسه با بال با نسبت تصویر پایین، کشش القایی کمتری ایجاد می کند، زیرا در نوک بال باریک تر و بلندتر، اختلال هوا کمتر است. بنابراین، القا شده استمقاومت می تواند با تناسب نسبت معکوس داشته باشد، مهم نیست که چقدر متناقض به نظر می رسد. توزیع بالابر را می توان با شستن، چرخاندن بال به اطراف برای کاهش افت به سمت بال ها و با تغییر ایرفویل در نزدیکی بال ها تغییر داد. این به شما امکان می دهد تا بیشتر به ریشه بال نزدیکتر شوید و کمتر به بال بروید، که منجر به کاهش قدرت گردابه های بال و در نتیجه بهبود کیفیت آیرودینامیکی هواپیما می شود.
در تاریخ طراحی هواپیما
در برخی از هواپیماهای اولیه، باله ها روی نوک دم نصب می شدند. هواپیماهای بعدی برای کاهش شدت گرداب ها و دستیابی به حداکثر نسبت بالابر به درگ، شکل بال متفاوتی دارند.
مخازن سوخت پروانه روی پشت بام نیز می توانند با جلوگیری از جریان آشفته هوا در اطراف بال، مزایایی را به همراه داشته باشند. اکنون آنها در بسیاری از هواپیماها استفاده می شوند. کیفیت آیرودینامیکی DC-10 به شایستگی در این زمینه انقلابی در نظر گرفته شد. با این حال، بازار هوانوردی مدرن مدت‌هاست که با مدل‌های بسیار پیشرفته‌تر پر شده است.
فرمول کشیدن به کشیدن: به زبان ساده توضیح داده شده
برای محاسبه مقاومت کل لازم است که به اصطلاح مقاومت انگلی را در نظر بگیرید. از آنجایی که درگ القایی با مجذور سرعت هوا (در یک بالابر معین) نسبت معکوس دارد، در حالی که کشش انگلی با آن نسبت مستقیم دارد، منحنی کشش کلی حداقل سرعت را نشان می دهد. هواپیما،پرواز با چنین سرعتی، با کیفیت های آیرودینامیکی مطلوب عمل می کند. با توجه به معادلات فوق، سرعت حداقل مقاومت در سرعتی رخ می دهد که مقاومت القایی برابر با مقاومت انگلی باشد. این سرعتی است که در آن زاویه لغزش بهینه برای هواپیماهای بیکار بدست می آید. برای اینکه بی اساس نباشید، فرمول مثال یک هواپیما را در نظر بگیرید:
ادامه فرمول نیز کاملاً کنجکاو است (تصویر زیر). پرواز بالاتر، در جایی که هوا رقیق‌تر است، سرعت کمتری را افزایش می‌دهد و بنابراین امکان سفر سریع‌تر در همان مقدار را فراهم می‌کند. سوخت.
اگر هواپیما با حداکثر سرعت مجاز خود پرواز کند، ارتفاعی که در آن چگالی هوا بهترین کیفیت آیرودینامیکی را برای آن فراهم می کند. ارتفاع بهینه در حداکثر سرعت و سرعت مطلوب در حداکثر ارتفاع ممکن است در طول پرواز تغییر کند.
استقامت
سرعت برای حداکثر استقامت (یعنی زمان در هوا) سرعت برای حداقل مصرف سوخت و سرعت کمتر برای حداکثر برد است. مصرف سوخت به عنوان حاصلضرب توان مورد نیاز و مصرف سوخت خاص در هر موتور (مصرف سوخت در واحد قدرت) محاسبه می شود. توان مورد نیاز برابر است با زمان کشیدن.
تاریخ
توسعه آیرودینامیک مدرن تنها در XVII آغاز شدقرن‌هاست، اما هزاران سال است که انسان‌ها از نیروهای آیرودینامیکی در قایق‌های بادبانی و آسیاب‌های بادی استفاده می‌کنند و تصاویر و داستان‌های پرواز در تمام اسناد و آثار هنری تاریخی مانند افسانه یونان باستان ایکاروس و ددالوس ظاهر می‌شود. مفاهیم اساسی پیوستگی، مقاومت و گرادیان فشار در آثار ارسطو و ارشمیدس ظاهر می شود.
در سال 1726، سر اسحاق نیوتن اولین کسی بود که نظریه مقاومت هوا را توسعه داد و آن را به یکی از اولین بحث ها در مورد کیفیت های آیرودینامیکی تبدیل کرد. دانیل برنولی، ریاضیدان هلندی-سوئیسی در سال 1738 رساله ای به نام هیدرودینامیک نوشت که در آن رابطه اساسی بین فشار، چگالی و سرعت جریان برای جریان تراکم ناپذیر را شرح داد، که امروزه به عنوان اصل برنولی شناخته می شود، که یک روش برای محاسبه بالابر آیرودینامیکی ارائه می دهد. در سال 1757، لئونارد اویلر معادلات کلی تر اویلر را منتشر کرد که می تواند برای جریان های تراکم پذیر و تراکم ناپذیر اعمال شود. معادلات اویلر بسط داده شد تا اثرات ویسکوزیته را در نیمه اول دهه 1800 شامل شود و معادلات ناویر-استوکس را به وجود آورد. عملکرد آیرودینامیکی/کیفیت آیرودینامیکی قطب در همان زمان کشف شد.
بر اساس این رویدادها و همچنین تحقیقات انجام شده در تونل باد خودشان، برادران رایت اولین هواپیما را در 17 دسامبر 1903 پرواز کردند.
انواع آیرودینامیک
مشکلات آیرودینامیکی بر اساس شرایط جریان یا خصوصیات جریان، از جمله ویژگی هایی مانند سرعت، تراکم پذیری و ویسکوزیته طبقه بندی می شوند. آنها اغلب به دو نوع تقسیم می شوند:
- آیرودینامیک خارجی مطالعه جریان در اطراف اجسام جامد با اشکال مختلف است. نمونه‌هایی از آیرودینامیک خارجی، ارزیابی بالابر و کشیدن هواپیما یا امواج ضربه‌ای است که در مقابل دماغه موشک ایجاد می‌شود.
- آیرودینامیک داخلی مطالعه جریان عبوری در اجسام جامد است. برای مثال، آیرودینامیک داخلی مطالعه جریان هوا از طریق موتور جت یا از طریق دودکش تهویه مطبوع را پوشش می‌دهد.
مشکلات آیرودینامیکی را نیز می توان بر اساس سرعت جریان کمتر یا نزدیک به سرعت صوت طبقه بندی کرد.
مشکل نام دارد:
- فرع صوت، اگر همه سرعت های مشکل کمتر از سرعت صوت باشد؛
- ترانسونیک اگر سرعت هایی هم کمتر و هم بالاتر از سرعت صوت وجود داشته باشد (معمولاً زمانی که سرعت مشخصه تقریباً برابر با سرعت صوت است)؛
- مافوق صوت، زمانی که سرعت جریان مشخصه از سرعت صوت بیشتر باشد؛
- مافوق صوت، زمانی که سرعت جریان بسیار بیشتر از سرعت صوت است.
آیرودینامیک ها در مورد تعریف دقیق جریان مافوق صوت با هم اختلاف نظر دارند.
تاثیر ویسکوزیته بر جریان، طبقه بندی سومی را دیکته می کند. برخی از مشکلات ممکن است فقط اثرات چسبناک بسیار کوچکی داشته باشند، در این صورت ویسکوزیته ممکن است ناچیز در نظر گرفته شود. تقریب های این مسائل را غیر لزج می نامندجریان ها جریان هایی که ویسکوزیته آنها را نمی توان نادیده گرفت، جریان ویسکوز نامیده می شود.
تراکم پذیری
جریان تراکم ناپذیر جریانی است که در آن چگالی هم از نظر زمان و هم در مکان ثابت است. اگرچه تمام سیالات واقعی تراکم پذیر هستند، جریان اغلب به عنوان غیرقابل تراکم تخمین زده می شود اگر اثر تغییر در چگالی فقط باعث تغییرات جزئی در نتایج محاسبه شده شود. این احتمال بیشتر زمانی است که سرعت جریان بسیار کمتر از سرعت صوت باشد. اثرات تراکم پذیری در سرعت های نزدیک یا بالاتر از سرعت صوت قابل توجه تر است. از عدد ماخ برای ارزیابی احتمال تراکم ناپذیری استفاده می شود، در غیر این صورت باید اثرات تراکم پذیری در آن گنجانده شود.
طبق تئوری آیرودینامیک، اگر چگالی در طول خط جریان تغییر کند، جریان قابل تراکم در نظر گرفته می شود. این بدان معناست که برخلاف جریان تراکم ناپذیر، تغییرات چگالی در نظر گرفته می شود. به طور کلی، این مورد زمانی است که تعداد ماخ بخشی یا کل جریان از 0.3 تجاوز کند. مقدار ماخ 0.3 نسبتاً دلخواه است، اما به این دلیل استفاده می شود که جریان گاز زیر این مقدار کمتر از 5٪ تغییرات چگالی را نشان می دهد. همچنین حداکثر تغییر چگالی 5% در نقطه سکون (نقطه ای روی جسم که سرعت جریان صفر است) رخ می دهد، در حالی که چگالی اطراف بقیه جسم بسیار کمتر خواهد بود. جریان های فراصوت، مافوق صوت و مافوق صوت همگی تراکم پذیر هستند.
نتیجه گیری
آیرودینامیک یکی از مهم ترین علوم در جهان امروز است. او در اختیار ما قرار می دهدساخت هواپیماها، کشتی ها، ماشین ها و شاتل های کمیک با کیفیت. این نقش بزرگی در توسعه انواع مدرن سلاح ایفا می کند - موشک های بالستیک، تقویت کننده ها، اژدرها و هواپیماهای بدون سرنشین. اگر مفاهیم پیشرفته مدرن کیفیت آیرودینامیکی نبود، همه اینها غیرممکن بود.
بنابراین، ایده‌ها درباره موضوع مقاله از خیال‌پردازی‌های زیبا، اما ساده‌لوحانه درباره ایکاروس، به هواپیماهای کاربردی و واقعاً کارآمد که در آغاز قرن گذشته به وجود آمد، تغییر کردند. امروز ما نمی توانیم زندگی خود را بدون ماشین، کشتی و هواپیما تصور کنیم و این وسایل نقلیه با پیشرفت های جدید در آیرودینامیک به پیشرفت خود ادامه می دهند.
کیفیت آیرودینامیکی گلایدرها در زمان خود یک پیشرفت واقعی بود. در ابتدا، تمام اکتشافات در این زمینه با استفاده از محاسبات نظری انتزاعی، گاه جدا از واقعیت، انجام می شد که توسط ریاضیدانان فرانسوی و آلمانی در آزمایشگاه های خود انجام می شد. بعدها، تمام فرمول های آنها برای اهداف دیگر، فوق العاده تر (با استانداردهای قرن هجدهم) مانند محاسبه شکل ایده آل و سرعت هواپیماهای آینده مورد استفاده قرار گرفت. در قرن نوزدهم، این دستگاه ها در مقادیر زیادی شروع به ساخت کردند، با شروع با گلایدر و کشتی های هوایی، اروپایی ها به تدریج به ساخت هواپیما روی آوردند. دومی برای اولین بار منحصراً برای اهداف نظامی مورد استفاده قرار گرفت. آسهای جنگ جهانی اول نشان داد که موضوع تسلط در هوا برای هر کشوری چقدر مهم است و مهندسان دوره بین دو جنگ متوجه شدند که چنین هواپیماهایی نه تنها برای ارتش، بلکه برای غیرنظامیان نیز مؤثر هستند.اهداف با گذشت زمان، هوانوردی غیرنظامی به طور جدی وارد زندگی ما شده است و امروز هیچ کشوری نمی تواند بدون آن کار کند.
