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, автожири та літальні апарати з 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, згідно з законом нерозривності, до збільшення їх швидкості по відношенню до швидкості струйок вдалині 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 струйці 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. В 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, і називається 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 (в 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.

Рис. 2.24. Складової фактичної піднімальної сили.

З погляду аеродинаміки конструктори прагнуть спроектувати крило таким чином, щоб при обтіканні його потоком повітря створювалася необхідна піднімальна сила і найменша сила лобового опору. Однак зі зміною піднімальної сили змінюється і сила лобового опору. Тому для правильної оцінки аеродинамічних властивостей крила необхідно визначати відношення піднімальної сили до сили лобового опору. Це відношення називається аеродинамічною якістю крила К:

Таким чином, аеродинамічна якість крила є відношення коефіцієнта піднімальної сили до коефіцієнта сили лобового опору. У крил сучасних літаків максимальна якість досягає значення 15 – 25. Наприклад, для літака Ан-24 К_max = 17,2, для літака Ту-154 – К_max = 15. Оскільки коефіцієнти С_y і С_х залежать від форми крила і від положення крила в потоці повітря, то і аеродинамічна якість крила К буде залежати від цих факторів.

Планер створює піднімальну силу, так само як і літак, нерухомо закріпленим крилом. Однак планер не має силової установки, тому він може літати тільки на буксирі (за автомобілем, літаком і т.п.) або планерувати. При планеруванні планер знижується за рахунок сили ваги або набирає висоту за рахунок висхідних потоків повітря.

Піднімальна сила вертольота створюється несучим гвинтом, що приводиться в обертання двигуном. При обертанні несучий гвинт із силою відкидає повітря вниз, який з такою ж силою діє на гвинт і вертоліт вгору (рис. 2.25).

Рис. 2.25. Створення піднімальної сили і тяги у вертольота.