Всем привет! Пристегните свои привязные ремни, мы начинаем.
Как вы думаете, почему фюзеляжи большинства самолетов имеют практически одинаковую форму, а все стыки идеально зализаны? Все дело в аэродинамической интерференции частей самолета, то есть в том, как одни части самолета влияют на другие с точки зрения аэродинамики. Сегодня разберемся, как и почему это происходит, а также посмотрим, как конструкторы и инженеры научились справляться с этой проблемой.
Взаимовлияние частей самолета
Аэродинамические характеристики самолета зависят от аэродинамических характеристик его частей (крыла, фюзеляжа, оперения и др.), но в то же время не являются их суммой. Причиной тому служит наложение отдельных частей самолета (в геометрическом понимании) и вследствие этого изолирование некоторой области воздушного потока и ухудшение обтекания, а также взаимное влияние частей самолета друг на друга. Это взаимовлияние выражается в изменении скоростей и давлений вблизи и на поверхностях обтекаемых частей, а следовательно, меняется распределение аэродинамических сил, увеличивается лобовое сопротивление и происходит ухудшение характеристик.
Иногда интерференция может оказывать и положительный эффект. Так, например, на Ил-76 (верхнеплан) интерференция крыла и фюзеляжа дает прирост подъемной силы и уменьшает лобовое сопротивление. Ну или не так сильно уменьшает подъемную силу и увеличивает сопротивление по сравнению с другими вариантами расположения крыла - тут уж как посмотреть.
Это связано с тем, что при обтекании самолета воздушным потоком с вертикальной составляющей Vy поток деформируется, и в корневых частях крыла появляется прирост этой самой вертикальной составляющей ΔVy. Местные углы атаки в этих областях так же увеличиваются, повышается давление под крылом. Это приводит к тому, что струйки на верхней поверхности крыла деформируются еще сильнее, увеличивается скорость течения и разряжение, которое, распространяясь на фюзеляж, увеличивает подъемную силу системы «крыло-фюзеляж» за счет корневых частей.
Простыми словами - получается халявный прирост подъемной силы просто за счет верхнего расположения крыла.
Диффузорный эффект
В местах сочленения крыла и фюзеляжа присутствует еще один нюанс. Воздушный поток там движется как бы по двугранному каналу переменного сечения. Физика процесса устроена так, что в сужающейся части канала скорость потока растет, давление падает, а в расширяющейся - наоборот. Это приводит к тому, что слой воздушного потока, который протекает непосредственно около поверхности самолета (пограничный слой) утолщается и отрывается, создавая при этом сильное сопротивление. Это явление называется диффузорным эффектом или «мешком».
Наибольшее влияние диффузорный эффект оказывает на самолетах-низкопланах, где крыло располагается в нижней части фюзеляжа.
Инженерные решения
Отрицательное влияние интерференции частей самолета решили снизить конструктивными методами. Так, для уменьшения диффузорного эффекта в местах сочленения крыла и фюзеляжа, пилонов и крыла, пилонов и фюзеляжа начали ставить обтекатели, называемые зализами.
Они создают плавные обводы в местах сочленения частей и обеспечивают в диффузоре такое обтекание, при котором отсутствует сильное торможение воздушного потока.
Для уменьшения вредной интерференции еще на этапе проектирования самолетов обычно используют «правило площадей».
Согласно данному правилу, для обеспечения минимального сопротивления необходимо, чтобы площади поперечных сечений самолета изменялись так, как у тела вращения, обладающего минимальным сопротивлением. Да, звучит немного замудрено. Но на практике это правило сводится к уменьшению площади поперечного сечения фюзеляжа в местах сопряжения с крылом, мотогондолами или увеличению площади сечения фюзеляжа перед крылом.
Применение правила площадей на скоростях, близких к скорости звука, приводит к уменьшению возрастания сопротивления на 60-80% и снижает сопротивление ВС в целом на 20%.
Однако его использование возможно не всегда по причине искривления силовых элементов ВС и утяжеления его конструкции.
———————————————————————
До новых встреч и хорошего полёта!