Вступление
Снова здравствуй, дорогой читатель и спасибо, что всё ещё интересуешься авиацией. Это очередная статья будет посвящена основным знаниям по аэродинамике, в привычном уже для нас ключе при помощи простых объяснений от студента, рисунков и пояснений. И раз уж в предыдущей статье мы затронули силы действующие на самолет и там же разобрали более подробно подъемную силу, то как Вы понимаете мы не может оставить без внимания и силы действующие на самолет по горизонтальной оси: тягу и силу лобового сопротивления. В этой статье мы разберем из что это за сила и из чего же состоит сила лобового сопротивления. А вскоре выйдет и следующие статьи, которые продолжат наш сегодня взятый курс и расскажут о тяге, кривых Жуковского, характерных скоростях горизонтального полета, а также 1 и 2ой режимы полета, но обо всем по порядку. Настроились? Тогда вперед!
Сила лобового сопротивления
Как мы помним из предыдущей статьи сила лобового сопротивления это та сила, что замедляет самолет, и направлена она всегда в сторону, противоположную направлению движения. Оказывается сила лобового сопротивления состоит из нескольких составляющих:
1. Профильное сопротивление - это как раз таки то самое сопротивление, возникающее при обтекании потоком воздуха формы летательного аппарата. Оно вызвано действием силы трения и силы давления.
- Сопротивление трения
Оно объясняется наличием у воздуха такого свойства как вязкость (вспоминаем мою первую статью, способность сопротивляться действию внешних сил). Посмотрим на рисунок, профиль крыла обдувается набегающим потоком, сверху профиля в процессе обтекания струйки воздуха начинают сужаться, однако дальше наступает момент когда воздух начинает словно закручиваться происходит это потому что происходит отрыв воздуха от профиля, воздух как будто не успевает снова опуститься, чтобы следовать вдоль профиля.
Для простоты понимания представим верхнюю поверхность профиля в виде горки, а поток воздуха в виде гоночной машины. Машина несется на большой скорости и в какой-то момент забирается уже в горку, однако потом не теряя скорости несется вперед. Что произойдет с ней дальше? Правильно она подскочит и оторвется от земли так как просто не успеет опустится. А теперь усложним задачу, представим не одну, а 8 машин едущих друг за другом, так вот когда первая подскочит в воздух она замедлится (ведь она больше не соприкасается с поверхностью, значит колеса крутятся впустую), а за ней ведь на огромной скорости несутся другие машины, в итоге все они столкнутся. Что и будет аналогично закручиванию потока воздуха на профиле крыла.
Так вот струйки воздуха, движущиеся в одном направлении, параллельно друг другу образуют так называемый ламинарный поток (что значит слой над слоем). А закрученные струйки образуют турбулентный поток (что значит перемешивающийся). А точка на профиле крыла, в которой происходит переход от ламинарного к турбулентному называется точкой перехода.
К чему я все это веду? А к тому, что в ламинарном слое сопротивление трения намного ниже, чем в турбулентном. Именно поэтому для того чтобы сохранить воздушный поток как можно дольше ламинарным, необходимо подбирать оптимальную форму профиля крыла (не делать горку слишком крутой иначе машины взмоют в воздух) и делать поверхность крыла максимально гладкой (дорога без ямок и кочек иначе машина подскочит на них).
- Сопротивление давления
Переходим к сопротивлению давления, тут ситуация обстоит проще. Снова рассматриваем профиль крыла. Набегающий поток встречает на пути препятствие в виде профиля крыла, и давление непременно начинает расти, а за профилем крыла - падать ведь воздух который должен был обогнуть профиль застрял перед ним.
Для простоты понимания опять таки представим себе метро в час пик. Люди идут друг за другом между ними почти нет свободного места и вот кто то впереди упал (воздух встретил препятствие в виде профиля крыла), а все люди что шли за ним следом начали давить друг на друга (давление перед профилем возрастает), при этом впереди упавшего теперь есть много свободного места, ведь никто не может обойти его (давление за профилем падает).
Вот именно из за разности этих давлений перед крылом и за крылом и появилось сопротивление давления. Его величина не так велика, однако при увеличении угла атаки (можем представить как крыло становится все более перпендикулярно по отношению к набегающему потоку), это сопротивление значительно возрастает. Также это сопротивление зависит от толщины профиля крыла, ведь чем толще профиль, тем больше воздуха он остановит.
Итак мы определились с составляющими профильного сопротивления. А вот и его график: сумма сопротивлений трения и давления.
2. Индуктивное
Это сопротивление возникает за счет перетекания воздуха с нижней стороны профиля крыла на верхнюю. Итак мы только что определились, что под крылом находится зона повышенного давление (толпа в метро), а сверху - пониженного (свободное пространство перед упавшим). Воздух стремится перебежать из зоны повышенного давления в зону пониженного - то есть из под крыла вверх. Где он это может сделать? На передней и задней кромке - это и есть подъемная сила. А вот с боковой стороны крыла у самого края ведь тоже есть граница. Именно это перетекание на боковой грани крыла и создает индуктивное сопротивление.
Однако мы забыли учесть, что самолет движется. А значит необходимо как бы скомбинировать вращательное движение перетекания и поступательное движение самолета.
Получится ничто иное как воздух закрученный по спирали
Кстати вот именно в целях уменьшения индуктивного сопротивления были разработаны и внедрены специальные законцовки крыла называемые "винтипы" (или "винглеты"). Они закрывают боковую кромку крыла, усложняя тем самым перетекания воздуха на концах крыльев.
Отлично с индуктивным сопротивлением тоже разобрались! А теперь построим график:
3. Волновое
Эту составляющую сопротивления мы не затронем, так как она оказывает значительное действие только на скоростях близких к скорости звука, на которых как Вы понимаете пассажирские самолеты (Ту-144 не считаем), не летают. Но вы должны знать, что оно существует и я посвящу отдельно целую статью, чтобы подробнее познакомится с волновым кризисом, скачками уплотнения и тд.
Итог
Теперь мы знаем составляющие лобового сопротивления и можем построить итоговый график просуммировав все составляющие (профильное, состоящее из трения и давления, и индуктивное).
Пунктирной линией на рисунке отмечено суммарное лобовое сопротивление, запомните хорошенько откуда оно появилось и как выглядит. Совсем скоро мы с Вами вернемся к нему.
Заключение
Спасибо тебе читатель, что дочитал эту статью до конца, очень надеюсь что Вы открыли для себя что-то новое или даже просто укрепили свое понимание и вспомнили давно изученный материал. Я безусловно продолжу заниматься написание познавательных статей со своего студенческого взгляда на мир, науку и авиацию в целом. Буду признателен Вашей поддержке, в виде комментариев, критики или вопросов. Всем с удовольствием отвечу и прочту. Успехов во всех начинаниях и конечно приходите в небо, летать на замечательных самолетах, это всё ещё того стоит!