68

Министерство образования и науки Украины

Национальный авиационный университет

Аэрокосмический институт

Кафедра конструкции летательных аппаратов

ЛЕКЦИЯ № 4 (3)

по дисциплине "Конструкция и прочность летательных аппаратов"

4. Нагрузки самолета при полете в неспокойном воздухе

Составитель профессор А.И Радченко

Киев 2009

4. Нагрузки самолета при полете в неспокойном воздухе.

4.1. Турбулентность атмосферы

Перегрузки от действия неспокойного воздуха возникают при движении воздуха, направление которого не совпадает с направлением полета самолета, или при турбулентных пульсациях воздуха. Особенностью таких движений воздуха является их беспорядочность и случайный процесс изменения скорости по величине и направлению.

Причины, вызывающие турбулентность атмосферы, имеют различную физическую природу.

При анализе нагрузок, действующих на самолет при полете в неспокойном воздухе, принято различать перемещения воздуха по градиенту скорости. Если скорость движения воздуха до максимального значения возрастает на протяжении 300 – 500 м (около 2 сек), то такие перемещения называются потоками. Перемещения с большим градиентом называются порывами.

Наиболее часто возникают конвективные вертикальные потоки, вызванные нарушением температурного равновесия в атмосфере. Неравномерность нагрева участков земной поверхности приводит к возникновению в приземном слое атмосферы вертикальных перемещений воздуха (рис. 4.1).

Над более нагретыми участками поверхности (песчаное плато, пашня и др.) возникают восходящие потоки, а над менее нагретыми участками (лес, водные пространства и т.д.) возникают нисходящие потоки.

П

Рис. 4.1 Схема возникновения термических потоков

ри устойчивой атмосфере, когда с увеличением высоты температура падает медленно (меньше 6° на 1000 м), конвективные потоки не достигают большой силы и не распространяются на большие высоты. Скорость их может

составлять 2…5 м/с. На высотах, которые больше 1000 м эти потоки затухают, и полет самолета происходит в спокойной атмосфере.

В жаркие дни при устойчивой атмосфере появляются плоские кучевые облака. Выше их верхней границы конвективные потоки не распространяются.

При неустойчивой атмосфере, когда с увеличением высоты температура падает очень быстро (более 9° на 1000 м), и при достаточной влажности воздуха в атмосфере образуются мощные конвективные потоки. Они поддерживаются и питаются энергией, которая выделяется в процессе конденсации водяных паров.

образование конвективных вертикальных потоков сопровождается появлением на небе мощных кучевых или грозовых облаков. при их образовании скорости вертикальных потоков достигают 15 м/с. в приземном слое вне облака скорости потоков меньше (до 10 м/с). Мощные кучевые облака распространяются до высот 4000…5000 м.

Вертикальные потоки еще большей скорости возникают в грозовом облаке. скорость восходящих потоков может достигать 18…50 м/с, а нисходящих – 10…40 м/с.

Мощные кучево-дождевые облака могут достигать больших высот и даже выходить за границу тропосферы. В экваториальной зоне наблюдалась высота купола кучево-дождевого облака на высоте 21000 м, а в умеренных зонах высота их превышает 10000 м (рис. 4.2.).

П олет в грозовых облаках очень опасен, и их следует избегать.

Р

Рис. 4.2 Потоки в мощных

кучево-дождевых облаках

ассмотренные вертикальные потоки до недавнего времени считались основными для определения зоны опасной «болтанки». Однако наибольшую опасность представляют вертикальные потоки, образующиеся при ясном небе, так как при этом отсутствуют какие-либо внешние признаки их существования.

Они возникают на больших высотах где существуют зоны, в которых воздух при ясной погоде сильно турбулизирован. Протяженность этих зон значительна (по высоте до 2000 м и по горизонтали до 600 км)

Одной из причин образования в атмосфере турбулентных зон являются струйные потоки воздуха. Особо значительные по скорости струйные потоки создаются в зонах разрыва по высоте тропопаузы, где воздух сильно турбулизирован. Эффективные вертикальные скорости потоков в этих зонах достигают 6,5 …8,7 м/с.

О бтекание воздухом горных препятствий носит весьма сложный характер (рис. 4.3). Оно зависит от формы препятствия, ориентировки хребта относительно потока, средней скорости и порывистости ветра, термодинамической устойчивости потока, различия в степени нагрева солнечной радиацией склонов и т. д.

При очень слабых ветрах обтекание хребта носит ламинарный характер.

При усилении ветра вблизи кромки хребта возникают круговые движения потока, приводящие к локальному увеличению скорости ветра над хребтом.

р

Рис.4.3. Влияние рельефа поверхности земли на верти- кальные воздушные потоки

азмеры вихрей на подветренной стороне гор колеблются в широких пределах и могут достигать нескольких сот метров. Причем воздух может подтекать к хребту также со стороны, противоположной направлению основного потока. Подветренные вихри периодически отрываются от склонов и уносятся потоком воздуха.

При очень сильных ветрах образование вихрей может происходить даже на наветренной стороне горных хребтов.

При определенных условиях над зоной вихрей возникает система стоячих подветренных волн, которые постепенно затухают при удалении от хребта. Здесь турбулентность потока развита слабо, однако при полете самолета он может испытывать циклическую болтанку.

При полете над горами вертикальные потоки могут наблюдаться на расстояниях больше 15 км от вершин хребтов. Скорость порывов вблизи хребтов может достигать 20 и более м/с.

4.2 Перегрузки при встрече с ограниченным порывом.

Рассмотрим случай встречи самолета с ограниченным воздушным порывом. ниже используются методические подходы к решению рассматриваемой задачи и обозначения переменных величин, содержащиеся в ЕНЛГС.

Самолет летит горизонтально со скоростью v и в некоторый момент времени он встречается с потоком, имеющим скорость w и направленным под углом  к вертикали.

Скорость порывов обычно мала по сравнению со скоростью самолета, поэтому с достаточной степенью точностью можно считать, что набегающий на самолет поток приобретает скорость, равную v + wsin, а угол атаки самолета увеличивается при этом на . Это приводит к увеличению коэффициента подъемной силы с_у на величину с_у (рис.4.4)

Подъемная сила самолета увеличивается на

Рис. 4.4. Изменение с_у при встрече с верти- кальным порывом

(4.1)

Так как в горизонтальном полете , где g – вес самолета, поэтому дополнительная перегрузка, вызванная действием порыва, может быть записана в виде

, (4.2)

где - скоростной напор.

Для вертикального порыва  = 0 (Рис. 3.5) и

(4.3)

Рис. 4.5. Увеличение подъемной силы крыла при встрече с вертикальным порывом

Для горизонтального порыва  =  / 2 и

(4.4)

Максимальное значение Δn при постоянном w и переменном  достигается при

(4.5)

атмосфера является изотропной, т.е. возможная величина w в любом направлении одинакова.

При увеличении скорости полета угол _max быстро убывает. С другой стороны, отношение много меньше единицы. Поэтому увеличением приращения перегрузки при отклонении направления порыва от вертикали можно пренебречь. Например, при  = 14⁰ величина n увеличивается около 3%. Поэтому при расчетах на прочность ограничиваются рассмотрением только вертикальных порывов.