Разложение равнодействующей сопротивления воздуха (рис. 49)

Интересно знать составляющие силы сопротивления воздуха по направлению перемещения и по направлению, ему перпендикулярному. Для этого проведем через центр давления прямые, параллельно и перпендикулярно к направлению перемещения, и разложим по ним результирующую. Составляющая Р, идущая в направлении, перпендикулярном к перемещению, называется подъемной силой. Эта сила поддерживает самолет в воздухе; это полезная сила. Составляющая Т, идущая в направлении, параллельном перемещению, называется лобовым сопротивлением. Она стремится противодействовать перемещению; это вредная сила. Когда увеличивают угол атаки, подъемная сила уменьшается и лобовое сопротивление увеличивается. Поэтому на самолетах употребляются малые углы атаки (от 0 до 15°).

Случай изогнутых поверхностей

Сопротивление воздуха

Для самолетов используют изогнутые поверхности, которые дают большую подъемную силу, нежели плоские поверхности тех же размеров. Изогнутые поверхности сохраняют подъемную силу даже при отрицательных углах атаки до 4 и 6°.

Определения

Вогнутую часть изогнутой поверхности называют нижней стороной, а выпуклую часть — верхней стороной. Линией средней кривизны называют воображаемую кривую, проходящую на равных расстояниях от верхней и нижней сторон. Хордой изогнутой поверхности называют прямую, касательную к /ребру атаки и к ребру обтекания. Стрелой вогнутости называют наибольшее расстояние от хорды до линии средней кривизны. Углом атаки изогнутой поверхности называют угол между ее хордой и направлением перемещения (рис. 50).

Аэродинамический спектр изогнутой поверхности похож на спектр наклонной плоской поверхности, но воздушные струи благодаря кривизне более резко отброшены вверх.

Рис. 51	Рис. 52
Рис. 53	Рис. 54

Распределение давления

Распределение давления мало отличается от распределения давления на наклонных поверхностях. Разрежение сверху в 3 раза больше давления снизу.

Перемещение центра давлений

Центр давлений, как и для плоских поверхностей, при угле атаки в 90° находится в середине поверхности; при уменьшении угла атаки центр давления приближается к ребру атаки и при угле атаки в 15° находится в первой трети хорды. Если угол атаки уменьшать далее, то центр давления вернется назад и будет находиться в середине поверхности при угле атаки, равном нулю (рис. 51, 52 и 53).

Направление равнодействующей сопротивления воздуха

Направление сопротивления воздуха, испытываемого изогнутой поверхностью, перпендикулярно к ее хорде и обратно направлению ее перемещения.

Разложение равнодействующей

Производится так же, как и для наклонных плоскостей (рис. 49).

Закон сопротивления воздуха для изогнутых поверхностей

R = KiSV².

Изменения Ki для изогнутых поверхностей

а) В зависимости от угла атаки: для углов, употребляемых в авиации, Ki увеличивается вместе с углом атаки, но быстрее, чем для плоских поверхностей;

б) в зависимости от формы крыла: так же, как и для наклонных плоскостей;

в) в зависимости от стрелы вогнутости: величина возрастает, когда возрастает стрела вогнутости. Положение стрелы также имеет значение; изогнутая поверхность будет обладать наилучшим качеством, повидимому, тогда, когда стрела вогнутости проходит между первой третью и первой четвертью хорды.

Преимущества изогнутых поверхностей

Как мы сказали, изогнутые поверхности имеют большую подъемную силу, чем равновеликие плоские поверхности. Для обычных углов атаки у этих поверхностей имеем отношение:

Т P	= 0,06 (приблизительно),

тогда как для плоских поверхностей это отношение будет:

Т P

= 0,15.

Поверхности, употребляемые в авиации

Крылья самолетов должны иметь толщину, чтобы быть твердыми. Обе их поверхности имеют различную кривизну. Верхняя поверхность крыла выпукла и ее форма схожа с только что рассмотренными нами. Нижняя поверхность крыла имеет меньшую кривизну. Иногда она имеет некоторую выпуклость (для скоростных самолетов).

Как общее правило, тонкий профиль дает большую скорость, а толстый — большую подъемную силу (одно в ущерб другому). Принятые в авиации профили являются компромиссными (рис. 54).

Сопротивление воздуха телам различной формы

Шар вызывает в 6 раз меньшее сопротивление воздуха, чем плоский диск такого же диаметра. Это наглядно видно из сравнения их аэродинамических спектров (рис. 55).

Рис. 55.

Сопротивление воздуха для цилиндра изменяется с удлинением последнего. Оно минимально, когда длина цилиндра равна 4 или 5 радиусам его основания. Если на оба конца цилиндра надеть по полусфере такого же диаметра, то сопротивление воздуха уменьшится в 4–5 раз (рис. 56).

Рис. 56.

Сферо-конические тела

Так называют тела, состоящие из полусферы и конуса. Если сферо-коническое тело перемещается острием вперед, то воздух оказывает ему в 2 раза большее сопротивление, чем в том случае, когда это тело перемещается вперед тупым концом. В этом последнем случае сопротивление воздуха будет в 12 раз меньше, чем для диска такого же диаметра (рис. 56).

Веретенообразные тела

В поисках улучшения качества сферо-конических тел нашли формы, называемые веретенообразными. Лучшая веретенообразная форма это такая, у которой мидель (главное сечение) расположен в первой трети, а длина равна утроенному или упятеренному миделю¹ (рис. 57).

Рис. 57.

Сопротивление воздуха, испытываемое растяжками и тросами

Сопротивление воздуха, испытываемое растяжками и тросами, равно R=KdV² на 1 пог. м. С увеличением диаметра троса К несколько уменьшается. Имеет смысл заменить два тонких троса одним двойным. Величина К близка к 0,06.

Когда трос вибрирует, то воздух оказывает ему такое же сопротивление, какое испытывало бы веретенообразное тело, обладающее формой, которую трос описывает при вибрации.

Сопротивление воздуха, испытываемое стойками

Чтобы уменьшить сопротивление воздуха, стойкам придают обтекаемый профиль. Хорошо обтекаемая стойка испытывает при движении в 10 раз меньшее сопротивление воздуха, чем цилиндрическая стойка того же диаметра (рис. 58).

Равновесие самолета в полете

Части самолета разделяются на три различные группы:

1) части, поддерживающие самолет в воздухе (крылья, стабилизатор);

2) части, почти не имеющие подъемной силы (фюзеляж, шасси и т. д.);

3) винтомоторная группа.  

Для простоты предположим, что самолет лежит в одной плоскости и что его центр тяжести и центр давления совпадают.

Рис. 58.

Горизонтальный полет

Пусть плоскость АВ представляет самолет (рис. 59). На самолет действуют:

1) сила тяжести Q, приложенная в центре тяжести и направленная вертикально вниз;

2) сопротивление воздуха R, приложенное в центре давления и перпендикулярное к плоскости самолета;

3) сопротивление воздуха t, испытываемое ненесущими частями, направленное в сторону, обратную перемещению;

4) тяга винта F, направленная в направлении перемещения.

Рис. 59.

Разложим сопротивление воздуха по направлению скорости и по направлению, перпендикулярному к ней. Мы получим подъемную силу Р и лобовое сопротивление Т. Чтобы самолет летел равномерно, необходимо, чтобы приложенные силы уравновешивались, то есть:

1) подъемная сила должна равняться весу самолета;

2) тяга винта должна равняться лобовому сопротивлению крыла и лобовому сопротивлению ненесущих частей.

Это представляет два условия горизонтального полета:

Р = Q; F = T + t.

Подъем

Пусть самолет, совершающий подъем, представлен плоскостью АВ (рис. 60). На самолет действуют:

1) вес Q, приложенный в центре тяжести и направленный вертикально вниз;

2) сопротивление воздуха R, испытываемое несущими частями, приложенное в центре давления перпендикулярно к плоскости самолета;

3) сопротивление воздуха t, испытываемое ненесущими частями, направленное по траектории подъема в сторону, обратную перемещению;

4) тяга винта F.

Рис. 60.

Разложим сопротивление воздуха по направлению касательной к траектории подъема и по направлению, перпендикулярному к ней. Мы получим подъемную силу Р и лобовое сопротивление Т. Разложим силу тяжести по тем же направлениям; получим составляющую Q₁ перпендикулярную к траектории, и составляющую Q₂ по направлению траектории. Для равномерного подъема самолета необходимо:

1) чтобы подъемная сила была равна Q₁;

2) чтобы тяга винта была равна лобовому сопротивлению крыла плюс сопротивление ненесущих частей и плюс составляющая Q₂:

P = Q₁;

F = T + t + Q₂.

Составляющая Q₂ увеличивается одновременно с углом подъема и вынуждает нас иметь запас мощности.