Начальный курс аэродинамики

Настоящий курс практической аэродинамики представляет собой начальный курс практической аэродинамики для начинающих летное обучение на моделях планерах или самолетах. 

Аэродинамикой называется наука, изучающая законы взаимодействия воздуха и движущегося в нём тела.

 

1. Главные параметры воздуха

 

Воздух-это смесь главным образом двух газов азота и кислорода. В составе воздуха со-держится около 21% кислорода и 79% азота. 

Давлением называется сила, действующая на единицу площади и перпендикулярна ей. Обозначается обычно буквой (P), измеряется в килограммах на единицу площади (кг/м2, кг/см2, атм.). Воздух производит давление у земли равное весу столба воздуха от верхней границы атмосферы до земли (на уровне моря t=+15оС) равное 1,0332 кг/см2.

 Температура — мера нагретости тела и определяет скорость хаотического движения молекул. Измеряется в градусах Цельсия, Кельвина или Фаренгейта. В шкале Кельвина за 0о взята температура прекращения движения молекул (—273о), в шкале Цельсия температура замерзания чистой воды при давлении 760 мм. рт. столба, в шкале Фаренгейта температура замерзания насыщенного раствора соли в воде. Размерность шкалы Цельсия и Кельвина совпадают, шкала Фаренгейта имеет свою размерность. Ноль градусов по Цельсию соответствует +32о Фаренгейта, температура человеческого тела (36,6 оC) соответствует +97,88 о Фаренгейта, точка кипения воды (100оС) +212о Фаренгейта. Перевод из Фаренгейта в шкалу Цельсия (toF-32)*0,55=toC).

Перевод из Цельсия в Фаренгейта toC*1,8+32=toF. 

Плотность. В аэродинамике под понятием плотности обычно понимают массовую плотность. Она характеризует кинетическую энергию молекул воздуха. Обозначается буквой  (читается ро). Массовая плотность — это масса воздуха, содержащаяся в объеме 1 куб. м.(м3).

С увеличением высоты давление монотонно убывает, плотность также уменьшается, но медленнее давления, что вызвано изменением температуры.

Температура воздуха примерно до 11 км уменьшается в среднем на каждый километр на 6,5 оС.

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

 

Характер взаимодействия воздуха и движущегося в нем тела зависит от физических его свойств: инертности, вязкости, сжимаемости.

Инертность

Инертностью называется свойство воздуха сопротивляться изменению скорости. Мерой инертности является его масса

Чем больше плотность воздуха, тем большую инертность будет иметь единица объёма. Инертность принято характеризовать массовой плотностью.

 

Вязкость

Вязкостью воздуха называют его способность сопротивляться сдвигу одних слоёв относительно других. Воздух весьма липкая среда и при обтекании твердого тела скорость воздуха изменяется в определенном слое от 0 на поверхности тела до скорости потока. На торможение “прилипшего” воздуха и преодоление вязкости воздуха затрачивается энергия, что является причиной возникновения силы трения о воздух. Слой, в котором поток тормозится от своей скорости до нуля у поверхности тела называется пограничным слоем. Он невелик и имеет толщину от 1,5 до 3 % от длины обтекаемого тела.

Сжимаемость

Воздух — это газ, и он подвержен сжимаемости. Заметное влияние на обтекание тел сжимаемость оказывает на М=0,4 и более. До М=0,4 влияние сжимаемости обычно не учитывается. Число М (Маха) показывает отношение скорости полёта к скорости распространения звуковых волн. У земли скорость звука около 1230 км/ч. С увеличением высоты плотность воздуха падает, он становится менее упругим и скорость звука падает. Следовательно, при равной скорости относительно воздуха с поднятием на высоту число М растет.

Продольная управляемость авиамодели

Продольной управляемостью называется способность модели изменять угол полета под действием руля высоты. Управляя каналом руля высоты, моделист управляет направлением и величиной подъёмной силы стабилизатора. Под действием этой силы модель может поворачиваться вокруг поперечной оси Z, изменяя тем самым угол атаки крыла. Продольная управляемость сильно зависит от центровки, а также от площади руля высоты, стабилизатора и длины хвостовой части фюзеляжа. При передней центровке самолет более устойчив по перегрузке, и для создания требуемой перегрузки необходим больший расход руля высоты, и, наоборот, при предельно задней центровке устойчивость минимальна, и ЛА резко реагирует на малейшее отклонение руля высоты.

Поперечная и путевая устойчивость

Поперечной устойчивостью называется способность самолета самостоятельно выходить из образовавшегося крена. Поперечная устойчивость обеспечивается положительным V крыла. Боковая поверхность модели тоже имеет свой аэродинамический фокус - точку, в которой прикладывается боковая сила, равнодействующая всех боковых сил, воздействующих на самолет, Как мы видим, из-за большой площади киля боковой фокус находится позади и выше ЦТ.. Боковая аэродинамическая сила, воздействуя на точку F фокуса, стремится повернуть авиамодель вокруг продольной оси X (убрать крен) и вокруг вертикальной оси Y (убрать скольжение). Из этого следует, что поперечная и путевая устойчивость обеспечивается в основном расположением бокового аэродинамического фокуса позади и выше центра тяжести. Это обеспечивается в основном подъёмом и площадью вертикального оперения.

Тяга

На самолете тяга создается пропеллером, турбовентилятором или потоком газов (в реактивном двигателе). Вращающийся пропеллер или турбовентилятор, или поток реактивных газов заставляют самолет двигаться вперед. Чем больше тяга, тем больше скорость. Тяга может изменяться пилотом за счет уменьшения увеличения подачи топлива в двигатель.

Критические углы

С увеличением угла атаки величина подъемной силы растет и она отклоняется более и более назад из-за роста сопротивления воздуха, но угол атаки не может постоянно и безнаказанно расти, в конце концов сук обламывается и наступает срыв потока с крыла. При срыве потока крыло теряет свою несущую способность и мало чем отличается от обычной обрезной доски. Кроме того, срыв происходит не одновременно на всём крыле и сопровождается тряской с последующим вращением авиамодели. Каждое крыло имеет свой, критический угол атаки, после превышения которого наступает срыв потока. У толстых профилей критический больше, чем у тонких из-за более плавного обтекания профиля.

Критический угол мало зависит от скорости полёта. Следует понять и прочно запомнить, что срыв происходит из-за превышения критического угла атаки, потеря скорости лишь частный случай его достижения. На критический угол можно вывести ЛА в широком диапазоне скоростей, например при интенсивном маневрировании. После срыва модель для возвращения в нормальный режим полёта требуется запас высоты. Срыв модели вблизи земли из-за дефицита высоты ведет к аварии. Срыв на малой высоте - это причина 80% всех аварий и повреждений модели среди моделистов.

Выкос оси двигателя.

Как влияет отклонение оси мотора относительно оси фюзеляжа модели? Как это повлияет на поведение авиамодели в воздухе? На эти вопросы отвечают участники форума RCPILOT . RU

Вот что пишет Гавриков Юрий Андреевич:

Для начала договоримся, что рассматриваем самолёт сзади, это если бы мы сидели в кабине.

Выкос двигателя вниз - делается для компенсации увеличения кабрирующего момента при работе двигателя, т.к. происходит обдувка крыла ВВ и появляется подъёмная сила на участке крыла, и, плюс к этому, зачастую ось двигателя не совпадает с ЦТ, а находится ниже. Значит, при работе двигателя появляется вектор тяги, который также даёт кабрирующий момент. И вот чтобы эти явления сгладить и постоянно не работать триммерами - выкашивают вниз. Угол подбирается при облётах, но примерно 2-5 градусов. При симметричном профиле и совпадении оси СУ(силовой установки), ЦТ и хорде крыла выкашивать вниз нет необходимости.

Вправо - для компенсации реактивного момента от ВВ. Обычное вращение по часовой (вправо, если смотрим сзади) при этом реактивный момент вращает самолёт влево. Угол также при облётах, но примерно 2-5 град. зависит от параметров ВВ и двигателя.

Чем больше диаметр и масса тем больше момент.

Если выкосов не делать, то при максимальном газе модель задирает нос, кренится влево - мы рулями компенсируем, триммируем, привыкаем, а потом выкл. или малый газ - модель опускает нос, кренится вправо что неприятно при малой высоте.

Вот примерно так, без научного языка.

Следющий вопрос был таков:

Практическая задача: Профиль симметричный, но ось СУ выше оси профиля крыла и соответственно выше ЦТ. Как быть в этом случае ? С выкосом в право я усвоил, а вот в вертикальной плоскости - не очень ...

Ответ:

У низкоплана возможно и не надо делать выкос, т.к. обдувка может компенсировать пикирующий момент (вектор тяги * плечо приложения силы), надо предусмотреть крепление мотора с возможностью регулировать углы установки. При больших расстояниях как у гидропланов и с СУ на пилонах, надо выкашивать вверх. Нужно порисовать векторы и плечи приложения сил относительно ЦТ. Там получится параллелограмм смотреть результирующую, анализировать варианты. но итог - полёты. В устойчивом ГП увеличиваешь газ, смотрим, если пикирует - угол выкоса вверх, и наоборот. Так же с креном. Только надо чтобы в ГП был средний режим СУ.

Еще ответ моделиста из Санкт Петербурга:

Вопрос не глупый, мало кто из моделистов признается, что плавает в этом, тут надо просто подумать, вот посмотрите:

Рисуем вектор тяги, зная тягу двигателя, размечаем линию в масштабе 1Н - 1 см и откладываем нужное количество сантиметров

Рисуем вертикальную линию и откладываем по ней вектор подъемной силы (расчет из таблиц)

потом рисуем вектор суммы, и если угол между результирующей и вектором тяги < 45 то о выкосе можно не беспокоиться, а если более, то тогда компенсировать избыточную подъемную силу крыла.

Надеюсь вы знаете как сложить два вектора графическим способом!