Критическая скорость полета. Волновой кризис Сопротивление самолета на больших скоростях

Волновое сопротивление, намного увеличивающее лобовое сопротивление самолета, появляется еще на дозвуковых скоростях. Это объясняется тем, что при обтекании крыла воздушным потоком, скорость струек воздуха над верхней (выпуклой) его поверхностью значительно превышает скорость полета. В зависимости от формы профиля это может быть и под крылом или в других местах (у соединения крыла с фюзеляжем, у обтекателя кабины и т.д.). Поэтому, когда скорость полета только приближается к скорости звука, местная скорость в некоторых точках крыла уже достигает скорости звука.

Скорость полета, при которой где-либо на крыле получаются местные скорости, равные звуковой, называется критической скоростью (V_кр), а соответствующее число М – критическим числом М

М_кр =

Местные скачки давления сильно изменяют картину распределения давления по крылу и являются причиной возникновения волнового сопротивления, из-за которого сильно растет коэффициент лобового сопротивления С_х. Одновременно с этим резко уменьшается местный коэффициент подъемной силы С_у. У крыла, как говорят, начинается волновой кризис. У хороших крыльев это происходит на скоростях около 900км/час. На рисунке даны примерные диаграммы зависимости коэффициента лобового сопротивления С_х, силы лобового сопротивления Q и коэффициента подъемной силы С_у от числа М. Таким образом, наиболее интенсивный рост лобового сопротивления происходит на больших дозвуковых, а не сверхзвуковых скоростях полета. (стр.84)

Аэродинамические формы скоростных самолетов

С появлением реактивных двигателей проблема большой тяги была решена. Однако возникла необходимость в создании новых аэродинамических форм скоростных самолетов. Устранить волновой кризис невозможно, но можно сделать так, чтобы он наступил как можно позже и протекал более плавно (т.е. увеличить критическую скорость и критическое число М_кр).

Советские ученые создали новые аэродинамические формы самолетов (особенно их крыльев), наиболее выгодные для полета на больших скоростях.

Крыло. Для обычных винтовых самолетов применяются довольно толстые и со значительной кривизной профили крыльев. Но чем больше толщина и кривизна крыла, тем раньше наступает волновой кризис - тем меньше критическая скорость. Для скоростных самолетов нужны крылья тонких профилей с малой и даже с нулевой кривизной, т.е. симметричные. Если скорость самолета очень большая, то крыло симметричного профиля уже при угле атаки 1-2° развивает вполне достаточную подъемную силу.

наильшая толщина

наибольшая толщина

Примерные формы профилей скоростных самолетов (ламинизированные профили).

Наибольшая толщина крыла скоростных профилей примерно на середине хорды, т.е. на 50% или даже на 60% длины хорды от передней кромки см. рис.

Такие профили по сравнению с обычными имеют меньшее лобовое сопротивление. При их обтекании переход ламинарного (плавного) течения воздуха в турбулентное (завихренное) происходит позже', чем при обтекании обычных профилей. Поэтому они получили название ламинизированных. Для того, чтобы отодвинуть волновой кризис (увеличить М_кр), выбирается стреловидная форма крыла в плане с углом стреловидности до 60°.

У стреловидного крыла волновой кризис наступает тогда, когда составляющая скорость V₂ (см. рис. стр.88. вверху) достигает значения V_Kp, т.е. позже. Начало волнового кризиса затягивается, отодвигается на большее число М. Стреловидная форма крыла создает нежелательное движение воздушного потока, направленного к его концу - скорость V₁ (см. рис.)

Стреловидная форма крыла для скоростных самолетов.

Для устранения этого явления на поверхности крыла параллельно оси фюзеляжа устанавливаются металлические пластинки – аэродинамические ребра.

Для скоростных самолетов крылья больших удлинений не приемлемы, так как они способствуют возникновению волнового кризиса. У них крылья малых удлинений (l < 3). Мало удлиненные крылья позволяют значительно увеличить критическое число М и уменьшить влияние волнового кризиса. Это объясняется физической картиной обтекания крыла, влиянием так называемого «торцового эффекта». У такого крыла происходит перетекание воздуха через боковые кромки (рис.а), что приводит к выравниванию давлений на его нижней и верхней поверхности у торцов. Чем меньше удлинение крыла, тем на больший его участок распространяется это выравнивание. Увеличение М_кр у крыльев малых удлинений показано на графике (рис.б).

Оперение. Хвостовое оперение скоростных самолетов, особенно стабилизатор и руль высоты, располагают очень высоко, чтобы оно оказалось вне сильно завихренной струи от крыла и струи горячих газов, выходящих из двигателя.