Flyvingeløft: formel

Innholdsfortegnelse:

Flyvingeløft: formel
Flyvingeløft: formel
Anonim

I hvert luftfartsdesignbyrå er det en historie om en uttalelse fra sjefsdesigneren. Bare forfatteren av uttalelsen endres. Og det høres slik ut: "Jeg har jobbet med fly hele livet, men jeg forstår fortsatt ikke hvordan dette jernstykket flyr!". Faktisk, tross alt, er Newtons første lov ennå ikke kansellert, og flyet er klart tyngre enn luft. Det er nødvendig å finne ut hvilken kraft som ikke lar en flertonnsmaskin falle til bakken.

Metoder for flyreise

Det er tre måter å reise på:

  1. Aerostatisk, når løfting fra bakken utføres ved hjelp av en kropp hvis egenvekt er lavere enn tettheten til atmosfærisk luft. Dette er ballonger, luftskip, sonder og andre lignende strukturer.
  2. Reactive, som er den brutale kraften til en jetstrøm fra brennbart drivstoff, som gjør det mulig å overvinne tyngdekraften.
  3. Og til slutt den aerodynamiske metoden for å skape løft, når jordens atmosfære brukes som støttestoff for kjøretøy tyngre enn luft. Fly, helikoptre, gyrofly, seilfly og forresten fugler beveger seg med denne metoden.
ordningenflyvingestrøm
ordningenflyvingestrøm

Aerodynamiske krefter

Et fly som beveger seg gjennom luften påvirkes av fire hovedkrefter i flere retninger. Konvensjonelt er vektorene til disse kreftene rettet fremover, bakover, ned og opp. Det er nesten en svane, kreft og gjedde. Kraften som skyver flyet fremover genereres av motoren, bakover er den naturlige kraften til luftmotstand, og nedover er tyngdekraften. Vel, i stedet for å la flyet falle - løftet som genereres av luftstrømmen på grunn av strømmen rundt vingen

krefter som virker på vingen
krefter som virker på vingen

Standard atmosfære

Luftens tilstand, dens temperatur og trykk kan variere betydelig i ulike deler av jordens overflate. Følgelig vil alle egenskapene til fly også være forskjellige når de flyr på ett eller annet sted. Derfor, for enkelhets skyld og for å bringe alle egenskapene og beregningene til en fellesnevner, ble vi enige om å definere den såk alte standardatmosfæren med følgende hovedparametre: trykk 760 mm Hg over havet, lufttetthet 1,188 kg per kubikkmeter, hastighet på lyd 340,17 meter per sekund, temperatur +15 ℃. Når høyden øker, endres disse parameterne. Det er spesielle tabeller som avslører verdiene til parameterne for forskjellige høyder. Alle aerodynamiske beregninger, samt bestemmelse av flyytelsesegenskaper, utføres ved hjelp av disse indikatorene.

seilfly under flukt
seilfly under flukt

Det enkleste prinsippet for å skape løft

Hvis i den motgående luftstrømmenå plassere en flat gjenstand, for eksempel ved å stikke håndflaten ut av vinduet på en bil i bevegelse, kan du føle denne kraften, som de sier, "på fingrene". Når du dreier håndflaten i en liten vinkel i forhold til luftstrømmen, kjennes det umiddelbart at i tillegg til luftmotstand har det dukket opp en annen kraft som trekker opp eller ned, avhengig av rotasjonsvinkelen. Vinkelen mellom kroppens plan (i dette tilfellet håndflatene) og retningen på luftstrømmen kalles angrepsvinkelen. Ved å kontrollere angrepsvinkelen kan du kontrollere løftet. Det kan lett ses at med en økning i angrepsvinkelen vil kraften som skyver håndflaten opp øke, men opp til et visst punkt. Og når den når en vinkel nær 70-90 grader, vil den forsvinne helt.

Aircraft wing

Den viktigste bæreflaten som skaper løft er vingen til flyet. Vingeprofilen er vanligvis buet dråpeformet som vist.

vingeprofil
vingeprofil

Når luften strømmer rundt vingen, overskrider hastigheten til luften som passerer langs den øvre delen av vingen hastigheten til den nedre strømmen. I dette tilfellet blir det statiske lufttrykket på toppen lavere enn under vingen. Trykkforskjellen presser vingen opp og skaper løft. Derfor, for å sikre trykkforskjellen, er alle vingeprofiler laget asymmetriske. For en vinge med symmetrisk profil ved null angrepsvinkel er løftet i nivåflyging null. Med en slik vinge er den eneste måten å skape den på å endre angrepsvinkelen. Det er en annen komponent av løftekraften - induktiv. Hun erdannes på grunn av nedadgående skråning av luftstrømmen av den buede underflaten av vingen, noe som naturlig resulterer i en oppadgående reverskraft som virker på vingen.

Rensing av fly
Rensing av fly

Beregning

Formelen for å beregne løftekraften til en flyvinge er som følger:

Y=CyS(PV 2)/2

Hvor:

  • Cy - løftekoeffisient.
  • S - vingeområde.
  • V - gratis strømhastighet.
  • P – lufttetthet.

Hvis alt er klart med lufttetthet, vingeareal og hastighet, så er løftekoeffisienten en verdi som er oppnådd eksperimentelt og er ikke en konstant. Det varierer avhengig av vingeprofilen, dens sideforhold, angrepsvinkel og andre verdier. Som du kan se, er avhengighetene stort sett lineære, bortsett fra hastighet.

Denne mystiske koeffisienten

Vingeløftkoeffisienten er en tvetydig verdi. Komplekse flertrinnsberegninger verifiseres fortsatt eksperimentelt. Dette gjøres vanligvis i en vindtunnel. For hver vingeprofil og for hver angrepsvinkel vil verdien være forskjellig. Og siden selve vingen ikke flyr, men er en del av flyet, utføres slike tester på tilsvarende reduserte kopier av flymodeller. Vinger testes sjelden separat. I henhold til resultatene av en rekke målinger av hver enkelt vinge, er det mulig å plotte koeffisientens avhengighet av angrepsvinkelen, samt ulike grafer som gjenspeiler avhengighetenløft fra hastigheten og profilen til en bestemt vinge, samt fra den frigjorte mekaniseringen av vingen. Et eksempeldiagram vises nedenfor.

avhengighet av angrepsvinkelen
avhengighet av angrepsvinkelen

Faktisk karakteriserer denne koeffisienten vingens evne til å konvertere trykket fra den innkommende luften til løft. Dens vanlige verdi er fra 0 til 2. Rekorden er 6. Så langt er en person veldig langt fra naturlig perfeksjon. For eksempel når denne koeffisienten for en ørn, når den stiger opp fra bakken med en fanget gopher, en verdi på 14. Det er åpenbart fra grafen ovenfor at en økning i angrepsvinkelen fører til en økning i løft til visse vinkelverdier. Etter det går effekten tapt og går til og med i motsatt retning.

Stall flow

Som de sier, alt er bra med måte. Hver vinge har sin egen grense når det gjelder angrepsvinkel. Den såk alte superkritiske angrepsvinkelen fører til en stall på den øvre overflaten av vingen, og fratar den løftet. Stallen oppstår ujevnt over hele vingen og er ledsaget av tilsvarende, ekstremt ubehagelige fenomener som risting og tap av kontroll. Merkelig nok avhenger ikke dette fenomenet mye av hastighet, selv om det også påvirker, men hovedårsaken til forekomsten av stall er intensiv manøvrering, ledsaget av superkritiske angrepsvinkler. Det var på grunn av dette at den eneste krasjen med Il-86-flyet skjedde, da piloten, som ønsket å "vise seg frem" på et tomt fly uten passasjerer, brått begynte å klatre, noe som endte tragisk.

Resistance

Hånd i hånd med løft kommer drag,hindrer flyet i å bevege seg fremover. Den består av tre elementer. Dette er friksjonskraften på grunn av virkningen av luft på flyet, kraften på grunn av trykkforskjellen i områdene foran vingen og bak vingen, og den induktive komponenten diskutert ovenfor, siden vektoren for dens virkning er rettet. ikke bare oppover, noe som bidrar til en økning i løft, men også tilbake, som en alliert av motstanden. I tillegg er en av komponentene i induktiv motstand kraften som oppstår på grunn av luftstrømmen gjennom endene av vingen, noe som forårsaker virvelstrømmer som øker skråretningen av luftbevegelsesretningen. Den aerodynamiske luftmotstandsformelen er helt identisk med løftekraftformelen, bortsett fra koeffisienten Su. Den endres til Cx-koeffisienten og bestemmes også eksperimentelt. Verdien overstiger sjelden en tidel av en.

Slipp-til-dra-forhold

Forholdet mellom løft og dragkraft kalles aerodynamisk kvalitet. En funksjon må tas i betraktning her. Siden formlene for løftekraften og dragkraften, bortsett fra koeffisientene, er de samme, kan det antas at den aerodynamiske kvaliteten til flyet bestemmes av forholdet mellom koeffisientene Cy og Cx. Grafen for dette forholdet for visse angrepsvinkler kalles vingepolaren. Et eksempel på et slikt diagram er vist nedenfor.

vinge polar
vinge polar

Moderne fly har en aerodynamisk kvalitetsverdi på rundt 17-21, og seilfly - opptil 50. Dette betyr at på fly er vingeløftet under optimale forhold17-21 ganger større enn motstandskraften. Sammenlignet med Wright-brødrenes fly, som får 6,5, er designfremgangen åpenbar, men ørnen med den uheldige gopheren i potene er fortsatt et stykke unna.

Flymoduser

Ulike flymoduser krever forskjellige løft-til-drag-forhold. I marsjfartflyging er hastigheten til flyet ganske høy, og løftekoeffisienten, proporsjonal med kvadratet på hastigheten, har høye verdier. Det viktigste her er å minimere motstanden. Under start og spesielt landing spiller løftekoeffisienten en avgjørende rolle. Hastigheten til flyet er lav, men dens stabile posisjon i luften er nødvendig. En ideell løsning på dette problemet ville være å lage en såk alt adaptiv vinge, som endrer sin krumning og jevne areal avhengig av flyforholdene, omtrent på samme måte som fugler gjør. Inntil designerne lyktes oppnås endringen i løftekoeffisienten ved å bruke vingemekanisering, som øker både arealet og krumningen til profilen, som ved å øke motstanden øker løftet betydelig. For jagerfly ble det brukt en endring i sveip av vingen. Innovasjonen gjorde det mulig å redusere luftmotstanden i høye hastigheter og øke løftet ved lave hastigheter. Denne designen viste seg imidlertid å være upålitelig, og nylig har frontlinjefly blitt produsert med en fast vinge. En annen måte å øke løftekraften til en flyvinge er å i tillegg blåse vingen med en strøm fra motorene. Dette har blitt implementert i militæretAn-70 og A-400M transportfly, som på grunn av denne egenskapen utmerker seg ved forkortede start- og landingsdistanser.

Anbefalt: