Аэродинамика + Техника

Закрома автомобильной истории полны удивительных проектов, и мы не устаем делиться ими с нашими читателями. Сегодня на очереди футуристический проект авторства Эдмунда Румплера, пожалуй, первый в мире автомобиль, созданный с учетом аэродинамических показателей.

С небес на землю

Судьба герра Румплера богата событиями, а его карьера инженера несколько раз начиналась заново. Бодрый старт ей был на проекте мотоколяски Prasident (будущая Tatra), в котором также участвовал знаменитый Ганс Ледвинка. После его успешной презентации Румплера зачислили в штат инженеров компании Daimler.

В 1902-ом он был назначен уже техническим директором компании Adler, а через год получил патент на собственную разработку полунезависимой задней подвески с маятниковыми полуосями.

Спустя семь лет Румплер основал первую в Германии компанию по производству самолетов, посчитав конструкцию аэроплана Игнаца Этриха перспективной. Дело предприимчивого инженера процветало вплоть до конца Первой мировой войны, когда на этот вид деятельности был наложен запрет. Это, впрочем, никак не помешало промышленным амбициям Румплера – вместо самолетов он стал выпускать автомобили. Первый и единственный его проект назывался Rumpler Tropfenwagen, что в переводе с немецкого означает «автомобиль-капля».

На колесах и с крыльями

Любовь к авиации из Эдмунда Румплера было не вытравить. Это признавал каждый посетитель Берлинского автосалона 1921 года, на котором впервые представили каплевидный автомобиль. Его корпус напоминал фюзеляж самолета с обрезанными крыльями.

Хотя нет, они там тоже имелись, но совсем крошечные, что придавало автомобилю еще более чудаковатый вид. На самом деле эти крылышки нивелировали воздушные завихрения, поступавшие из-за колес, которые были открытыми и сильно выступали из-под корпуса.

В 1979 году инженеры компании Volkswagen вздумали протестировать один из двух уцелевших автомобилей Tropfenwagen в аэродинамической трубе, и с удивлением обнаружили, что его коэффициент лобового сопротивления составил впечатляющие 0,28! Для справки, сам концерн добился таких показателей для модели Passat только в 1988 году.

Как же был устроен «автомобиль-капля»? Он имел лестничное основание с полунезависимой задней маятниковой подвеской. Любопытно, что сама рама была выполнена в той же форме, что и кузов – в виде зауженного овала. За ведущей задней осью располагался верхнеклапанный (OHV) двигатель, разработанный самим Румплером.

Исполнение данного агрегата было заказано фирме Siemens & Halske. Мотор состоял из трёх блоков по два цилиндра, установленных под углом 60°, и имел водяное охлаждение. Изначально его объём составлял 2310 см³, позже был увеличен до 2580 см³, но мощность осталась прежней – всего 36 л.с. Впрочем, даже этой отдачи хватало, чтобы разогнать полуторатонный автомобиль до 110 км/ч. Сочетался агрегат с трехступенчатой механической коробкой передач. Более поздние экземпляры Tropfenwagen получили 4-цилиндровый двигатель Benz объёмом 2614 см³ и мощностью 50 л.с.

Кабина «автомобиля-капли» была закрытой, с цельногнутыми стеклами. Если верить историческим хроникам, данная технология в автомобилестроении была применена впервые. Широкая площадь остекления при высоте авто в 1950 мм давала прекрасный обзор, за что диковинный автомобиль особенно полюбился таксистам.

Принять на борт Tropfenwagen мог сразу пять человек. Причем водительское кресло занимало весь передний ряд салона, а пассажиры располагались на втором и третьем диванах.

Словом, автомобиль был полон инновационных технических решений, но и недостатки у него тоже были. Во-первых, рулевой механизм постоянно заклинивал. Во-вторых, мотор часто перегревался. Кроме того, никак не был решен вопрос со звукоизоляцией салона, из-за чего длительные поездки давались с трудом всему экипажу. В-третьих, воспринять дизайн «каплемобиля» всерьез у публики не получалось.

В итоге, конвейер Rumpler Werke остановился в 1925-ом, выпустив порядка 100 автомобилей. Проект Tropfenwagen заинтересовал главного инженера компании Benz & Cie Ганса Нибеля. Купив у Румплера лицензию, он позже разработает центральномоторный гоночный прототип Benz Tropfenwagen – по его образцу впоследствии будут строить болиды Auto Union.

***

Каплемобили можно увидеть в научно-фантастическом фильме Фрица Ланга «Метрополис», вышедшего на экраны в 1927 году. В кино два Tropfenwagen были уничтожены огнем. Во время Второй мировой войны схожая участь коснулась всего тиража этих авто. До наших дней уцелело всего два: один находится в Немецком музее в Мюнхене, другой – в Немецком техническом музее Берлина. Что касается Эдмунда Румплера, то он был убит в 1940 году фашистами из-за своего еврейского происхождения.

Большой пассажирский лайнер летит по тем же физическим законам, что и бумажный самолетик. Например, если великан запустит 400 тонный Boeing-747 с высоты 10км, то он пролетит 170 км.

Самолет будет опускать нос и разгоняться, затем задирать нос и гасить скорость. Этот цикл будет повторяться до земли.

В фильмах мы видим, как после отказа двигателя самолет резко входит в пике и летит носом в землю-это выдумки.

Да, бывает, что самолет падает вертикально, но это вызвано не отказом двигателя, а ошибками пилотирования или проблемами с органами управления.

Отказ одного двигателя

С одним отказавшим двигателем самолет может взлететь, набрать высоту, выполнить горизонтальный полет, зайти на посадку и даже уйти на второй круг.

Если отказ произошел на эшелоне, то придется снизиться до высоты 5-8км, так как на одном движке самолет не может выдерживать большие высоты.

На эшелоне или на снижении отказ двигателя можно даже не заметить, пока не сработает сигнализация.

Сколь самолет пролетит без двигателей

На дальность планирования самолета влияют:

• Высота полета

• Направление и скорость ветра

• Аэродинамическое качество ВС

• Масса самолета

• Начальная скорость

• Параметры наружного воздуха

Аэродинамическое качество самолета-это отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению.

На практике-это то расстояние в км, которое пролетит ВС с высоты 1км.

Вот значения аэдинамического качества для некоторых самолетов:

• Ту-154 16

• Boeing-747 17

• Ту-160 20

• A-320 17

• Ан-2 10

• Планер 50

• Буран 5.6

Чем выше качество, тем дальше самолет может планировать.

Планирует ли самолет в повседневных полетах

Пилот знает сколько пролетит самолет на малом газе на 1км или 1000 футов высоты. Эти данные есть в руководстве по эксплуатации.

На снижении пилот рассчитывает высоту и расстояние до аэродрома, чтобы буквально спланировать с эшелона до посадочной прямой.

Полет по глиссаде уже продолжается с тягой двигателей.

Заходишь в Новосибирске на А320. Смотришь, так, высота 33000 футов, расстояние 150 миль. Значит надо начать снижение через 5-6 минут, за 120 миль. Чтобы спланировать на малом газе, погасить скорость, выпустить колеса, закрылки... А тут ветерок попутный подул, значит надо воздушными тормозами помочь.

Но, как правило, диспетчер рушит все твои планы по виртуозному планированию и подвесит на эшелоне или вообще в зону ожидания отправит...

Некоторые коллеги сразу психуют, ругаются. Но я стараюсь спокойно к этому относиться. Особенно когда оплата идет за лётное время

Спасибо за внимание друзья! С вами был летчик Миша, лидер рок-группы SAHALIN. Кому интересно познакомиться лично и послушать мою музыку, переходите в группу вк, там есть информация о предстоящих концертах. Подписывайтесь, впереди много интересного!

«Феррари» в погоне за надежностью

В прошлом году у «Феррари» была достаточно быстрая машина, чтобы завоевать 11 поул-позиций, что на две больше, чем у победившего в чемпионате «Ред Булл». Поэтому, возможно, не так удивительно, что новая SF-23 очень похожа на прошлогоднюю машину.

Самым большим фактором, сдерживающим прошлогоднюю борьбу за титул, была надежность силовой установки. После двойного схода с дистанции в Баку, мотор работал не на полную мощность до конца сезона, пока команда занималась длительным проектом по повышению надежности гибридной системы.

Эта работа была завершена зимой, и мы уверены, что теперь силовая установка может безопасно работать в более агрессивном режиме, чем в начале прошлого сезона, когда она была самой мощной на решетке.

Энрико Гуалтьери, руководитель отдела силовых установок, сказал: «Мы исходили из главной концепции – стремления к максимальной эффективности процесса преобразования энергии, от химического процесса сгорания к механическому, к коленчатому валу…»

«Феррари» надеется, что этого, в сочетании с изменениями, внесенными в шасси, будет достаточно, чтобы бороться с «Ред Булл» дольше, чем это было в 2022 году.

«Наша машина 2023 года – это эволюция той, на которой мы гонялись в прошлом году, но в действительности она была полностью переработана», - сказал глава отдела шасси Энрико Кардиле, рассказывая об изменениях. «С аэродинамической стороны мы увеличили вертикальную прижимную силу, чтобы еще больше адаптироваться к новым аэродинамическим правилам и достичь желаемых характеристик баланса. Подвеска также была переработана, чтобы поддержать аэродинамику и увеличить диапазон регулировок, которые можно сделать с автомобилем на трассе».

«Наиболее очевидные изменения произошли в области передней подвески, где мы перешли на расположенную низко направляющую штангу. Переднее крыло также отличается, как и конструкция носа, а кузов – это более экстремальная версия того, что мы видели в прошлом сезоне».

Он выглядит как более изящная версия прошлогодней «Феррари», с наклоном крыльев, уходящим в сторону, что позволяет предположить, что – как и почти на всех других машинах, выпущенных до сих пор – часть радиатора была перенесена оттуда и поднята выше вокруг корпуса автомобиля.

Сравнение бокового вида SF-23 (вверху) и F1-75 (внизу). Нижний передний угол боковых понтонов был отрезан, чтобы создать больше пространства для идеального выравнивания важнейших воздушных потоков для днища

Машина сохранила контуры «ванны» в верхней части боковых понтонов, с углублением, облегчающим забор воздуха и направляющим его к заднему крылу.

Перестройка системы охлаждения не включала в себя имитацию «пушечного» кузова «Ред Булл» в направлении выходящего сзади воздуха. Вместо этого на кузове, где крышка двигателя и крышки боковых обтекателей сливаются за кокпитом, остаются обширные прорези.

Боковые понтоны SF-23 (вверху) в сравнении с F1-75 (внизу). Впадины в верхней части боковых понтонов сохранились. За отвод горячего воздуха отвечает обширная система прорезей

Боковые понтоны SF-23 (вверху) в сравнении с боковыми понтонами F1-75 (внизу)

Нос выглядит слегка приплюснутым, а переднее крыло, с которым автомобиль был выпущен на трассу, имеет щелевые разделители, расположенные под углом таким образом, чтобы создавать вихри, которые помогут ускорить воздушный поток к воздухозаборникам в нижней части боковых понтонов.

В прошлом году «Мерседес» изготовил крыло похожее на это, и представил его в Остине и Мексике, но «ФИА» признала его несоответствующим регламенту, поскольку посчитала, что основная функция разделителей щелей в данном случае не структурная, а аэродинамическая.

Остается только догадываться, будет ли более тонкая интерпретация «Феррари» той же идеи признана приемлемой.

Вид спереди на SF-23 с немного приплюснутым носом и подправленным передним крылом

Полная версия тут.

Предыдущие части:
1) Разбираем самолет по винтикам
2) Разбираем самолет по винтикам. Органы управления

Приветствуем вас, друзья! Прошла всего неделя и вот мы уже приступили к разбору управления самолетом и системы управления. Этот пост можно считать углублением предыдущего. Неделю назад мы разобрали, какие органы управления отвечают за изменение положения самолета в пространстве и как они задействуются из кабины экипажа. Теперь давайте поговорим о реальных маневрах и реальном применении этих органов управления. Напоминаем, рассмотренные примеры сильно упрощены и лишь дают понимание о том, "что такое самолет и с чем его едят".

Элероны

Если говорить о реальности привычных нам лайнеров, то Внешние Элероны в основном задействуются только на взлете и посадке, так как они незаменимы на малой скорости, но очень грубы на высоких скоростях в крейсерском полете (из-за большого плеча относительно центра вращения).

Внешний Элерон (из прошлого поста)

Если применить их на высокой скорости, то, во-первых, самолет даст резкий крен на значительный угол, в во-вторых, это окажет сильное воздействие на крыло и может спровоцировать Флаттер (неуправляемое колебание) крыла:

Во время Флаттера происходит скручивание крыла из-за действия значительной аэродинамической силы на Элероне. Попросту, на заднюю кромку крыла резко начинает действовать большая сила, что приводит к его закручиванию до тех пор, пока сила упругости крыла не прекращает это закручивание; пока не уравновесит возникшую аэродинамическую силу. Тогда крыло идет в исходное положение. Важную роль в этом явлении играет постоянно меняющийся Угол Атаки крыла. Это угол, под которым плоскость крыла расположена к набегающему потоку воздуха:

Он так же очень сильно влияет на величину подъемной силы, возникающей на участке крыла. Итак, схема возникновения Флаттера на примере: отклонили Внешний Элерон вниз - возникла большая аэродинамическая сила на задней кромке полукрыла, направленная вверх - полукрыло начало закручиваться задней кромкой вверх, передней вниз - из-за закрутки изменился угол атаки (был 0, стал отрицательным) - закрутка усугубилась - полукрыло изогнулось и дало реакцию ("спружинило") - угол атаки резко меняется на положительный - полукрыло резко пошло вверх - цикл замкнулся. Если на таких колебаниях поймать резонанс - поздравляем - вы остались без крыла! Флаттер может возникнуть на любой аэродинамической поверхности (на полукрыле, на Элероне, на Стабилизаторе, на Руле высоты, даже на винте) и является большой проблемой в авиации.

Стоит сказать, что колебания крыла могут возникать не только в результате Флаттера, но и в результате турбулентности. Для гашения таких колебаний применяется система активной защиты крыла от нагрузок: компьютер фиксирует изменение подъемной силы на полукрыле и компенсирует его отклонением элеронов, минимизируя нагрузку на конструкцию крыла.

На больших скоростях в крейсерском полете применяются Флапероны или Внутренние Элероны. На разных самолетах эти аэродинамические поверхности называются по-разному в зависимости от их вовлеченности в управление на взлете - посадке (товарищ @GeneralDrozd, Вам уже ответили в комментах по этому поводу).

Флаперон (из предыдущего поста)

Ими можно более "тонко" управлять самолетом на больших скоростях. Они имеют меньшую площадь и меньшее плечо по сравнению с Внешними Элеронами. Но этого вполне хватает, так как скорость большая и изменение аэродинамической силы при задействовании Флаперонов значительно. А на малых скоростях они помогают Внешним Элеронам наравне с Интерцепторами (см. предыдущий пост).

Крен самолета

Подъемная сила всегда +- перпендикулярна плоскости крыла. Представим, что самолету нужно повернуть. Для этого ему нужно накрениться. Следовательно, подъемная сила тоже отклонится вместе с крылом:

На схеме: G - Вес самолета, Y - Подъемная сила, - угол Крена.

Как видим, Подъемная сила раскладывается на проекции по осям Х и У. Как раз проекция на ось Х и тянет самолет в центр дуги, заставляя его лететь по этой дуге. Но так же можно заметить, что проекция на ось У меньше самой подъемной силы и перестает уравновешивать Вес самолета. Самолет начинает "скользить по крылу" - терять высоту. Такой вираж (со скольжением) называется Неправильным. А Правильным будет называться вираж без скольжения. Для этого проекция Подъемной силы на ось У должна уравновешивать Вес самолета. То-есть, ее надо увеличить путем увеличения самой Подъемной силы. Как же это сделать? Увеличить скорость полета или увеличить угол Тангажа (взять Сайдстик "на себя", задействовать Руль высоты), задействовать Руль направления. Как правило, применяется совокупность этих способов борьбы со скольжением.

На схеме: а) правильный вираж (направление скорости совпадает с осью симметрии с-та);
б) вираж с внешним скольжением; в) с внутренним скольжением.

Стоит так же заметить, что пилотам, например, А320, нет нужды управлять Рулем направления при вираже в крейсерском полете - за них это делает автоматика. Для входа в вираж им лишь нужно отклонить Сайдстик влево или вправо. Да и вообще, по сути, человек самолетом почти не управляет - его действия проходят через компьютер и даже не один (об этом ниже).

Скольжение в вираже

Скольжение - вещь не всегда плохая. Иногда она может быть очень даже полезной. К примеру, рассмотрим ситуацию, когда высота велика, скорость большая, а вам нужно приземлиться (да, пример скорее для фронтовой авиации). Что желать с высотой? Дать " от себя" и опустить нос самолета? Высота, конечно, начнет стремительно падать, но и скорость начнет резко расти, ведь мы подтолкнем самолет к пикированию. Этот вариант отпадает. В этом случае подойдет вариант б) из схемы выше. Давайте его и рассмотрим. В этом варианте мы накреняем самолет вправо, даем левую педаль "от себя", нос самолета начинает смотреть как бы "из дуги виража". Начинается скольжение - самолет снижается, но при этом собственная скорость самолета остается неизменной (мы можем управлять ей, увеличивая или уменьшая угол скольжения ()).

Система управления (Неавтоматическая)

Ох, вот мы и добрались...

Для понимания современной системы управления необходимо знать, как она была устроена тогда, давно, когда трава была зеленее, а деревья выше (Неавтоматическая система управления). Пример управления элеронами (Н.П. - направление полета):

Отклоняем Штурвал влево-вправо - усилие передается через систему тяг (8), тросов и качалок (9) на качалку (7) Элерона (5) и приводит его в движение вокруг оси вращения (6).

Если же мы хотим отклонить Руль направления с помощью педалей, то наше усилие так же через систему тяг и качалок передается на качалку Руля направления и он отклоняется:

Аналогично выглядит и управление Рулем высоты:

Наклоняем от себя штурвал по направлению Б вокруг оси (10), тяга (4) передает усилие на качалку Руля высоты (6) и отклоняет его. На этой схеме, кстати, прекрасно видна кинематика отклонения и Руля высоты, и Элеронов одновременно. При повороте штурвала по направлению А усилие с помощью цепей (аналогичных велосипедной) передается на качалку (12), которая задействует тяги, идущие к элеронам. Вот приближенная к реальности схема системы управления:

А вот все в совокупности:

Немного истории системы управления

Со временем самолеты становились все больше и летали все быстрее. Аэродинамические силы, действующие на самолет, так же увеличивались. И человеку становилось не под силу напрямую управлять аэродинамическими поверхностями. Появлялись различные усилители: увеличивались рычаги качалок, добавлялись гидравлические устройства (вот в автомобиле тоже есть гидроусилитель руля). Так же появлялись и различные электроприводы. Но больше всего восхищают решения, принятые инженерами на ранних этапах развития околозвуковой авиации, когда приходилось обходиться только механикой в угоду весу и габаритам самолета. К сожалению, в интернете не было найдено примеров, а личных фото с давних времен не осталось. Но, поверьте, решения были гениальны (и далеко не просты). Прошу знающих людей оставить в комментах примеры, если есть у кого-то. В конечном итоге, самолеты стали настолько большими и сложными, что обойтись без бортового компьютера не представлялось возможным.

Современные системы управления

Про Неавтоматическую систему управления мы поговорили, там все было довольно просто. Перейдем к нашей реальности. Сейчас в больших лайнерах используются:

- Полуавтоматические (человек подаёт сигналы на механические, гидравлические и электрические устройства, которые перемещают органы управления);
- Автоматические (бортовые компьютеры сами подают сигналы на органы управления. Например, автопилот или система сопровождения цели);
- Комбинированные (совокупность предыдущих двух, реализована во всех современных лайнерах).

Рассмотрим, опять же, как пример, А320. Там реализована система Fly-by-Wire (дословно - "Полет по проводам"). Это значит, что все сигналы, исходящие от пилота, передаются на несколько бортовых компьютеров, которые уже решают, какие и как конкретно органы управления отклонить. То-есть, компьютеры корректируют сигналы пилотов, держат их в "безопасных рамках", учитывая текущую реальность (скорость, массу самолета, траекторию полета и тд). Компьютеров, отвечающих за управление, на борту А320 целых семь:

- Компьютер ELAC (Elevator Aileron Computer) – для управления рулями высоты, стабилизатором и элеронами. Две штуки.
- Компьютер SEC (Spoilers Elevator Computer) – для управления спойлерами, резервного управления рулями высоты и стабилизатором. Три штуки.
- Компьютер FAC (Flight Augmentation Computer) – для электрического управления рулем направления. Две штуки.

Панели включения и выключения компьютеров находятся на потолочном пульте. Одна панель в левой части, другая – в правой:

Нормальное состояние - включенное (ни одно табло не горит). Зачем так много одинаковых? В самолете все системы дублируются для обеспечения безопасности полета.

Ну а на сегодня все. Мы стали на шаг ближе к самому соку, самой сладкой части самолета. Спасибо за внимание, уважаемый читатель:)

TechnoHubble: интересное из мира техники каждый день.

P.S.: Если есть конструктивная критика - просим в комменты. А если хотите отблагодарить - можете просто заглянуть в наш телеграмм, там тоже много всего интересного;)