Аэродинамика

С прямым крылом все просто: легко в производстве, отлично себя чувствует на небольших скоростях. Пример самолеты первой и второй мировых войн, современные поршневые самолеты.

Стреловидное крыло (40...60град) имеет преимущества на околозвуковых скоростях и сверхзвуковых скоростях. Современные авиалайнеры развивают скорость до 900км/ч, а на больших высотах это может быть уже M=0,8 (в авиации М=1 это скорость звука при данных условиях полета). Поэтому у всех крупных самолётов угол стреловидности завис от 35...45 град, не более.

Абзац со звездочкой*
Поток воздуха на стреловидном крыле можно разложить на две составляющие: перпендикулярно крылу и вдоль передней кромки. Тот вектор скорости, что вдодь передней кромки в создании подъемной силы не участвует, лишь создает сопротивление. А второй вектор, который перпендикулярен кромке крыла (Vn) имеет МЕНЬШУЮ скорость, нежели поток воздуха, который был изначально (V) (сложение векторов, все дела).
Таким ообразом, все негативные эффекты околозвуковой скорости наступят позже.

Пример, условно: негатив при M=0.8. Фактическая скорость V М=0.9, но на крыле (Vn) всего лишь М=0.6 из-за стреловидности крыла

Еще одно инженерное решение для самолетов с большим углом стреловидности. Чтобы тот поток воздуха, что скользит по кромке крыла, был нам на пользу, ставят аэродинамические гребни (МиГ17)

На некотрых истребителях вместо гребней есть "аэродинамический зуб" (МиГ23, например). Создаваемый им вихрь не дает воздуху перетекать, а при маневрировании (на як130 тоже есть) закрученный поток воздуха намного позже отлипает от крыла (при больших углах атаки, срыв на крыле позже кароч)

Для полета на сверхзвуковых скоростях крыло делают такого размера, чтобы оно вписвалось в конус Маха, иначе будет огромное сопротивление на выступающих за конус частях. Примером маленького стреловидного крыла может служить МиГ21. (а -- это скорость звука)

Вернемся на небольшие скорости. Есть понятие "удлинение крыла". Это размах крыла, поделенный на САХ (средняя аэродинм. хорда, в прошлых постах объяснял). Пример летательного аппарата с большим удлинением -- планеры.

Интересно то, что по формуле подъемной силы крыла имеет значение площадь крыла, а не удлинение, например. Но для низких скоростей выгоднее большое удлинение. Пример крыла небольшого удлинения, но большой площади -- крыло экраноплана. Его аэродинамику я не объясню, лишь догадываюсь: для экранного эффекта от водной/земной поверхности при прочих равных условиях выгоднее крыло малого удлинения

Итак, теперь про крылья изменяемой стреловидности. Площадь крыла не изменятся при повороте консоли, так что формула подъемной силы и сама подъемная сила должна быть постоянной.
Теперь перечитываем все выше и получаем: на взлетно-посадочных и маневренных режимах важны: большое удлинение крыла и малая стреловидность, а на больших скоростях наоборот. Вот вам хит 80ых, крыло изменямой стреловидности

Но весь этот поворотный шарнир крыла -- очень тяжелый элемент планера. Был найден компромисс: наплывы крыла (Су27, МиГ29 и т.д.). Имеется умеренная стреловидность большого удлинения (само крыло) для малых скоростей и большая стреловидность, малое удлинение (наплыв) на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях. Еще аэродинамический фокус (я писал про этот эффект в посте про БИ-1) смещается незначительно за счет использования наплыва.

Не могу пройти мимо истребителей. Для малых скоростей есть отклоняемые носки крыла, отклоняемые флаппероны (Су-30см). Для устойчивости на больших углах атаки от наплывов образуется полезный вихрь, сохраняющий путевую устойчивость самолета. Для сверхзвуковых скоростей есть цельноповоротный стабилизатор, ведь из-за образовавшихся скачков уплотнения эффективности обычных рулей высоты (как на поршневых самолетах) недостаточно.

Все. Не отвлекаюсь. Я про крыло рассказывал.

Но самый "нежный" переход от дозвука на сверхзвук у крыла оживальной формы (ту144). Для маневренного воздушного боя недостаточно, а для пассажирского самолета -- в самый раз

Первое, о чем напишут в книге по аэродинамике -- движение самолета в неподвижном воздуха РАВНО движению воздуха вокруг самолета. Поэтому и существуют аэродинамические трубы, поэтому все схемы рассматривают неподвижное крыло и набегающий на него струйки вохдуха.

Теперь объясню что из себя представляет воздух. Он вязкий и сжимаемый. По опытам известно, что возле самой поверхности частицы воздуха тормозятся вплоть до полной остановки. Это в других постах объяснит силу сопротивления и разные вихри.
Весь воздух воспринимают как множество струек воздуха.

Струйка воздуха непроницаема, из этого следует, что масса воздуха, при утсановившемся течении, на входе в струйку и выходе из него одинакова. Ему больше не куда деваться. Формула, описывающая это свойство называется "уравнением неразрывности" (10)

Казалось бы, ну и че, епт? А вывод очень важный: при уменьшении сечения струйки скорость потока увеличивается. Это оооочень важно. Чем меньше, тем быстрее. Чем больше, тем медленее. Но это работает только на дозвуковой скорости, при сверхзвуковой там все по-другому.

Так, расслабили мозг. Это информационно-развлекательный ресурс, а не аудитория авиационного факультета. Нам не нужны формулы, а нужно понимание. В умных книгах через закон сохранения энергии приходят к уравнению Бернулли, а среднестатистическому пользователю пикабу пофиг на физику и формулы. Поверьте мне наслово (или лезьте сами в умные книги) при увеличении скорости уменьшается давление воздуха.

Воздух стремится из области большего давления в область меньшего.

Вот простейшие примеры уменьшения давления при увеличении скорости:
1) если стоять возле движущегося поезда, тебя затянет к нему
2) когда открываешь кран с водой, струйка становится тоньше

Теперь рассмотрим крыло. Сразу два вида: симметричный двояковыпуклый профиль и несимметричный двояковыпуклый.

Вот он красавец симметричный. Обтекается с двух сторон одинаково, ничего не происходит (при условии, что угол атаки равен нулю).

Рассмотрим вариант а). Примерно такую форму имеют крылья большинства современных самолетов. Сверху линия пути для воздуха больше, чем снизу. Вспоминая уравнение неразрывности, струйке сверху надо иметь большую скорость. Большая скорость приводит к меньшему давлению над крылом, чем под крылом. На разнице давлений возникает подъемная сила.

В варианте б) путь для струйки сверху оказывается большим из-за угла атаки. Так угол атаки влияет на подъемную силу.

Самолет для отдыха мозгов

И теперь основная, классическая формула подъемной силы:

Где Ya -- сама подъемная сила
Су -- коэффициент подъемной силы (зависит от углов атаки, от предкрылок, от закрылок и всего прочего, что можно сделать с крылом)
[ро] -- плотность воздуха (зависит от температуры, высоты)
V -- скорости полета
S -- площадь крыла

Надеюсь, у меня получилось объяснить широкой массе почему летают самолеты. Всем ясногг неба и мягких посадок

Про аэродинамический фокус и углы атаки рассказал в прошлом своём посте. Друзья наехали на меня, что начал не с самого основного, а кусками, выборочно, без глубоких объяснений. Это все будет, но чуть позже.
Сейчас хочу рассказать о самолетах, и случаях, где как раз и важна центровка самолета и исплльзование углов атаки.

Попался мне однажды пост про горе-конструктора, хотевшего сделать прорыв в самолето- и кораблестроении, произведя такое чудо. Конструктора звали Капрони. Вот ссыль на тот пост: https://pikabu.ru/story/sa60letayushchiy_dom_s_devyatyu_kryi...

Так, стоп. Я не объективен. Конструктор успешный, но именно этот проект был не удачный. Спойлер того поста: самолет-лодка взлетел в 1921году, в втором полете, нагруженный мешками с песком, имитирующими вес пассажиров, разрушился. "летчик слишком сильно потянул ручку на себя, самолет зацепился хвостом воды и разрушился пополам". Вот тут и начинаем анализировать крушение, используя знания о аэродинамическом фокусе и центровке: допустим, фокус всей конструкции был посередине аппарата.

При таком размещении сил самолет может летать и быть устойчивым, легко управляемым. Возникающие моменты компенсирует "подъемная сила стабилизатора" -- летчик напрямую ей управляет, двигая штурвал на себя (увеличивает эту силу вниз) или от себя(уменьшает силу вниз).

Однако во втором полете, когда самолет нагрузили мешками с песком и ничем не закрепили эти мешки, произошло крушение. А задумывался ли в 1920 годах кто либо о центровке? Вот как выглядела, на мой субъективный взгляд, схема сил в роковом полете этого аппарата:

И естественно самолет на взлете понянуло вверх. Летчик ничего не смог сделать, чтобы удержать машину в спокойном полете. И не из-за "его неграмотных действий" проект Капрони развалился. Но это был 1920год, всем было пофиг, виноват пилот.

Вот еще один интересный истребитель. P-39 "АЭРОКОБРА". Хочу отметить, что первый свой вылет он совершил в 1939 году, когда на вооружении Союза все еще стояли И-16

Аэрокобру создавали ради новой авиационной пушки. Из-за мощного вооружения (пушка и несколько пулеметов) двигатель расположили за кабиной летчика. Винт вращался от вала, который проходил под сидением пилота. Центр тяжести примерно по середине самолета (а у всех самолетов того времени он впереди) и поэтому аэрокобру сделали с носовым колесом, а не с хвостовым. Это первый в мире самолет с носовой стойкой.

Вернемся кк аэродинамике. В носовой части располагалось вооружение и боезапас к нему. При израсходовании снарядов центр тяжести уходил назад, делая запас устойчивости все меньше (запас устойчивости это расстояние между центром тяжести и аэродинамическим фокусом). Самолет был очень чутким в упралвении, нельзя было ошибиться. Самолет очень охотно срывался в штопор, но при высоком уровне подготовки летчика, был маневреннее более устойчивых истребителей.

Для компенсации этого негативного момента утяжеляли носовую часть. Находил где-то историю, как техники крепили под передние капоты свинцовый кирпич и летчик выполнял полет. Если устойчивость самолета не улучшилась, крепили его еще ближе к винту и так до тех пор, пока летчик не будет доволен.

Теперь, мне кажется, каждый может прикинуть в голове простейшую схему сил летящего самолета любой формы и конструкции.

Поговорим немного об углах атаки. О закритических, вот таких.

Да кому они нужны? Только истребителям перед публикой покрасоваться?

Оказалось, на закритических углах атаки входит в атмосферу космический челнок (шаттлы и наш "Буран"). Ему надо погасить огромную скорость, при этом оставаясь управляемым.

Особенность челнока в том, что в нем нет топлива и сажать надо с первой попытки без перелетов и уходов на второй круг. Им можно только тормозить. Вообще, есть не мое видео в YouTube, где астронавт расскажет про посадку челнока интереснее и подробнее меня.
https://youtu.be/jiEuKRqRHH0

Пока я нашел людей, интересующихся полетами, продолжу писать. Чтобы объяснить причину крушения БИ-1 (по фамилиям конструкторов Березняк-Исаев) в 1943году, пилотируемым летчиком-испытателем Григорием Яковлевичем Бахчиванджи, мне надо рассказать про сверхзвук и аэродинамический фокус.

Начну с аэродинамического фокуса.

Сложное, интересное, необычное крыло самолета со всеми изгибами, наплывами, "зубами" (как на як130) для простоты расчётов сводят в прямоугольное крыло. Линию от передней кромки до задней называют "средней аэродинамической хордой" (САХ).

При проектировке дозвукового самолета, центр тяжести располагают в первой четверти САХ. Есть допустимый диапозон предельно передней и предельно задней центровки, это обычно 18-27% САХ.
Аэродинамический фокус (точка, в которой происходит прирост подьемной силы, а условно и есть подъемная сила) находится позади центра тяжести, но все ещё в передней половине крыла. Расстояние от центра тяжести до фокуса -- запас устойчивости.

У Ла-7 приличный запас устойчивости, самолет очень прост в управлении. Даже случайные изменения подъемной силы будут уравновешены самим самолетом. Это называется "статической устойчивостью". Вот самолет в горизонтальном полете, к примеру

Y -- подъемная сила
G -- масса самолета
y ст -- подъемная сила стабилизатора, движением ручки на себя мы компенсируем момент и летим спокойно в горизонте

У И-16 запас устойчивости небольшой, он очень резво откликается на управление, его очень легко вывести на большие углы атаки. Поэтому они считались очень маневренным истребителем.

У су27 запас устойчивости отрицателтный. Малейшее изменение подъемной силы приводит к еще большему изменению. Им невозможно было бы управлять без комьютера, гасящего эти колебания. Но за счет этого достигается сверхманевренность современных истребителей и такие фигуры, как "кобра".

Теперь сверхзвук. Вот картина распределения давлений на дозвуковой скорости. Как я писал выше, подъемная сила работает на первой четверти крыла. Думаю, на картинке видно, где сильнее всего крыло тянет вверх.

Упуская все тонкости переходныз процессов (волновой кризис, увеличение сопротивления и т.д.) и переходя на конкретный сверхзвук, распределение давлений выглядит иначе:

Результирующая подъемная сила будет уже по середине САХ. Вернусь к Би-1

Это был прорыв советского гения. Самолет начали проектировать еще в 1941 году. Главное отличие от самолетов той эпохи -- установка ракетного двигателя. До привычного нам газо-турбинного реактивного еще несколько лет войны. Принцип "смешать, поджечь, получить тягу от выхода газов" уже был освоен на реактивных снарядах (на катюше, напимер), но на самолет еще никто подобные двигатели не ставил.
Самолет заправлялся полтонной смеси из азотной кислоты и керосина.
Первый полёт совершил в мае 1942 года (на фронте во всю шла Харьковская операция). Сразу были ясны положительные качества самолета: скороподъемность, разгонные характеристики. БИ-1 должен был стать перехватчиком.
27 марта 1943 года Г. Я. Бахчиванджи должен был совершить полет на определение максимальной скорость самолета. Заданием подразумевалось разогнать самолет на максимальной тяге до полной выработки топлива.


Теперь аэродинамика. При подходе к скоростям, близким к звуковым (БИ-1 разогнался до 800-1000 км/ч), смещается назад (с первой четверти САХ на середину САХ) фокус самолета. Пикирующий момент увеличивается

Эффективности рулей оказалось не достаточно, летчик не мог вывести самолет из пикирования, чтобы он не делал.

С точки зрения наблюдателей с земли до момента выключения двигателя полёт проходил по плану, однако потом самолёт вошёл в пике и, не совершая попыток выйти из него, столкнулся с землёй. Лётчик-испытатель Григорий Яковлевич погиб. Самолет сняли с производства.


Немного позже, при продувке самолета в аэродинамической трубе и расследовании причин катастрофы данный эффект будет назван эффектом "затягивания в пикирование"