Аэродинамика — наука о движении воздуха и о механическом взаимодействии между воздушным потоком и обтекаемыми телами. Основная задача, решаемая аэродинамикой, состоит в определении сил и моментов, действующих на летательный аппарат и его части в тех или иных условиях полета.
Одним из фундаментальных законов аэродинамики является закон Д. Бернулли.
Данный закон был сформулирован для жидкостей, но он справедлив и для газов.
Закон Бернулли гласит, что в тех участках течения жидкости, где скорость больше давление меньше и наоборот.
Наглядно представлено на рисунке 115.
Рисунок 115 — Закон Бернулли
При переходе жидкости с участка трубы с большим сечением на участок с меньшим, скорость течения возрастает, т.е. жидкость движется с ускорением. Тот же самый принцип справедлив и для газа.
Аэродинамические характеристики крыла
Крыло в авиационной технике — несущая поверхность, имеющая в сечении по направлению потока профилированную форму и предназначенная для создания аэродинамической подъёмной силы.
В полете крыло подвергается влиянию многих сил, обусловленных наличием воздуха, но все их можно представить в виде четырех главных сил: силы тяжести, подъемной силы, силы тяги винта и силы сопротивления воздуха (лобовое сопротивление). Сила тяжести остается постоянной и включает в себя вес аппарата и силу притяжения. Подъёмная сила противодействует силе тяжести и варьируется в зависимости от количества энергии, затрачиваемой на движение вперёд. Силе тяги винта противодействует сила сопротивления воздуха (лобовое сопротивление).
При прямом и горизонтальном полёте силы взаимно уравновешивают друг друга (рисунок 116).
При любом изменении любой из сил характер полёта изменяется, что приводит к изменению курса направление ЛА. Например, если изменяется подъёмная сила, результатом будет подъём крыла вверх. Уменьшение подъёмной силы и увеличении силы тяжести приводят к потере высоты и снижению летательного аппарата.
Крыло будет изменять свою траекторию полёта в сторону преобладающей силы, если равновесие сил не соблюдается.
Рисунок 116 — Аэродинамические силы, действующие на ЛА
Лобовое сопротивление — направлено параллельно набегающему потоку (против полета). Сила лобового сопротивления возникает вследствие разности давлений впереди и за крылом, а также вследствие трения воздуха в ПС крыла.
Подъёмная сила.
Описанное уравнением Бернулли явление позволяет объяснить возникновение аэродинамических сил, а главное подъемной силы крыла.
Рассмотрим природу возникновения подъёмной силы.
Опыты в лабораториях позволили установить, что при набегании на тело воздушного потока частицы воздуха обтекают тело. Если поместить крыло в аэродинамическую трубу в подкрашенном потоке воздуха, то можно заметить картину обтекания тела воздухом. Полученная картина называется спектром обтекания.
На рисунке 117 представлена упрощенная схема обтекания плоской пластинки, поставленной под углом 90° к направлению потока.
Рисунок 117- Упрощённая схема обтекания под прямым углом
На схеме видно, что при таком расположении тела никакой подъёмной силы не возникает. Воздух впереди пластинки создаёт подпор, плотность струек повышается, а сзади пластинки воздух оказывается разреженным. Повышение давления воздуха впереди пластинки и разрежение позади нее приводят к тому, что струйки воздуха с силой устремляются в разреженное пространство, закручиваются и образуют сзади пластинки те завихрения, которые видны на представленном спектре.
Поставим пластинку под острым углом к потоку. На рисунке 118 можно видеть схематичное изображение спектра обтекания данной пластинки.
Рисунок 118 — Упрощённая схема обтекания под острым углом
Под пластинкой давление повышается, а над ней, вследствие срыва струй, получается разрежение воздуха, т. е. давление понижается. Благодаря образующейся разности давлений и возникает аэродинамическая сила. Она направлена в сторону меньшего давления, т.е. назад и вверх. Отклонения аэродинамической силы от вертикали зависит от угла, под которым пластинка поставлена к потоку. Этот угол получил название угла атаки.
Подъёмная сила крыла возникает не только за счёт угла атаки, но также благодаря несимметричному профилю поперечного сечения крыла, который чаще всего имеет более выпуклую верхней часть (рисунок 119).
Рисунок 119 — Изображение спектра обтекания профиля крыла
Крыло, перемещаясь, рассекает воздух. Одна часть встречного потока воздуха пройдёт под крылом, другая — над ним. За счёт выпуклости верхней части крыла, верхние струйки воздуха проходят больший путь в сравнении с нижними. Однако количество воздуха, набегающего на крыло — всегда одинаково, значит верхние струйки должны двигаться быстрее.
В соответствии с законом Бернулли, если скорость воздушного потока под крылом меньше, чем над крылом, то давление под крылом, наоборот, будет больше, чем над ним.
Эта разность давлений и создает аэродинамическую силу R (рисунок 120), составляющей которой является подъёмная сила Y.
Подъемная сила крыла тем больше, чем больше угол атаки, кривизна профиля (его несущие свойства), площадь крыла, плотность воздуха и скорость полета υ, причем, от скорости подъемная сила зависит в квадрате.
Но следует помнить, что угол атаки должен быть меньше некоторого критического значения, при превышении которого подъемная сила падает.
Рисунок 120 — Аэродинамические силы и центр давления крыла
Развивая подъемную силу, крыло всегда испытывает и лобовое сопротивление. Сила лобового сопротивления X направлена по потоку прямо против движения и, значит, тормозит его. Подъемная сила всегда перпендикулярна набегающему потоку. Из рисунка видно, что сила лобового сопротивления X и подъемная сила Y являются составляющими силы R по направлению скорости v и перпендикулярно ей.
Сила R называется полной аэродинамической силой крыла. Точку приложения полной аэродинамической силы называют центром давления крыла (ЦД).
Подъемная сила летательного аппарата, уравновешивая его вес, дает возможность осуществлять полет, лобовое же сопротивление тормозит его движение. Отсюда ясно, что крылу надо придать такую форму, чтобы оно развивало как можно большее значение подъемной силы и, в то же время давало малое лобовое сопротивление.
Число, показывающее, во сколько раз подъемная сила больше лобового сопротивления, называется аэродинамическим качеством.
