Конструкция аэродинамической поверхности

Аэродинамическая поверхность — это структура, созданная с целью обеспечить воздействие на неё воздуха, сквозь который она движется или который движется сквозь неё. Хотя при разных скоростях потока и давлениях воздух ведёт себя различным образом, мы ограничимся обсуждением тех частей ЛА, которые обеспечивают его полёт — а именно, аэродинамических поверхностей, создающих подъёмную силу. Глядя на профиль типичной аэродинамической поверхности (например, на сечение крыла), можно заметить характерные особенности её конструкции (рис. 3-6). Обратите внимания на различии в изгибе (кривизне профиля) верхней и нижней кромок аэродинамической поверхности. Профиль верхней кромки более выпуклый, чем нижней (которая обычно бывает почти плоской).

ПРИМЕЧАНИЕ: Две крайние точки аэродинамической поверхности также различаются. Передняя кромка (носок) закруглена, в то время как задняя кромка достаточно узкая и заострённая.

При определении характеристик аэродинамической поверхности часто используется линия, называемая аэродинамической хордой (АХ). АХ — это прямая, проходящая через профиль поверхности и соединяю­щая переднюю и заднюю её кромки. Расстояние от АХ до верхней или нижней поверхности крыла в любой точке определяет величину кривизны этих поверхностей. Другая ориентирная линия, проведённая от передней кромки к задней, называется контурной линией. Любая точка контурной линии находится на равном расстоянии от верхней и нижней поверхностей крыла.

Аэродинамические поверхности проектируются таким образом, чтобы в максимальной степени учесть действие законов механики во время полёта. Воздушный поток воздействует на крыло двояким образом: давление воздушной массы на нижнюю поверхность крыла создаёт положительную подъёмную силу, в то время как сниженное давление воздуха над крылом обеспечивает отрицательную подъёмную силу.

Когда воздушный поток встречает на своём пути относительно плоскую нижнюю поверхность крыла (или лопасть несущего винта, расположенную под небольшим углом к направлению своего движения), поток отклоняется вниз, вызывая тем самым направленное вверх противодействие — положительную подъёмную силу. В то же время, воздушный поток, ударяющий в верхнюю, искривлённую поверхность передней кромки крыла, отклоняется вверх. Форма аэродинамической поверхности разрабатывается таким образом, чтобы толкать воздух вниз, что обеспечивает равное по силе противодействие, толкающее эту поверхность вверх. Если крыло спроектировано так, что сможет вызывать подъёмную силу большей величины, чем вес ЛА, такой ЛА будет способен летать.

Если бы вся необходимая подъёмная сила могла обеспечиваться только отклонением воздушного потока при столкновении с нижней поверхностью крыла, было бы достаточно снабдить летательный аппарат плоским крылом (наподобие воздушного змея). Однако для под­держки летательного аппарата в воздухе необходим баланс подъёмной силы, вызываемой потоками воздуха как снизу, так и сверху крыла. Это ключевой фактор полёта.

Не имеет никакого практического смысла выде­лять процентные доли подъёмной силы, создаваемой отдельно верхней и нижней поверхностями крыла. Эти величины непостоянны и варьируются в зависимости не только от условий полёта, но и от конструкции крыла.

Разные аэродинамические поверхности имеют различные лётно-технические характеристики. В аэродинамических трубах и в условиях реального полёта были протестированы тысячи аэродинамических поверхностей, и не существует единственного варианта, который мог бы удовлетворить всем полётным требованиям. Вес, скорость и назначение каждого ЛА определяют форму его аэродинамической поверхности. Самым эффективным с точки зрения создания максимальной подъёмной силы является аэродинамический профиль с вогнутой, или «выскобленной» нижней поверхностью. В своём исходном варианте такой тип аэродинамических поверхностей слишком сильно жертвует скоростью ради создания подъёмной силы, поэтому он не пригоден для высокоскоростного полёта. Развитие авиационной конструкторской мысли сделало возможным использование преимуществ вогнутого аэродинамического профиля в современных вы­сокоскоростных реактивных самолётах. Выдвинутые наружу из основной структуры крыла предкрылки и за­крылки полностью меняют форму аэродинамической поверхности, превращая её сечение в классический вогнутый профиль и, благодаря этому, способны создавать гораздо большую подъёмную силу при полетах на малых скоростях.

С другой стороны, полностью обтекаемая аэродинамическая поверхность, почти не вызывающая сопротивления воздуха, зачастую не может создать подъёмную силу, достаточную, чтобы поднять самолёт в воздух. Поэтому современные самолёты обычно имеют аэродинамические поверхности комбинированного профиля. Их форма варьируется в зависимости от назначения самолёта. На рис. 3-7 пока­заны наиболее часто встречающие аэродинамические профили.

Область низкого давления над крылом. Будучи помещенной в аэродинамическую трубу или во время полёта, аэродинамическая поверхность представляет собой просто объект обтекаемой формы, находящийся в движущемся воздушном потоке. Если бы её сечение имело каплевидную форму, скорость и давление воздуха над и под аэродинамической поверхностью были бы одинаковы. Но разрежем профиль каплевидной формы пополам вдоль его длинной стороны — и мы получим фигуру, напоминающую сечение простейшей аэродинамической поверхности (крыла). Если затем наклонить крыло так, чтобы воздушный поток ударял в него под некоторым углом (называемым углом атаки, или УА), воздух над верхней поверхностью крыла будет двигаться быстрее, чем под нижней его поверхностью.

Согласно принципу Бернулли, увеличение скоро­сти воздушного потока над верхней поверхностью крыла вызывает снижение давления. Пониженное давление — важный компонент суммарной подъёмной силы. Но эта сила обеспечивается не только перепадом давлений на верхней и нижней поверхностях крыла.

Обтекая верхнюю поверхность крыла, воздух движется вниз и назад, создавая так называемый снос потока. У задней кромки крыла этот снос потока встречается с потоком воздуха, обтекающим нижнюю поверхность крыла. Согласно третьему закону Ньютона, уходящий вниз поток с верхней поверх­ности крыла вызывает противодействие в виде направленной вверх силы, приложенной к крылу.

Область высокого давления под крылом. Существенная доля подъёмной силы создаётся давлением воздуха под крылом. В результате движения воздуха, обтекающего нижнюю поверхность крыла, возникает положительное давление, особенно при высоких значениях угла атаки. Но эта часть воздушного потока имеет ещё один важный аспект. В определённой точке, расположенной вблизи передней кромки крыла, воздушный поток практически останавливается (точка застоя), а затем постепенно наращивает скорость. В другой точке, расположенной вблизи задней кромки крыла, поток опять достигает скорости, равной его скорости над верхней поверхностью крыла. В соответствии с принципом Бернулли, при замедлении воздушного потока под крылом возникает положительное давление, направленное вверх. Поскольку перепад давлений на верхней и нижней поверхностях крыла увеличивается, увеличивается и суммарная подъёмная сила. Это происходит в полном соответствии с третьим законом Ньютона и принципом Бернулли.

Распределение давления. В ходе экспериментов над моделями в аэродинамической трубе и над полноразмерными самолётами было установлено, что при различных углах атаки на поверхности крыла возникают области, где давление отрицательно (т.е. меньше атмосферного) и где оно положительно (больше атмосферного). Отрицательное давление на верхней поверхности крыла приводит к возникновению силы, большей, чем та, которую создаёт положительное давление воздушного потока на нижнюю поверхность крыла. На рис. 3-8 показано распределение давления по поверхности крыла при трёх различных углах атаки.

Точка, к которой приложена равнодействующая всех сил, вызываемых давлением на поверхность крыла при определённом угле атаки, называется центром давле­ния (ЦД). Аэродинамическая сила всегда приложена к ЦД. При высоких углах атаки ЦД смещается вперёд, а при низких — назад.

При разработке конструкции крыла чрезвычайно важно учитывать положение ЦД, поскольку оно определяет точку приложения воздушной нагрузки на крыло при различных углах атаки. Аэродинамическое равновесие и управляемость самолёта тесно связаны с изменениями положения ЦД.

Поведение аэродинамической поверхности. Хотя существует множество примеров, в которых каждый из вышеперечисленных принципов предсказывает и определяет возникновение подъёмной силы, её точный расчёт достаточно сложен. Помимо перепада давлений на верхней и нижней поверхностях крыла, в создании подъёмной силы участвуют многие другие факторы. У многих аэродинамических поверхностей По мере движения аэродинамической поверхности сквозь воздух её наклон относительно воздушного потока меняется. Следовательно, меняется и поток, вызываемый её взаимодействием с набегающим воздухом. Представьте себе, что вы высунули руку из окна автомобиля, движущегося с большой скоростью. Если вы будете наклонять руку в разные стороны, вы почувствуете, что давление воздушного потока толкает вашу руку вверх или вниз. Причиной этого является отклонение воздушного потока, которое, в свою очередь, заставляет воздух огибать под разными углами препятствие, находящееся на пути воздушного потока. В результате этого воздушный поток вокруг объекта меняет свои скорость и направление движения, что приводит к возникновению аэродинамической силы определённых величины и направления.

Третья поверхность. До этого момента мы обсуждали потоки воздуха, огибающие верхнюю и нижнюю плоскости крыла. В то время как основная часть подъёмной силы вызывается этими двумя поверхностями, третья поверхность — законцовка крыла — также обладает аэродинамическими свойствами. Воздух в области высокого давления под крылом стремится обогнуть законцовку и переместиться в область низкого давления над крылом (рис. 3-9). В ходе этого процесса возникает вихревой поток, называемый концевым вихрем. Концевой вихрь создаёт снос потока позади задней кромки крыла и при этом уменьшает суммарную подъёмную силу внешней части крыла.

Для уменьшения этого эффекта существуют различные способы. К концевой части крыла могут прикрепляться небольшие вертикальные крылышки (винглеты), которые уменьшают интенсивность концевого вихря. Винглеты действуют как дамба, препятствующая возникновению концевого вихря. Они могут устанавливаться как на верхнюю, так и на нижнюю поверхность крыла. Другой метод противодействия концевым вихрям заключается в заострении законцовки крыла, что уменьшает разницу в давлениях и сглаживает воздушный поток вокруг него