Виды сопротивлений при полете

Лобовое сопротивление. Лобовое сопротивление — это сила, препятствующая движению летательного аппарата сквозь воздушную среду. Оно бывает двух основных типов: паразитное и индуцированное. Первое называется паразитным, потому что оно никаким образом не способствует полёту, в то время как второе индуцируется или возникает в результате подъёма, создаваемого аэродинамической поверхностью.

Паразитное сопротивление. Паразитное сопротивление включает в себя все силы, которые замедляют движение летательного аппарата. Как предполагает сам термин «паразитное», эта часть лобового сопротивления не связана с созданием подъёмной силы. Сюда входят: перемещение воздуха во время движения летательного аппарата; турбулентность, создаваемая воздушным потоком; торможение воздушного потока при его движении по поверхности летательного аппарата или крыла. Существует три типа паразитного сопротивления: профильное сопротивление, интерференционное сопротивление и поверхностное трение.

Профильное сопротивление. Профильное сопротивление — это часть паразитного сопротивления, являющаяся следствием формы ЛА и возникающее при огибании его воздушным потоком. Примерами компонентов, вызывающих такое сопротивление, являются обтекатель двигателя, антенны и аэродинамическая форма других частей летательного аппарата. При столкновении с летательным аппаратом воздушный поток разделяется, обтекает его компоненты и снова объединяется позади его корпуса. От того, насколько быстро и легко происходит это объединение, зависит сопротивление, создаваемое воздушным потоком и требующее дополнительной силы для преодоления (рис. 4-5). Обратите внимание на то, какие завихрения создаются вокруг краёв плоской пластины на рис. 4-5.

Интерференционное сопротивление. Интерференционное сопротивление возникает при смешении воздушных потоков вблизи поверхности летательного аппарата. При этом возникают вихревые токи и турбулентности, которые препятствуют движению воздушного потока. Например, значительное интерференционное сопротивление возникает в месте сочленения крыла и фюзеляжа у корневой части крыла. Воздушные токи, обтекающие фюзеляж и крыло, сталкиваются, сливаясь в единый поток, отличный от двух своих составляющих.

Наиболее значительное интерференционное сопротивление возникает, когда две поверхности соединя­ются под прямым углом. Для снижения этого эффекта применяются так называемые зализы. Если на реактивном истребителе установлено два одинаковых крыльевых топливных бака, общее сопротивление воздуха больше, чем сумма сопротивлений каждого из баков в отдельности, поскольку оба они создают интерференционное сопротивление. Зализы и зазоры между подъёмными поверхностями и внешними компонентами (такими, как радарные антенны, свисающие с крыльев), помогают снизить интерференционное сопротивление (рис. 4-6).

Сопротивление поверхностного трения. Сопротивление поверхностного трения — это аэро­динамическое сопротивление, возникающее при контакте движущегося воздуха с поверхностью летательного аппарата. Какой бы гладкой и ровной не казалась поверхность, при достаточном увеличении она будет выглядеть неровной и зазубренной. Входя в контакт с поверхностью крыла, молекулы воздуха практически останавливаются. Каждый слой молекул над поверхностью крыла движется несколько быстрее, чем нижележащий, и при некотором удалении от поверхности они приобретают ту же скорость, что и воздушный поток, обтекающий летательный аппарат. Эта скорость называется скоростью свободного потока.

Область между поверхностью крыла и уровнем свободного потока имеет ширину, примерно равную ширине игральной карты. Она называется пограничным слоем. В верхней части пограничного слоя молекулы воздуха движутся с той же скоростью, что и за его пределами. Действительная скорость, с которой движутся молекулы, зависит от формы крыла, вязкости (способности к сцеплению) воздуха, сквозь который движется крыло или другая аэродинамическая поверхность, и его объёмной упругости (насколько сильному сжатию он может быть подвергнут).

Воздушный поток за пределами пограничного слоя реагирует на форму краев слоя точно так же, как реагировал бы на форму поверхности твёрдого объекта. Пограничный слой придаёт любому объекту «эффективную» форму, которая обычно несколько отличается от физической формы объекта. Пограничный слой также может отделяться от объекта, создавая при этом эффективную форму, существенно отличающуюся от физической формы объекта. Такое изменение формы пограничного слоя вызывает значительное снижение подъёмной силы и увеличение сопротивления. Этот эффект называется сваливанием аэродинамической поверхности.

Для того, чтобы уменьшить сопротивление поверхностного трения, авиаконструкторы используют уто­пленные крепежи и стараются избежать неровностей, выступающих над поверхностью крыла. Кроме того, для достижения ровной и гладкой поверхности обшивку тщательно шлифуют. Поскольку грязь и пыль на поверхности обшивки препятствуют свободному течению воздуха и увеличивают сопротивление, обшивку летательного аппарата необходимо содержать в чистоте.

Индуктивное сопротивление. Вторым основным видом лобового сопротивления является индуктивное сопротивление. Считается доказанным, что систем, которые были бы на 100% эффективны в механическом смысле, не существует в природе. Это означает, что вне зависимости от характеристик системы, совершённая ею работа включает в себя некоторую часть, которая рассеивается или теряется внутри системы. Чем более совершенна система, тем меньше эти потери.

Благодаря своим аэродинамическим свойствам, во время горизонтального полёта крыло или несущий винт создают необходимую подъёмную силу, но лишь ценой определённых неизбежных потерь. Эти по­тери носят название индуктивного сопротивления. Индуктивное сопротивление является неотъемлемой частью процесса создания подъёмной силы и неотделимо от этого процесса. Иными словами, оно всегда имеет место при создании подъёмной силы.

Аэродинамическая поверхность (крыло или лопасть несущего винта) создаёт подъёмную силу, используя энергию свободного воздушного потока. При этом давление на нижней её поверхности всегда больше, чем на верхней (принцип Бернулли). В результате воздух стремится перетекать из области высокого давления (под торцевой кромкой крыла) вверх, в область низкого давления (над ней). В непосредственной близости от торцевой кромки возникает тенденция к уравниванию давления, которая приводит к появлению бокового потока, направленного из-под крыла наружу и вверх. Боковой поток отрицательно влияет на угловую скорость воздуха у торцевой кромки, создавая завихрения, тянущиеся позади аэродинамической поверхности.

Если смотреть на летательный аппарат со стороны хвоста, эти завихрения направлены против часовой стрелки у правого торца крыла и по часовой стрелке — у левого торца (рис. 4-7).

Учитывая направления вращения этих завихрений, можно видеть, что они создают восходящий поток возле торцевой кромки крыла, и снос потока — позади задней кромки крыла. Этот индуктивный снос потока не имеет никакого отношения к сносу, необходимому для создания подъёмной силы. Фактически, он и является причиной возникновения индуктивного сопротивления. Чем больше по размеру и интенсивности воздушные завихрения и связанный с ними снос потока вокруг аэродинамической поверхности, тем большее воздействие на полёт летательного аппарата оказывает индуктивное сопротивление. Снос потока с верхней поверхности крыла у его торцевой кромки создаёт тот же эффект, что возникает при наклоне вектора подъёмной силы назад, к хвосту летательного аппарата; таким образом, подъёмная сила отклоняется от перпендикуляра к направлению набегающего потока, создавая тем самым направленную назад составляющую. Это и есть индуктивное сопротивление.

Для того, чтобы создать большее отрицательное давление на верхнюю кромку аэродинамической поверхности, её можно наклонить, увеличивая УА. Если УА симметричной аэродинамической поверхности будет равен нулю, перепад давлений исчезнет; следовательно, не будет сноса потока и связанного с ним индуктивного сопротивления. В любом случае, по мере роста УА, вместе с ним увеличивается и индуктивное сопротивление. Можно сказать иначе — чем ниже воздушная скорость, тем больший УА необходим, чтобы создать подъёмную силу, равную весу летательного аппарата, и соответственно, тем выше индуктивное сопротивление. Величина индуктивного сопротивления обратно пропорциональна квадрату воздушной скорости.

И наоборот, величина паразитного сопротивления прямо пропорционально квадрату воздушной скорости. Следовательно, по мере снижения воздушной скорости вплоть до скорости сваливания, суммарное лобовое сопротивление возрастает, главным образом, за счёт резкого роста индуктивного сопротивления. Аналогично, когда летательный аппарат достигает своей конечной скорости, суммарное лобовое сопротивление снова быстро возрастает из-за резкого роста паразитного сопротивления. Как показано на рис. 4-8, существует определённое значение воздушной скорости, при котором суммарное лобовое сопротивление достигает своего минимума.

Определяя максимальную продолжительность и дальность полёта летательного аппарата, следует учитывать, что энергия, необходимая для преодоления лобового сопротивления, минимальна, если минимально сопротивление.