Аэродинамическое качество. Вес. Подъемная сила.

Аэродинамическое качество. Лобовое сопротивление — это цена, которая прихо­дится платить за возникновение подъёмной силы. Отношение подъёмной силы аэродинамической поверхности к испытываемой ею силе лобового сопротивления (Y/X) называется аэродинамическим качеством. Это отношение определяет эффективность аэроди­намической поверхности. Чем выше аэродинамиче­ское качество летательного аппарата, тем лучше его лётные характеристики. Для установившегося полёте с постоянными значениями подъёмной силы и силы лобового сопротивления вводятся две величины: коэффициент подъёмной силы (СУ) и коэффициент лобового сопротивления (С_х). Это безразмерные величины, характеризующие соответственно подъёмную силу аэродинамической поверхности и испытываемую ею силу лобового сопротивления при определённом угле атаки (рис. 4-9).

Аэродинамическое качество равно отношению Су/С_х, что эквивалентно отношению подъёмной силы к силе лобового сопротивления (Y/X). В формулах рас­чёта подъёмной силы и силы лобового сопротивле­ния участвуют следующие величины: Y — подъёмная сила, X — сила лобового сопротивления (обе измеряются в Ньютонах), р — плотность воздуха на высоте полёта (кг/м³), V — скорость воздушного потока (м/с), S — площадь аэродинамической поверхности (м/с).

Коэффициент С_х равен отношению давления лобо­вого сопротивления к динамическому давлению. При низких углах атаки коэффициент лобового сопротивления обычно невелик, и небольшие изменения угла атаки практически не влияют на него. Но при высоких углах атаки даже незначительные изменения угла вызывают значительные изменения величины лобового сопротивления.

Приведённые выше формулы включают в себя коэффициенты подъёмной силы (Су) и лобового сопротивления (Сх) соответственно. Форма аэродинамической поверхности и других создающих подъёмную силу компонентов (например, закрылков) влияет на величину подъёмной силы, меняя её при изменении УА. Аэродинамическое качество используется для количественной оценки соотношения подъёмной силы и лобового сопротивления и равно отношению коэффициента подъёмной силы к коэффициенту лобового сопротивления (Су/Сх).

На рис. 4-9 видно, что кривая подъёмной силы (красная) для данной секции крыла достигает максимума при УА, равном 20°, а затем резко идёт вниз. Таким образом, УА в 15° является критическим углом атаки (углом сваливания). Кривая лобового сопротивления (жёлтая) начинает быстрый подъём после УА 6° и превышает кривую подъёмной силы при УА 21°. Кривая аэродинамического качества (зелёная) достигает максимума при УА 6°, и это означает, что при таком угле атаки наибольшая подъёмная сила достигается при наименьшем лобовом сопротивлении.

Обратите внимание, что максимум аэродинамического качества (Y/X)max достигается при единственных значениях Су и УА. Если в условиях установившегося полёта достигнут максимум (Y/X),суммарное лобовое сопротивление снижается до минимума. При изменении угла атаки в большую или меньшую сторону относительно того значения, при котором достигнут максимум аэродинамического качества, суммарное лобовое сопротивление при неизменной подъёмной силе начнёт расти. Нарис. 4-9 значению (Y/X)max соответствует нижняя точка оранжевой линии (суммарное лобовое сопротивление). Конструкция летательного аппарата существенным образом влияет на аэродинамическое качество.

Вес. Сила Тяготения — это сила, которая стремится притянуть все тела к центру Земли. Центр тяжести (ЦТ) летательного аппарата можно рассматривать как точку, в которой сосредоточен весь его вес. Если ЛА подвесить в его ЦТ, он будет находится в равновесии при любом положении. Следует заметить, что ЦТ играет важную роль в аэродинамике, поскольку его расположение существенным образом влияет на устойчивость летательного аппарата в воздухе.

Расположение ЦТ каждого ЛА определяется его конструкцией. Дизайнеры находят положение центра давления и размещают ЦТ перед ним. Это делается для того, чтобы при любой заданной скорости полёта обеспечить стабилизирующий момент, достаточный для восстановления равновесия сил.

Вес соотносится с подъёмной силой вполне определённым образом. Это соотношение достаточно про­стое, но крайне важное для понимания аэродинамики полёта. Подъёмная сила — это направленная вверх сила, действующая на крыло перпендикулярно направлению относительного ветра. Подъёмная сила необходима для того, чтобы противодействовать весу ЛА (который возникает благодаря силе тяготения, действующей на массу ЛА). Вес (сила тяжести) направлен вниз и приложен к ЦТ летательного аппарата. Если во время установившегося горизонтального полёта подъёмная сила равна весу, ЛА будет находиться в состоянии равновесия, не снижаясь и не набирая высоту. Если подъёмная сила меньше веса, ЛА теряет высоту, если больше — набирает её. (рис. 4-4).

Подъёмная сила. Пилот имеет возможность управлять подъёмной силой. Всякий раз, как пилот перемещает штурвал или ручку управления вперед или назад, УА меняется. При росте УА увеличивается и подъёмная сила (при прочих равных факторах). Когда летательный аппарат достигает максимального УА, подъёмная сила начинает быстро падать. Это значение УА называется критическим углом атаки и обозначается как акр. Обратите внимание, как значение Су растет до достижения критического угла атаки, а затем резко падает при дальнейшем увеличении УА.

Прежде чем продолжить изложение вопроса, следует сделать несколько замечаний относительно скорости полёта. Форма крыла или несущего винта может считаться эффективной только в том случае, если они непрерывно «атакуют» воздух. Для того чтобы продолжать полёт, создающая подъёмную силу аэродинамическая поверхность должна постоянно двигаться. В случае вертолёта или автожира это достигается за счёт вращения лопастей несущего винта. Для других типов ЛА, таких, как самолёт, дельтаплан или планёр, необходимо обеспечить движение воздуха вдоль подъёмной поверхности. Это достигается благодаря поступательной скорости ЛА.

Подъёмная сила пропорциональна квадрату скорости ЛА. Например, если ЛА движется со скоростью 400 км/ч, действующая на него подъёмная сила в четыре раза больше, чем в случае, если бы тот же ЛА двигался со скоростью 200 км/ч.

Фактически, если скорость ЛА увеличивается, а УА остаётся неизменным, он не может продолжать горизонтальный полёт на постоянной высоте. Подъёмная сила будет расти, и в результате этого ЛА станет набирать высоту. Поэтому, для сохранения баланса между подъёмной силой и весом и продолжения горизонтального полёта в состоянии равновесия при увеличении скорости, подъёмная сила должна уменьшаться. Обычно это достигается за счёт снижения УА (опускания носа). И наоборот, при замедлении летательного аппарата для сохранения достаточной подъёмной силы необходимо увеличение УА. Конечно, существует предел увеличения УА, при котором произойдёт сваливание.

При прочих равных условиях, каждому УА соответствует некоторая воздушная скорость, необходимая для сохранения высоты при горизонтальном установившемся полёте. Поскольку аэродинамическая по­верхность всегда входит в состояние сваливания при одном и том же УА, при повышении веса летатель­ного аппарата подъёмная сила также должна быть увеличена. Единственный способ увеличения подъ­ёмной силы состоит в повышении воздушной скорости (при этом УА следует сохранять постоянным и чуть меньшим, чем критический угол атаки, или угол сваливания).

Подъёмная сила и лобовое сопротивление непосредственно зависят от плотности воздуха. На плотность воздуха влияют такие факторы, как атмосферное давление, температура и влажность. На высоте 5,5 км плотность воздуха вдвое меньше, чем на уровне моря. Для сохранения подъёмной силы при заданном УА, с увеличением высоты истинная воздушная скорость ЛА должна возрастать.

Тёплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, а влажный имеет меньшую плотность, чем сухой. Поэтому в тёплый и сырой день при заданном угле атаки ЛА должен двигаться с большей истинной воздушной скоростью, чем в холодный и сухой.

Если плотность воздуха снижается, а суммарную подъёмную силу необходимо сохранить равной сум­марному весу ЛА, должно быть увеличено значение какого-либо из других факторов, влияющих на величину подъёмной силы. Обычно увеличивают либо воздушную скорость, либо УА, поскольку эти величины напрямую контролируются пилотом.

Подъёмная сила может варьироваться в широком диапазоне в зависимости от площади крыла (при условии, что горизонтальная проекция крыла не меняется). Если два крыла имеют одинаковые пропорции и состоят из одних и тех же аэродинамических поверхностей, крыло с площадью горизонтальной проекции 100 м2 при одном и том же УА способно создавать подъёмную силу вдвое большую, чем крыло с площадью 50 м2.

С точки зрения пилота, главными аэродинамическими факторами являются подъёмная сила и скорость, поскольку этими факторами он может управлять непосредственно и с высокой степенью точности. Конечно, пилот также может контролировать плотность воздуха, меняя высоту, а также управлять площадью крыла (если ЛА снабжён закрылками, увеличивающими эту площадь). Однако в большинстве случаев для маневрирования пилоту достаточно контролировать подъёмную силу и скорость. Например, в установившемся прямолинейном полёте для сохранения постоянной высоты подъёмная сила устанавливается таким образом, чтобы соответствовать крейсерской скорости ЛА, сохраняя состояние равновесия, при котором подъёмная сила равна весу. При заходе на посадку, если пилот хочет приземлиться с минимальной возможной скоростью, необходимо увеличить подъёмную силу почти до максимума, чтобы сохранить равновесие между нею и весом ЛА.