בכל לשכת עיצוב תעופה יש סיפור על אמירה של המעצב הראשי. רק כותב ההצהרה משתנה. וזה נשמע כך: "כל חיי התעסקתי במטוסים, אבל אני עדיין לא מבין איך חתיכת הברזל הזו עפה!". ואכן, אחרי הכל, החוק הראשון של ניוטון עדיין לא בוטל, והמטוס בבירור כבד יותר מאוויר. יש צורך להבין איזה כוח לא מאפשר ליפול מכונה רב-טון על הקרקע.
שיטות נסיעות אוויריות
יש שלוש דרכים לנסוע:
- אווירוסטטי, כאשר הרמה מהקרקע מתבצעת בעזרת גוף שכוח המשקל הסגולי שלו נמוך מצפיפות האוויר האטמוספרי. אלו הם בלונים, ספינות אוויר, בדיקות ומבנים דומים אחרים.
- Reactive, שהוא הכוח הגס של זרם סילון מדלק דליק, המאפשר להתגבר על כוח הכבידה.
- ולבסוף, השיטה האווירודינמית ליצירת עילוי, כאשר האטמוספרה של כדור הארץ משמשת כחומר תומך לכלי רכב כבדים מאוויר. מטוסים, מסוקים, מטוסי ג'ירו, דאונים, ודרך אגב, ציפורים נעים בשיטה הספציפית הזו.
כוחות אווירודינמיים
כלי טיס שנע באוויר מושפע מארבעה כוחות רב-כיווניים עיקריים. באופן קונבנציונלי, הווקטורים של הכוחות הללו מופנים קדימה, אחורה, למטה ולמעלה. זה כמעט ברבור, סרטן ופיקה. הכוח שדוחף את המטוס קדימה נוצר על ידי המנוע, אחורה הוא הכוח הטבעי של התנגדות האוויר, ולמטה הוא כוח הכבידה. ובכן, במקום לתת למטוס ליפול - העילוי שנוצר מזרימת האוויר עקב הזרימה סביב הכנף
אווירה סטנדרטית
מצב האוויר, הטמפרטורה והלחץ שלו יכולים להשתנות באופן משמעותי בחלקים שונים של פני כדור הארץ. בהתאם לכך, כל המאפיינים של כלי טיס יהיו שונים גם בעת טיסה במקום זה או אחר. לכן, מטעמי נוחות והבאת כל המאפיינים והחישובים למכנה משותף, הסכמנו להגדיר את מה שמכונה האטמוספירה הסטנדרטית עם הפרמטרים העיקריים הבאים: לחץ 760 מ"מ כספית מעל פני הים, צפיפות אוויר 1.188 ק"ג למטר מעוקב, מהירות של צליל 340.17 מטר לשנייה, טמפרטורה +15 ℃. ככל שהגובה עולה, הפרמטרים הללו משתנים. יש טבלאות מיוחדות שחושפות את ערכי הפרמטרים לגבהים שונים. כל החישובים האווירודינמיים, כמו גם קביעת מאפייני ביצועי המטוס, מתבצעים באמצעות אינדיקטורים אלה.
העיקרון הפשוט ביותר ליצירת עילוי
אם בזרימת האוויר המתקרבתלהציב חפץ שטוח, למשל, על ידי הוצאת כף היד מהחלון של מכונית נוסעת, אתה יכול להרגיש את הכוח הזה, כמו שאומרים, "על האצבעות שלך". כשמסובבים את כף היד בזווית קטנה ביחס לזרימת האוויר, מיד מרגישים שבנוסף להתנגדות האוויר, הופיע כוח נוסף המושך למעלה או למטה, בהתאם לכיוון זווית הסיבוב. הזווית בין מישור הגוף (במקרה זה, כפות הידיים) לבין כיוון זרימת האוויר נקראת זווית ההתקפה. על ידי שליטה בזווית ההתקפה, אתה יכול לשלוט בהרמה. ניתן לראות בקלות שעם עלייה בזווית ההתקפה, הכוח שדוחף את כף היד למעלה יגדל, אך עד לנקודה מסוימת. וכאשר הוא יגיע לזווית הקרובה ל-70-90 מעלות, הוא ייעלם כליל.
כנף כלי טיס
משטח הנושא העיקרי שיוצר עילוי הוא כנף המטוס. פרופיל הכנף בדרך כלל מעוקל בצורת דמעה כפי שמוצג.
כאשר האוויר זורם סביב הכנף, מהירות האוויר העובר לאורך החלק העליון של הכנף עולה על מהירות הזרימה התחתונה. במקרה זה, לחץ האוויר הסטטי בחלק העליון הופך נמוך יותר מאשר מתחת לכנף. הפרש הלחץ דוחף את הכנף כלפי מעלה, ויוצר עילוי. לכן, כדי להבטיח את הפרש הלחץ, כל פרופילי הכנף נעשים לא סימטריים. עבור כנף עם פרופיל סימטרי בזווית התקפה אפסית, העילוי בטיסה מישור היא אפס. עם כנף כזו, הדרך היחידה ליצור אותה היא לשנות את זווית ההתקפה. ישנו מרכיב נוסף של כוח ההרמה - אינדוקטיבי. היאנוצר עקב ההטיה כלפי מטה של זרימת האוויר על ידי המשטח התחתון המעוקל של הכנף, מה שגורם באופן טבעי לכוח הפוך כלפי מעלה הפועל על הכנף.
חישוב
הנוסחה לחישוב כוח ההרמה של כנף מטוס היא כדלקמן:
Y=CyS(PV 2)/2
איפה:
- Cy - מקדם הרמה.
- S - אזור האגף.
- V - מהירות זרם חופשית.
- P - צפיפות אוויר.
אם הכל ברור עם צפיפות אוויר, שטח כנף ומהירות, אז מקדם העילוי הוא ערך המתקבל בניסוי ואינו קבוע. זה משתנה בהתאם לפרופיל הכנף, יחס הרוחב-גובה שלו, זווית ההתקפה וערכים נוספים. כפי שאתה יכול לראות, התלות הן לרוב ליניאריות, למעט מהירות.
המקדם המסתורי הזה
מקדם הרמת הכנף הוא ערך לא ברור. חישובים מרובי שלבים מורכבים עדיין מאומתים בניסוי. זה נעשה בדרך כלל במנהרת רוח. עבור כל פרופיל כנף ולכל זווית התקפה, ערכו יהיה שונה. ומכיוון שהכנף עצמה אינה עפה, אלא היא חלק מהמטוס, בדיקות כאלה מבוצעות על העותקים המופחתים התואמים של דגמי מטוסים. כנפיים נבדקות רק לעתים נדירות בנפרד. על פי תוצאות מדידות רבות של כל כנף מסוימת, ניתן לשרטט את התלות של המקדם בזווית ההתקפה, וכן גרפים שונים המשקפים את התלות.הרמה מהמהירות והפרופיל של כנף מסוימת, כמו גם מהמיכון המשוחרר של הכנף. תרשים לדוגמה מוצג למטה.
למעשה, מקדם זה מאפיין את יכולת הכנף להמיר את לחץ האוויר הנכנס לעילוי. הערך הרגיל שלו הוא מ-0 עד 2. השיא הוא 6. עד כה, אדם רחוק מאוד משלמות טבעית. לדוגמה, מקדם זה עבור נשר, כאשר הוא עולה מהקרקע עם גופר שנתפס, מגיע לערך של 14. ברור מהגרף לעיל שעלייה בזווית ההתקפה גורמת לעלייה בהרמה לערכי זווית מסוימים.. לאחר מכן, האפקט אובד ואף הולך בכיוון ההפוך.
זרימת דוכן
כמו שאומרים, הכל טוב במידה. לכל כנף יש גבול משלה מבחינת זווית ההתקפה. מה שנקרא זווית ההתקפה העל-קריטית מובילה לסטייה על המשטח העליון של הכנף, ומונעת ממנו להתרומם. ההקפאה מתרחשת בצורה לא אחידה על פני כל שטח הכנף ומלווה בתופעות מתאימות, לא נעימות במיוחד כמו רעידות ואיבוד שליטה. למרבה הפלא, תופעה זו אינה תלויה הרבה במהירות, אם כי היא משפיעה גם, אך הסיבה העיקרית להתרחשות התקלה היא תמרון אינטנסיבי, המלווה בזוויות התקפה סופר-קריטיות. בגלל זה התרחשה ההתרסקות היחידה של מטוס ה-Il-86, כאשר הטייס, שרצה "להשוויץ" במטוס ריק ללא נוסעים, החל לטפס בפתאומיות, שהסתיים בצורה טראגית.
התנגדות
יד ביד עם הרמה מגיעה גרירה,מונע מהמטוס לנוע קדימה. הוא מורכב משלושה אלמנטים. אלו הם כוח החיכוך הנובע מהשפעת האוויר על המטוס, הכוח הנובע מהפרש הלחצים באזורים שלפני הכנף ומאחורי הכנף והמרכיב האינדוקטיבי שנדון לעיל, שכן וקטור פעולתו מכוון. לא רק כלפי מעלה, תורם לעלייה בהרמה, אלא גם בחזרה, בהיותו בן ברית של ההתנגדות. בנוסף, אחד המרכיבים של התנגדות אינדוקטיבית הוא הכוח המתרחש עקב זרימת האוויר דרך קצוות הכנף, הגורם לזרימות מערבולת המגדילות את השיפוע של כיוון תנועת האוויר. נוסחת הגרר האווירודינמית זהה לחלוטין לנוסחת כוח העילוי, למעט מקדם Su. הוא משתנה למקדם Cx ונקבע גם בניסוי. ערכו רק לעתים רחוקות עולה על עשירית מאחד.
יחס ירידה לגרירה
היחס בין כוח הרמה לכוח הגרירה נקרא איכות אווירודינמית. יש לקחת בחשבון תכונה אחת כאן. מכיוון שהנוסחאות של כוח העילוי וכוח הגרר, למעט המקדמים, זהות, ניתן להניח שהאיכות האווירודינמית של המטוס נקבעת על פי היחס בין המקדמים Cy ו-Cx. הגרף של יחס זה עבור זוויות התקפה מסוימות נקרא קוטב הכנפיים. דוגמה לתרשים כזה מוצגת להלן.
למטוסים מודרניים יש ערך איכות אווירודינמי בסביבות 17-21, ולרחפנים - עד 50. זה אומר שבמטוסים הרמת הכנף היא בתנאים אופטימלייםגדול פי 17-21 מכוח ההתנגדות. בהשוואה למטוס של האחים רייט, שציון 6.5, ההתקדמות בתכנון ברורה, אבל הנשר עם הגופר האומלל בכפותיו עדיין רחוק..
מצבי טיסה
מצבי טיסה שונים דורשים יחס הרמה לגרירה שונה. בטיסה במפלס שיוט, מהירות המטוס גבוהה למדי, ומקדם העילוי, פרופורציונלי לריבוע המהירות, נמצא בערכים גבוהים. העיקר כאן הוא למזער את ההתנגדות. במהלך ההמראה ובעיקר הנחיתה, מקדם ההרמה משחק תפקיד מכריע. מהירות המטוס נמוכה, אך נדרש מיקומו היציב באוויר. פתרון אידיאלי לבעיה זו יהיה יצירת מה שנקרא כנף אדפטיבית, אשר משנה את העקמומיות והשטח שלה בהתאם לתנאי הטיסה, בערך באותו אופן כמו עופות. עד שהמתכננים הצליחו, השינוי במקדם העילוי מושג באמצעות מיכון כנפיים, המגדיל הן את השטח והן את עקמומיות הפרופיל, מה שעל ידי הגברת ההתנגדות מגדיל משמעותית את העילוי. עבור מטוסי קרב נעשה שימוש בשינוי בניפת הכנף. החידוש איפשר להפחית את הגרר במהירויות גבוהות ולהגדיל את העילוי במהירויות נמוכות. עם זאת, עיצוב זה התברר כלא אמין, ולאחרונה יוצרו מטוסי קו קדמי עם כנף קבועה. דרך נוספת להגביר את כוח ההרמה של כנף מטוס היא לנשוף בנוסף את הכנף עם זרימה מהמנועים. זה יושם בצבאמטוסי תובלה מסוג An-70 ו-A-400M, אשר, בשל נכס זה, נבדלים על ידי קיצור מרחקי המראה ונחיתה.
