כוח הגרירה הזה מתרחש במטוסים עקב כנפיים או גוף הרמה שמנתב אוויר כדי לגרום לעילוי, ובמכוניות עם כנפי ציר אוויר שמנתבות אוויר כדי לגרום לכוח כלפי מטה. סמואל לנגלי הבחין שלצלחות שטוחות יותר ויחס רוחב-גובה גבוהות יותר יש עילוי גבוה יותר וגרירה נמוכה יותר והוצגו ב-1902. ללא המצאת האיכות האווירודינמית של המטוס, עיצוב מטוס מודרני יהיה בלתי אפשרי.
הרמה והעברה
הכוח האווירודינמי הכולל הפועל על גוף נחשב בדרך כלל למורכב משני מרכיבים: הרמה ותזוזה. בהגדרה, רכיב הכוח המקביל לזרימה הנגדית נקרא תזוזה, בעוד שהרכיב הניצב לזרימה הנגדית נקרא עילוי.
היסודות הללו של אווירודינמיקה הם בעלי חשיבות רבה לניתוח האיכות האווירודינמית של הכנף. עילוי מיוצר על ידי שינוי כיוון הזרימה סביב הכנף. שינויכיוון מביא לשינוי במהירות (גם אם אין שינוי במהירות, כפי שרואים בתנועה מעגלית אחידה), שהיא תאוצה. לכן, כדי לשנות את כיוון הזרימה, יש צורך להפעיל כוח על הנוזל. זה נראה בבירור בכל מטוס, רק תסתכל על הייצוג הסכמטי של האיכות האווירודינמית של ה-An-2.
אבל לא הכל כל כך פשוט. בהמשך לנושא איכות האווירודינמית של כנף, ראוי לציין שיצירת מעלית אוויר מתחתיה היא בלחץ גבוה יותר מלחץ האוויר שמעליה. על כנף מוגבלת, הפרש לחצים זה גורם לאוויר לזרום משורש כנף המשטח התחתון לבסיס המשטח העליון שלה. זרימת אוויר מעופפת זו משתלבת עם אוויר זורם כדי לגרום לשינוי במהירות ובכיוון שמסובב את זרימת האוויר ויוצר מערבולות לאורך הקצה האחורי של הכנף. המערבולות שנוצרו אינן יציבות, הן מתחברות במהירות ליצירת מערבולות כנפיים. המערבולות המתקבלות משנות את המהירות והכיוון של זרימת האוויר מאחורי הקצה האחורי, מסיטות אותה כלפי מטה ובכך גורמות לדש מאחורי הכנף. מנקודת מבט זו, למשל, למטוס MS-21 יש רמה גבוהה של יחס הרמה לגרירה.
בקרת זרימת אוויר
המערבולות בתורן משנות את זרימת האוויר סביב הכנף, מפחיתות את יכולת הכנף ליצור עילוי, ולכן היא דורשת זווית התקפה גבוהה יותר עבור אותה עילוי, מה שמטה את הכוח האווירודינמי הכולל לאחור ומגביר את מרכיב הגרר של הכוח הזה. סטיית הזווית זניחהמשפיע על הרמה. עם זאת, ישנה עלייה בגרר השווה למכפלת ההרמה והזווית שבגללה היא סוטה. מכיוון שהסטה היא בעצמה פונקציה של העילוי, הגרר הנוסף הוא פרופורציונלי לזווית הטיפוס, שניתן לראות בבירור באווירודינמיקה של ה-A320.
דוגמאות היסטוריות
כנף פלנטרית מלבנית יוצרת יותר תנודות מערבולת מאשר כנף חרוטית או אליפטית, וזו הסיבה שכנפיים מודרניות רבות מחודדות כדי לשפר את יחס ההרמה לגרירה. עם זאת, מסגרת האוויר האליפטית יעילה יותר מכיוון שהשטיפה המושרה (ומכאן זווית ההתקפה האפקטיבית) קבועה על פני כל טווח הכנפיים. בשל סיבוכים בייצור, למעט מטוסים יש תוכנית זו, הדוגמאות המפורסמות ביותר הן ספיטפייר מלחמת העולם השנייה וה-Thunderbolt. כנפיים מחודדות עם קצוות ישרים מובילים ונגררים יכולים להתקרב לפיזור עילוי אליפטי. ככלל, כנפיים ישרות ולא מחודדות מייצרות 5% וכנפיים מחודדות מייצרות 1-2% יותר גרר מושרה מאשר כנף אליפטית. לכן, יש להם איכות אווירודינמית טובה יותר.
פרופורציונליות
כנף ביחס רוחב-רוחב גבוה תייצר גרר פחות מושר מאשר כנף ביחס רוחב-גובה נמוך מכיוון שיש פחות הפרעות אוויר בקצה כנף ארוכה ודקה יותר. לכן, המושרההתנגדות יכולה להיות פרופורציונלית הפוך למידתיות, לא משנה כמה פרדוקסלית היא נשמעת. ניתן לשנות את חלוקת העילוי גם על ידי שטיפה החוצה, סיבוב הכנף כדי להפחית את הירידה לכיוון הכנפיים ועל ידי החלפת ציר האוויר ליד הכנפיים. זה מאפשר להתקרב יותר לשורש הכנף ופחות לכנף, מה שמוביל לירידה בעוצמת מערבולות הכנף ובהתאם לשיפור באיכות האווירודינמית של המטוס.
בהיסטוריה של עיצוב מטוסים
בכמה מטוסים מוקדמים היו הסנפירים מורכבים על קצות הזנב. למטוסים מאוחרים יותר יש צורת כנף שונה כדי להפחית את עוצמת המערבולות ולהשיג יחס הרמה-גרירה מקסימלי.
מיכלי דלק של אימפלר על הגג יכולים גם לספק תועלת מסוימת על ידי מניעת זרימת אוויר כאוטית סביב הכנף. כעת הם משמשים במטוסים רבים. האיכות האווירודינמית של ה-DC-10 נחשבה ראויה למהפכנית בהקשר זה. עם זאת, שוק התעופה המודרני התחדש מזמן בדגמים הרבה יותר מתקדמים.
נוסחת גרירה לגרירה: מוסברת במילים פשוטות
כדי לחשב את ההתנגדות הכוללת יש צורך לקחת בחשבון את מה שנקרא התנגדות טפילית. מכיוון שהגרר המושרה הוא פרופורציונלי הפוך לריבוע מהירות האוויר (במעלית נתונה), בעוד שהגרר הטפילי עומד ביחס ישר אליו, עקומת הגרר הכוללת מציגה את המהירות המינימלית. מטוס,טיסה במהירות כזו, פועלת עם איכויות אווירודינמיות אופטימליות. לפי המשוואות לעיל, מהירות ההתנגדות המינימלית מתרחשת במהירות שבה ההתנגדות המושרה שווה להתנגדות הטפילית. זוהי המהירות שבה מגיעים לזווית ההחלקה האופטימלית עבור מטוסים סרק. כדי לא להיות מופרך, שקול את הנוסחה בדוגמה של מטוס:
גם המשך הנוסחה די מוזר (בתמונה למטה) טיסה גבוה יותר, היכן שהאוויר דליל יותר, תגביר את המהירות בה מתרחש הגרר המינימלי, וכך היא מאפשרת נסיעה מהירה יותר באותה כמות של דלק.
אם מטוס טס במהירות המרבית המותרת שלו, אזי הגובה בו צפיפות האוויר תספק לו את האיכות האווירודינמית הטובה ביותר. גובה אופטימלי במהירות מירבית ומהירות אופטימלית בגובה מירבי עשויים להשתנות במהלך הטיסה.
Stamina
מהירות לסבולת מקסימלית (כלומר זמן באוויר) היא המהירות לצריכת דלק מינימלית ומהירות פחותה לטווח מקסימלי. צריכת הדלק מחושבת כמכפלת ההספק הנדרש וצריכת הדלק הספציפית למנוע (צריכת דלק ליחידת הספק). ההספק הנדרש שווה לזמן הגרירה.
היסטוריה
פיתוח האווירודינמיקה המודרנית החל רק ב- XVIIמאות שנים, אבל כוחות אווירודינמיים שימשו את בני האדם במשך אלפי שנים בסירות מפרש ובטחנות רוח, ותמונות וסיפורי טיסה מופיעים בכל המסמכים ההיסטוריים ויצירות האמנות, כמו האגדה היוונית העתיקה על איקרוס ודדלוס. המושגים הבסיסיים של רצף, התנגדות ושיפועי לחץ מופיעים בעבודתם של אריסטו וארכימדס.
בשנת 1726, סר אייזק ניוטון הפך לאדם הראשון שפיתח את התיאוריה של התנגדות האוויר, מה שהפך אותה לאחד הטיעונים הראשונים לגבי איכויות אווירודינמיות. המתמטיקאי ההולנדי-שוויצרי דניאל ברנולי כתב ב-1738 חיבור בשם Hydrodynamica שבו הוא תיאר את הקשר הבסיסי בין לחץ, צפיפות ומהירות זרימה לזרימה בלתי דחיסה, הידוע כיום כעיקרון ברנולי, המספק שיטה אחת לחישוב עילוי אווירודינמי. בשנת 1757 פרסם לאונרד אוילר את משוואות אוילר הכלליות יותר, אותן ניתן ליישם הן על זרימות דחיסות והן על זרימות בלתי ניתנות לדחיסה. משוואות אוילר הורחבו כדי לכלול את השפעות הצמיגות במחצית הראשונה של המאה ה-19, מה שהוליד את משוואות נאוויאר-סטוקס. ביצועים אווירודינמיים/איכות אווירודינמית של הקוטב התגלו בערך באותו זמן.
בהתבסס על אירועים אלה, כמו גם מחקר שנעשה במנהרת הרוח שלהם, האחים רייט הטיסו את המטוס הראשון ב-17 בדצמבר 1903.
סוגי אווירודינמיקה
בעיות אווירודינמיות מסווגות לפי תנאי זרימה או מאפייני זרימה, כולל מאפיינים כמו מהירות, דחיסה וצמיגות. לרוב הם מחולקים לשני סוגים:
- אווירודינמיקה חיצונית היא חקר הזרימה סביב עצמים מוצקים בצורות שונות. דוגמאות לאווירודינמיקה חיצונית הן הערכת הרמה וגרירה במטוס, או גלי ההלם שנוצרים מול אפו של טיל.
- אווירודינמיקה פנימית היא חקר הזרימה במעברים בעצמים מוצקים. לדוגמה, אווירודינמיקה פנימית מכסה את חקר זרימת האוויר דרך מנוע סילון או דרך ארובת מיזוג אוויר.
ניתן לסווג בעיות אווירודינמיות גם לפי מהירויות זרימה מתחת למהירות הקול או בסמוך אליה.
הבעיה נקראת:
- תת-קולי, אם כל המהירויות בבעיה נמוכות ממהירות הקול;
- טרנסוני אם יש מהירויות מתחת ומעל למהירות הקול (בדרך כלל כאשר המהירות האופיינית שווה בערך למהירות הקול);
- על-אופוני, כאשר מהירות הזרימה האופיינית גדולה ממהירות הקול;
- היפרסונלית, כאשר מהירות הזרימה גדולה בהרבה ממהירות הקול.
אווירודינמיקה חלוקים בדעתם לגבי ההגדרה המדויקת של זרימה היפר-קולית.
השפעת הצמיגות על הזרימה מכתיבה סיווג שלישי. לבעיות מסוימות עשויות להיות רק השפעות צמיגות קטנות מאוד, ובמקרה זה הצמיגות עשויה להיחשב זניחה. קירובים לבעיות אלה נקראים inviscidזרמים. זרימות שעבורן לא ניתן להזניח את הצמיגות נקראות זרימות צמיגות.
דחיסה
זרימה בלתי דחיסה היא זרימה שבה הצפיפות קבועה הן בזמן והן במרחב. למרות שכל הנוזלים האמיתיים ניתנים לדחיסה, זרימה מוערכת לרוב כבלתי ניתנת לדחיסה אם ההשפעה של שינוי בצפיפות גורמת לשינויים קטנים בלבד בתוצאות המחושבות. זה סביר יותר כאשר קצב הזרימה נמוך בהרבה ממהירות הקול. השפעות הדחיסה משמעותיות יותר במהירויות קרובות או גבוהות ממהירות הקול. מספר ה-Mach משמש להערכת האפשרות של חוסר דחיסה, אחרת יש לכלול השפעות דחיסה.
לפי תורת האווירודינמיקה, הזרימה נחשבת לדחיסה אם הצפיפות משתנה לאורך קו הנחל. המשמעות היא שבניגוד לזרימה בלתי דחיסה, נלקחים בחשבון שינויים בצפיפות. באופן כללי, זה המקרה כאשר מספר ה-Mach של חלק מהזרימה או כולה עולה על 0.3. ערך ה-Mach של 0.3 הוא די שרירותי, אך הוא משמש מכיוון שזרימת גז מתחת לערך זה מציגה פחות מ-5% שינויים בצפיפות. כמו כן, שינוי הצפיפות המקסימלי של 5% מתרחש בנקודת הקיפאון (הנקודה על העצם שבה מהירות הזרימה היא אפס), בעוד שהצפיפות סביב שאר העצם תהיה נמוכה בהרבה. זרימות טרנס-אוניות, על-קוליות והיפרסוניות ניתנות לדחיסה.
מסקנה
אווירודינמיקה הוא אחד המדעים החשובים בעולם כיום. היא מספקת לנובניית מטוסים, ספינות, מכוניות ומעבורות קומיקס איכותיות. הוא ממלא תפקיד עצום בפיתוח סוגי נשק מודרניים - טילים בליסטיים, מאיצים, טורפדו ומזל טים. כל זה היה בלתי אפשרי אלמלא תפיסות מודרניות מתקדמות של איכות אווירודינמית.
לכן, הרעיונות בנושא המאמר השתנו מפנטזיות יפות, אך תמימות על איקרוס, למטוסים פונקציונליים ועובדים באמת שהתעוררו בתחילת המאה הקודמת. כיום איננו יכולים לדמיין את חיינו ללא מכוניות, ספינות וכלי טיס, וכלי הרכב הללו ממשיכים להשתפר עם פריצות דרך חדשות באווירודינמיקה.
האיכויות האווירודינמיות של הרחפנים היו פריצת דרך של ממש בזמנם. בתחילה, כל התגליות בתחום זה נעשו באמצעות חישובים תיאורטיים מופשטים, לעתים מנותקים מהמציאות, אשר בוצעו על ידי מתמטיקאים צרפתים וגרמנים במעבדותיהם. מאוחר יותר, כל הנוסחאות שלהם שימשו למטרות אחרות, פנטסטיות יותר (לפי הסטנדרטים של המאה ה-18), כמו חישוב הצורה והמהירות האידיאליים של מטוסים עתידיים. במאה ה-19 החלו לבנות מכשירים אלו בכמויות גדולות, החל מרחפנים וספינות אוויר, האירופים עברו בהדרגה לבניית מטוסים. אלה האחרונים שימשו תחילה אך ורק למטרות צבאיות. אסי מלחמת העולם הראשונה הראו עד כמה חשוב נושא הדומיננטיות באוויר לכל מדינה, ומהנדסי התקופה שבין המלחמות גילו שמטוסים כאלה יעילים לא רק לצבא, אלא גם לאזרחים.מטרות. עם הזמן, התעופה האזרחית נכנסה חזק לחיינו, והיום אף מדינה לא יכולה בלעדיה.
