ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА С ВЫСОТОЙ.

ПРАКТИЧЕСКАЯ АЭРОДИНАМИКА

Введение

Настоящий курс практической аэродинамики представляет собой начальный курс практической аэродинамики для начинающих летное обучение курсантов на планерах или самолетах. Он является обязательным.

Структура курса тщательно продумана и не содержит излишних отступлений и уточнений.

Не нужно пугаться формул и графиков, они нужны лишь для наглядного восприятия, а не для точных математических расчетов. Очень важно последовательно и точно понять и запомнить Весь материал. Это необходимо для того, чтобы сев за рычаги управления летающей машины Вы ясно понимали чем и как Вам нужно управлять. А также поможет избежать нелепых ошибок, которые могут очень дорого стоить.

Содержание

1. Главные параметры воздуха.

2. Изменение параметров воздуха с высотой.

3. Международная стандартная атмосфера (МСА).

4.Физические свойства воздуха.

5. Уравнение Бернулли.

6. Геометрические характеристики профиля.

7. Геометрические характеристики крыла.

8. Связанная и скоростная система координат. Угол атаки. Установочный угол.

9. Картина обтекания крыла и распределение давления на крыле.

10. Критический угол атаки и срыв потока с крыла.

11. Полная аэродинамическая сила R, её составляющие. Центр давления.

12. Подъемная сила и лобовое сопротивление.

13. Поляра самолета (планера). Аэродинамическое качество.

14. Механизация крыла. Влияние механизации на аэродинамические характеристики крыла. Работа рулей. Триммер.

15. Силы, действующие на крыло на различных режимах полета.

16. Кривые Жуковского. Понятие о 1-ом и 2-ом режимах полета.

17. Сущность равновесия, устойчивости и управляемости.

18. Понятие о САХ крыла. Центровка ЛА.

19. Аэродинамический фокус. Продольная устойчивость по перегрузке.

20. Устойчивость по скорости.

21. Продольная управляемость.

22. Поперечная и путевая устойчивость.

23. Поперечная и путевая управляемость.

24. Вираж (спираль).

25. Скольжение.

26. Критические режимы полета.

27. Рекомендации по безопасности полетов.

Аэродинамикой называется наука, изучающая законы взаимодействия воздуха и движущегося в нём тела.

ГЛАВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ ВОЗДУХА

Воздух-это смесь главным образом двух газов азота и кислорода. В составе воздуха содержится около 21% кислорода и 79% азота.

Давлением называется сила, действующая на единицу площади и перпендикулярна ей. Обозначается обычно буквой (P), измеряется в килограммах на единицу площади (кг/м², кг/см², атм.). Воздух производит давление у земли равное весу столба воздуха от верхней границы атмосферы до земли (на уровне моря t=+15^оС) равное 1, 0332 кг/см².

Температура — мера нагретости тела и определяет скорость хаотического движения молекул. Измеряется в градусах Цельсия, Кельвина или Фаренгейта. В шкале Кельвина за 0^овзята температура прекращения движения молекул (—273^о), в шкале Цельсия температура замерзания чистой воды при давлении 760 мм. рт. столба, в шкале Фаренгейта температура замерзания насыщенного раствора соли в воде. Размерность шкалы Цельсия и Кельвина совпадают, шкала Фаренгейта имеет свою размерность. Ноль градусов по Цельсию соответстует +32^о Фаренгейта, температура человеческого тела (36, 6 ^оC) соответствует +97, 88 ^оФаренгейта, точка кипения воды (100^оС) +212^оФаренгейта. Перевод из Фаренгейта в шкалу Цельсия (t^oF-32)*0, 55=t^oC).

Перевод из Цельсия в Фаренгейта t^oC*1, 8+32=t^oF.

Плотность. В аэродинамике под понятием плотности обычно понимают массовую плотность. Она характеризует кинетическую энергию молекул воздуха. Обозначается буквой r (читается ро). Массовая плотность — это масса воздуха, содержащаяся в объеме 1 куб. м.(м³).

ИЗМЕНЕНИЕ ПАРАМЕТРОВ ВОЗДУХА С ВЫСОТОЙ.

С увеличением высоты давление монотонно убывает, плотность также уменьшается, но медленнее давления, что вызвано изменением температуры.

Температура воздуха примерно до 11 км уменьшается в среднем на каждый километр на 6, 5 ^оС.

МЕЖДУНАРОДНАЯ СТАНДАРТНАЯ АТМОСФЕРА

Атмосфера никогда не бывает спокойной, в ней постоянно происходит изменение параметров воздуха (давления, температуры и плотности). Чтобы иметь возможность сравнивать характеристики различных летательных аппаратов (ЛА), введена так называемая Международная стандартная атмосфера (МСА).

МСА – это система параметров атмосферы, в основу которой положены следующие значения нулевого параметра воздуха:

барометрическое давление Р =760 мм рт. ст. (Ро= 10330 кгс/м2);

температура t=+15°C (То=288 К);

массовая плотность r_о=0, 125 кгс см⁴;

Согласно МСА температура воздуха на высоте до 11 км падает на 6, 5°С на каждые 1000 м., то есть Dt^о= — 0, 65^она 100 м высоты (D — “дельта” – значок обозначает приращение параметра).

ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ВОЗДУХА

Характер взаимодействия воздуха и движущегося в нем тела зависит от физических его свойств: инертности, вязкости, сжимаемости.

Инертность

Инертностью называется свойство воздуха сопротивляться изменению скорости. Мерой инертности является его масса

Чем больше плотность воздуха, тем большую инертность будет иметь единица объёма.

Инертность принято характеризовать массовой плотностью r_о.

Вязкость

Вязкостью воздуха называют его способность сопротивляться сдвигу одних слоёв относительно других. Воздух весьма липкая среда и при обтекании твердого тела скорость воздуха изменяется в определенном слое от 0 на поверхности тела до скорости потока.

На торможение “прилипшего” воздуха и преодоление вязкости воздуха затрачивается энергия, что является причиной возникновения силы трения о воздух.

Слой, в котором поток тормозится от своей скорости до нуля у поверхности тела называется пограничным слоем. Он невелик и имеет толщину от 1, 5 до 3 % от длины обтекаемого тела.

Сжимаемость

Воздух — это газ, и он подвержен сжимаемости. Заметное влияние на обтекание тел сжимаемость оказывает на М=0, 4 и более. До М=0, 4 влияние сжимаемости обычно не учитывается.

Число М (Маха) показывает отношение скорости полёта к скорости распространения звуковых волн.

У земли скорость звука около 1230 км/ч. С увеличением высоты плотность воздуха падает, он становится менее упругим и скорость звука падает.

Следовательно, при равной скорости относительно воздуха с поднятием на высоту число М растет.

УРАВНЕНИЕ БЕРНУЛЛИ

В аэродинамике частным случаем закона сохранения энергии является уравнение Бернулли. Полная энергия складывается из потенциальной энергии (Р — статическое давление) и кинетической (rV²/2 — скоростной напор).

Выражение rV²/2 называется скоростным напором и характеризует кинетическую энергию потока, где

r — массовая плотность воздуха;

V — скорость потока.

Рис. 2

Запомните это выражение. Оно будет использоваться очень часто.

р+rV²/2=const (величина постоянная)

Сумма статического давления и динамического давления (скоростного напора) в различных сечениях неразрывного потока есть величина постоянная, то есть с уменьшением сечения увеличивается скорость потока и падает статическое давление и наоборот.

УСТОЙЧИВОСТЬ ПО СКОРОСТИ

Статической устойчивостью по скорости называется способность ЛА сохранять заданную скорость без вмешательства лётчика. Статическая устойчивость по скорости обеспечивается аэродинамической схемой и запасом центровки.

Рис. 36.

При случайном увеличении скорости увеличивается подъёмная сила на стабилизаторе, создаётся небольшой кабрирующий момент и ЛА, несколько увеличив a, начинает набирать высоту. Скорость снижается, момент стабилизатора возвращается к исходному и ЛА возвращается в исходный режим.

При снижении скорости подъёмная сила стабилизатора уменьшается, ЛА опускает нос и происходит разгон скорости. При достижении исходной скорости стабилизатор поднимает нос ЛА и восстанавливается исходный режим.

ПРОДОЛЬНАЯ УПРАВЛЯЕМОСТЬ

Продольной управляемостью называется способность ЛА изменять a под действием руля высоты.

Управляя рулём высоты, лётчик управляет направлением и величиной подъёмной силы стабилизатора. Под действием этой силы ЛА может поворачиваться вокруг поперечной оси Z, изменяя тем самым угол атаки крыла.

Продольная управляемость сильно зависит от центровки ЛА, а также от площади руля высоты, стабилизатора и длины хвостовой части фюзеляжа.

При передней центровке ЛА более устойчив по перегрузке, и для создания требуемой перегрузки необходим больший расход руля высоты, и, наоборот, при предельно задней центровке устойчивость минимальна, и ЛА резко реагирует на малейшее отклонение руля высоты.

ВИРАЖ (СПИРАЛЬ).

рис. 39.Схема сил на вираже.

Вираж – это разворот в горизонтальной плоскости на 360^о.

Спираль — это тоже разворот, только с потерей или набором высоты.

Вираж или разворот при помощи создания крена g (гамма) едва ли не самый важный и распространённый маневр ЛА. Каждый полёт, если это не подлёт по прямой, включает в себя выполнение разворотов. Поэтому очень важно понять физический смысл выполнения разворота.

При выполнении разворота лётчик создает крен, несколько берет штурвал на себя, одновременно увеличивая тягу двигателя, и небольшим движением педалей несколько поворачивает руль направления в сторону разворота. Если полёт происходит на планере или на самолёте с задросселированным двигателем или выключенным двигателем, то вместо увеличения тяги лётчик несколько увеличивает угол планирования.

Такой порядок действий у натренированного пилота отточен до автоматизма и не изменяется от типа ЛА, будь то планер или стратегический бомбардировщик Ту-160.

Попробуем рассмотреть, почему происходит так, а не как-нибудь иначе.

При создании крена g подъемная сила Y раскладывается на две составляющие Ycosg и Ysing, при этом первая Ycosg — должна компенсировать вес ЛА, а вторая Ysing — искривлять траекторию в горизонтальной плоскости. Для того, чтобы не допустить снижения ЛА, необходимо увеличить подъёмную силу Y настолько, чтобы составляющая Ycosg была равна весу. То есть при вводе в крен летчик несколько увеличивает угол атаки a, а для компенсации возросшего лобового сопротивления увеличивает тягу двигателя или увеличивает угол планирования. Рулём направления пилот компенсирует первоначальный момент скольжения при создании крена.

При кажущейся простоте этот маневр таит в себе неприятные моменты, которые нужно знать и умело их обходить.

Первое и самое главное.

С увеличением угла крена необходимо увеличивать подъёмную силу, то есть перегрузку, а это ведет к резкому увеличению лобового сопротивления. Это самое лобовое сопротивление нужно компенсировать тягой двигателя или увеличением угла планирования. Например, при крене g=30^о, перегрузка n_y=1, 15, при этом крене требуется сравнительно небольшое увеличение тяги или угла планирования.

При g=45^о n_y=1, 43 — это уже значительный прирост перегрузки, и он требует внушительного увеличения тяги.

При g=60^о n_y=2 — это уже большой прирост перегрузки, и он требует увеличения тяги более, чем вдвое по сравнению с горизонтальным полётом, а при полёте на планировании перехода на пикирование с углом более 15^о.

рис.40

Перегрузка в развороте изменяется в зависимости от угла крена g по закону косинуса.

n_y разворота = .

Графически это выглядит так:

рис.41

g, ^о

n_y 1, 16 1, 43 2, 0

На практике нужно соизмерять энергетические возможности ЛА с желанием «залудить» крутой вираж или разворот.

Ввод в разворот с большим креном и малым запасом тяги приводит к резкому торможению, выходу на a критический и сваливанию, что на малой высоте ведет к столкновению с землей.

Такие манёвры еще более опасны на легких самодельных ЛА, имеющих малую массу и небольшой запас тяги: падение скорости в крутом развороте на них происходит ещё быстрее и обычно происходит в течение 1 — 2 секунд.

Существует предельный крен, при котором ЛА может выполнять разворот в горизонтальной плоскости, обусловленный максимальной тягой, которую может развить силовая установка ЛА. Разворот с таким креном называется предельным по тяге. Разворот с большим креном неминуемо вызовет падение скорости.

Второй момент, характерный для пилотов-любителей. Не вдаваясь в подробности аэродинамики и посмотрев какой-нибудь художественный фильм про лётчиков, у некоторых возникает безудержное желание зафентилить крутой вираж на глазах изумленной публики. Такой товарищ, взлетев на ЛА, создает энергичный крен, но не зная, что для поддержания горизонтального полета следует увеличить перегрузку и тягу, этого не делает и к собственному искреннему сожалению наблюдает, как его самолётик начинает скользить на крыло и сталкиваться с землей. Часто это удивление бывает последней яркой эмоцией в его жизни.

СКОЛЬЖЕНИЕ

Манёвр «скольжение» (не путать с углом скольжения b) применяется, когда необходимо резко снизить высоту полёта, при этом не допуская разгона скорости. Это бывает жизненно необходимо при аварийной посадке. Например, у вас заглох двигатель или вы вдали от аэродрома не сумев выпарить приняли решение произвести посадку, но у вас ещё большой запас высоты. Если пытаться спланировать на выбранную площадку, то угол планирования будет велик, при подходе к земле скорость вырастет до больших значений, и посадка будет напоминать парковку вдоль бордюра между двух стоящих рядом автомобилей на скорости 90 км/ч.

рис.42

Для выполнения скольжения необходимо создать крен 15 — 30^о в любую удобную для вас сторону, не создавая дополнительной перегрузки. Самолет, повинуясь закону собственной путевой и поперечной устойчивости, будет стремиться развернуться в сторону созданного вами крена, но вам это совсем не нужно, поэтому педалями, повернув руль направления в противоположную крену сторону, удерживайте ЛА на прямолинейной траектории, при этом, увеличив угол снижения, поддерживайте нормальную скорость. ЛА начинает лететь как бы боком по крутой нисходящей траектории без разгона скорости. При этом остаётся легко управляемым. Направление снижения можно корректировать изменением крена или уменьшением угла отклонения педалей. При выполнении скольжения также необходимо следить за скоростью и не допускать её падения ниже V_нв+10…15 км/ч.

КРИТИЧЕСКИЕ РЕЖИМЫ ПОЛЁТА

К критическим режимам полёта относятся:

1.Полёт на больших углах атаки.

2. Парашютирование.

3. Сваливание.

4. Штопор.

5. Флаттер.

6. Полёт на режимах, превышающих лётные ограничения.

Каждый из этих пунктов достоин толстых заумных комментариев и исследований. Если вы решите посвятить себя авиации и полётам, то познакомиться с ними вам придется глубоко и серьёзно. Этот обзор можно назвать наивным предупреждением.

1. С особенностями полётов на больших a мы знакомились в 16-й главе, сейчас хотелось бы добавить, что полет на a, близких к критичекому, искуственно выполняют в демонстрационных полётах на различных шоу, причём не всегда успешно (более подробно можно спросить у Анатолия Квочура), а также по необходимости на некоторых боевых самолётах при заходе на посадку.

2. Парашютирование — это режим, при котором при уменьшении скорости в ГП до a, близких к критическому не происходит сваливания и вращения ЛА, а происходит именно парашютирование, то есть полупадение, полуполёт с большой вертикальной скоростью, при этом ЛА сохраняет остатки управляемости.

3.Сваливанием ЛА называют выход ЛА на закритические углы атаки a вследствие уменьшения скорости до скорости сваливания или увеличения угла атаки a выше a_кр. при создании перегрузки, а чаще 1-го и 2-го одновременно с последующим вращением и частичной потерей управляемости.

4. Штопор — это то, что чаще всего следует после сваливания. Штопор — это падение ЛА на закритических углах атаки a по по спиралевидной траектории малого радиуса, соизмеримого с размахом крыла ЛА. При попадании в штопор при наличии запаса высоты и если не тянуть время, обычно удается вывести ЛА в нормальный полёт. Для этого обычно достаточно отдать ручку от себя и энергично, до отказа повернуть руль направления против вращения. При прекращении вращения поставить ноги нейтрально, так как ЛА может перейти в штопор противоположного вращения. Установив разумный угол пикирования, разогнать скорость и плавно, не допуская повторного срыва, вывести ЛА в нормальный полёт.

Не следует, попав в штопор, уповая на большой запас высоты, раскручивать самолет в штопоре, так как скорость вращения может увеличиться, на ЛА начинают действовать сложные инерционные и гироскопические моменты, и ЛА может перейти в так называемый плоский штопор, вывод из которого весьма проблематичен. Более склонен к штопору ЛА с более задней центровкой. Кроме того, ЛА с задней центровкой более неохотно выходит из штопора.

Что касается плоского штопора, то методика вывода из него индивидуальна для каждого ЛА, однако она схожа с методикой вывода из нормального штопора, но обычно необходимо увеличить тягу двигателя до максимальной.

При неудачной попытке вывода из штопора и наличии высоты присутствие на борту может быть нецелесообразным, и следует воспользоваться парашютом.

5.Флаттером называются самопроизвольные автоколебания аэродинамических плоскостей с нарастающей амплитудой, которые чаще всего приводят к разрушению ЛА в полете.

Физика этого явления приводится в научной литературе. В настоящее время на стадии проектирования каждый ЛА рассчитывается на флаттер.

Применяются специальные конструктивные решения, позволяющие в эксплуатационных режимах полета избежать возникновения флаттера. Однако, на неграмотных любительских конструкциях возникновение флаттера вполне возможно. Обычно флаттер начинается при превышении критической скорости флаттера. Если при увеличении скорости появляются непонятные вибрации ЛА или органов управления, необходимо снизить скорость и произвести посадку. Выяснить причину автоколебаний и устранить её.

6. Необходимо четко знать лётные ограничения ЛА, на котором вы собрались лететь, и не допускать их превышения. В случае превышения лётных ограничений в полете, необходимо принять все возможные меры для возвращения ЛА в нормальный режим полета и произвести посадку. На земле выяснить причины случившегося, тщательно проверить ЛА квалифицированным специалистам, только после этого, возможно продолжение полётов на ЛА, который превысил лётные ограничения.

РЕКОМЕНДАЦИИ ПО БЕЗОПАСНОСТИ ПОЛЁТОВ

1. Собираясь в полёт, ознакомьтесь с лётными данными ЛА, на котором вы собираетесь лететь. Запомните рекомендуемые скорости, режимы работы двигателя, перегрузки.

2. Самый главный прибор в полёте — указатель скорости. Каждый взгляд на приборный щиток начинается с прибора скорости и заканчивается им. Не уставайте контролировать скорость.

3. Продумывайте полет на земле. Выполняя полет, вы должны знать, что вы будете делать далее и как. Летчик должен лететь впереди самолета, а не наоборот.

4. Не допускайте выполнения спонтанных, непродуманных маневров, особенно вблизи земли. Если вы что-нибудь задумали, посоветуйтесь перед выполнением с более опытными пилотами.

5. Слушайте, что говорят вам опытные пилоты, и запоминайте. Не стесняйтесь спрашивать и задавать вопросы. Учитесь на чужих ошибках, выучиться на своих вам не хватит жизни.