1.6.6. Аэродинамическое качество. Поляра

А э р о д и н а м и ч е с к и м к а ч е с т в о м называется отношение аэ-

родинамической подъемной силы к силе лобового сопротивления или отно-

шение соответствующих коэффициентов:

xa

ya

a

a

C

C

X

Y

K   . (47)

Аэродинамическое качество является одной из важнейших характери-

стик, отражающих техническое совершенство самолета. Например, от аэро-

динамического качества в значительной степени зависит дальность полета.

Ясно, поэтому, что при создании самолета, задаваясь величиной подъемной

силы, стремятся уменьшить лобовое сопротивление, чтобы увеличить каче-

ство.

Из формулы (46) видно, что существует взаимосвязь между коэффици-

ентами Cya и Cxa. Эта зависимость называется п о л я р о й . На рис. 32 приве-

ден график этой зависимости.

Рис. 32. Поляра крыла

Попытаемся найти такое сочетание значений Cya и Cxa, при котором аэ-

родинамическое качество будет максимальным. Это легко сделать графиче-

ски, проведя касательную к поляре из начала координат. Тангенс угла накло-

на касательной будет равен максимальному значению аэродинамического

качества: tg  Kmax . Коэффициент подъемной силы и угол атаки, соответст-

вующие Kmax, называются наивыгоднейшими и отмечаются индексом «нв»:

Cya нв , нв .38

1.6.7. Аэродинамическая интерференция

Практика показывает, что сумма аэродинамических сил, действующих

на изолированные части самолета, не равна аэродинамическим силам, дейст-

вующим на самолет в целом. Это происходит из-за взаимного влияния частей

самолета друг на друга в процессе обтекания их набегающим потоком возду-

ха. Такое явление называется а э р о д и н а м и ч е с к о й и н т е р ф е р е н -

ц и е й .

Интерференция возникает как между частями самолета, находящимися

в непосредственном соприкосновении (например, крыло и фюзеляж), так и

между разнесенными в пространстве (например, крыло и оперение).

Физическая сущность аэродинамической интерференции заключается в

том, что одна из частей самолета вносит в поток возмущения, вызывающие

искривление линий тока, которые обтекают другую часть, что приводит к

изменению ее аэродинамических коэффициентов. Причем, как правило, это

влияние является взаимным, т.е. части самолета испытывают влияние друг

друга.

Влияние аэродинамической интерференции на характеристики самоле-

та может быть как положительным, так и отрицательным. Поэтому при соз-

дании самолета стремятся снизить отрицательное влияние интерференции и

развить положительное.

1.6.8. Аэродинамические рули и механизация крыла самолета

В процессе полета самолета должно обеспечиваться управление его

пространственным положением. Для этой цели чаще всего используются аэ-

родинамические рули. Р у л я м и называются подвижные устройства, обте-

каемые воздухом, предназначенные для изменения геометрических характе-

ристик частей самолета с целью обеспечения его управления.

На самолетах нормальной схемы рули располагаются на оперении и

крыле. Оперение самолета делится на вертикальное и горизонтальное. На

дозвуковых самолетах оперение состоит из неподвижных частей и рулей.

Неподвижная часть вертикального оперения называется к и л е м , подвижная

– р у л е м н а п р а в л е н и я (см. рис. 33). Руль направления обеспечивает

управление самолетом по углу рыскания (вокруг нормальной оси связанной

системы координат). Неподвижная часть горизонтального оперения называ-

ется с т а б и л и з а т о р о м , а подвижная – р у л е м в ы с о т ы . Руль высоты 39

обеспечивает управление самолетом по углу тангажа (вокруг поперечной

оси).

Рис. 33. Расположение аэродинамических рулей на самолете

Для управления самолетом по углу крена (вокруг продольной оси) ис-

пользуются рули, носящие специфическое название – э л е р о н ы . Эти руле-

вые поверхности располагаются на концевых частях крыла. Особенность

элеронов состоит в том, что они всегда работают в паре, но отклоняются в

противоположные стороны. Если левый элерон отклоняется вниз, то правый

отклоняется вверх, и наоборот.

Принцип действия рулей состоит в том, что отклоняясь, они изменяют

кривизну средней линии профиля, т.е. вогнутость профиля (см. рис. 34),

вследствие чего происходит изменение аэродинамических сил, действующих

на крыло или оперение (в зависимости от того, где эти рули расположены).

Это, в свою очередь, вызывает изменение действующих на самолет момен-

тов, что приводит к повороту самолета вокруг той или иной оси.

Рис. 34. Изменение кривизны профиля с помощью аэродинамического руля40

Так, например, если на левом полукрыле отклонить элерон вверх, а на

правом соответственно вниз (см. рис. 35), то на левой половине крыла подъ-

емная сила уменьшится, а на правой – увеличится. В результате возникнет

момент вокруг продольной оси самолета Mx, и самолет накренится на левое

полукрыло.

Рис. 35. Создание момента крена с помощью элеронов

Кроме рулей самолет имеет, как правило, еще целый ряд подвижных

устройств, которые также предназначены для изменения его геометрических

характеристик. У современных самолетов внешние формы крыльев ориенти-

рованы на достижение высоких крейсерских скоростей полета, это приводит

к тому, что крылья на режимах взлета и посадки, когда скорости близки к

минимальным, не создают достаточной подъемной силы. Чтобы устранить

этот недостаток применяют механизацию крыла.

М е х а н и з а ц и е й крыла называются устройства, предназначенные

для изменения аэродинамических характеристик крыла с целью увеличения

подъемной силы на режимах взлета и посадки.

Увеличение подъемной силы крыла при использовании механизации

происходит в основном за счет увеличения коэффициента подъемной силы

Cya, а также за счет некоторого увеличения площади крыла Sкр.

Выше было показано, что чем больше вогнутость профиля, тем больше

будет и коэффициент подъемной силы Cya при том же угле атаки. Чтобы уве-

личить вогнутость профиля применяется механизация задней кромки крыла

(см. рис. 36).41

Рис. 36. Средства механизации задней кромки крыла

Простейшей м е х а н и з а ц и е й з а д н е й к р о м к и крыла является

отклоняемый вниз щиток. Выдвижной щиток позволяет не только увеличить

вогнутость профиля в выпущенном положении, но и увеличить площадь

крыла. Простой закрылок также лишь увеличивает вогнутость профиля, а

выдвижной, кроме того, позволяет увеличить площадь крыла. Чаще всего

выдвижной закрылок делается щелевым. Щель создается для того, чтобы

воздух с нижней поверхности крыла мог перетекать на верхнюю поверхность

и ускорять поток, обдувающий закрылок сверху. Это делается для того, что-

бы при больших углах отклонения закрылка не происходило отрыва погра-

ничного слоя с его поверхности.

М е х а н и з а ц и я п е р е д н е й к р о м к и (см. рис. 37) слабо влияет

на вогнутость профиля, по крайней мере, этим влиянием можно пренебречь.

Ее роль заключается в том, чтобы затянуть начало отрыва пограничного слоя

на большие углы атаки. Это позволяет повысить максимальное значение Cya

за счет увеличения критического угла атаки. Щитки Крюгера и отклоняемые

носки в выпущенном положении уменьшают пик разрежения в районе носо-

вой части профиля, предотвращая тем самым отрыв потока в этом месте.

Предкрылки, кроме того, имеют щель подобно той, что используется в щеле-42

вых закрылках. Через эту щель воздух перетекает с нижней поверхности

профиля на верхнюю, увеличивая при этом скорость потока , что повышает

его устойчивость к отрыву.

Рис. 37. Средства механизации передней кромки крыла

На рис. 38 показано влияние механизации на коэффициент подъемной

силы крыла.

Рис. 38. Влияние механизации крыла на вид зависимости Cya = f ()

Кроме использования описанной выше механизации крыла для улуч-

шения взлетно-посадочных характеристик самолета используются различные

э н е р г е т и ч е с к и е м е т о д ы . Они основаны на использовании энергии 43

основных или вспомогательных силовых установок. Здесь может использо-

ваться сжатый воздух, отбираемый от компрессора, струя воздуха, выдувае-

мая из сопла реактивного двигателя, а также воздух, отбрасываемый воздуш-

ным винтом. Эти мероприятия позволяют привнести дополнительную энер-

гию в поток, что затягивает отрыв пограничного слоя на больших углах ата-

ки. При этом также растет скорость потока, обдувающего крыло, что непо-

средственно увеличивает подъемную силу.