ეს წევის ძალა ჩნდება თვითმფრინავებში იმის გამო, რომ ფრთები ან ამწე სხეული გადამისამართებს ჰაერს აწევის გამოწვევის მიზნით, და მანქანებში აეროდრომების ფრთებით, რომლებიც გადამისამართებენ ჰაერს ქვევით ძალის გამოწვევის მიზნით. სამუელ ლენგლიმ შენიშნა, რომ უფრო ბრტყელი, ასპექტის უფრო მაღალი თანაფარდობის ფირფიტებს ჰქონდათ უფრო მაღალი ამწე და დაბალი წინააღმდეგობა და დაინერგა 1902 წელს. თვითმფრინავის აეროდინამიკური ხარისხის გამოგონების გარეშე, თვითმფრინავის თანამედროვე დიზაინი შეუძლებელი იქნებოდა.
აწევა და გადაადგილება
სხეულზე მოქმედი მთლიანი აეროდინამიკური ძალა, როგორც წესი, განიხილება, რომ შედგება ორი კომპონენტისგან: აწევა და გადაადგილება. განმარტებით, მრიცხველის ნაკადის პარალელურად ძალის კომპონენტს ეწოდება გადაადგილება, ხოლო კომპონენტს მრიცხველის ნაკადის პერპენდიკულარულს ეწოდება ლიფტი.
აეროდინამიკის ამ საფუძვლებს დიდი მნიშვნელობა აქვს ფრთის აეროდინამიკური ხარისხის ანალიზისთვის. ლიფტი წარმოიქმნება ფრთის გარშემო ნაკადის მიმართულების შეცვლით. შეცვლამიმართულება იწვევს სიჩქარის ცვლილებას (თუნდაც სიჩქარის ცვლილება არ არის, როგორც ჩანს ერთგვაროვანი წრიული მოძრაობა), რაც აჩქარებაა. ამიტომ, დინების მიმართულების შესაცვლელად საჭიროა სითხეზე ძალის გამოყენება. ეს აშკარად ჩანს ნებისმიერ თვითმფრინავზე, უბრალოდ შეხედეთ An-2-ის აეროდინამიკური ხარისხის სქემატურ წარმოდგენას.
მაგრამ ყველაფერი ასე მარტივი არ არის. ვაგრძელებთ ფრთის აეროდინამიკური ხარისხის თემას, აღსანიშნავია, რომ მის ქვემოთ ჰაერის ამწევის შექმნა უფრო მაღალი წნევით, ვიდრე მის ზემოთ ჰაერის წნევა. სასრულ ფრთაზე, წნევის ეს განსხვავება იწვევს ჰაერის ნაკადს ქვედა ზედაპირის ფრთის ფესვიდან მისი ზედა ზედაპირის ძირამდე. ეს მფრინავი ჰაერის ნაკადი ერწყმის გადინებულ ჰაერს და იწვევს სიჩქარისა და მიმართულების ცვლილებას, რაც ატრიალებს ჰაერის ნაკადს და ქმნის მორევებს ფრთის უკანა კიდეზე. შექმნილი მორევები არასტაბილურია, ისინი სწრაფად ერწყმის ფრთების მორევებს. შედეგად მიღებული მორევები ცვლის ჰაერის ნაკადის სიჩქარეს და მიმართულებას უკანა კიდის უკან, ახვევს მას ქვევით და ამით იწვევს ფრთას უკან. ამ თვალსაზრისით, მაგალითად, MS-21 თვითმფრინავს აქვს მაღალი დონის აწევა-გაწევის თანაფარდობა.
ჰაერის ნაკადის კონტროლი
მორევები თავის მხრივ ცვლის ჰაერის ნაკადს ფრთის ირგვლივ, ამცირებს ფრთის უნარს, წარმოქმნას ამწე, ამიტომ მოითხოვს შეტევის უფრო მაღალ კუთხეს იმავე ამწესთვის, რაც მთლიან აეროდინამიკურ ძალას აბრუნებს უკან და ზრდის წევის კომპონენტს. რომ ძალა. კუთხის გადახრა უმნიშვნელოაგავლენას ახდენს ლიფტზე. თუმცა, არსებობს წევის ზრდა, რომელიც ტოლია ამწევის პროდუქტისა და კუთხის, რომლის გამო იგი გადახრის. ვინაიდან გადახრა თავისთავად ამწევის ფუნქციაა, დამატებითი წევა ასვლის კუთხის პროპორციულია, რაც აშკარად ჩანს A320-ის აეროდინამიკაში.
ისტორიული მაგალითები
მართკუთხა პლანეტარული ფრთა ქმნის უფრო მეტ მორევის ვიბრაციას, ვიდრე კონუსური ან ელიფსური ფრთა, რის გამოც ბევრი თანამედროვე ფრთა შეკუმშულია, რათა გააუმჯობესოს აწევა-წევის თანაფარდობა. თუმცა, ელიფსური საჰაერო ჩარჩო უფრო ეფექტურია, რადგან ინდუცირებული რეცხვა (და, შესაბამისად, შეტევის ეფექტური კუთხე) მუდმივია ფრთების მთელ სიგრძეზე. წარმოების სირთულეების გამო, რამდენიმე თვითმფრინავს აქვს ეს გეგმა, ყველაზე ცნობილი მაგალითებია მეორე მსოფლიო ომის Spitfire და Thunderbolt. შეკუმშული ფრთები სწორი წინა და უკანა კიდეებით შეიძლება მიუახლოვდეს ელიფსურ ამწე განაწილებას. როგორც წესი, სწორი ფრთები აწარმოებენ 5%-ს, ხოლო შეკუმშული ფრთები 1-2%-ით მეტ წევს, ვიდრე ელიფსური ფრთა. ამიტომ მათ აქვთ უკეთესი აეროდინამიკური ხარისხი.
პროპორციულობა
ასპექტის მაღალი თანაფარდობის ფრთა წარმოქმნის ნაკლებ გამოწვეულ წევას, ვიდრე დაბალი თანაფარდობის ფრთა, რადგან უფრო გრძელი, თხელი ფრთის წვერზე ნაკლები ჰაერის დარღვევაა. ამიტომ, გამოწვეულიწინააღმდეგობა შეიძლება იყოს პროპორციულობის უკუპროპორციული, რაც არ უნდა პარადოქსულად ჟღერდეს. ამწეების განაწილება ასევე შეიძლება შეიცვალოს გარეცხვით, ფრთის შემოხვევით, რათა შემცირდეს ვარდნა ფრთებისკენ და ფრთების მახლობლად აეროდრომის შეცვლით. ეს საშუალებას გაძლევთ მეტი აწევა მიუახლოვდეთ ფრთის ფესვს და ნაკლები ფრთასთან, რაც იწვევს ფრთების მორევის სიძლიერის შემცირებას და, შესაბამისად, თვითმფრინავის აეროდინამიკური ხარისხის გაუმჯობესებას.
თვითმფრინავის დიზაინის ისტორიაში
ზოგიერთ ადრეულ თვითმფრინავზე ფარფლები იყო დამონტაჟებული კუდების წვერებზე. მოგვიანებით თვითმფრინავებს აქვთ ფრთების განსხვავებული ფორმა, რათა შეამცირონ მორევების ინტენსივობა და მიაღწიონ მაქსიმალურ აწევა-გაწევის თანაფარდობას.
სახურავზე იმპულსური საწვავის ავზებს ასევე შეუძლიათ გარკვეული სარგებელი მოაქვს ფრთის ირგვლივ ჰაერის ქაოტური ნაკადის თავიდან ასაცილებლად. ახლა ისინი ბევრ თვითმფრინავში გამოიყენება. DC-10-ის აეროდინამიკური ხარისხი დამსახურებულად ითვლებოდა რევოლუციურად ამ მხრივ. თუმცა, თანამედროვე საავიაციო ბაზარი დიდი ხანია შევსებულია ბევრად უფრო მოწინავე მოდელებით.
გადაათრიეთ ფორმულა: მარტივი სიტყვებით ახსნილი
მთლიანი წინააღმდეგობის გამოსათვლელად აუცილებელია გავითვალისწინოთ ე.წ. პარაზიტული წინააღმდეგობა. იმის გამო, რომ ინდუცირებული წევა უკუპროპორციულია ჰაერის სიჩქარის კვადრატთან (მოცემულ ამწეზე), ხოლო პარაზიტული წევა პირდაპირპროპორციულია მის პროპორციულად, წევის საერთო მრუდი აჩვენებს მინიმალურ სიჩქარეს. თვითმფრინავი,ასეთი სიჩქარით ფრენა, მუშაობს ოპტიმალური აეროდინამიკური თვისებებით. ზემოაღნიშნული განტოლებების მიხედვით, მინიმალური წინააღმდეგობის სიჩქარე ხდება სიჩქარით, რომლის დროსაც გამოწვეული წინააღმდეგობა უდრის პარაზიტების წინააღმდეგობას. ეს არის სიჩქარე, რომლითაც მიიღწევა ოპტიმალური სრიალის კუთხე უმოქმედო თვითმფრინავებისთვის. იმისათვის, რომ არ იყოს უსაფუძვლო, გაითვალისწინეთ ფორმულა თვითმფრინავის მაგალითზე:
ფორმულის გაგრძელება ასევე საკმაოდ ცნობისმოყვარეა (ქვემოთ სურათზე). მაღლა ფრენა, სადაც ჰაერი უფრო თხელია, გაზრდის სიჩქარეს, რომლითაც ხდება მინიმალური გადაწევა და, შესაბამისად, საშუალებას მისცემს უფრო სწრაფ მგზავრობას იმავე რაოდენობით. საწვავი.
თუ თვითმფრინავი დაფრინავს მისი მაქსიმალური დასაშვები სიჩქარით, მაშინ სიმაღლე, რომელზეც ჰაერის სიმკვრივე უზრუნველყოფს მას საუკეთესო აეროდინამიკურ ხარისხს. ოპტიმალური სიმაღლე მაქსიმალურ სიჩქარეზე და ოპტიმალური სიჩქარე მაქსიმალურ სიმაღლეზე შეიძლება შეიცვალოს ფრენის დროს.
გამძლეობა
სიჩქარე მაქსიმალური გამძლეობისთვის (ანუ დრო ჰაერში) არის სიჩქარე საწვავის მინიმალური მოხმარებისთვის და ნაკლები სიჩქარე მაქსიმალური დიაპაზონისთვის. საწვავის მოხმარება გამოითვლება, როგორც საჭირო სიმძლავრის პროდუქტი და საწვავის სპეციფიკური მოხმარება ძრავზე (საწვავის მოხმარება სიმძლავრის ერთეულზე). საჭირო სიმძლავრე უდრის გადაწევის დროს.
ისტორია
თანამედროვე აეროდინამიკის განვითარება მხოლოდ XVII საუკუნეში დაიწყოსაუკუნეების განმავლობაში, მაგრამ აეროდინამიკურ ძალებს ადამიანები იყენებდნენ ათასობით წლის განმავლობაში იალქნიანებსა და ქარის წისქვილებში, და ფრენის სურათები და ისტორიები ჩნდება ყველა ისტორიულ დოკუმენტსა და ხელოვნების ნიმუშში, როგორიცაა ძველი ბერძნული ლეგენდა იკაროსისა და დედალუსის შესახებ. უწყვეტობის, წინააღმდეგობის და წნევის გრადიენტების ფუნდამენტური ცნებები ჩანს არისტოტელესა და არქიმედეს ნაშრომში.
1726 წელს სერ ისააკ ნიუტონი გახდა პირველი ადამიანი, ვინც შეიმუშავა ჰაერის წინააღმდეგობის თეორია, რაც მას ერთ-ერთ პირველ არგუმენტად აქცევს აეროდინამიკური თვისებების შესახებ. ჰოლანდიელმა შვეიცარიელმა მათემატიკოსმა დანიელ ბერნულმა 1738 წელს დაწერა ტრაქტატი სახელწოდებით ჰიდროდინამიკა, რომელშიც აღწერილია ფუნდამენტური ურთიერთობა წნევას, სიმკვრივესა და ნაკადის სიჩქარეს შორის შეუკუმშველი ნაკადისთვის, რომელიც დღეს ცნობილია როგორც ბერნულის პრინციპი, რომელიც უზრუნველყოფს აეროდინამიკური ამწევის გამოთვლის ერთ მეთოდს. 1757 წელს ლეონჰარდ ეილერმა გამოაქვეყნა უფრო ზოგადი ეილერის განტოლებები, რომლებიც შეიძლება გამოყენებულ იქნას როგორც შეკუმშვადი, ასევე შეუკუმშვადი ნაკადებზე. ეილერის განტოლებები გაფართოვდა, რათა მოიცავდეს სიბლანტის ეფექტებს 1800-იანი წლების პირველ ნახევარში, რამაც წარმოშვა ნავიერ-სტოქსის განტოლებები. დაახლოებით იმავე დროს აღმოაჩინეს აეროდინამიკური შესრულება/პოლარული აეროდინამიკური ხარისხი.
ამ მოვლენების საფუძველზე, ისევე როგორც საკუთარ ქარის გვირაბში ჩატარებული კვლევების საფუძველზე, ძმებმა რაიტებმა პირველი თვითმფრინავი 1903 წლის 17 დეკემბერს გაფრინდნენ.
აეროდინამიკის სახეები
აეროდინამიკური პრობლემები კლასიფიცირდება დინების პირობებით ან ნაკადის თვისებებით, მათ შორის ისეთი მახასიათებლებით, როგორიცაა სიჩქარე, შეკუმშვა და სიბლანტე. ისინი ყველაზე ხშირად იყოფა ორ ტიპად:
- გარე აეროდინამიკა არის ნაკადის შესწავლა სხვადასხვა ფორმის მყარი ობიექტების გარშემო. გარე აეროდინამიკის მაგალითებია თვითმფრინავის აწევისა და წევის შეფასება, ან დარტყმითი ტალღები, რომლებიც წარმოიქმნება რაკეტის ცხვირის წინ.
- შიდა აეროდინამიკა არის მყარ ობიექტებში გადასასვლელების ნაკადის შესწავლა. მაგალითად, შიდა აეროდინამიკა მოიცავს ჰაერის ნაკადის შესწავლას რეაქტიული ძრავის ან კონდიცირების ბუხრის მეშვეობით.
აეროდინამიკური პრობლემები ასევე შეიძლება კლასიფიცირდეს ბგერის სიჩქარის ქვემოთ ან მის მახლობლად დინების სიჩქარის მიხედვით.
პრობლემა ჰქვია:
- ქვებგერითი, თუ ამოცანის ყველა სიჩქარე ხმის სიჩქარეზე ნაკლებია;
- ტრანსონიკური, თუ არის სიჩქარეები, როგორც ხმის სიჩქარეზე ქვემოთ, ასევე ზემოთ (ჩვეულებრივ, როდესაც დამახასიათებელი სიჩქარე დაახლოებით უდრის ხმის სიჩქარეს);
- ზებგერითი, როდესაც დამახასიათებელი ნაკადის სიჩქარე აღემატება ხმის სიჩქარეს;
- ჰიპერბგერითი, როდესაც დინების სიჩქარე ბევრად აღემატება ხმის სიჩქარეს.
აეროდინამიკოსები არ ეთანხმებიან ჰიპერბგერითი ნაკადის ზუსტ განმარტებას.
სიბლანტის ეფექტი ნაკადზე კარნახობს მესამე კლასიფიკაციას. ზოგიერთ პრობლემას შეიძლება ჰქონდეს მხოლოდ ძალიან მცირე ბლანტი ეფექტი, ამ შემთხვევაში სიბლანტე შეიძლება ჩაითვალოს უმნიშვნელოდ. ამ პრობლემების მიახლოებებს უწოდებენ inviscidდინებები. ნაკადებს, რომელთა სიბლანტის უგულებელყოფა შეუძლებელია, ეწოდება ბლანტი ნაკადები.
შეკუმშვა
შეკუმშვადი ნაკადი არის ნაკადი, რომელშიც სიმკვრივე მუდმივია როგორც დროში, ასევე სივრცეში. მიუხედავად იმისა, რომ ყველა რეალური სითხე შეკუმშვადია, ნაკადი ხშირად მიახლოებულია როგორც შეუკუმშვადი, თუ სიმკვრივის ცვლილების ეფექტი იწვევს მხოლოდ მცირე ცვლილებებს გამოთვლილ შედეგებში. ეს უფრო სავარაუდოა, როდესაც ნაკადის სიჩქარე გაცილებით დაბალია ხმის სიჩქარეზე. შეკუმშვის ეფექტი უფრო მნიშვნელოვანია ხმის სიჩქარესთან ახლოს ან უფრო მაღალი სიჩქარით. Mach რიცხვი გამოიყენება შეუკუმშვის შესაძლებლობის შესაფასებლად, წინააღმდეგ შემთხვევაში შეკუმშვის ეფექტი უნდა იყოს ჩართული.
აეროდინამიკის თეორიის მიხედვით, ნაკადი ითვლება შეკუმშვად, თუ სიმკვრივე იცვლება ნაკადის გასწვრივ. ეს ნიშნავს, რომ შეკუმშვადი ნაკადისგან განსხვავებით, მხედველობაში მიიღება სიმკვრივის ცვლილებები. ზოგადად, ეს ის შემთხვევაა, როდესაც ნაკადის ნაწილის ან მთლიანი ნაკადის Mach რიცხვი აღემატება 0.3-ს. Mach-ის მნიშვნელობა 0.3 საკმაოდ თვითნებურია, მაგრამ ის გამოიყენება, რადგან გაზის ნაკადი ამ მნიშვნელობის ქვემოთ აჩვენებს 5%-ზე ნაკლებ სიმკვრივის ცვლილებას. ასევე, მაქსიმალური სიმკვრივის ცვლილება 5%-ით ხდება სტაგნაციის წერტილში (ობიექტის წერტილი, სადაც ნაკადის სიჩქარე ნულია), ხოლო დანარჩენი ობიექტის გარშემო სიმკვრივე გაცილებით დაბალი იქნება. ტრანსონური, ზებგერითი და ჰიპერბგერითი ნაკადები შეკუმშვადია.
დასკვნა
აეროდინამიკა დღეს მსოფლიოში ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი მეცნიერებაა. ის გვაწვდისხარისხიანი თვითმფრინავების, გემების, მანქანების და კომიკური შატლების მშენებლობა. ის უზარმაზარ როლს თამაშობს თანამედროვე ტიპის იარაღის - ბალისტიკური რაკეტების, გამაძლიერებლების, ტორპედოების და თვითმფრინავების შემუშავებაში. ეს ყველაფერი შეუძლებელი იქნებოდა, რომ არა აეროდინამიკური ხარისხის თანამედროვე მოწინავე კონცეფციები.
ამგვარად, სტატიის თემის შესახებ იდეები შეიცვალა ლამაზი, მაგრამ გულუბრყვილო ფანტაზიებიდან იკარუსზე, გასული საუკუნის დასაწყისში გაჩენილი ფუნქციონალური და ნამდვილად მოქმედი თვითმფრინავით. დღეს ჩვენ ვერ წარმოვიდგენთ ჩვენს ცხოვრებას მანქანების, გემების და თვითმფრინავების გარეშე და ეს მანქანები აგრძელებენ გაუმჯობესებას აეროდინამიკაში ახალი მიღწევებით.
პლანერების აეროდინამიკური თვისებები თავის დროზე ნამდვილი მიღწევა იყო. თავდაპირველად, ამ სფეროში ყველა აღმოჩენა ხდებოდა აბსტრაქტული, ზოგჯერ რეალობისგან განცალკევებული, თეორიული გამოთვლებით, რომლებსაც ახორციელებდნენ ფრანგი და გერმანელი მათემატიკოსები თავიანთ ლაბორატორიებში. მოგვიანებით, მათი ყველა ფორმულა გამოიყენებოდა სხვა, უფრო ფანტასტიკური (მე-18 საუკუნის სტანდარტებით) მიზნებისთვის, როგორიცაა მომავალი თვითმფრინავის იდეალური ფორმისა და სიჩქარის გამოთვლა. მე-19 საუკუნეში დაიწყო ამ მოწყობილობების დიდი რაოდენობით აგება, დაწყებული პლანერებითა და დირიჟაბლებით, ევროპელები თანდათან გადავიდნენ თვითმფრინავების მშენებლობაზე. ეს უკანასკნელი პირველად გამოიყენებოდა ექსკლუზიურად სამხედრო მიზნებისთვის. პირველი მსოფლიო ომის ტუზებმა აჩვენეს, თუ რამდენად მნიშვნელოვანია ჰაერში დომინირების საკითხი ნებისმიერი ქვეყნისთვის და ომის შუა პერიოდის ინჟინრებმა აღმოაჩინეს, რომ ასეთი თვითმფრინავები ეფექტურია არა მხოლოდ სამხედროებისთვის, არამედ მშვიდობიანი მოსახლეობისთვისაც.მიზნები. დროთა განმავლობაში სამოქალაქო ავიაცია მტკიცედ შემოვიდა ჩვენს ცხოვრებაში და დღეს არც ერთი სახელმწიფო არ შეუძლია ამის გარეშე.
