Аэродинамика Т 5-1

«ХАТУ» АҚ ӘСКЕРИ КАФЕДРАСЫ
ВОЕННАЯ КАФЕДРА АО «МУИТ»
Тема № 5
Занятие № 1
Причины возникновения аэродинамических сил на крыле
2
Геометрические характеристики крыла. Подъемная сила и лобовое сопротивление.

Учебные цели:
Изучить:
- значение характеристик крыла: размах, угол стреловидности и т.д.;
понятие о хорде крыла, относительной толщине профиля;
- системы координат, аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет;
- подъемная сила и сила лобового сопротивления.
.
3

Учебные вопросы:
1. Размах, удлинение, хорда, угол стреловидности.
2. Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечногоV.
3. Системы координат, аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет.
4. Подъемная сила и сила лобового сопротивления.
4

Вопрос № 1:
Размах и удлинение крыла.
Хорда крыла.
Профиль крыла.
Относительная толщина крыла.
5

Геометрические характеристики крыла
Геометрические характеристики летательного аппарата — определяют размеры и форму летательного аппарата и его основных частей. Выражаются в абсолютных и относительных величинах.
При движении в воздухе самолета, на все его части действуют аэродинамические силы.
Основной частью самолета, поддерживающей его в воздухе,- является крыло. Величина и направление аэродинамических сил, действующих на крыло, в значительной степени определяются формой профиля крыла, очертанием его в плане и видом спереди.
6

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Принцип действия крыла. Подъёмная сила крыла создаётся за счёт разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях.
Давление воздуха так же зависит от распределения скоростей воздушных потоков вблизи этих поверхностей крыла, в зависимости от угла атаки и профиля крыла.
7

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Основное назначение крыла – создание подъемной силы, потребной для всех нормальных режимов полета, при возможно меньшей затрате тяги двигательной установки.
Кроме того, крыло играет важную роль в обеспечении устойчивости и с помощью расположенных на нем элеронов поперечной управляемости самолета.
Крыло является важнейшей частью конструкции самолета.
На долю крыла приходится:
до 35 - 45% массы конструкции и
до 50% лобового сопротивления летательного аппарата.
8

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Крыло представляет собой тонкостенную подкрепленную оболочку и состоит из каркаса и обшивки 6; каркас – из лонжеронов 1, стенок и стрингеров 2 (продольный набор), а также нервюр 9 (поперечный набор). На крыле расположены средства механизации (предкрылки 7 и закрылки 3) для улучшения ВПХ самолета, элероны 5 и интерцепторы 4 для управления самолетом относительно продольной оси, пилоны 8 для крепления двигателей.
9
1-лонжерон; 2-стрингеры; 3-закрылки;
4-интерцепторы; 5-элерон; 6обшивка;
7-предкрылки; 8-пилон для крепления двигателей; 9-нервюры

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Части крыла самолёта. Крыло можно разделить на три части: левую и правую полуплоскости, центроплан.
10

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Классификация самолетов по расположению крыльев:
11
а – бипланы; б – низкопланы; в – среднепланы; в - высокопланы

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Биплан (от лат. bis - дважды и planum - плоскость) – самолеты с двумя крыльями, расположенными одно над другим.
Основная идея бипланной конструкции заключается в использовании большой строительной высоты бипланной коробки.
12

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Еще одним преимуществом биплана по сравнению с монопланом является меньший размах крыльев, обеспечивающий меньшие габаритные размеры и меньший момент инерции относительно продольной оси самолета, то есть лучшие маневренные свойства самолета.
Недостатком является большое сопротивление бипланной коробки, обусловленное взаимным влиянием верхнего и нижнего крыльев и наличием в потоке элементов ферм (стоек, расчалок). Кроме того, в эксплуатации бипланная схема требует частых проверок и регулирования положения крыльев.
13

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Самолет с нижним расположением крыла (низкоплан) имеет широкое применение для пассажирских самолетов. Крыло проходит через нижнюю часть фюзеляжа.
Эта схема наиболее выгодна в отношении безопасности пассажиров и экипажа при аварийной посадке с убранным шасси. У низкоплана конструктивно проще расположить оперение выше крыла, вынеся его из зоны затенения воздушным потоком, сбегающим с крыла; шасси имеет небольшую высоту , что снижает его массу и упрощает уборку.
Недостатками низкоплана являются более высокое аэродинамическое сопротивление самолета в сравнении с другими схемами вследствие неблагоприятного взаимного влияния (интерференции) крыла и фюзеляжа и ухудшенный обзор из окон кабины пассажиров.
14

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Среднее расположение крыла наиболее выгодно в аэродинамическом отношении, поскольку в этой схеме взаимное влияние крыла и фюзеляжа создает минимальное лобовое сопротивление.
Недостатки. Схема среднеплана не применяется для транспортных ВС, потому что крыло затрудняет размещение в фюзеляже пассажиров и грузов.
Примеры со средним относительно фюзеляжа расположением крыльев – самолетов-среднепланов – бомбардировщик Ту-16, который был выполнен как среднеплан.
В дальнейшем на его базе разработан первый в СССР реактивный пассажирский самолет. При этом облик самолета, получившего марку Ту-104, претерпел некоторые изменения: Т-104 имел низкорасположенное крыло, диаметр фюзеляжа нового самолета был значительно увеличен.
15

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Верхнее расположение крыла более выгодно в отношении аэродинамического сопротивления самолета, вызванного интерференцией крыла и фюзеляжа; дает возможность приблизить фюзеляж к земле, что удобно для погрузки и выгрузки грузов. При расположении двигателей на крыле уменьшается опасность попадания в них посторонних предметов с ВПП.
Интерференция - это взаимное влияние частей самолета друг на друга Она возникает вследствие взаимодействия потоков, обтекающих близко расположенные части самолета, например, крыло и фюзеляж, крыло и хвостовое оперение и т.д.
16
Недостатки. Такая схема часто вынуждает крепить основные опоры на фюзеляже, что ведет к уменьшению поперечной устойчивости самолета при движении по аэродрому вследствие небольшого расстояния между опорами. В случае крепления основных опор на крыле они имеют большую массу и высоту, что затрудняет их уборку.
Такая схема применяется чаще всего для грузовых сухопутных самолетов и гидросамолетов всех назначений.

Стоечный биплан
Свободнонесущий биплан
Расчалочно – стоечный биплан
Полутораплан
Виды бипланов
18
Геометрические характеристики крыла. (продолжение)

Прямая чайка
Обратная чайка
Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
19
Высокоплан
Среднеплан
Низкоплан
Виды монопланов

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Геометрические характеристики крыла сводятся в основном к характеристикам формы крыла в плане и к характеристикам профиля крыла.
Крылья современных самолетов по форме в плане могут быть:
- эллипсовидные;
прямоугольные;
трапециевидные;
стреловидные;
треугольные.
20

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Наилучшей в аэродинамическом отношении является эллипсовидная форма, но такое крыло сложно в производстве, поэтому редко применяется. Прямоугольное крыло менее выгодно с точки зрения аэродинамики, но значительно проще в изготовлении.
Трапециевидное крыло по аэродинамическим характеристикам лучше прямоугольного, но несколько сложнее в изготовлении.
Стреловидные и треугольные в плане крылья в аэродинамическом отношении на дозвуковых скоростях уступают трапециевидным и прямоугольным, но на околозвуковых и сверхзвуковых имеют значительные преимущества. Поэтому такие крылья применяются только на самолетах, летающих на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях.
21

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
23
Размах крыльев.

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
24
Размах крыла самолетов, всегда измеряется по прямой линии, от вершины левого крыла до вершины правого крыла, независимо от формы крыла или его стреловидности.
Это важная геометрическая характеристика летательного аппарата, оказывающая влияние на его аэродинамические и лётно-технические характеристики, а также является одним из основных габаритных размеров летательного аппарата.
Чем больше аэродинамическое качество крыла, тем оно совершеннее. Величина размаха для современных самолетов и планеров это когда крыло самолета может создавать подъемную силу, превышающую лобовое сопротивление.

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Увеличение удлинения крыла является одним из способов уменьшения индуктивного сопротивления.
Однако этот путь имеет ограничения. Первое ограничение связано с тем, что увеличение удлинения крыла вдвое приводит увеличению нагрузок на лонжерон крыла вчетверо.
Вторая причина заключается в том, что для обеспечения одинакового угла атаки по всей длине крыла, оно должно иметь достаточную жёсткость на кручение.
Чем больше удлинение крыла, тем труднее обеспечить необходимую жёсткость.
Третья причина заключается в том, что увеличение удлинения крыла ухудшает манёвренные качества самолёта по крену.
29

Вопрос № 2:
Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечного V.

31
Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Хорда профиля крыла – отрезок прямой, соединяющий ребро атаки с ребром обтекания. Хорда обозначается буквой в (обычно измеряется в метрах).
Хорда профиля (b) — отрезок прямой, соединяющий две наиболее удалённые точки профиля.
Толщина профиля (Сmax) — величина максимального утолщения профиля.
Относительная толщина профиля (С) — отношение максимальной толщины Смакс к хорде, выраженное в процентах:
С до 13% считается тонким или средним профилем, свыше 13% — толстым профилем.
Кривизна профиля (f) — наибольшее расстояние от средней линии до хорды, выраженное в процентах.

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Основными характеристиками профиля являются:
- хорда профиля;
- относительная толщина;
- относительная кривизна.
30

Геометрические характеристики крыла. (продолжение)
Профиль несущей поверхности – это сечение крыла плоскостью, параллельной плоскости симметрии самолета. Профиль – одна из важнейших характеристик крыла, так как от него зависят аэродинамические, прочностные и другие характеристики крыла.
Профиль характеризуется:
формой,
относительной толщиной,
относительной вогнутостью (кривизной) и
относительным положением максимальной толщины,
радиусом носка.
30

Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечного V.
Основными частями самолета являются: крыло, фюзеляж, оперение, шасси, силовая установка, бортовое оборудование (см. рис. ниже). В данном разделе нас интересуют, прежде всего, те части самолета, которые непосредственно взаимодействуют с набегающим потоком воздуха и создают основную долю аэродинамических сил, т.е. крыло, фюзеляж и оперение. Шасси и силовая установка, как правило, тоже обтекаются потоком воздуха, но в данном курсе мы не будем заострять на этом внимание.

Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечного V.
Геометрические характеристики профиля показаны на рис. Для описания формы профиля используют такие геометрические характеристики, как
хорда, относительная толщина, относительная вогнутость и др. Х о р д о й
п р о ф и л я называется отрезок прямой, соединяющий две наиболее удаленные точки профиля. Хорда обозначается, как правило, буквой b. Формы верхнего и нижнего контуров профиля задаются с помощью таблиц с координатами точек или в виде аналитических зависимостей.
При этом начало системы координат располагают в передней точке хорды, а саму хорду – на оси 0x.

Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечного V.
Крыло предназначено для создания подъемной силы, которая уравновешивает силу тяжести, действующую на самолет, а также обеспечивает изменение траектории полета. Подъемная сила на крыле появляется во время движения самолета относительно окружающего воздуха. Этот эффект создается благодаря тому, что крыло имеет определенную форму, которая характеризуется, в свою очередь, формой профиля, формой крыла при виде сверху (формой крыла в плане) и при виде спереди.
Профиль крыла – это сечение крыла плоскостью, параллельной
плоскости симметрии самолета . Это плоскость, относительно которой большинство элементов самолета располагаются симметрично слева и справа, ее иногда называют базовой плоскостью самолета. Формы профилей разнообразны, они выбираются, прежде всего, исходя из соображений обеспечения требуемых летно-технических характеристик самолета. На рис. справа приведены наиболее распространенные формы профилей.

Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечного V.
О т н о с и т е л ь н а я т о л щ и н а п р о ф и л я равна отношению максимальной толщины профиля к его хорде, выраженному в процентах:
где Cmax – наибольшее расстояние между точками профиля, лежащими на прямой, перпендикулярной хорде.
В зависимости от типа самолета величина относительной толщины профиля колеблется в пределах от 2 до 20 %. Сверхзвуковые самолеты имеют крылья с тонкими профилями (до 5 %), у дозвуковых – профили крыльев толще (как правило, свыше 10 %).
Положение максимальной толщины профиля по длине хорды определяется относительной координатой:
где Хc – абсцисса максимальной толщины профиля.
Величина Хc для дозвуковых самолетов колеблется в пределах
25 - 30 %, для сверхзвуковых 40 - 50 %.

Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечного V.
С р е д н я я л и н и я п р о ф и л я – это геометрическое место точек,
соответствующих серединам отрезков, соединяющих точки профиля, лежа-
щие на прямой, перпендикулярной хорде, т.е. это координаты середин тол-
щин профиля: yср(x) = 0,5[yв(x) + yн(x)].
О т н о с и т е л ь н а я в о г н у т о с т ь п р о ф и л я – это отношение
максимальной вогнутости профиля к его хорде, выраженное в процентах:
где fmax – максимальная по абсолютной величине ордината средней линии
профиля, т.е. максимальное отклонение средней линии профиля от
хорды, ее еще называют стрелой прогиба.
Относительная вогнутость профилей современных самолетов находится в пределах 0 - 4 %.
Вогнутость профиля иногда называют к р и в и з н о й п р о ф и л я .
Положение максимальной вогнутости по длине хорды определяется относи-
тельной координатой:
где Хf – абсцисса максимальной вогнутости профиля.

Причина образования подъемной силы и лобового сопротивления
и полной аэродинамической силы
Формы крыла в плане, т.е. при виде сверху, столь же разнообразны, как и формы профилей. Однако на современных самолетах чаще всего используются прямоугольные, трапециевидные, стреловидные и треугольные крылья (см. рис.). Форма крыла в плане сильно влияет на летно-технические
характеристики самолета и выбирается исходя из условия их обеспечения. Геометрия крыла в плане описывается следующими характеристиками:
размах крыла
площадь крыла
корневая и концевая хорды
удлинение крыла
сужение крыла и др.

Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечного V.
Форма крыла при виде спереди характеризуется углом (Пси) между базовой плоскостью крыла и линией четвертей хорд полукрыла (см. рис.).
Как правило, линия четвертей хорд крыла располагается таким образом, что напоминает своими очертаниями латинскую букву V. Поэтому угол - называют углом поперечного V крыла .

Вопрос № 3:
Системы координат, аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет

Системы координат. Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет
При аэродинамических расчетах и изучении динамики движения самолетов используются различные системы координат. Чаще всего используются связанная, скоростная, нормальная и траекторная системы координат.
Связанная система координат 0XYZ жестко связана с самолетом (отсюда ее название). Начало этой системы совпадает с центром масс самолета (см. рис.). Ось 0X лежит в базовой плоскости самолета, она направлена в сторону носовой части и, как правило, параллельна САХ. Эта ось называется продольной осью . Ось 0Y тоже лежит в базовой плоскости самолета, при этом она перпендикулярна оси 0X и направлена к верхней части самолета. Она называется нормальной осью. Ось 0Z перпендикулярна базовой плоскости самолета и направлена в сторону правого полукрыла. Эта ось называется поперечной осью .

Системы координат. Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет
Скоростная система координат 0XaYaZa связана с вектором скорости движения центра масс самолета относительно воздушной среды V (см. рис.), ее начало также помещают в центре масс самолета. Ось 0Xa в скоростной системе координат всегда совпадает с вектором скорости и называется скоростной осью.
Ось 0Ya перпендикулярна вектору скорости, лежит в базовой плоскости самолета и направлена к верхней части самолета. Она называется осью подъемной силы . Ось 0Za проводят так, чтобы она дополняла оси 0Xa и 0Ya до правой системы координат. Эта ось называется боковой осью.

Системы координат. Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет
Нормальная система координат 0XgYgZg используется для описания пространственного положения самолета относительно поверхности Земли. Начало координат этой системы совпадает с началом связанной системы координат (см. рис.). Ось 0Yg всегда направлена вверх по местной вертикали, а направление осей 0Xg и 0Zg выбирается в соответствии с решаемой задачей, при этом плоскость Xg0Zg всегда расположена горизонтально. Угол между осью 0Xg и проекцией оси 0X на горизонтальную плоскость XXg0Zg называется углом ры- скания. Угол (пси) между продольной осью 0X и горизонтальной плоскостью Xg0Zg называется углом тангажа (фи). Угол между поперечной осью 0Z и горизонтальной плоскостью Xg0Zg называется углом кре- на. (гамма).

Системы координат. Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет
Траекторная система координат 0XкYкZк используется главным образом в динамике полета для описания движения самолета относительно поверхности Земли. В общем случае скорость полета относительно воздушной среды может не совпадать со скоростью полета относительно Земли, т.к. в реальной атмосфере почти всегда имеется движение воздушных масс, проще говоря, ветер. Ветер оказывает воздействие на самолет, и суммарная скорость его движения относительно поверхности Земли Vк (земная скорость) будет равна:
где V – скорость самолета относительно воздушной среды;
W – скорость ветра относительно Земли.
Траекторная система координат связана с вектором земной скорости Vк. Начало координат этой системы совпадает с началом связанной системы координат (см. рис.). Ось 0Xк совпадает с направлением вектора земной скорости Vк. Ось 0Yк размещается в вертикальной плоскости, проходящей через ось 0Xк, и направлена вверх от Земли. Ось 0Zк образует правую систему координат. Траекторная система координат может быть получена из нормальной путем поворота последней на угол пути и угол наклона траектории

Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет
Механическое воздействие набегающего потока на самолет сводится к нагрузкам, непрерывно распределенным по его поверхности. Для удобства изучения эти распределенные нагрузки приводят к результирующей силе, приложенной в центре масс самолета, которая называется аэродинамической силой и обозначается
, а также моменту вокруг центра масс ЦМ, который называется аэродинамическим моментом и обозначается M.

Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет
Теоретические и экспериментальные исследования показали, что величина аэродинамической силы прямо пропорциональна скоростному напору
набегающего потока и характерной площади обтекаемого тела S:
где CR – коэффициент пропорциональности, который носит название коэффициента аэродинамической силы .

Аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет
Аэродинамический момент также прямо пропорционален скоростному
напору , характерной площади S и характерному линейному размеру обтекаемого тела l:
где m – коэффициент пропорциональности, который называется коэффициентом аэродинамического момента .

Вопрос № 4:
Подъемная сила и сила лобового сопротивления

Подъёмная сила — составляющая полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком.
Полная аэродинамическая сила — это интеграл от давления вокруг контура профиля крыла.
Согласно теореме Жуковского, величина подъёмной силы пропорциональна плотности среды, скорости потока и циркуляции скорости потока.
Приближённо, возникновение подъёмной силы можно объяснить тем, что ввиду наличия инерции и вязкости у обтекающего крыло газа, при не нулевом угле атаки, газу со стороны положительного угла атаки необходимо ускориться, преодолев инерцию

чтобы догнать «убегающую» поверхность крыла, а с другой стороны сжаться под воздействием набегающей поверхности. В результате имеем следующие составляющие подъёмной силы:
-изменение направления потока газа и его ускорение с одной стороны, замедление с другой и уравновешиваются подъёмной силой согласно закону сохранения импульса.
-разность давлений, соответствующая разрежению с одной стороны крыла и сжатию с другой, обусловливает появление силы, направленной в сторону положительного угла атаки.

Воздух, обтекая крыло самолета, разделяется на два потока: над крылом и под ним. Нижний поток протекает себе как ни в чем не бывало, а верхний сужается. Ведь профиль крыла выпуклый сверху.
И теперь для того, чтобы в верхнем потоке проходило то же количество воздуха и за такое же время, как и в нижнем, ему нужно двигаться быстрее. Далее вступает в силу закон Бернулли: чем выше скорость потока, тем давление в нем ниже и, соответственно, наоборот. Этот закон очень просто иллюстрируется.

Если взять не слишком узкий горизонтальный шланг (рукав) из тонкой прозрачной резины и влить в него воды под небольшим давлением. Что вы увидите? Да ничего особенного, вода просто быстро выльется через другой конец. А вот если на этом другом конце окажется наполовину закрытый кран, то вы сразу увидите, что вода выливается, но медленно и стенки рукава раздулись, то есть скорость потока уменьшилась и давление возросло. Итак… При движении в воздушном потоке над крылом давление меньше, чем под ним. Из-за этой разницы возникает подъемная сила. Она выталкивает крыло самолета и, соответственно, сам самолет вверх. Чем скорость выше, тем подъемная сила больше. А если она равна весу, то самолет летит горизонтально. Ну а скорость зависит от работы двигателя самолета.

Коэффициент подъёмной силы — безразмерная величина, характеризующая подъёмную силу крыла определённого профиля при известном угле атаки. Коэффициент определяется экспериментальным путём в аэродинамической трубе, либо по теореме Жуковского.

Подъемная сила

Подъемная сила
Чем больше угол атаки или вогнутость профиля, тем больше будет и подъемная сила.

Сила лобового сопротивления
Лобовое сопротивление — сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивление складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности. Сила сопротивления является диссипативной силой и всегда направлена против вектора скорости тела в среде. Наряду с подъёмной силой является составляющей полной аэродинамической силы.
Сила лобового сопротивления обычно представляется в виде суммы двух составляющих: сопротивления при нулевой подъёмной силе и индуктивного сопротивления. Каждая составляющая характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.
Лобовое сопротивление может способствовать как обледенению летательных аппаратов (при низких температурах воздуха), так и вызывать нагревание лобовых поверхностей ЛА при сверхзвуковых скоростях ударной ионизацией.

Сила лобового сопротивления
Сила лобового сопротивления складывается из сил, действующих на все части самолета, обтекаемые потоком. Но для упрощения и сокращения объема излагаемого материала рассмотрим только силу лобового сопротивления, возникающую на крыле самолета. Соответственно в качестве характерной площади будем использовать площадь крыла.

Сила лобового сопротивления

СИЛА ЛОБОВОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ

Сила лобового сопротивления

Тема №5
Причины возникновения аэродинамических сил на крыле.
Занятие № 1
Геометрические характеристики крыла. Подъемная сила и лобовое сопротивление.

Учебные вопросы:
1. Размах, удлинение, хорда, угол стреловидности.
2. Профиль крыла, относительная толщина профиля, угол поперечногоV.
3. Системы координат, аэродинамические силы и моменты, действующие на самолет.
4. Подъемная сила и сила лобового сопротивления.
4

Литература
для самоподготовки
Лебедев А.А., Динамика полета беспилотных летательных аппаратов. М., 2011г.
Лебедев А.А., Чернобровкин Л.С. Основы устройства и функционирования БПЛА М; машиностроение, 1973г.