Teoretisk grundlag for flyvningen af ​​tungere end luftfartøjer. Typer af fly

Mennesket havde mulighed for at observere og studere fritflyvende "enheder" længe før oprettelsen af ​​det første fly - han havde altid et eksempel på en flyvende fugl for øjnene. I legenderne fra enhver nation kan du finde en eventyrhelt, der er i stand til at bevæge sig gennem luften, og disse metoder er ekstremt forskellige.

Idéer om mekanismen for fugleflyvning var lige så forskellige. Det er endda blevet foreslået, at løftet af vingen er forårsaget af elektriske ladninger genereret på fjerene, når fuglen åbner sine vinger.

Imidlertid blev flyvning i et tungere-end-luft-apparat mulig for ganske nylig (efter standarder for menneskets historie) og mere end hundrede år efter Montgolfier-brødrenes første flyvning i en ballon (ballon).

Svævefly eller ikke-motoriserede fly

Observationer af fugle, der svævede, førte til eksperimenter med stigende luftstrømme og skabelsen svævefly. En alvorlig ulempe ved svæveflyet som køretøj er dog, at det ikke er i stand til at lette af sig selv.

I 1891 lavede Otto Lilienthal et svævefly af pilekviste dækket med stof. I perioden fra 1891 til 1896 gennemførte den op mod 2000 flyvninger. Den 9. august 1896 døde Otto Lilienthal. En kopi af hans apparat kan ses i N. E. Zhukovsky Museum i Moskva på gaden. Radio.

Svæveflyvning var populært i 1930'erne. De fleste berømte flydesignere begyndte med svæveflyprojekter, for eksempel O.K. Antonov, S.P. Korolev, A.S. Yakovlev. Brugen af ​​moderne materialer og aerodynamiske former har ført til det faktum, at under forhold med stabile opstrømninger, for eksempel i bjergrige områder, er svævefly i stand til at foretage flere timers og endda flere dages flyvninger.

De aerodynamiske design af svævefly blev grundlaget for køretøjer, der er tungere end luften, drevet af menneskelig muskelkraft - "muskelfly", såvel som andre lavhastighedskøretøjer.

Efterkommerne af svævefly er "hangglidere" og "paraglidere". Paragliding er ekstremt populært i dag.

Mindre modeller af paraglidere bruges som sportsudstyr til at trække bjerg- og vandskiløbere. Du kan selv lave en sådan enhed, selv derhjemme.

Forsøg på at skabe et fly, der var i stand til selvstændigt at lette, lande på et givet punkt og lette igen derfra, endte i fiasko, ikke kun på grund af manglende viden, men også på grund af manglen på en passende motor. Det er lige så sandt, at udseendet af en ny motor, lettere og mere kraftfuld, eller baseret på et andet princip om at generere drivkraft, fører til et revolutionært gennembrud i udviklingen af ​​luftfart.

Det teoretiske grundlag for flyvningen af ​​tungere-end-luftfartøjer blev udviklet af N. E. Zhukovsky i begyndelsen af ​​det 20. århundrede. De nødvendige eksperimentelle data blev opnået tilbage i det 19. århundrede af A. F. Mozhaisky, O. Lilienthal og andre.

Lad os prøve at besvare det vigtigste spørgsmål: hvorfor falder fly ikke til jorden, på trods af at tyngdekraften virker på dem?

Vi vil begrænse os til en forenklet ordning, hvor luft omtrent vil blive betragtet som en inkompressibel væske. Så for den vandrette luftstrøm, der strømmer rundt i flyet, vil det være sandt Bernoullis ligning:

ρν 2 /2 + s = konst, (1)

Hvor ρ - lufttæthed, s- tryk, og ν - hastigheden af ​​luft, der strømmer rundt i et fly.

Af formel (1) følger det, at jo højere lufthastigheden er, jo lavere er dens tryk, og omvendt, jo lavere lufthastigheden er, jo højere er trykket.

Vingen på et fly, hvis man ser på den fra siden, har det udseende, der er vist i fig. 1.

Den øverste del af vingen er mere "konveks" end den nederste. På grund af dette bevæger luften, der strømmer rundt om den øvre og nedre del af vingen, på samme tid, hurtigere OVER vingen end UNDER vingen: tiden er den samme, og stien oppefra er længere end stien fra under.

Derfor er lufttrykket på vingen ovenfra, ifølge Bernoullis ligning, mindre end trykket nedefra. På grund af forskellen i disse tryk opstår der en løftekraft, som afbalancerer tyngdekraften under flugten.

En anden "løfteeffekt" opstår på grund af, at vingen er placeret i en bestemt vinkel α i forhold til retningen af ​​den modkørende luftstrøm, som kaldes angrebsvinkel(Fig. 2).

På grund af dette vil trykkraften på vingen fra den modgående luftstrøm (kraft R i fig. 2) rettet i en bestemt vinkel til horisonten. Den lodrette komponent af denne kraft ( Y, ris. 2) yder sit "bidrag" til dannelsen af ​​vingens løftekraft.

Og den vandrette komponent ( x, ris. 2) - dette er den såkaldte trækkraft, som "overvindes" af flyets fremdrift udviklet af motorerne.

Det er tydeligt, at trækkraften ikke kun virker på vingen, men også på flyets krop.

Når luften strømmer rundt om vingen, afviger luftens bevægelsesretning fra den oprindelige. Luften ser ud til at "vende" under påvirkning af vingen. N. E. Zhukovsky viste, at vingeprofilen kan erstattes af en tilsvarende hvirvel eller en roterende cylinder. Rotationsretningen af ​​hvirvelen (cylinderen) er sådan, at den nederste halvdel bevæger sig mod strømmen, og den øverste halvdel bevæger sig nedstrøms. Denne effekt kaldes "Magnus-effekten". De, der ønsker det, kan lave en luftrotor (eller "vingrotor"; "vingrotor" oversat fra engelsk betyder "roterende vinge") slange "Rotoplane" og personligt verificere eksistensen af ​​en analogi (fig. 3).

Derudover følger det af en sådan analogi, at hver vinge giver anledning til en hvirvelstrøm fra enden af ​​vingen. Hvirvelens energi spredes i rummet. For eksempel kan en hvirvel detekteres, hvis et fly flyver gennem skyer.

Andre variationer af "Magnus Serpents" og instruktioner til fremstilling af dem kan findes.

Trykcenter (CD, ris. 2) kaldes anvendelsespunktet for de resulterende lufttrykskræfter fordelt over hele vingens overflade. Med andre ord kan alle de kræfter, som luften udøver på flyvemaskinen, teoretisk set erstattes af en enkelt kraft, der påføres flyvemaskinen i et punkt kaldet trykcentret. Samtidig vil karakteren af ​​flyets bevægelse ikke ændre sig som følge af en sådan udskiftning.

Centrering kaldes den relative position af tyngdepunktet og trykcentret. Normalt bruges "frontcentrering", det vil sige, at de forsøger at placere tyngdepunktet foran trykcentret (fig. 4 og 5). Men nogle gange er tyngdepunktet placeret bagved trykcentret (fig. 6 og 7). Dette design kaldes en "and".

For flyvestabilitet er det nødvendigt, at der med en let drejning af flyets krop i det lodrette plan opstår et "tilbagevendende" kraftmoment, som ville bringe flyet tilbage til dets oprindelige position, og en sådan "selvregulering" skal finde sted automatisk uden pilotens deltagelse.

Dette problem løses af flyets hale "empennage", som kaldes stabilisator. Når flyets hale bøjes lidt op eller ned, opstår der en yderligere kraft i stabilisatoren, som vender flyet til dets oprindelige tilstand.

Flyet har seks frihedsgrader: tre bevægelser (op-ned, højre-venstre, frem-tilbage) og tre rotationsbevægelser ( godt- i det vandrette plan, tonehøjde- i det lodrette plan, bank- i et plan vinkelret på flyets akse).

Efterhånden som luftfarten udviklede sig, ændrede både omridset af flyet og flyets kontrolmekanismer sig. Lad os nævne de vigtigste af dem.

Ailerons - overflader på vingens bagkant, der er i stand til at afbøje i en lille vinkel i forhold til vingens overflade. De bruges til at udføre drejninger i et plan vinkelret på flyets akse.

Elevatorer - overflader på bagkanten af ​​stabilisatorerne, også i stand til at vippe i en lille vinkel, bruges til at udføre drejninger i det lodrette plan.

Ror - overfladen på bagkanten af ​​flyets finne, der bruges til at udføre drejninger i det vandrette plan.

Følgende typer flyvinger (vingegeometri) er kendt: "lige", "fejet", "trekant" og "integreret".

Lige vinge - typisk for det første fly, samt moderne fly, der flyver med hastigheder under 700 km/t. For fly med en hastighed på mindre end 160 km/t, parrede lige vinger, placeret over hinanden, den såkaldte "biplan", og nogle gange tre lige vinger, placeret over hinanden, den såkaldte "triplane" blev og bliver stadig brugt..

Fejet vinge - dukkede op, da flyvehastigheden nærmede sig værdier i størrelsesordenen 800–900 km/t. Fejede vinger ligner spidsen af ​​en pil, det vil sige, at vingerne danner skarpe vinkler med flyets krop. Moderne fly, der flyver med høje hastigheder, såsom Tu-160, er designet med vinger med variabel sweep, hvilket giver dem mulighed for at nå høje hastigheder under flyvning med "foldede vinger" og har lav start- og landingshastighed med lige vinger.

delta fløj - i øjeblikket en sjældent brugt ordning, der anvendes på fly med en flyvehastighed på omkring 2000 km/t. Trekantede vinger er formet som en trekant.

I moderne enheder bruges det "integreret" fløj, når flyets krop er en del af bærefladen og også skaber løft.

Folk har været besat af tanken om at tage til luften i århundreder. I myterne om næsten alle nationer er der legender om flyvende dyr og mennesker med vinger. De tidligst kendte flyvemaskiner var vinger, der efterlignede fuglenes. Med dem sprang folk fra tårne ​​eller forsøgte at svæve ved at falde ned fra en klippe. Og selvom sådanne forsøg normalt endte tragisk, kom folk med mere og mere komplekse flydesign. Vi vil tale om ikoniske fly i vores dagens anmeldelse.

1. Bambus helikopter

En af verdens ældste flyvende maskiner, bambushelikopteren (også kendt som bambussmeden eller kinesisk pinwheel) er et stykke legetøj, der flyver opad, når dens hovedaksel hurtigt drejes. Bambushelikopteren blev opfundet i Kina omkring 400 f.Kr. og bestod af fjerblade fastgjort til enden af ​​en bambuspind.

2. Flyvende lommelygte

En flyvende lanterne er en lille ballon lavet af papir og en træramme med et hul i bunden, hvorunder der tændes et lille bål. Det menes, at kineserne eksperimenterede med flyvende lanterner allerede i det 3. århundrede f.Kr., men traditionelt tilskrives deres opfindelse vismanden og generalen Zhuge Liang (181-234 e.Kr.).

3. Ballon

Luftballonen er den første vellykkede teknologi til menneskelig flyvning på en bærende struktur. Den første bemandede flyvning blev udført af Pilatre de Rosier og Marquis d'Arlandes i Paris i 1783 i en luftballon (bundet) skabt af Montgolfier-brødrene Moderne luftballoner kan flyve tusindvis af kilometer (den længste luftballon flyveturen er 7.672 km fra Japan til det nordlige Canada).

4. Solballon

Teknisk set flyver denne type ballon ved at opvarme luften inde i den ved hjælp af solstråling. Som regel er sådanne balloner lavet af sort eller mørkt materiale. Selvom de primært bruges på legetøjsmarkedet, er nogle solballoner store nok til at løfte en person op i luften.

5. Ornithopter

En ornithopter, som er inspireret af fugle, flagermus og insekters flugt, er et fly, der flyver ved at slå med vingerne. De fleste ornithoptere er ubemandede, men der er også bygget enkelte bemandede ornithoptere. Et af de tidligste koncepter for sådan en flyvende maskine blev udviklet af Leonardo da Vinci tilbage i det 15. århundrede. I 1894 foretog Otto Lilienthal, en tysk luftfartspioner, den første bemandede flyvning i historien i en ornithopter.

6. Faldskærm

Lavet af let, holdbart stof (ligner nylon), en faldskærm er en enhed, der bruges til at bremse en genstands bevægelse gennem atmosfæren. Beskrivelsen af ​​den ældste faldskærm blev fundet i et anonymt italiensk manuskript, der dateres tilbage til 1470. I dag bruges faldskærme til at frigive en række forskellige laster, herunder mennesker, mad, udstyr, rumkapsler og endda bomber.

7. Drage

Dragen blev oprindeligt konstrueret ved at strække silke over en ramme af spaltet bambus, og den blev opfundet i Kina i det 5. århundrede f.Kr. Med tiden tog mange andre kulturer denne enhed til sig, og nogle af dem fortsatte endda med at forbedre denne simple flyvemaskine yderligere. For eksempel menes drager, der er i stand til at transportere mennesker, at have eksisteret i det gamle Kina og Japan.

8. Luftskib

Luftskibet blev det første fly, der var i stand til kontrolleret start og landing. I begyndelsen brugte luftskibe brint, men på grund af denne gass høje eksplosivitet begyndte de fleste luftskibe bygget efter 1960'erne at bruge helium. Luftskibet kan også være drevet af motorer og indeholde mandskab og/eller nyttelast i en eller flere "pods" ophængt under en gascylinder.

9. Svævefly

Et svævefly er et fly, der er tungere end luften, der under flyvningen understøttes af luftens dynamiske reaktion på dets løfteflader, dvs. den er uafhængig af motoren. De fleste svævefly har således ikke en motor, selvom nogle paraglidere kan udstyres med dem for at forlænge deres flyvning, hvis det er nødvendigt.

10. Biplan

Et biplan er et fly med to faste vinger, der er placeret over hinanden. Biplaner har en række fordele i forhold til konventionelle vingedesign (monoplan): de giver mulighed for større vingeareal og løft med et mindre vingefang. Wright-brødrenes biplan blev det første fly, der fløj med succes i 1903.

11. Helikopter

En helikopter er et fly med roterende vinger, der kan lette og lande lodret, svæve og flyve i alle retninger. Der har været mange koncepter, der ligner moderne helikoptere gennem de sidste århundreder, men det var først i 1936, at den første fungerende helikopter, Focke-Wulf Fw 61, blev bygget.

12. Aerocykel

I 1950'erne kom Lackner Helicopters med et usædvanligt fly. HZ-1 Aerocycle var beregnet til at blive brugt af uerfarne piloter som standard rekognosceringskøretøj for den amerikanske hær. Selvom tidlige test viste, at køretøjet kunne give tilstrækkelig mobilitet på slagmarken, indikerede mere omfattende evalueringer, at det var for svært for utrænede infanterister at kontrollere. Som følge heraf blev projektet fastfrosset efter et par ulykker.

13. Kaitun

Kaitun er en hybrid af en drage og en luftballon. Dens største fordel er, at dragen kan forblive i en nogenlunde stabil position over rebets ankerpunkt, uanset vindstyrken, mens konventionelle balloner og drager er mindre stabile.

14. Hangglider

En hangglider er et ikke-motoriseret fly, der er tungere end luften, der mangler en hale. Moderne hangglidere er lavet af aluminiumslegering eller kompositmaterialer, og vingen er lavet af syntetisk kanvas. Disse enheder har et højt løfteforhold, som gør det muligt for piloter at flyve i flere timer i en højde af tusinder af meter over havets overflade i opstrømninger af varm luft og udføre kunstflyvningsmanøvrer.

15. Hybrid luftskib

Et hybrid luftskib er et fly, der kombinerer egenskaberne af et lettere-end-luftfartøj (dvs. luftskibsteknologi) med teknologien fra et tungere-end-luftfartøj (enten en fast vinge eller en rotor). Sådanne designs blev ikke sat i masseproduktion, men flere bemandede og ubemandede prototyper blev produceret, herunder Lockheed Martin P-791, et eksperimentelt hybrid luftskib udviklet af Lockheed Martin.

16. Luftfartsfly

Også kendt som en jetliner, et jetpassagerfly er en type fly designet til at transportere passagerer og gods gennem luften, drevet af jetmotorer. Disse motorer gør det muligt for flyet at nå høje hastigheder og generere tilstrækkelig fremdrift til at drive et stort fly. I øjeblikket er Airbus A380 verdens største passagerjetfly med en kapacitet på op til 853 personer.

17. Raketfly

Et raketfly er et fly, der bruger en raketmotor. Raketfly kan nå meget højere hastigheder end jetfly af samme størrelse. Som regel kører deres motor ikke mere end et par minutter, hvorefter flyet glider. Raketflyet er velegnet til flyvning i meget høje højder, og det er også i stand til meget større acceleration og har et kortere startforløb.

18. Flydende vandflyver

Det er en type fastvingede fly, der kan lette fra og lande på vandet. Opdriften af ​​et vandfly leveres af pontoner eller flydere, som er installeret i stedet for landingsstellet under flykroppen. Flydefly var meget brugt før Anden Verdenskrig, men blev derefter erstattet af helikoptere og fly drevet fra hangarskibe.

19. Flyvebåd

En anden type vandflyver, den flyvende båd, er et fastvinget fly med et skrog formet til at tillade det at lande på vandet. Det adskiller sig fra et flyvefly ved, at det bruger en specialdesignet skrog, der kan flyde. Flyvebåde var meget almindelige i første halvdel af det 20. århundrede. Ligesom flydefly blev de efterfølgende udfaset efter Anden Verdenskrig.

Også kendt under andre navne (såsom fragtfly, fragtfly, transportfly eller fragtfly), er et fragtfly et fly med faste vinger, der er designet eller ombygget til at transportere fragt i stedet for passagerer. I øjeblikket er det største og mest nyttelastbærende fly i verden An-225, bygget i 1988.

21. Bomber

Et bombefly er et kampfly designet til at angribe land- og havmål ved at kaste bomber, affyre torpedoer eller affyre luft-til-jord krydsermissiler. Der er to typer bombefly. Strategiske bombefly er primært designet til langdistance bombemissioner - det vil sige at angribe strategiske mål som forsyningsbaser, broer, fabrikker, skibsværfter osv. Taktiske bombefly er rettet mod at imødegå fjendens militære aktiviteter og støtte offensive operationer.

22. Rumfly

Et rumfly er et rumfartøj, der bruges i jordens atmosfære. De kan bruge både raketter og konventionelle hjælpejetmotorer. I dag er der fem lignende enheder, der er blevet brugt med succes: X-15, Space Shuttle, Buran, SpaceShipOne og Boeing X-37.

23. Rumskib

Et rumskib er et køretøj designet til at flyve i det ydre rum. Rumfartøjer bruges til en række forskellige formål, herunder kommunikation, jordobservation, meteorologi, navigation, rumkolonisering, planetarisk udforskning og transport af mennesker og gods.

En rumkapsel er en speciel type rumfartøj, der har været brugt i de fleste bemandede rumprogrammer. En bemandet rumkapsel skal have alt, hvad der er nødvendigt for dagligdagen, inklusive luft, vand og mad. Rumkapslen beskytter også astronauter mod kulde og kosmisk stråling.

25. Drone

Officielt kendt som et ubemandet luftfartøj (UAV), bruges en drone ofte til missioner, der er for "farlige" eller simpelthen umulige for mennesker at flyve. Oprindeligt blev de primært brugt til militære formål, men i dag kan de findes bogstaveligt talt overalt.

Når de begynder at klassificere objekter eller fænomener, leder de efter de vigtigste, mest almindelige træk og egenskaber, der tjener som bevis på deres forhold. Sammen med dette studerer de også karakteristika, der skarpt vil adskille dem fra hinanden.

Hvis vi efter dette princip begynder at klassificere moderne fly, vil først og fremmest spørgsmålet opstå: hvilke tegn eller egenskaber ved fly betragtes som de vigtigste?

Måske er det muligt at klassificere dem ud fra de materialer, som enhederne er lavet af? Ja, det er muligt, men det vil ikke være særlig tydeligt. Det samme kan jo laves af forskellige materialer. Aluminium, stål, træ, lærred, gummi, plastik, tonal eller andet, bruges til fremstilling af flyvemaskiner, helikoptere, luftskibe og balloner.

Kan grundlaget for klassificering af fly vælges: hvornår og af hvem blev enheden lavet for første gang? Det er muligt at klassificere i historiske termer - dette er et vigtigt spørgsmål, men så vil enheder, der er forskellige i mange henseender, foreslået på samme tid og i samme land, falde under én overskrift.

Disse egenskaber bør naturligvis ikke betragtes som de vigtigste for klassificering.

På grund af det faktum, at fly er designet til at bevæge sig i luften, er de normalt opdelt i lettere end luftenheder Og enheder, der er tungere end luften. Så grundlaget for klassificering af fly er deres vægt i forhold til luften.

Vi ser, at enheder, der er lettere end luft, overvejes luftskibe, luftballoner og stratosfæriske balloner. De stiger og forbliver i luften på grund af deres fyldning med lette gasser. Køretøjer, der er tungere end luften omfatter flyvemaskiner, svævefly, raketter og rotorfartøjer.

Flyvemaskiner og svævefly understøttes i luften af ​​det løfte, der genereres af vingerne; raketter holdes i luften af ​​den trykkraft, der udvikles af raketaktuatoren, og rotorfartøjer af hovedrotorens løftekraft. Der er (stadig i projekter) enheder, der indtager en mellemposition mellem flyvemaskiner og køretøjer med roterende vinge, fly og raketter. Det er såkaldte konvertible fly, eller konvertible fly, som skal kombinere de begges positive egenskaber og kombinere enorme flyvehastigheder med evnen til at svæve i luften, evnen til at lette uden løb og lande uden løb.

En helikopter er ligesom et gyrofly et fly med roterende vinger. Deres forskel er, at gyroplanets hovedrotor ikke er forbundet til motoren og kan rotere frit.

Hovedrotoren i en helikopter (eller flere hovedrotorer), i modsætning til hovedrotoren i et gyrofly, drives af motoren under start, flyvning og landing og tjener både til at skabe løft og fremdrift. Den aerodynamiske kraft, som rotoren skaber, bruges både til at holde helikopteren i luften og til at drive den fremad.Derudover er hovedrotoren også helikopterens styreelement.

Hvis fremstødet i et fly er skabt af en propel eller en jetmotor, løftet er skabt af vingerne, og kontrollerne er ror og ailerons, så i en helikopter udføres alle disse funktioner af hovedrotoren. Heraf bliver det tydeligt, hvor vigtig hovedrotoren er på en helikopter.

Helikoptre adskiller sig fra hinanden i antallet af rotorer, deres placering og metoden til at drive rotation. I overensstemmelse med disse karakteristika er de afbildede helikoptere opdelt.

Det aerodynamiske princip om at skabe løft (nedkastning af en del af luften) kan teknisk implementeres enten gennem bevægelsen af ​​hele apparatet, udstyret med fast lejeflade (vinge), eller på grund af bevægelsen af ​​individuelle bærende dele af apparatet (hovedrotor, ventilator osv.) i forhold til luftmiljøet. I begge tilfælde er dannelsen af ​​løft baseret på loven om mekanik om momentum (Newtons anden lov, opkaldt efter den engelske matematiker, mekaniker, astronom og fysiker I. Newton):

m( V 2 – V 1) = Pt,

Derfor, R = m(V 2 – V 1) / t .
Ifølge Newtons tredje lov, løft Y vil blive påført på lejefladen og rettet opad (mod kraften P , påført luften og rettet nedad):

= – .

I fremtiden, når vi betegner kræfter af aerodynamisk karakter, vil vi bruge indekset EN (Ya, X a) .
Mekanismen for forekomst af aerodynamisk løft vil blive diskuteret detaljeret i afsnit 5.2. Her understreger vi endnu en gang, at den bærende overflade bevæger sig i luften og skaber løft Y a , virker for at overvinde trækkraften, der virker på den X a . Derfor skal der bruges energi på at skabe løft.
Det er indlysende, at energiomkostningerne for et fly, der bruger det aerodynamiske princip for flyvning, vil være lavere, jo lavere modstandskraften er. X a , som opstår, når der skabes den løftekraft, der er nødvendig for flyvning Y a , dvs. jo større værdi aerodynamisk kvalitet Et fly bestemt af forholdet mellem løft og trækkraft:

K a = Y a / X a.

Det vil blive vist nedenfor, at aerodynamisk kvalitet er en egenskab ved et fly, hovedsagelig bestemt af dets geometriske parametre.
Blandt fly, der implementerer det aerodynamiske princip om flyvning, er de mest udbredte svævefly (Fransk) planør, fra høvl- svæve), flyvemaskiner og helikoptere.

Svævefly har ikke et kraftværk, så dets flyvning (fig. 4.4) i en rolig atmosfære er kun mulig med en konstant nedstigning i en bestemt vinkel Q mod horisonten i glidehastighed V , som kan repræsenteres af vektorsummen af ​​faldhastigheden V y og vandret flyvehastighed V x . Den fremadgående bevægelse af svæveflyet sker under påvirkning af komponenten G sinQ tyngdekraften, som afbalancerer trækkraften, der opstår sammen med vingeløftet, som afbalancerer komponenten G cosQ tyngdekraft. Under et svæveflys flyvning er den potentielle energi, som svæveflyet besidder, leveret til højden for starten af ​​svæveflyvningen ved hjælp af et jordspil eller bugsering af fly . Et svævefly kan øge sin energireserve til flyvning ved at vinde højde ved hjælp af energi « termik» - stigende strømme af varm luft.
I betragtning af diagrammet over kræfter, der virker på svæveflyet under glidning (se fig. 4.4), skriver vi:

Y a = G cosQ; X a = G sinQ.

Herfra tgQ = X a / Y a = 1 / K a , det vil sige, at et svævefly med et højere løft-til-træk-forhold vil glide langs en fladere bane, og dets flyverækkevidde vil alt andet lige være større, derfor vil det bruge den oprindelige energireserve mere effektivt. For moderne svævefly, løft-til-træk-forhold K a = 40 ¸ 50.

Fly flyver i atmosfæren på grund af trykkraften skabt af kraftværket og løftekraften skabt af vingen, som er stationær i forhold til andre dele af flyet.
En flymotor skaber en trykkraft gennem en propel eller reaktionen af ​​en udstødningsgasstrøm, mens den bruger brændstoffets kemiske energi i brændstoftankene til at udføre arbejde mod kræfterne fra aerodynamisk modstand eller friktionsmodstand, når flyet ruller ned ad landingsbanen ved start.
Når et fly flyver med en hastighed V (Fig. 4.5) opstår der en løftekraft, der modarbejder tyngdekraften (tyngdekraften); samtidig opstår der en kraft, der modstår flyets bevægelse, som overvindes af motorens fremstød.
For at udføre en horisontal flyvning af et luftfartøj skal følgende betingelser være opfyldt:

G = Ya; P = X a.

Derfor er det motortryk, der kræves for at udføre vandret flyvning

R forbrug = G X a / Ya = G / Ka = mg / Ka .

Det er indlysende, at energiomkostningerne for et fly, der implementerer det aerodynamiske flyvningsprincip for at overvinde tyngdekraften, er væsentligt mindre end omkostningerne ved et fly, der implementerer det raketdynamiske flyvningsprincip (hvor R forbrug = mg ). Moderne subsoniske fly har aerodynamisk kvalitet K a =15 ¸18, for supersoniske fly K a = 8 ¸12.
Imidlertid er flyet (i en traditionel konfiguration) ikke i stand til lodret start og landing, fordi den faste vinge kun producerer løft, når flyet bevæger sig fremad.
Helikopter , forældet navn – helikopter (fra græsk helix (helikos)– spiral, skrue og pteron- vinge), laver flugt på grund af løftekraften og fremstødet skabt af en eller flere rotorer , der er i stand til at skabe løft uden fremadgående bevægelse af flyet.
Hovedrotoren på 1 helikopter (fig. 4.6a) består af flere klinger , som er vinger drevet af en motor. På grund af bladenes rotation vil en aerodynamisk løftekraft ( propeltryk ), som i svævetilstand afbalancerer tyngdekraften ( = – ).

Og deres indvirkning på faste stoffer. Det er en underafsnit af hydro- og gasdynamik. Forskning på dette område går tilbage til oldtiden, til tiden for opfindelsen af ​​pile og planlægningsspyd, som gjorde det muligt at sende et projektil længere og mere præcist til målet. Imidlertid blev aerodynamikkens potentiale fuldt ud afsløret med opfindelsen af ​​tungere end luftfartøjer, der er i stand til at flyve eller glide over betydelige afstande.

Fra gammel tid

Opdagelsen af ​​aerodynamikkens love i det 20. århundrede bidrog til fantastiske spring på mange områder af videnskab og teknologi, især inden for transportområdet. Baseret på hendes præstationer blev der skabt moderne fly, som gjorde det muligt at gøre stort set ethvert hjørne af planeten Jorden tilgængeligt for offentligheden.

Den første omtale af et forsøg på at erobre himlen findes i den græske myte om Ikaros og Daedalus. Far og søn byggede vinger, der ligner en fugls. Dette indikerer, at folk for tusinder af år siden tænkte på muligheden for at komme fra jorden.

En anden bølge af interesse for konstruktion af fly opstod under renæssancen. Den passionerede forsker Leonardo da Vinci brugte meget tid på dette problem. Hans optegnelser er kendte, hvori principperne for drift er forklaret.

Ny æra

Et globalt gennembrud inden for videnskab (og luftfart i særdeleshed) blev lavet af Isaac Newton. Aerodynamik er trods alt baseret på den omfattende videnskab om mekanik, hvis grundlægger var den engelske videnskabsmand. Newton var den første til at betragte luftmediet som et konglomerat af partikler, der løber ind i en forhindring, enten klæber til det eller reflekteres elastisk. I 1726 introducerede han teorien om luftmodstand til offentligheden.

Efterfølgende viste det sig, at mediet egentlig består af bittesmå partikler – molekyler. De lærte at beregne luftens reflektivitet ret præcist, og den "klæbende" effekt blev betragtet som en uholdbar antagelse.

Overraskende nok fandt denne teori praktisk anvendelse århundreder senere. I 60'erne, ved begyndelsen af ​​rumalderen, stod sovjetiske designere over for problemet med at beregne den aerodynamiske modstand af nedstigningskøretøjer med en "afstumpet" sfærisk form, som udviklede hypersoniske hastigheder ved landing. På grund af manglen på kraftfulde computere var det problematisk at beregne denne indikator. Uventet viste det sig, at det er muligt nøjagtigt at beregne mængden af ​​modstand og ensartet trykfordeling over den frontale del ved hjælp af Newtons simple formel vedrørende effekten af ​​at "klæbe" partikler til et flyvende objekt.

Udvikling af aerodynamik

Grundlæggeren af ​​fluiddynamikken, Daniel Bernoulli, beskrev i 1738 det grundlæggende forhold mellem tryk, tæthed og hastighed for inkompressibel strømning, kendt i dag som Bernoullis princip, som også gælder for beregninger af aerodynamiske løftekræfter. I 1799 blev Sir George Cayley den første person til at identificere de fire aerodynamiske flyvekræfter (vægt, løft, træk og stød) og forholdet mellem dem.

I 1871 skabte Francis Herbert Wenham den første vindtunnel til nøjagtigt at måle aerodynamiske kræfter. Vurderlige videnskabelige teorier blev udviklet af Jean Le Rond d'Alembert, Gustav Kirchhoff og Lord Rayleigh. I 1889 blev Charles Renard, en fransk luftfartsingeniør, den første person til videnskabeligt at beregne den kraft, der kræves til vedvarende flyvning.

Fra teori til praksis

I det 19. århundrede så opfindere på vingen fra et videnskabeligt synspunkt. Og gennem forskning i mekanismen for fugleflyvning blev aerodynamik i aktion undersøgt, som senere blev anvendt på kunstige fly.

Otto Lilienthal havde særlig stor succes med at forske i vingemekanik. Den tyske flydesigner skabte og testede 11 typer svævefly, inklusive en biplan. Han foretog også den første flyvning på et fartøj, der er tungere end luften. I løbet af sit relativt korte liv (46 år) foretog han omkring 2.000 flyvninger, hvilket konstant forbedrede designet, som mindede mere om en drageflyver end om et fly. Han døde under sin næste flyvning den 10. august 1896 og blev både en pioner inden for luftfart og det første offer for et flystyrt. Forresten overdrog den tyske opfinder personligt et af svæveflyene til Nikolai Egorovich Zhukovsky, en pioner inden for studiet af flyaerodynamik.

Zhukovsky eksperimenterede ikke bare med I modsætning til mange entusiaster på den tid overvejede han først og fremmest luftstrømmenes opførsel ud fra et videnskabeligt synspunkt. I 1904 grundlagde han verdens første aerodynamiske institut i Kachino nær Moskva. Siden 1918 ledede han TsAGI (Central Aerohydrodynamic Institute).

Første flyvemaskiner

Aerodynamik er den videnskab, der tillod mennesket at erobre himlen. Uden at studere det, ville det være umuligt at bygge fly, der bevæger sig stabilt i luftstrømme. Det første fly, som vi kender det, blev fremstillet og fløjet den 7. december 1903 af Wright-brødrene. Denne begivenhed blev dog forudgået af omhyggeligt teoretisk arbejde. Amerikanerne brugte meget tid på at fejlfinde flyskrogdesignet i en vindtunnel af deres eget design.

Under de første flyvninger fremsatte Frederick W. Lanchester, Martin Wilhelm Kutta og Nikolai Zhukovsky teorier, der forklarede cirkulationen af ​​luftstrømme, der skaber løft. Kutta og Zhukovsky fortsatte med at udvikle den todimensionelle fløjteori. Ludwig Prandtl er krediteret for at udvikle den matematiske teori om subtile aerodynamiske og løftekræfter, samt arbejde med grænselag.

Problemer og løsninger

Betydningen af ​​flyaerodynamik steg, efterhånden som deres hastigheder steg. Designere begyndte at støde på problemer forbundet med at komprimere luft ved hastigheder tæt på eller højere end lydens hastighed. Forskelle i flow under disse forhold førte til problemer med flykontrol, øget modstand på grund af chokbølger og truslen om strukturelt svigt på grund af aeroelastisk flagren. Forholdet mellem strømningshastighed og lydhastighed blev opkaldt efter Ernst Mach, som var en af ​​de første til at studere egenskaberne ved supersonisk strømning.

William John McQuorn Rankine og Pierre Henri Gougoniot udviklede uafhængigt af hinanden en teori om egenskaberne ved luftstrøm før og efter en chokbølge, mens Jacob Ackeret lavede det indledende arbejde med at beregne løft og modstand af supersoniske bæreflader. Theodore von Karman og Hugh Latimer Dryden opfandt udtrykket "transonic" for at beskrive hastigheder ved grænsen til Mach 1 (965-1236 km/t), når luftmodstanden øges hurtigt. Lydmuren blev først brudt i 1947 af Bell X-1.

Hovedkarakteristika

I henhold til aerodynamikkens love er det vigtigt at vide for at sikre flyvningen af ​​enhver enhed i jordens atmosfære:

• Aerodynamisk modstand (X-aksen) udøvet af luftstrømme på et objekt. Baseret på denne parameter vælges kraftværkets effekt.
• Løftekraften (Y-aksen), som giver en stigning og tillader enheden at flyve vandret mod jordens overflade.
• Momenter af aerodynamiske kræfter langs tre koordinatakser, der virker på et flyvende objekt. Det vigtigste er momentet af lateral kraft langs Z-aksen (Mz), rettet på tværs af flyet (relativt langs vingelinjen). Det bestemmer graden af ​​langsgående stabilitet (om enheden vil "dykke" eller løfte næsen op under flyvning).

Klassifikation

Aerodynamisk ydeevne er klassificeret efter luftstrømsforhold og egenskaber, herunder hastighed, kompressibilitet og viskositet. Ekstern aerodynamik er studiet af flow omkring faste genstande af forskellige former. Eksempler inkluderer vurdering af et flys løft og vibrationer og de stødbølger, der dannes foran en rakets næse.

Intern aerodynamik er studiet af luftstrøm, der bevæger sig gennem åbninger (passager) i faste genstande. For eksempel dækker det studiet af flow gennem en jetmotor.

Aerodynamisk ydeevne kan også klassificeres afhængigt af flowhastigheden:

• Subsonic er en hastighed mindre end lydens hastighed.
• Transonisk (transonisk) - hvis der er hastigheder både under og over lydens hastighed.
• Supersonisk - når flowhastigheden er større end lydens hastighed.
• Hypersonisk - flowhastigheden er meget større end lydens hastighed. Denne definition betyder normalt hastigheder med Mach-tal over 5.

Aerodynamik af en helikopter

Hvis princippet for flyflyvning er baseret på den løftekraft, der udøves på vingen under translationsbevægelse, så skaber helikopteren selv løftekraft på grund af rotationen af ​​bladene i den aksiale blæsetilstand (det vil sige uden fremadgående hastighed). Takket være denne funktion er helikopteren i stand til at svæve i luften på plads og udføre kraftige manøvrer omkring sin akse.

Andre applikationer

Naturligvis gælder aerodynamik ikke kun for fly. Luftmodstand opleves af alle genstande, der bevæger sig i rummet i et gasformigt og flydende miljø. Det er kendt, at akvatiske indbyggere - fisk og pattedyr - har strømlinede former. Ved at bruge deres eksempel kan du se aerodynamik i aktion. Med fokus på dyreverdenen gør folk også vandtransport spids eller dråbeformet. Dette gælder for skibe, både og ubåde.

Køretøjer oplever betydelig luftmodstand: den stiger, når hastigheden stiger. For at opnå bedre aerodynamik får biler en strømlinet form. Dette gælder især for sportsvogne.