Законы аэродинамики и обтекание крыла

Важнейшие физические законы - закон сохранения энергии и закон сохранения массы - играют существенную роль в аэродинамике. В простейшем случае, когда воздух ведет себя как несжимаемая жидкость, эти законы выглядят сравнительно несложно. Вся энергия жидкости складывается из кинетической энергии, которая тем больше, чем больше скорость, и потенциальной, которая определяется статическим давлением в воздухе. Закон сохранения энергии применительно к гидродинамике, сформулированный швейцарским ученым Д. Бернулли, указывает: если скорость жидкости растет, то давление будет уменьшаться; если она уменьшается, давление увеличивается.

Закон сохранения массы говорит о том, что через любое поперечное сечение потока должна проходить в единицу времени одна и та же масса газа. Для несжимаемой жидкости закон этот прост: произведение площади поперечного сечения потока на его скорость есть величина постоянная, т. е. чем меньше поперечное сечение потока, тем больше должна быть скорость. Этот закон наглядно проявляется в течении реки: она течет быстрее там, где ее русло мелкое или узкое. Следовательно, там, где скорость потока жидкости увеличивается, его поперечное сечение становится меньше, а по закону сохранения энергии уменьшается при этом и давление.

Когда скорость течения воздуха близка к числу М = 1, уже нельзя пренебрегать сжимаемостью, нужно учитывать, что всякий газ при уменьшении давления расширяется и стремится занять больший объем. При этом происходит борьба двух явлений: с одной стороны, увеличение скорости требует сужения потока, а с другой - это же увеличение скорости приводит к уменьшению давления воздуха, что требует уже расширения потока. Оказывается, при дозвуковых скоростях сильнее первое явление, а при сверхзвуковых - второе.

На рисунке 5 показано, что увеличение скорости при числе М < 1 сопровождается сужением потока; самое узкое место потока - при скорости, равной скорости звука. Дальнейшее увеличение скорости расширяет поток.

Рис. 5

На рисунке 6 показаны траектории частиц воздуха, когда они обтекают поперечное сечение разных тел (профиль). Профиль крыла как бы раздвигает поток, и отдельные струйки сужаются, причем особенно сильно в верхней передней части профиля. Но там, где струйки сужаются, скорость будет больше, а давление меньше.

Рис. 6. На рисунке показана сила аэродинамического сопротивления при скорости 800 км/ч у Земли для площадей пластинки, поперечного сечения шара и крыла в 1 м².

В результате давление распределяется по профилю, как показано на рисунке 7, а. Суммарная подъемная сила направлена вверх и приложена приблизительно на 1/4 ширины профиля. Эта подъемная сила в основном получается благодаря разрежению воздуха над верхней частью крыла.

Когда воздух обтекает крыло со сверхзвуковой скоростью, в нем возникают скачкообразные увеличения плотности. Скачок уплотнения - это линия, перейдя которую скорость сверхзвукового потока резко уменьшается, а давление, следовательно, возрастает. В реальных газах толщина этой линии соответствует всего лишь нескольким расстояниям между молекулами.

На рисунке 7, показано, как воздух обтекает профиль крыла при сверхзвуковой скорости. В этом случае суммарная подъемная сила создается как разрежением воздуха над верхней поверхностью крыла, так и давлением на нижнюю поверхность. Приложена подъемная сила приблизительно в середине профиля.

Рис. 7.

Чем больше угол атаки, тем сильнее изменяется скорость воздуха, обтекающего крыло, и тем больше подъемная сила. Но при углах атаки 10-20° (в зависимости от формы крыла и его профиля) плавное обтекание нарушается. Наступает, как говорят, "срыв потока": подъемная сила начинает уменьшаться, а сопротивление резко увеличивается.

Основное сопротивление при дозвуковых скоростях - это сопротивление трения. Оно обусловлено тем, что молекулы воздуха как бы прилипают к поверхности тела. При этом в очень узком слое около тела (его называют пограничным слоем) частицы воздуха скользят относительно друг друга. А так как воздух обладает вязкостью, от этого скольжения частиц и создается сопротивление. Более гладкие поверхности создают меньшее сопротивление трения. Его можно сделать еще меньше, если отсасывать воздух через мелкие отверстия внутрь тела. В некоторых конструкциях самолетных крыльев такие отверстия применяются.

Если обтекание тела не проходит плавно, а при этом образуются вихри (подобно вихрям за тупой кормой лодки), то это неизбежно увеличит сопротивление тела. Такое сопротивление называется вихревым. Для уменьшения вихревого сопротивления хвостовая часть тела должна быть плавной.

Совсем другие причины вызывают волновое сопротивление. Оно возникает только при сверхзвуковых скоростях. Это сопротивление обусловлено потерями энергии, которая затрачивается на образование скачков уплотнения. Волновое сопротивление тем меньше, чем тоньше тело и чем острее его носовая часть. При сверхзвуковой скорости волновое сопротивление - это основная доля общего сопротивления.

Когда угол атаки возрастает, сопротивление увеличивается. Вспомним, что аэродинамическое качество - это отношение подъемной силы к сопротивлению. При малых углах атаки подъемная сила близка нулю. Поэтому и аэродинамическое качество-мало. При больших углах атаки, когда подъемная сила начинает ослабевать, а сопротивление сильно возрастает, аэродинамическое качество тоже уменьшается. Значит, аэродинамическое качество где-то имеет максимальное значение, обычно при углах атаки 3-5°.

Для дозвуковых самолетов (рис. 8) выгодно применять длинные узкие крылья, чтобы получить большую величину аэродинамического качества. Такие крылья прочны, конечно, только при достаточно большой толщине. А это значит, что при сверхзвуковых скоростях такие крылья непригодны -они оказывают слишком большое сопротивление полету.

Для сверхзвуковых самолетов крылья должны быть тонкими и, следовательно, короткими (малого удлинения). Их обычно делают треугольными или стреловидными (рис. 9), что тоже уменьшает волновое сопротивление и увеличивает аэродинамическое качество. Аэродинамическое качество сверхзвуковых самолетов пока еще в 2-3 раза меньше, чем дозвуковых. Повышение аэродинамического качества - одна из основных проблем аэродинамики.

перейти к началу страницы