Аеродинамічний опір

Матеріал з Вікіпедії — вільної енциклопедії.
Перейти до: навігація, пошук

Аеродинамі́чний (лобови́й) о́пір — складова аеродинамічної сили, з якою газ (повітря) діє на тіло, що рухається в ньому. Виникає внаслідок незворотливого переходу кінетичної енергії тіла в теплову. А. о. — одна з найважливіших аеродинамічних характеристик літального апарата, що визначають його політно-технічні дані, зокрема, необхідну тягу рухової установки. Він залежить від форми і розмірів тіла, його орієнтації до напрямку руху (чи до швидкості надхідного потоку), від швидкості руху, а також від властивостей і стану середовища, в якому рухається тіло.

Якщо тіло має площину симетрії, напр. літак, і рухається паралельно до неї, то А. о. розкладається на підйомну силу Y, перпендикулярну до швидкості центра інерції тіла, та лобовий опір O, паралельний їй.

Походження Y з'ясував М. Є. Жуковський, який розробив методи теоретичного обчислення її (див. Аеродинаміка). Лобовий опір поділяється на індуктивний, профільний і хвильовий. Індуктив. А. о. зумовлюється скосом потоку; цей скіс викликається рухом тіла. Профільний А. о. складається з опору тертя і опору тиску (опір тиску відмінний від нуля в разі відриву від тіла пограничного шару повітря). Хвильовий А. о. виникає при близькозвукових та надзвукових швидкостях і зумовлений утворенням ударних хвиль. Для зменшення хвильового опору застосовують стрілоподібні крила.

Траєкторії трьох об'єктів (кут запуску — 70 °, Distance — відстань, Height — висота). Чорний об'єкт не відчуває ніякого опору і рухається по параболі, на блакитний об'єкт діє Закон Стокса, на зелений об'єкт — закон в'язкості Ньютона

Опір при нульовій підйомній силі[ред.ред. код]

Ця складова опору не залежить від величини створюваної підйомної сили і складається з профільного опору крила, опору елементів конструкції літака, не вносять вклад в підйомну силу, і хвильового опору. Останнє є істотним при русі з близько-і надзвуковою швидкістю, і викликано утворенням ударної хвилі, яка забирає значну частку енергії руху. Хвильовий опір виникає при досягненні літаком швидкості, що відповідає критичному числу Маха, коли частина потоку, оточуючого крило літака, набуває надзвукову швидкість. Критичне число М тим більше, чим більше кут стреловидности крила, чим більш загострена передня кромка крила і чим воно тонше. Сила опору спрямована проти швидкості руху, її величина пропорційна характерною площі S, щільності середовища ρ і квадрату швидкості V:

X_0= C_{x0} \frac{\rho V^2}{2} S
 C_{x0}  — безрозмірний аеродинамічний коефіцієнт опору, виходить з критеріїв подібності, наприклад, чисел Рейнольдса і Фруда в аеродинаміці.

Визначення характерною площі залежить від форми тіла:

  • в простому випадку (куля) — площа поперечного перерізу;
  • для крил і оперення — площа крила / оперення в плані;
  • для пропелерів і несучих гвинтів вертольотів — або площа лопатей, або ометаєму площа гвинти;
  • для довгастих тіл обертання орієнтованих вздовж потоку (фюзеляж, оболонка дирижабля) — приведена Волюметричний * * площа, що дорівнює V2 / 3, де V — об'єм тіла.
  • Потужність, необхідна для подолання даної складової сили лобового опору, пропорційна кубу швидкості.

Індуктивний опір[ред.ред. код]

Індуктивний опір (англ. lift-induced drag) — це наслідок освіти підйомної сили на крилі кінцевого розмаху. Несиметричне обтікання крила призводить до того, що потік повітря збігає з крила під кутом до набігаючого на крило потоку (т. зв. Скіс потоку). Таким чином, під час руху крила відбувається постійне прискорення маси набігаючого повітря в напрямку, перпендикулярному напрямку польоту, і направленому вниз. Це прискорення по-перше супроводжується утворенням підйомної сили, а по-друге — призводить до необхідності повідомляти прискорюють потік кінетичну енергію. Кількість кінетичної енергії, необхідний для повідомлення потоку швидкості, перпендикулярній напряму польоту, і визначатиме величину індуктивного опору. На величину індуктивного опору впливає не тільки величина підйомної сили, але і її розподіл за розмахом крила. Мінімальне значення індуктивного опору досягається при еліптичному розподілі підйомної сили за розмахом. При проектуванні крила цього домагаються наступними методами:

  • вибором раціональної форми крила в плані;
  • застосуванням геометричної та аеродинамічної крутки;
  • установкою допоміжних поверхонь — вертикальних законцовок крила.

Індуктивний опір пропорційно квадрату підйомної сили Y, і обернено пропорційно площі крила S, його подовженню \lambda, щільності середовища ρ і квадрату швидкості V:

X_i = C_{xi} \frac{\rho V^2}{2} S = \frac{C_y^2}{\pi \lambda} \frac{\rho V^2}{2} S = \frac{1}{\pi \lambda} \frac{Y^2}{\frac{\rho V^2}{2} S}

Таким чином, індуктивне опір вносить істотний внесок при польоті на малій швидкості (і, як наслідок, на великих кутах атаки). Воно також збільшується при збільшенні ваги літака.

Сумарний опір[ред.ред. код]

Є сумою всіх видів сил опору:

 X = X_0 + X_i

Так як опір при нульовій підйомної силі X0 пропорційно квадрату швидкості, а індуктивне Xi — обернено пропорційно квадрату швидкості, то вони вносять різний внесок при різних швидкостях. Із зростанням швидкості, X0 зростає, а Xi — падає, і графік залежності сумарного опору X від швидкості («крива потребной тяги») має мінімум в точці перетину кривих X0 і Xi, при якій обидві сили опору рівні за величиною. При цій швидкості літак володіє найменшим опором при заданій підйомної силі (рівній вазі), а значить найвищим аеродинамічною якістю.

Потужність, необхідна для подолання сили паразитного опору, пропорційна кубу швидкості, а потужність, необхідна для подолання індуктивного опору, назад-пропорційна швидкості, тому сумарна потужність теж має нелінійну залежність від швидкості. При деякій швидкості потужність (а значить і витрата палива) стає мінімальною — це швидкість найбільшої тривалості польоту (баражування). Швидкість, при якій досягається мінімум відношення потужності (витрат палива) до швидкості польоту, є швидкістю максимальної дальності польоту або крейсерською швидкістю.

Література[ред.ред. код]