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 кінетичну енергію частинок газу в сліді за тілом та в теплову енергію. 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).Співвідношенням цих складових опору за рахунок зміщення положення точок(поверхонь) відриву можна керувати. При певних умовах таким чином вдається значно зменшити сумарний опір рухові. саме таким чином забезпечується зменшення опору м'яча для гольфу. 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 сила, величина якої визначається згідно Закону Стокса, на зелений об'єкт діє сила, що визначається зконом 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, які не дають внеску в підйомну силу, і хвильового опору. Останній є істотним при русі з близько-і надзвуковою швидкістю, і викликаний утворенням ударної хвилі, яка забирає значну частку енергії руху. Хвильовий опір виникає при досягненні літаком швидкості, що відповідає критичному числу Маха, коли частина потоку, який оточує крило літака, набуває надзвукової швидкості. Критичне число М тим більше, чим більшій кут стріловидності крила, чим більш загострена передня кромка крила і чим воно тонше. Сила опору спрямована проти швидкості руху, її величина пропорційна характерній 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, отримується з критеріїв подібності, наприклад, чисел Рейнольдса і Фруда в аеродинаміці.

Визначення характерної 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 ометаєма площа гвинта;
  • для довгастих тіл обертання, орієнтованих вздовж потоку (фюзеляж, оболонка дирижабля) — приведена волюметрична * * 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 утворення підйомної сили на крилі скінченного 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 надавати кінетичну енергію потокові, що прискорюється. Кількість кінетичної енергії, необхідна для надання потоку швидкості, перпендикулярної 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 закінцівок крила.

Індуктивний опір пропорційний квадрату підйомної сили Y, і обернено пропорційний 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, індуктивний опір вносить істотний внесок при польоті на малій швидкості (і, як наслідок, на великих кутах атаки). Він також збільшується при збільшенні ваги літака.

Сумарний опір[ред.ред. код]

Є сумою всіх видів сил опору:

 X = X_0 + X_i

Оскільки опір при нульовій підйомній силі X0 пропорційний квадрату швидкості, а індуктивний Xi — обернено пропорційний 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 потребної тяги») має мінімум в точці перетину кривих X0 і Xi, при якій обидві сили опору рівні за величиною. При цій швидкості літак має найменший опір при заданій підйомній силі (рівній вазі), а значить найвищу аеродинамічну якість.

Потужність, необхідна для подолання сили паразитного опору, пропорційна кубу швидкості, а потужність, необхідна для подолання індуктивного опору, обернено пропорційна швидкості, тому сумарна потужність також залежність від швидкості нелінійно. При деякій швидкості потужність (а отже 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]