Лобовое сопротивление (аэродинамика)
Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Лобовое сопротивление — это сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивления складывается из двух типов сил: сил касательного трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности.
Силы сопротивления удобно разделить на три категории: паразитное сопротивление, индуктивное сопротивление и волновое сопротивление. Каждый тип характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.
Содержание |
[править] Паразитное сопротивление
Паразитное (вредное) сопротивление (англ. parasite drag) возникает в результате воздействия скоростного напора воздуха и сил трения на лобовые части и поверхности элементов конструкции, не участвующих в создании подъёмной силы. Фюзеляж самолета, крылья и оперение, мотогондолы, шасси, выступающие антенны, расчалки и растяжки, подвесные системы и т. п. — все они создают вредное сопротивление при движении сквозь среду. Кроме того, в местах сочленений деталей, на резких переходах формы, возле щелей и выступов возникают завихрения воздушного потока, которые также увеличивают вредное сопротивление. Скоростные самолеты, несмотря на острые кромки крыльев и сверхобтекаемую форму, испытывают существенный нагрев обшивки, когда превозмогают силу лобового сопротивления мощью своих двигателей.
Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна площади поперечного сечения S, плотности среды ρ и квадрату скорости v:
Мощность, требуемая для преодоления вредного сопротивления, пропорциональна кубу скорости.
[править] Индуктивное сопротивление
Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это побочный продукт образования подъемной силы на крыле конечных размеров. Подъёмная сила образуется из-за разности давлений под крылом и над крылом. Часть воздуха перетекает через законцовку крыла из области высокого давления снизу в область пониженного давления сверху, образуя при этом концевой вихрь. На образование вихря тратится энергия движения, что приводит к появлению силы индуктивного сопротивления. Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы L, и обратно пропорционально плотности среды ρ, площали крыла S, его удлинению A и квадрату скорости v:
Коэффициент k показывает степень отклонения от навыгоднейшего эллиптического распределения подъёмной силы по размаху крыла, и обычно находится в районе 1.05—1.15.
Таким образом, индуктивное сопротивление наиболее выражено при большом весе самолёта и при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Эта ситуация типична для взлёта и посадки, когда скорость ещё мала. При этом за самолётом образуются два спутных вихря, стекающих с законцовок крыла и являющихся источником турбулентности, опасной для самолётов, следующих позади-ниже. Чтобы избежать опасных ситуаций, самолёты, заходящие на посадку, разделяют интервалами в зависимости от веса — чем больше вес предыдущего самолёта и меньше вес следующего, тем дольше ждать посадки следующему.
Концевой вихрь приводит к перераспределению подъёмной силы по размаху крыла, уменьшая его эффективную площадь и удлинение, и снижая аэродинамическое качество. Чтобы восстановить оптимальную форму распределения подъёмной силы, на законцовках крыла иногда устанавливают винглеты — небольшие дополнительные плоскости в виде крылышек или плоских шайб, локализующие концевой вихрь.
[править] Волновое сопротивление
Волновое сопротивление (англ. wave drag) является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление начинает вносить ощутимый вклад начиная со скоростей порядка 0.8М (где М — число Маха), однако, может оказаться значительным и при более низких скоростях, если часть потока, обтекающего тело, внезапно приобретает сверхзвуковую скорость (например, над крылом, особенно с толстым профилем и без стреловидности).
[править] Суммарное сопротивление
Является суммой всех видов сил сопротивления. При движении с дозвуковой скоростью наиболее существенны паразитное и (при наличии подъёмной силы) индуктивное сопротивление.
Так как паразитное сопротивление пропорционально квадрату скорости, а индуктивное — обратно пропорционально квадрату скорости, то они имеют разный вклад при разных скоростях. Скорость, при которой обе силы сопротивления равны по величине, характеризуется минимальным суммарным сопротивлением. При этой скорости самолёт обладает наивысшим аэродинамическим качеством. Для моторного самолёта это является скоростью наилучшего угла подъёма, а для безмоторного планёра — скоростью наименьшего угла планирования (следовательно, наибольшей дальности планирования).
Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно-пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит и расход топлива) становится минимальной - это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.
[править] См. также
| Силы, действующие на самолёт |
| Подъёмная сила • Вес • Тяга • Лобовое сопротивление |
