Em todo escritório de design de aviação há uma história sobre uma declaração do designer-chefe. Apenas o autor da declaração muda. E soa assim: “Eu tenho lidado com aviões toda a minha vida, mas ainda não entendo como esse pedaço de ferro voa!”. De fato, afinal, a primeira lei de Newton ainda não foi cancelada e o avião é claramente mais pesado que o ar. É necessário descobrir qual força não permite que uma máquina de várias toneladas caia no chão.
Métodos de transporte aéreo
Existem três maneiras de viajar:
- Aerostático, ao levantar do solo é realizado com a ajuda de um corpo cuja gravidade específica é menor que a densidade do ar atmosférico. São balões, dirigíveis, sondas e outras estruturas semelhantes.
- Reativo, que é a força bruta de uma corrente de jato de combustível combustível, que permite vencer a força da gravidade.
- E, finalmente, o método aerodinâmico de criação de sustentação, quando a atmosfera da Terra é usada como substância de suporte para veículos mais pesados que o ar. Aviões, helicópteros, giroplanos, planadores e, a propósito, pássaros se movem usando esse método específico.
Forças aerodinâmicas
Uma aeronave em movimento no ar é afetada por quatro principais forças multidirecionais. Convencionalmente, os vetores dessas forças são direcionados para frente, para trás, para baixo e para cima. Isso é quase um cisne, câncer e lúcio. A força que empurra o avião para frente é gerada pelo motor, para trás é a força natural da resistência do ar e para baixo é a gravidade. Bem, em vez de deixar o avião cair - a sustentação gerada pelo fluxo de ar devido ao fluxo ao redor da asa.
Ambiente padrão
O estado do ar, sua temperatura e pressão podem variar significativamente em diferentes partes da superfície terrestre. Assim, todas as características das aeronaves também serão diferentes ao voar em um lugar ou outro. Portanto, por conveniência e trazendo todas as características e cálculos a um denominador comum, concordamos em definir a chamada atmosfera padrão com os seguintes parâmetros principais: pressão 760 mm Hg acima do nível do mar, densidade do ar 1,188 kg por metro cúbico, velocidade de som 340,17 metros por segundo, temperatura +15 ℃. À medida que a altitude aumenta, esses parâmetros mudam. Existem tabelas especiais que revelam os valores dos parâmetros para diferentes alturas. Todos os cálculos aerodinâmicos, bem como a determinação das características de desempenho da aeronave, são realizados por meio desses indicadores.
O princípio mais simples de criar elevador
Se no fluxo de ar que se aproximaao colocar um objeto plano, por exemplo, colocando a palma da mão para fora da janela de um carro em movimento, você pode sentir essa força, como se costuma dizer, “nos dedos”. Ao girar a palma da mão em um pequeno ângulo em relação ao fluxo de ar, sente-se imediatamente que, além da resistência do ar, apareceu outra força, puxando para cima ou para baixo, dependendo da direção do ângulo de rotação. O ângulo entre o plano do corpo (neste caso, as palmas das mãos) e a direção do fluxo de ar é chamado de ângulo de ataque. Ao controlar o ângulo de ataque, você pode controlar o levantamento. Pode-se ver facilmente que com o aumento do ângulo de ataque, a força que empurra a palma para cima aumentará, mas até certo ponto. E quando atinge um ângulo próximo de 70-90 graus, desaparece completamente.
Asa de aeronave
A principal superfície de apoio que cria sustentação é a asa da aeronave. O perfil da asa é geralmente curvado em forma de lágrima como mostrado.
Quando o ar flui ao redor da asa, a velocidade do ar que passa pela parte superior da asa excede a velocidade do fluxo inferior. Neste caso, a pressão estática do ar no topo torna-se menor do que sob a asa. A diferença de pressão empurra a asa para cima, criando sustentação. Portanto, para garantir a diferença de pressão, todos os perfis das asas são assimétricos. Para uma asa com perfil simétrico com ângulo de ataque zero, a sustentação em vôo nivelado é zero. Com essa asa, a única maneira de criá-la é mudar o ângulo de ataque. Existe outro componente da força de elevação - indutivo. Ela éé formado devido à inclinação para baixo do fluxo de ar pela superfície inferior curva da asa, o que naturalmente resulta em uma força reversa ascendente atuando na asa.
Cálculo
A fórmula para calcular a força de sustentação de uma asa de aeronave é a seguinte:
Y=CyS(PV 2)/2
Onde:
- Cy - coeficiente de sustentação.
- S - área da asa.
- V - velocidade de fluxo livre.
- P - densidade do ar.
Se tudo estiver claro com densidade do ar, área da asa e velocidade, então o coeficiente de sustentação é um valor obtido experimentalmente e não é uma constante. Varia de acordo com o perfil da asa, sua proporção, ângulo de ataque e outros valores. Como você pode ver, as dependências são principalmente lineares, exceto pela velocidade.
Este misterioso coeficiente
O coeficiente de sustentação da asa é um valor ambíguo. Cálculos complexos de vários estágios ainda são verificados experimentalmente. Isso geralmente é feito em um túnel de vento. Para cada perfil de asa e para cada ângulo de ataque, seu valor será diferente. E como a asa em si não voa, mas faz parte da aeronave, esses testes são realizados nas cópias reduzidas correspondentes dos modelos de aeronaves. As asas raramente são testadas separadamente. De acordo com os resultados de inúmeras medições de cada asa em particular, é possível traçar a dependência do coeficiente no ângulo de ataque, bem como vários gráficos que refletem a dependênciasustentação da velocidade e do perfil de uma asa em particular, bem como da mecanização liberada da asa. Um exemplo de gráfico é mostrado abaixo.
Na verdade, esse coeficiente caracteriza a capacidade da asa de converter a pressão do ar que entra em sustentação. Seu valor usual é de 0 a 2. O registro é 6. Até agora, uma pessoa está muito longe da perfeição natural. Por exemplo, este coeficiente para uma águia, quando se eleva do solo com um gopher capturado, atinge um valor de 14. É óbvio pelo gráfico acima que um aumento no ângulo de ataque causa um aumento na sustentação para certos valores de ângulo. Depois disso, o efeito se perde e até vai na direção oposta.
Fluxo de estol
Como dizem, tudo é bom com moderação. Cada asa tem seu próprio limite em termos de ângulo de ataque. O chamado ângulo de ataque supercrítico leva a um estol na superfície superior da asa, privando-a de sustentação. O estol ocorre de forma desigual em toda a área da asa e é acompanhado por fenômenos correspondentes extremamente desagradáveis, como tremores e perda de controle. Curiosamente, esse fenômeno não depende muito da velocidade, embora também afete, mas a principal razão para a ocorrência de estol é manobras intensivas, acompanhadas de ângulos de ataque supercríticos. Foi por isso que ocorreu o único acidente da aeronave Il-86, quando o piloto, querendo "se exibir" em um avião vazio e sem passageiros, começou a subir abruptamente, o que terminou tragicamente.
Resistência
De mãos dadas com o elevador vem o arrasto,impedindo que a aeronave avance. É composto por três elementos. Estas são a força de atrito devido ao efeito do ar sobre a aeronave, a força devido à diferença de pressão nas áreas na frente e atrás da asa e o componente indutivo discutido acima, uma vez que o vetor de sua ação é direcionado não só para cima, contribuindo para o aumento da sustentação, mas também para trás, sendo um aliado da resistência. Além disso, um dos componentes da resistência indutiva é a força que ocorre devido ao fluxo de ar pelas extremidades da asa, causando fluxos de vórtices que aumentam o chanfro da direção do movimento do ar. A fórmula do arrasto aerodinâmico é absolutamente idêntica à fórmula da força de sustentação, exceto pelo coeficiente Su. Ele muda para o coeficiente Cx e também é determinado experimentalmente. Seu valor raramente excede um décimo de um.
Proporção de soltar para arrastar
A razão entre a força de sustentação e arrasto é chamada de qualidade aerodinâmica. Uma característica deve ser levada em consideração aqui. Como as fórmulas da força de sustentação e da força de arrasto, exceto os coeficientes, são as mesmas, pode-se supor que a qualidade aerodinâmica da aeronave é determinada pela razão dos coeficientes Cy e Cx. O gráfico dessa razão para certos ângulos de ataque é chamado de polar da asa. Um exemplo de tal gráfico é mostrado abaixo.
As aeronaves modernas têm um valor de qualidade aerodinâmica de cerca de 17-21 e planadores - até 50. Isso significa que nas aeronaves a sustentação da asa está em condições ideais17-21 vezes maior que a força de resistência. Comparado ao avião dos irmãos Wright, que marca 6,5, o progresso do design é óbvio, mas a águia com o infeliz esquilo em suas patas ainda está muito longe.
Modos de voo
Diferentes modos de voo requerem diferentes proporções de sustentação/arrasto. Em vôo nivelado de cruzeiro, a velocidade da aeronave é bastante elevada, e o coeficiente de sustentação, proporcional ao quadrado da velocidade, encontra-se em valores elevados. O principal aqui é minimizar a resistência. Durante a decolagem e principalmente o pouso, o coeficiente de sustentação desempenha um papel decisivo. A velocidade da aeronave é baixa, mas é necessária sua posição estável no ar. Uma solução ideal para esse problema seria a criação da chamada asa adaptativa, que muda sua curvatura e até mesmo área dependendo das condições de voo, aproximadamente da mesma forma que as aves. Até que os projetistas tenham sucesso, a mudança no coeficiente de sustentação é alcançada usando a mecanização da asa, que aumenta a área e a curvatura do perfil, o que, aumentando a resistência, aumenta significativamente a sustentação. Para aviões de caça, foi usada uma mudança na varredura da asa. A inovação possibilitou reduzir o arrasto em altas velocidades e aumentar a sustentação em baixas velocidades. No entanto, esse projeto acabou não sendo confiável e, recentemente, as aeronaves da linha de frente foram fabricadas com uma asa fixa. Outra maneira de aumentar a força de sustentação de uma asa de aeronave é soprar adicionalmente a asa com um fluxo dos motores. Isso foi implementado nas forças armadasAeronaves de transporte An-70 e A-400M, que, devido a essa propriedade, se distinguem pelas distâncias de decolagem e pouso mais curtas.
