Главная / Обучение / Теория / Основы аэродинамики

Прежде чем мы начнем подробно разбирать особенности конструкции и управления полетом параплана, нам предстоит познакомиться со стихией, в которой "живет" параплан, — с воздухом. Процессы взаимодействия твердого тела с обтекающим его потоком жидкости или газа изучаются наукой АЭРОГИДРОДИНАМИКОЙ. Мы не станем забираться в глубины этой науки, но разобрать основные закономерности необходимо. Прежде всего нужно запомнить главную формулу аэродинамики — формулу полной аэродинамической силы.

Полная аэродинамическая сила — сила, с которой набегающий воздушный поток воздействует на твердое тело.

Центр давления — точка приложения этой силы.

Где:

R — Полная аэродинамическая сила.

C_r — Коэффициент полной аэродинамической силы.

q — Динамический напор.

S — Эффективная площадь тела.

Где:

r — Плотность воздуха.

V — Скорость тела относительно воздуха (или "воздушная скорость").

Из формулы видно, что сила воздействия воздушного потока на тело зависит от размеров тела, интенсивности воздушного потока, которая определяется его плотностью и скоростью, и коэффициента полной аэродинамической силы C_r. Наибольший интерес в этой формуле представляет коэффициент C_r, определяющийся множеством факторов, главными из которых являются форма тела и его ориентация в воздушном потоке.

Аэродинамика — наука экспериментальная. Формул, позволяющих абсолютно точно описать процесс взаимодействия твердого тела произвольной формы с набегающим потоком воздуха, пока не придумано. Однако было замечено, что тела, имеющие одинаковую форму при разных линейных размерах, взаимодействуют с воздушным потоком одинаково. Можно сказать, что C_r численно равно R при продувке тела некоторого единичного размера воздушным потоком единичной интенсивности. Такого рода коэффициенты очень широко используются в аэродинамике, так как они позволяют исследовать характеристики летательных аппаратов (ЛА) на их уменьшенных моделях.

При взаимодействии твердого тела с потоком воздуха неважно, движется ли тело в неподвижном воздухе или неподвижное тело обтекается движущимся воздушным потоком. Возникающие силы взаимодействия будут одинаковы. Но, с точки зрения удобства изучения этих сил, проще иметь дело со вторым случаем. На этом принципе основана работа аэродинамических труб, где неподвижные модели ЛА обдуваются потоком воздуха, разгоняемым мощными вентиляторами. Однако даже незначительные неточности в изготовлении моделей могут внести существенные ошибки в измерения. Поэтому аппараты небольших размеров по возможности продуваются в трубах в натуральную величину.

Рис. 1.1. Продувка в аэродинамической трубе ЦАГИ параплана
Крокус-спорт специалистами фирм ASA и Параавис.

Рассмотрим примеры обтекания воздухом трех тел с одинаковым поперечным сечением, но разной формы: пластины, установленной перпендикулярно потоку, шара и тела каплевидной формы.

Рис. 1.2. Зависимость величины полной аэродинамической силы от формы обтекаемого тела.
Пластина — 100%. Шар — 40%. Капля — 4%.

В аэродинамике существуют, возможно, не совсем строгие, но легко понимаемые термины: удобообтекаемое и неудобообтекаемое тело. На приведенных рисунках видно, что труднее всего воздуху обтекать пластину. Зона вихрей за ней максимальная. Закругленную поверхность шара обтекать проще. Зона вихрей меньше. А сила воздействия потока на шар составляет 40% от силы воздействия на пластину. Еще проще потоку обтекать тело каплевидной формы. Вихри за ним практически не образуются, а R капли составляет лишь 4% от R пластины.

В рассмотренных выше случаях сила R была направлена по потоку. При обтекании же некоторых тел полная аэродинамическая сила может быть направлена не только вдоль потока воздуха, но и иметь боковую составляющую.

Выставите из окна быстродвижущегося автомобиля сжатую ладонь и расположите ее под небольшим углом к набегающему потоку воздуха. Вы почувствуете, как ваша ладонь, отбрасывая воздушную массу в одну сторону, сама будет стремиться в противоположную, как бы отталкиваясь от набегающего потока.

Рис. 1.3. Схема обтекания наклоненной пластины.

Возможность полетов всех типов ЛА тяжелее воздуха основывается на принципе отклонения аэродинамической силы от направления движения воздушного потока.

Планирующий полет безмоторного ЛА можно сравнить со скатыванием санок с горы. И санки, и ЛА все время движутся вниз. Источником энергии, необходимой для движения аппарата, является ранее набранный запас высоты. Как саночник, так и пилот безмоторного ЛА перед полетом должны подняться на гору или набрать высоту каким-либо иным образом. Как для санок, так и для безмоторного ЛА движущей силой является сила тяжести.

Для того чтобы не привязываться к какому-либо конкретному типу ЛА (параплан, дельтаплан, планер), будем считать ЛА материальной точкой. Пусть по результатам продувок в аэродинамической трубе было определено, что полная аэродинамическая сила R отклоняется от направления движения воздушного потока на угол Q.

Рис. 1.4. Несколько позже мы убедимся, что при обтекании воздухом симметричного шарообразного тела аэродинамическая сила R может отклоняться от направления потока и разберем, когда и почему это происходит.

А теперь представьте себе, что мы подняли исследуемое тело на некоторую высоту и отпустили его там. Сначала тело будет падать вертикально вниз, разгоняясь с ускорением, равным ускорению свободного падения, так как единственной силой, действующей на него в эти мгновения, будет направленная вниз сила тяжести G. По мере нарастания скорости падения в действие вступит аэродинамическая сила R. При взаимодействии твердого тела с потоком воздуха неважно, движется ли тело в неподвижном воздухе или неподвижное тело обтекается движущимся воздушным потоком. Величина и направление действия силы R (относительно направления движения воздушного потока) не изменятся. Сила R начинает отклонять траекторию движения тела. Причем, вместе с изменением траектории полета будет меняться и направление действия R относительно поверхности земли и силы тяжести G.

Рис. 1.5. Силы, действующие на падающее тело.

Из 1-го и 2-го законов Ньютона знаем, что тело будет двигаться равномерно и прямолинейно, если сумма действующих на него сил равна нулю.

Как говорилось ранее, на безмоторный ЛА действуют две силы:

сила тяжести G;

полная аэродинамическая сила R.

ЛА выйдет на режим прямолинейного планирования, когда эти две силы уравновесят друг друга. Сила тяжести G направлена вниз. Очевидно, что аэродинамическая сила R должна смотреть вверх и быть той же величины, что и G.

Рис. 1.6. Сумма сил, действующих на тело, при
установившемся прямолинейном планировании равна нулю.

Аэродинамическая сила R возникает при движении тела относительно воздуха, она определяется формой тела и его ориентацией в воздушном потоке. R будет направлена вертикально вверх, если траектория движения тела (его скорость V) будет наклонена к земле на угол (90°-Q). Очевидно, что для того чтобы тело летело "далеко", нужно, чтобы угол отклонения полной аэродинамической силы от направления движения воздушного потока был максимально большой.

Величина скорости полета V будет определяться значением коэффициента C_r, полученным при продувке нашего тела в аэродинамической трубе. Чем C_r больше, тем скорость V будет меньше.