Аэродинамика самолета

Для современных самолетов, даже при относительно хороших значениях аэродинамического качества, из-за большой удельной нагрузки на крыло скорости снижения достигают больших величин.

Планеры предназначены для парящих полетов, т. е. таких полетов, в которых вертикальная скорость снижения планера должна быть меньше вертикальной скорости воздуха в восходящих потоках. Потому планеры, имея значительно меньшую удельную нагрузку на крыло и большие значения аэродинамического качества (доходит до 50), могут в восходящих потоках совершать полеты без потери высоты и даже увеличивать ее, т. е. совершать парящий полет.

ВЛИЯНИЕ ВЕТРА НА ПЛАНИРОВАНИЕ

Рассмотрим планирование самолета при безветрии, встречном и попутном ветре. Пусть самолет планирует с высоты Н в некоторую точку А на определенном режиме (Рис. 130, а). При встречном ветре самолет будет сносить ветром назад со скоростью U. Сложив скорость планирования и скорость ветра по правилу треугольника, получим скорость полета самолета относительно земной поверхности V_зем. Относительно земной поверхности угол планирования увеличивается, а относительно воздушной среды остается прежним (Рис. 130, б). Летчику будет казаться, что он планирует в точку А, а на самом деле в точку М. Дальность планирования уменьшается и будет равна (в м)

L₁=L-Ut,

где t - время планирования с высоты, с.

При попутном ветре самолет сносит ветром вперед со скоростью U. В этом случае угол планирования относительно земной поверхности уменьшается, а относительно воздушной среды остается неизменным (Рис. 130, в). Дальность планирования увеличивается:

L₂=L+Ut.

Подставив значение L=HK, получим

L₁,₂=HK±Ut(6.13)

Время планирования от ветра не зависит (при условии, что ветер горизонтален), так как скорость V_y остается постоянной величиной.

Изменение веса самолета влияет на дальность планирования следующим образом. При увеличении полетного веса самолета увеличивается скорость планирования V_ПЛ. Следовательно, вертикальная скорость планирования V_У увеличивается, время планирования t_ПЛ уменьшается. При уменьшении веса самолета наблюдается обратная картина.

Для получения максимальной дальности планирования при сильном встречном ветре планирование необходимо осуществлять со скоростью, большей наивыгоднейшей v_НВ.

Допустим, что самолет Як-55 на режиме, соответствующем наиболее пологому планированию при безветрии, планирует против сильного ветра, скорость которого равна U=25 м/с (Рис. 131, а), у самолета Як-55 минимальный угол планирования составляет _мин=6⁰; при этом наивыгоднейшая скорость полета равна v_НВ=137 км/ч.

Изменив угол планирования так, чтобы он соответствовал большей скорости планирования при безветрии, например, при угле планирования, равном '=10°, что у самолета Як-55 соответствует скорости планирования, равной V_ПЛ=164 км/ч, видно, что дальность планирования увеличивается (Li>L) (Рис. 131, б).

При планировании с попутным ветром необходимо выдерживать скорость полета немного меньше наивыгоднейшей, но и не меньше экономической, для того чтобы получить максимальную дальность.

Однако на малой высоте (примерно 500...600 м) скорость планирования ни при каких условиях не должна быть менее наивыгоднейшей, с целью безопасности полета.

Рис. Влияние ветра на дальность планирования и на угол планирования относительно земли

Высота, которую самолет теряет при планировании за единицу времени, называется вертикальной скоростью планирования. Для небольших (до 15°) углов планирования можно считать, что

Анализ формулы показывает, что минимальная скорость снижения при планировании может быть получена при планировании самолета (планера) на экономической скорости, так как при этом величина имеет максимальное значение

При увеличении полетного веса самолета увеличивается потребная скорость планирования, поэтому вертикальная скорость планирования также увеличивается. Увеличение высоты полета сопровождается уменьшением массовой плотности воздуха, скорость планирования увеличивается, вследствие чего возрастает и вертикальная скорость снижения.

Рис. Дальность планирования (при безветрии) тем больше, чем больше высота и чем меньше угол планирования

Посадка является завершающим этапом полёта и представляет собой замедленное движение самолета с высоты 25 м до полной остановки после пробега по земле. Посадка самолета, как правило, состоит из следующих этапов (Рис. 134):

- планирования (снижения);

- выравнивания;

- выдерживания;

- приземления (парашютирования);

- пробега.

Посадка - сложный и ответственный маневр, завершающий полет. Ему предшествуют выход к аэродрому и заход на посадку.

Маневр захода на посадку производится в непосредственной близости к аэродрому и имеет целью подготовку самолета к выполнению посадки. При визуальном заходе на посадку нормальным является движение самолета по прямоугольному маршруту, представляющему сочетание отрезков прямых и разворотов на 90⁰ - так называемый ”круг” (“коробочка”). “Круг” перед посадкой выполняется на определенной для каждого типа летательных аппаратов высоте (Рис. 135).

Расчетными являются 3-й и 4-й развороты, выполняя которые на определенной высоте и точке маршрута, летчик производит предварительный расчет на посадку. Уточнение расчета на посадку, учет ветра производятся на участке от 3-го и 4-го разворота. После 4-го разворота самолет должен двигаться вдоль оси взлетно-посадочной полосы (ВПП). До высоты 50 м должны быть выпущены закрылки (щитки), шасси, установлена необходимая скорость по траектории снижения и летчик должен быть убежден в точности расчета. С высоты 30 м летчик переносит взгляд на землю. Начинается выполнение первого этапа посадки - планирование.

ПЛАНИРОВАНИЕ САМОЛЕТА ПРИ ПОСАДКЕ

Посадка самолета начинается со снижения самолета. Угол установившегося планирования определяется по формуле

(8.1)

Предпосадочное планирование выполняется с выпущенными шасси и закрылками (щитками), поэтому аэродинамическое качество невелико. Угол планирования и вертикальная скорость при этом значительно увеличиваются, что усложняет технику выполнения выравнивания. При наличии тяги угол планирования и вертикальная скорость уменьшаются, поэтому на современных скоростных самолетах планирование осуществляется, как правило, с некоторой тягой, тем более что в этом случае облегчается уход на второй круг.

При планировании летчик рассчитывает место приземления. Для этого сразу же после четвертого разворота летчик устанавливает заданную скорость планирования и наклон траектории планирования. Прямолинейное снижение выводит самолет в точку начала выравнивания (точка А на Рис. 134), находящуюся на высоте 6 - 10 м. Положение прямой А В (траектории снижения) относительно посадочной полосы задается расстоянием х, определяющим удаленность точки В от края ВПП. Для каждого типа самолета, планера величина х связана с их аэродинамическими характеристиками и в первую очередь с аэродинамическим качеством. На планировании перед посадкой желательно, чтобы скорость по траектории и вертикальная скорость снижения были по возможности уменьшены. С этой целью применяются закрылки, щитки или другие виды механизации крыла, которые увеличивают коэффициент подъемной силы и уменьшают потребную скорость планирования. Тем самым упрощается техника выполнения посадки и повышается ее безопасность.

При увеличении веса самолета увеличивается его скорость по траектории. Угол планирования при этом практически остается неизменным.

Планирование самолета до высоты начала выравнивания является одним из ответственных этапов в обеспечении нормальной посадки.

Практикой установлено, что наибольшее количество ошибок в технике пилотирования совершено на этапе предпосадочного планирования и при выходе из него. Основной причиной этих ошибок является то обстоятельство, что летчик, отвлекая внимание от пилотирования самолета для наблюдения за землей, уточнения расчета на посадку и правильности захода по оси посадочной полосы, теряет скорость и нарушает координацию отклонения рулей.

ВЫРАВНИВАНИЕ

Выравнивание представляет собой процесс перехода от прямолинейного равномерного снижения к траектории горизонтального полета в конце выравнивания. При подходе к высоте начала выравнивания (которая определяется визуально и составляет 8-10 м) летчик, отклоняя ручку управления на себя, увеличивает угол атаки самолета, создавая тем самым дополнительную подъемную силу DУ, которая искривляет траекторию.

Увеличение угла атаки сопровождается увеличением силы лобового сопротивления, вследствие чего происходит уменьшение поступательной скорости. Другой причиной уменьшения поступательной скорости является уменьшение составляющей силы веса G₂ из-за уменьшения угла наклона траектории (Рис. 136).

Выравнивание заканчивается на высоте 0,75-1,0 м. Траектория этого маневра при постоянной подъемной силе (У + ?У) представляет собой кривую, близкую к окружности.

ВЫДЕРЖИВАНИЕ

Выдерживание производится для уменьшения скорости до посадочной и представляет собой торможение самолета в горизонтальном полете (схема сил показана на Рис. 136). При выдерживании самолет летит горизонтально, так как У = G, а скорость полета уменьшается из-за того, что сила лобового сопротивления ничем не уравновешена и тормозит движение. Для поддержания заданной высоты над поверхностью аэродрома по мере падения скорости летчик соразмерно, взятием ручки на себя, увеличивает угол атаки (т. е. Су), что позволяет сохранить подъемную силу, а следовательно, и прямолинейность траектории.

В момент, когда угол атаки окажется равным посадочному (???_пос), дальнейшее его увеличение прекращают. Скорость полета при выдерживании, соответствующая этому моменту, называется посадочной. В процессе выдерживания самолет снижается до высоты 0,25-0,30 м. После этого начинается парашютирование, при котором У < G, а скорость практически не успевает измениться, так как оно длится малое время и самолет приземляется на посадочную полосу.

В конце выдерживания перед приземлением подъемная сила равна весу самолета, т. е. У = G, а угол атаки равен посадочному, тогда

При приближении к поверхности земли начинает сказываться эффект «воздушной подушки», вследствие чего происходит как бы увеличение плотности воздуха. С учетом этого явления можно записать

Су_пос - коэффициент подъемной силы при посадочном угле атаки;

0,94 - коэффициент, учитывающий близость земли.

Посадочной скоростью называется скорость в момент приземления. Она у всех самолетов меньше скорости отрыва. Это объясняется тем, что посадочный вес самолета меньше веса взлетного, а С_Упос > С_Уотр, поскольку используется больший угол отклонения закрылков (щитков), а, кроме того, перед самым приземлением нет необходимости иметь запас угла атаки, как после отрыва.

Из формулы (8.2) следует, что зависимость посадочной скорости от веса самолета, атмосферных условий и коэффициента подъемной силы такая же, как и скорости отрыва.

ПРОБЕГ САМОЛЕТА

Пробег самолета является заключительным этапом посадки. После касания земли самолет совершает пробег на основных колесах шасси (для самолетов с носовым колесом), после чего летчик плавно опускает носовое колесо и начинает торможение основных колес. У самолетов с хвостовым колесом посадка совершается на все три точки и торможение основных колес производится с таким расчетом, чтобы не было капотирования самолета.

Главной характеристикой пробега является его длина. Длиной пробега L_ПР называется расстояние, проходимое самолетом по земле от момента приземления до полной остановки.

Движение самолета на пробеге является равнозамедленным с некоторым средним замедлением У_СР.

На пробеге кроме непрерывно уменьшающихся аэродинамических сил У и Q на самолет действует сила трения колеса о землю F=F₁+F₂ (Рис. 137).

По мере уменьшения скорости подъемная сила и сила лобового сопротивления уменьшаются, а силы реакции земли N₁ и N₂ увеличиваются.

Силами, замедляющими движение на пробеге, как следует из формулы (8.3), являются сила трения колес о землю F и сила лобового сопротивления Q. Длина пробега определяется по формуле

(8.4)

Из анализа формул видно, что для уменьшения длины пробега необходимо уменьшать посадочную скорость (Vпос) или увеличивать тормозящие силы Q и F. Увеличение последней производится за счет применения тормозных устройств на колесах шасси. Увеличение силы Q осуществляется применением тормозных посадочных парашютов.

ДАЛЬНОСТЬ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛЕТА

Дальность и продолжительность полета являются важнейшими летно-тактическими характеристиками самолета. Под дальностью полета понимают расстояние от места вылета до места посадки вдоль маршрута полета по земной поверхности (Рис. 138).

Продолжительность полета - время пребывания самолета в воздухе с момента вылета до момента посадки.

Обычно рассматриваются следующие виды дальности: техническая, практическая и тактическая.

Техническая дальность и продолжительность - дальность и продолжительность полета одиночного самолета до полного израсходования топлива.

Практическая дальность и продолжительность - дальность и продолжительность полета с учетом гарантийного 7 - 10% остатка топлива (от полной заправки).

Тактическая дальность - дальность полета с учетом запаса топлива на выполнение задания, не связанного с продвижением по маршруту.

Траектория полета самолета на дальность состоит из трех участков: набора высоты, горизонтального полета на заданной высоте и снижения с этой высоты.

Дальность и продолжительность полета определяются прежде всего запасом топлива и режимом полета (высотой и скоростью). Каждому режиму полета соответствует определенный расход топлива на один километр пути и за один час полета. Так, например, при полете самолета Л-29 на высоте 5000 м без подвесных баков с полным запасом топлива 775 кг при номинальном режиме работы двигателя техническая дальность равна 625 км, продолжительность - 1 ч 13 мин. А при полете на высоте 9000 м на режиме максимальной дальности техническая дальность равна 880 км, продолжительность полета - 2 ч 04 мин.

Таким образом, от того, какой режим полета установил летчик, будут зависеть и дальность и продолжительность полета.

Основными величинами, определяющими дальность и продолжительность полета, являются километровый и часовой расходы топлива. Зная километровый и часовой расходы топлива при данном варианте заправки самолета, можно рассчитать дальность и продолжительность полета.

ЧАСОВОЙ РАСХОД ТОПЛИВА

Количество топлива, расходуемое за один час полета, называется часовым расходом. Измеряется часовой расход в килограммах на час полета Сh кг топл./ч или в литрах Сhл/ч.

Из формулы видно, что часовой расход топлива прямо пропорционален удельному расходу топлива и развиваемой тяге (или мощности). Потребная тяга Р, согласно формуле , увеличивается с увеличением скорости и уменьшается с подъемом на высоту, что и сказывается на часовом расходе топлива. Удельный расход топлива с изменением высоты полета уменьшается, хотя и незначительно, а с увеличением скорости полета возрастает тоже в небольших пределах. Увеличение удельного веса топлива уменьшает часовой расход, если измерять его в литрах в час, что сказывается на потребной емкости топливных баков, не оказывая влияния на расход топлива, измеряемый в килограммах в час (Рис. 139).

Определив часовые расходы топлива для различных режимов полета, можно найти такой режим, полет на котором будет наиболее продолжителен. Тем самым будет найден режим наибольшей продолжительности полета.

По кривым Жуковского (см. Рис. 138 и Рис. 141) нетрудно определить, что наименьшая потребная тяга для всех высот полета будет соответствовать наивыгоднейшей скорости полета (полету на наивыгоднейшем угле атаки), а для самолетов с поршневыми двигателями наименьшая потребная мощность соответствует экономическому углу атаки (эк) и соответственно - экономической скорости полета.

Из анализа кривых Жуковского можно сделать вывод, что с поднятием на высоту потребная тяга на наивыгоднейшей скорости (для данной высоты) и часовой расход будут зависеть в основном от удельного расхода топлива (Ср), который, как было отмечено ранее, с поднятием на высоту уменьшается. Следовательно, часовой расход топлива самолетов с ТРД с поднятием на высоту при полете на наивыгоднейшей скорости изменяется пропорционально изменению удельного расхода топлива, т. е. уменьшается.

Например, минимальный часовой расход топлива самолета Л-29 при полете без подвесных баков на высоте 500 м составляет 391 кг/ч, а на высоте 8000 м он равен 279 кг/ч. А это означает, что при данном запасе топлива продолжительность полета с поднятием на высоту увеличивается.

КИЛОМЕТРОВЫЙ РАСХОД ТОПЛИВА

Количество топлива, расходуемое на один километр воздушного пути, называется километровым расходом топлива.

Километровый расход топлива, как видно из формулы (14.2), зависит от величины удельного расхода топлива Ср и от соотношения . Так как удельный расход топлива изменяется незначительно, то очевидно, что километровый расход будет определяться отношением . Наименьшее значение величины можно найти по кривым Жуковского путем проведения касательной из начала координат к кривой потребных тяг (Рис. 140).

Отношение есть не что иное, как . При увеличении высоты полета угол ср значительно уменьшается, следовательно, уменьшается и километровый расход топлива С_К. Основной вывод состоит в том, что при полете самолета с ТРД на наивыгоднейшей скорости при поднятии на высоту километровый расход топлива уменьшается, а следовательно, дальность полета увеличивается. Расчетами и практикой установлено, что увеличение высоты от 0 до 12 км километровый расход уменьшается в 2-3 раза.

Километровый расход топлива самолета с поршневым двигателем определяется по формуле

(14.3)

где Ne - эффективная мощность на валу двигателя;

- коэффициент полезного действия винта.

Анализ формулы (14.3) показывает, что километровый расход топлива будет определяться в основном соотношением и величиной Се. Величина на неизменной высоте при увеличении скорости

полета увеличивается (Рис. 141).

Минимальное значение отношения = tg будет найдено проведением касательной из начала координат к кривой N_П. Скорость полета, соответствующая () мин, называется наивыгоднейшей скоростью полета.

Как видно из графика, величина () мин для всех высот остается неизменной, поэтому можно считать, что километровый расход топлива самолета с поршневым двигателем с поднятием на высоту зависит в основном от удельного расхода топлива Се.

Удельный же расход Се при поднятии до расчетной высоты полета (расчетная высота двигателя) уменьшается, а выше ее увеличивается. В результате получается, что наименьший километровый расход топлива самолета с поршневой силовой установкой будет вблизи расчетной высоты. Следовательно, и наибольшая дальность полета самолета с ПД будет иметь место вблизи расчетной высоты полета на наивыгоднейшей скорости (Рис. 142).

ВЛИЯНИЕ ПОЛЕТНОГО ВЕСА И ТЕМПЕРАТУРЫ НАРУЖНОГО ВОЗДУХА НА ДАЛЬНОСТЬ И ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТЬ ПОЛЕТА

Так как в горизонтальном полете , то из формулы (14.1) найдем

(14.4)

где G - вес самолета, кг;

rc-та - аэродинамическое качество самолета.

При увеличении полетного веса самолета величина увеличивается, следовательно, увеличиваются часовой и километровый расходы топлива, что ведет к уменьшению дальности и продолжительности полета.

Если полетный вес самолета увеличивают наружной подвеской грузов (подвесные топливные баки, бомбы и т. п.), то дальность и продолжительность уменьшаются в большей степени, так как увеличивается лобовое сопротивление самолета, а его аэродинамическое качество уменьшается.

Километровый расход топлива от температуры наружного воздуха практически не зависит, так как потребная тяга от температуры не зависит, а соотношение при изменении температуры воздуха остается постоянным. Следовательно, и дальность полета при изменении температуры остается постоянной.

При повышении температуры наружного воздуха удельный расход топлива увеличивается, следовательно, увеличивается часовой расход топлива, а продолжительность полета уменьшается.

Размещено на Allbest.ru