4.5 Підіймальна та бокова сили

 

Більшість складових повної аеродинамічної сили, таких, як сила лобового опору RX та бокова сила R2 , заважають руху літального апарату і лише третя складова – підіймальна сила RY  може стати необхідною під час руху літального апарата у повітрі.

Підіймальну силу можна подати, як суму підіймальних сил, що утворюють його корпус (фюзеляж), крила та горизонтальне оперення:

       ,                (4.26)

Але більша частина підіймальної сили утворюється саме крилами літального апарата, тому механізм її утворення розглянемо на прикладі крилатих літальних апаратів, і це можуть бути як літаки, так і крилаті ракети.

Форми крил дуже різноманітні та характеризуються в основному формою профілю поперечного перерізу (рис. 4.11) та формою контуру. Якщо розітнути крило вертикальною площиною, паралельною повздовжній осі літального апарата, то у перерізі отримаємо фігуру, яку домовилися називати профілем крила.

Ураховуючи все вище наведене, з'ясуємо, завдяки чому виникає підіймальна сила у дозвуковому потоці.

Нехай потік повітря рухається назустріч нерухомому крилу, що має несиметричний профіль (рис. 4.12 а). Потік повітря, що набігає, характеризується незбуреними параметрами .При наближені до передньої кромки профілю крила струмені потоку повітря розділяються та окремо здійснюють свій шлях по верхній та нижній поверхнях крила. За хвостовою частиною профілю струмені потоку знову поєднуються, але завдяки нерозривності потоку свій шлях вони повинні пройти за один і той самий час.

 

 

 

Шлях струменів по верхній поверхні крила більший за шлях струменів, що рухаються під крилом. Тому струмені по верхній поверхні крила рухаються з більшою швидкістю.

Нехай, наприклад, у точці 1 (рис. 4.12 а) їх швидкість досягла значення . Використаємо рівняння Бернуллі (4.20) до двох струменів повітря, один із яких проходить через точку 1, а інший – вдалині від крила, з якого отримаємо

                                   (4.27)

.

Тобто над крилом утворюється зона зі зниженим тиском. Розмірковуючи таким чином, дійдемо висновку, що й під крилом також виникає розрядження, але завдяки тому, що крило має несиметричний профіль, величина цього розрядження буде значно менша за ту, що утворюється над крилом. Різниця тиску повітря під крилом та над крилом і утворює підіймальну силу, що спрямована вгору.

 

Якщо крила мають симетричний профіль, то підіймальна сила не виникає. Але якщо крила з таким профілем встановити під деяким кутом до потоку повітря, тобто

а ≠ 0, то повторюється розглянута вище картина обтікання (рис. 4.12 б): струмені повітря, що йдуть над крилом, будуть огинати більш опуклу поверхню, в результаті чого й утвориться підіймальна сила.

Таким чином, підіймальну силу можна отримати двома способами: завдяки несиметричності профілю крил або встановлюючи ці крила під деяким кутом атаки до потоку повітря.

Ураховуючи вищенаведене, можна дійти висновку, що на ракетах, які не мають крил (осесиметричних безкрилих літальних апаратів), підіймальну силу можна отримати лише під час їх руху з кутом атаки. Помічено, що при збільшенні кривизни профілю крила або кута атаки збільшується також і значення підіймальної сили.

Відомо також, що залежність підіймальної сили від кута атаки має лінійний характер. Але ця лінійна залежність порушується при великих кутах атаки (рис. 4.13).

З графіків (рис. 4.13) видно, що при досягненні деякого кута (який називають критичним кутом атаки акр ) коефіцієнт підіймальної сили Су досягає свого максимального значення, після чого різко падає.

 

 

 

 

Це пов'язано, по-перше, з глибокими змінами самого характеру обтікання крила потоком повітря та з розвитком так званого зриву потоку (рис. 4.14 та 4.15 б).

Під час цього зриву струмені потоку вже не будуть рухатися по шарах уздовж поверхні крила (рис. 4.15 а), а відриватимуться від неї та будуть здійснювати хаотичний вихровий рух (так звані відривні ) (рис. 4.15 б).

 

 

 

 

Таким чином, під крилом утворюється зона з підвищеним тиском. Над передньою кромкою профілю крила виникає зона розширення, всередині якої потік повітря повертає та одночасно з цим збільшує швидкість свого руху (рис. 4.16). Тиск повітря у цій зоні та за нею зменшується відносно незбуреного потоку. Наприкінці верхньої поверхні крила потік перетинає косий стрибок ущільнення та відновлює свій напрям і швидкість. Під крилом у цьому місці потік повітря проходить через зону розширення і також відновлює свої початкові параметри. Різниця тиску над крилом та під ним і утворює підіймальну силу крил у надзвуковому потоці.

Існує таке поняття, як аеродинамічна якість літального апарата. Ця аеродинамічна характеристика визначає ступінь аеродинамічної досконалості будь-якого літального апарата і залежить від його форми та конструктивних особливостей. Визначається аеродинамічна якість як відношення підіймальної сили до сили лобового опору:

                                               (4.28)

 

 

 

Для різних типів літаків аеродинамічна якість лежить у межах (15–23), а для частин космічних апаратів, що відокремлюються та повертаються на Землю – (0–0,35).

Під час польоту літального апарата з кутом ковзання β≠ 0, а також у випадку відхилення рулів напрямку виникає бокова сила . Для ракет ця сила утворюється корпусом та вертикальним оперенням. Механізм виникнення бокової сили аналогічний механізму виникнення підіймальної сили.