4.6 Сила лобового опору

 

Як і підіймальна сила, сила лобового опору Rх залежить від форми літального апарата, швидкості i висоти його польоту, кутів атаки, ковзання та інших факторів (рис. 4.17).

Повна сила лобового опору враховується у вигляді безрозмірного коефіцієнта Сх та у загальному випадку складається з чотирьох різних за своєю природою складових:

– донний опір;

– опір тертя;

– хвильовий опір;

– індуктивний опір.

Усі складові сили лобового опору залежать, насамперед від форми ЛА. Так, на рис. 4.16 наведені коефіцієнти сили лобового опору Сх залежно від форми ЛА.

Як видно з рис.4.17, найбільший опір складають тіла з тупою носовою та кормовою частинами.

Якщо кормова частина тіла має плоский зріз або затуплену форму, то повільність обтікання потоком повітря порушується. Струмені повітря у цьому місці будуть відриватися від поверхні ЛА (відривна течія). При цьому за кормовою частиною корпусу утворюється зона застою, де частинки повітря здійснюють хаотичний вихровий рух (рис. 4.18).

Тиск повітря у цій зоні застою 1 значно менший, ніж у незбуреному потоці. Завдяки цьому й утворюється складова сили лобового опору, яка отримала назву донного опору.

Згладжування форми літального апарата та загострювання кормової його частини ліквідує передумови відриву потоку, вирівнює поле тиску навколо тіла та тим самим зменшує значення донного опору.

 

 

Виходячи з вищенаведеного, може скластися думка, що для того щоб зменшити вплив донного опору на силу Rх, достатньо надати літальному апарату лише зручної, каплеподібної форми. Однак уже з останнього прикладу залежності Сх від форми літального апарата (рис. 4.16, 4.17) помітно, що при збільшенні подовження тіла (при збереженні попередніх розмірів перерізу) значення коефіцієнта лобового опору не зменшується, а, навпаки, збільшується. У цьому випадку на перший план виходить вже інша складова сили лобового опору – опір тертя.

На початку цього підрозділу вже були визначені загальні поняття стосовно цієї сили. Але необхідно також звернути увагу на деякі особливості щодо цієї сили. Для цього більш ретельно розглянемо особливості обтікання потоком повітря поверхні деякого тіла.

Під дією сил молекулярного зчеплення найближчий шар повітря гальмується, начебто «прилипає» до поверхні літального апарата. Завдяки в'язкості повітря це гальмування передається на сусідні шари потоку. Таким чином, біля тіла утворюється тонкий межовий шар, у якому швидкість змінюється від нуля (на поверхні літального апарата) до швидкості незагальмованого потоку. Товщина цього шару коливається від міліметрів до сантиметрів. Спостереження показали, що течія повітря у межовому шарі може бути двох типів (рис. 4.19):

ламінарна (шарова) – коли повітря рухається по шарах, які між собою не змішуються;

турбулентна (збурена) – коли частинки повітря рухаються хаотично, при цьому окремі шари повітря змішуються один із одним.

У випадку турбулентної течії за рахунок більш енергійного змішування струменів повітря швидкість потоку біля поверхні ЛА більша, тому поверхневе тертя також збільшується. Унаслідок тертя повітря з поверхнею тіла виникає сила, спрямована проти руху тіла. Ця сила отримала назву опору тертя.

Необхідно також визначити, що насправді межовий шар біля тіла зазвичай буває змішаним. Так, біля носової частини ЛА завжди знаходиться ламінарна ділянка (рис. 4.19-1), а біля кормової частини тіла – турбулентна (рис. 4.19-2). Точка 3 (рис. 4.19) – точка переходу ламінарного примежового шару в турбулентний.

 

Для зменшення опору тертя намагаються точку переходу межового шару з ламінарного до турбулентного перенести щонайдалі. Цьому сприяє підтримання поверхні літального апарата у максимально гладкому стані, тому що навіть невеликі подряпини є джерелами турбулізації.

Розглянемо тепер механізм утворення хвильового опору. Повітря – це газ. Газ – сукупність молекул (частинок). Частинки повітря, що були виведені з рівноваги літального апарата, починають коливатись і передавати ці коливання сусіднім частинкам повітря. Це приводить до виникнення хвиль, які являють собою області стиснення та розрідження повітря, що поширюються зі швидкістю звуку. Таким чином, зовнішня поверхня літального апарата є джерелом звукових хвиль.

Виникнення звукових хвиль також є фактором збільшення опору повітря. Це пояснюється, з одного боку, тим, що на утворення звукових хвиль витрачається деяка частина енергії руху, а з іншого – тим, що звукові хвилі змінюють стан середовища (густину, пружність тощо), а отже й, умови польоту.

Опір, обумовлений виникненням звукових хвиль, називають звуковим опором. Величина цього опору залежить від того, у якому співвідношенні перебуває швидкість тіла (ЛА) у деякому середовищі (повітрі) та швидкість поширення утворених ним звукових коливань.

Можуть бути такі випадки цього співвідношення:

- швидкість тіла менша за швидкість звукових хвиль

(V < а);

- швидкість тіла дорівнює швидкості звуку (V = а);

- швидкість тіла більша за швидкість звуку (V > а).

Розглянемо всі ці випадки. Для цього помістимо деяке тверде тіло з нескінченно малими розмірами (матеріальну точку А) у середовище, яке стискується (рис. 4.20).

Нехай ця точка А яким-небудь чином викликає невеликі збурення цього середовища, наприклад, коливається. У цьому випадку від неї будуть відходити сферичні хвилі, які поширюються у всі боки зі швидкістю звуку (рис. 4.20 а).

Якщо точка А знаходиться у середовищі, що рухається з деякою швидкістю (V< а) або сама точка починає рухатися з цією швидкістю, то утворені нею у різні моменти часу звукові хвилі будуть весь час знаходитися попереду цієї точки (ЛА) і значного впливу на опір її руху не робитимуть (рис. 4.20 б). При (V = а) матеріальна точка рухається з такою самою швидкістю, що й звукові хвилі, утворені нею. Крім того, звукові хвилі, утворені точкою в різний час, набігають одна на одну та зливаються у загальну хвилю. Літальний апарат при цьому рухається ніби на «гребні» цієї загальної хвилі (рис. 4.20 в). У цьому місці спостерігається різке зростання тиску повітря. Коли швидкість літального апарата більша за швидкість звуку (V> а), то літальний апарат обганяє свої звукові хвилі, пробиваючи їх (рис. 4. 20 г). Кожна нова звукова хвиля виходить за межі попередньої, при цьому обвідна цих хвиль являє собою хвилю, яка має форму конуса (конус збурення) з вершиною в точці А. Ця хвиля має назву балістична (ударна) хвиля. Зазвичай спостерігають дві балістичні хвилі (рис. 4.21):

головну (АА);

хвостову (ББ).

Механізм утворення індуктивного опору, а взагалі сам індуктивний опір, є дуже специфічним. Можна зазначити, що індуктивний опір є тією «оплатою» людства, яку ми віддаємо за право утворення на несучих поверхнях підіймальної сили.

Як відомо, крило утворює підіймальну силу завдяки тому, що тиск на нижню поверхню крила більший, ніж на верхню. Однак ці області потоку дуже близько розміщені одна біля іншої в області бокових кромок крила. У цьому місці потік повітря ніби «перетікає» з нижньої поверхні крила на верхню, при цьому частина потоку закручується. Закручений потік «сходить» з кінцівок крила й утворює вихрові шнури, що відходять далеко назад по потоку й захоплюють разом з собою сусідні шари повітря.