Чотири сили, що діють на літак
Лобове опір - сила. перешкоджає руху тіл в рідинах і газах. Лобове опір складається з двох типів сил: сил дотичного (тангенціального) тертя. спрямованих уздовж поверхні тіла, і сил тиску. спрямованих по нормалі до поверхні. Сила опору є дисипативної силою і завжди спрямована проти вектора швидкості тіла в середовищі. Поряд з підйомної силою є складовою повної аеродинамічної сили.
Сила лобового опору зазвичай представляється у вигляді суми двох складових: опору при нульовій підйомної силі і індуктивного опору. Кожна складова характеризується своїм власним безрозмірним коефіцієнтом опору і певною залежністю від швидкості руху.
Лобове опір може сприяти як обмерзання літальних апаратів (при низьких температурах повітря), так і викликати нагрівання лобових поверхонь ЛА при надзвукових швидкостях ударної іонізацією.
Траєкторії трьох об'єктів (кут запуску - 70 °, Distance - відстань, Height - висота). Чорний об'єкт не відчуває ніякого опору і рухається по параболі, на блакитний об'єкт діє закон Стокса. на зелений об'єкт - закон в'язкості Ньютона
Опір при нульовій підйомної силі
Ця складова опору не залежить від величини створюваної підйомної сили і складається з профільного опору крила, опору елементів конструкції літака, що не вносять вклад в підйомну силу, і хвильового опору. Останнє є суттєвим при русі з близько-і надзвуковою швидкістю, і викликано утворенням ударної хвилі, яка забирає значну частку енергії руху. Хвильовий опір виникає при досягненні літаком швидкості, відповідної критичного числа Маха. коли частина потоку, що обтікає крило літака, набуває надзвукову швидкість. Критичне число М тим більше, чим більше кут стріловидності крила, ніж більш загострена передня кромка крила і чим воно тонше.
Сила опору спрямована проти швидкості руху, її величина пропорційна характерною площі S, щільності середовища ρ і квадрату швидкості V:
Визначення характерною площі залежить від форми тіла:
- в найпростішому випадку (куля) - площа поперечного перерізу;
- для крил і оперення - площа крила / оперення в плані;
- для пропелерів і несучих гвинтів вертольотів - або площа лопатей, або ометаєма площа гвинта;
- для підводних об'єктів обтічної форми - площа смачиваемой поверхні;
- для довгастих тіл обертання. орієнтованих уздовж потоку (фюзеляж, оболонка дирижабля) - наведена Волюметричне площа, рівна V 2/3. де V - об'єм тіла.
Потужність, необхідна для подолання цієї складової сили лобового опору, пропорційна кубу швидкості (P = X 0 ⋅ V = C x 0 ρ V 3 2 S \ cdot V = C _ >> S>).
Індуктивний опір в аеродинаміці
Індуктивний опір (англ. Lift-induced drag) - це наслідок освіти підйомної сили на крилі кінцевого розмаху. Несиметричне обтікання крила призводить до того, що потік повітря збігає з крила під кутом до набігаючого на крило потоку (т. Н. Скіс потоку). Таким чином, під час руху крила відбувається постійне прискорення маси повітря, що набігає в напрямку, перпендикулярному напрямку польоту, і направленому вниз. Це прискорення, по-перше, супроводжується утворенням підйомної сили, а по-друге - призводить до необхідності повідомляти прискореному потоку кінетичну енергію. Кількість кінетичної енергії, необхідне для повідомлення потоку швидкості, перпендикулярної напрямку польоту, і буде визначати величину індуктивного опору.
На величину індуктивного опору впливає не тільки величина підйомної сили, а й її розподіл за розмахом крила. Мінімальне значення індуктивного опору досягається при еліптичному розподілі підйомної сили за розмахом. При проектуванні крила цього домагаються наступними методами:
- вибором раціональної форми крила в плані;
- застосуванням геометричній і аеродинамічній крутки;
- установкою допоміжних поверхонь - вертикальних законцовок крила.
Індуктивний опір пропорційно квадрату підйомної сили Y, і обернено пропорційно площі крила S, його подовження λ. щільності середовища ρ і квадрату швидкості V:
Таким чином, індуктивне опір вносить істотний внесок при польоті на малій швидкості (і, як наслідок, на великих кутах атаки). Воно також збільшується при збільшенні ваги літака.
Є сумою всіх видів сил опору:
Так як опір при нульовій підйомної силі X 0> пропорційно квадрату швидкості, а індуктивний X i> - обернено пропорційно квадрату швидкості, то вони вносять різний внесок при різних швидкостях. З ростом швидкості X 0> росте, а X i> - падає, і графік залежності сумарного опору X від швидкості ( «крива потрібної тяги») має мінімум в точці перетину кривих X 0> і X i>. при якій обидві сили опору рівні за величиною. При цій швидкості літак володіє найменшим опором при заданій підйомної силі (рівній вазі), а значить, найвищим аеродинамічним якістю.
Потужність, необхідна для подолання сили паразитного опору, пропорційна кубу швидкості, а потужність, необхідна для подолання індуктивного опору, обернено пропорційна швидкості, тому сумарна потужність теж має нелінійну залежність від швидкості. При деякій швидкості потужність (а значить, і витрата палива) стає мінімальною - це швидкість найбільшої тривалості польоту (баражування). Швидкість, при якій досягається мінімум відносини потужності (витрати палива) до швидкості польоту, є швидкістю максимальної дальності польоту або крейсерською швидкістю.
