На зорі авіації, будучи не в змозі пояснити процеси утворення підйомної сили, люди при створенні крил шукали підказки у природи і копіювали її. Перше, на що звернули увагу, - це особливості будови крил птахів.
Було відмічено, що всі вони мають опуклу поверхню нагорі і плоску або увігнуту внизу (див. Рис. 34). Чому ж природа надала пташиним крил таку форму? Пошуки відповіді на це питання лягли в основу подальших досліджень.
Мал. 34. Крило птиці
На малих швидкостях польоту повітряне середовище можна вважати несжимаемой. Якщо повітряний потік є ламінарним (безвихровим), то його можна розбити на безліч елементарних, що не сполучаються між собою цівок повітря.
У цьому випадку, відповідно до закону збереження матерії, через кожне поперечний переріз ізольованою цівки при сталому русі в одиницю часу протікає одна і та ж маса повітря. Площа перетину струмків може змінюватися. Якщо воно зменшується, то швидкість потоку в струмку збільшується. Якщо перетин цівки збільшується, то швидкість потоку зменшується (див. Рис. 35).
Мал. 35. Збільшення швидкості потоку при зменшенні перетину цівки газу
Швейцарський математик і інженер Данило Бернуллі вивів закон, що став одним з базових законів аеродинаміки і носить нині його ім'я: при сталому русі ідеального нестисливого газу сума кінетичної і потенційної енергій одиниці його обсягу є величина постійна для всіх перерізів однієї і тієї ж цівки.
Р - тиск в потоці (потенційна енергія),
- динамічний напір (кінетична енергія).
З наведеної формули видно, що якщо швидкість потоку в струмку повітря збільшується, то тиск в ній зменшується. І навпаки: якщо швидкість цівки зменшується, то тиск в ній збільшується (див. Рис. 35). V1
Тепер розглянемо докладніше процес обтікання крила. Верхня поверхня крила вигнута значно більше, ніж нижня. Це найважливіше обставина (див. Рис. 36).
Розглянемо цівки повітря, оточуючі верхню і нижню поверхні профілю. Профіль обтекается без завихрень. Молекули повітря в струмках, які підходять одночасно до передній крайці крила, повинні також одночасно відійти від задньої кромки.
На рис. 36 видно, що довжина траєкторії цівки повітря, оточуючої верхню поверхню профілю, більше, ніж довжина траєкторії обтікання нижній поверхні. Над верхньою поверхнею молекули повітря рухаються швидше і розташовуються рідше, ніж внизу. Виникає розрідження.
Різниця тисків під нижньою і над верхньою поверхнями крила призводить до появи додаткової підйомної сили. На відміну від пластини, при нульовому куті атаки на крилі з подібним профілем підйомна сила нульовий не буде.
Мал. 36. Обтікання несиметричного профілю
Найбільше прискорення обтекающего профіль потоку виникає над верхньою поверхнею поблизу передньої кромки. Відповідно там же спостерігається і максимальне розрідження. На рис. 37 показані епюри розподілу тиску по поверхні профілю.
Мал. 37. Епюри розподілу тиску по поверхні профілю
Ср - коефіцієнт тиску; Р - тиск в потоці; Р∞ - тиск в невозмущенном потоці; q∞ - швидкісний напір невозмущенного потоку; # 961; ∞ - щільність повітря в невозмущенном потоці; V∞ - швидкість незбуреного потоку.
Тверде тіло, взаємодіючи з потоком повітря. змінює його характеристики (тиск, щільність, швидкість). Під характеристиками невозмущенного потоку ми розуміємо характеристики потоку на нескінченно великій відстані від досліджуваного тіла, тобто там, де воно з потоком не взаємодіє - не обурюватися його.
Коефіцієнт Ср показує відносну різницю між тиском повітряного потоку на крило і атмосферним тиском в невозмущенном потоці. Там, де Ср <0, поток разрежен. Там, где Ср> 0, потік відчуває стиснення.
Особливо відзначимо точку А. Це критична точка. У ній відбувається поділ потоку. У цьому місці швидкість потоку дорівнює нулю і тиск максимально. Воно дорівнює тиску гальмування, а коефіцієнт тиску Ср = 1.
Р0 - тиск гальмування; Р∞ - тиск в невозмущенном потоці; q∞ - швидкісний напір невозмущенного потоку.
Розподіл тисків по профілю залежить від форми профілю, кута атаки і може істотно відрізнятися від наведеного на малюнку, але нам важливо запам'ятати, що на малих (дозвукових) швидкостях основний внесок в створення підйомної сили вносить розрідження, що утворюється над верхньою поверхнею крила на перших 25% хорди профілю.
З цієї причини в «великий» авіації намагаються не порушувати форму верхніх поверхонь крила. не розміщувати там місця підвіски вантажів, експлуатаційні люки. Нам також слід особливо уважно ставитися до збереження цілісності верхніх поверхонь крил апаратів, тому що знос і неакуратно поставлені заплатки істотно погіршують їх льотні характеристики. А це не просто зменшення летючості апарату. Це ще й питання забезпечення безпеки польотів.
На рис. 38 показані поляри двох несиметричних профілів. Неважко помітити, що ці поляри дещо відрізняються від поляри пластини. Це пояснюється тим, що при нульовому куті атаки на таких крилах підйомна сила буде ненульовий. На поляра профілю А відзначені точки, відповідні економічному (1), найвигіднішому (2) і критичного (3) кутах атаки.
Мал. 38. поляра несиметричних профілів крил
Виникає питання: який профіль краще? Відповісти на нього однозначно неможливо. Профіль [А] має менший опір, у нього більше, ніж у літатиме швидше і далі крила [Б]. Але є й інші аргументи. Профіль [Б] має великі значення Су. Крило з профілем [Б] зможе утримуватися в повітрі на менших швидкостях, ніж крило з профілем [А].
На практиці у кожного профілю є своя область застосування. Профіль [А] вигідний в далеких перельотах, там, де потрібні швидкість і летючість. Профіль [Б] корисніше там, де виникає необхідність утриматися в повітрі на мінімальній швидкості. Наприклад, при заході на посадку.
В «великий» авіації, особливо при проектуванні важких літаків, йдуть на істотні ускладнення конструкції крила заради поліпшення його злітно-посадочних характеристик. Адже велика посадкова швидкість тягне за собою цілий комплекс проблем, починаючи від значного ускладнення процесів зльоту і посадки і закінчуючи необхідністю побудови все більш довгих і дорогих злітних смуг на аеродромах. На рис. 39 зображений профіль крила, оснащеного предкрилки і двохщілистими закрилком.
Мал. 39. Механізація крила