Dans chaque bureau de conception aéronautique, il y a une histoire à propos d'une déclaration du concepteur en chef. Seul l'auteur de la déclaration change. Et cela ressemble à ceci: "J'ai eu affaire à des avions toute ma vie, mais je ne comprends toujours pas comment ce morceau de fer vole !". En effet, après tout, la première loi de Newton n'a pas encore été annulée, et l'avion est clairement plus lourd que l'air. Il est nécessaire de déterminer quelle force ne permet pas à une machine de plusieurs tonnes de tomber au sol.
Méthodes de transport aérien
Il y a trois façons de voyager:
- Aérostatique, lorsque le décollage du sol est effectué à l'aide d'un corps dont la gravité spécifique est inférieure à la densité de l'air atmosphérique. Ce sont des ballons, dirigeables, sondes et autres structures similaires.
- Réactif, qui est la force brute d'un courant-jet provenant d'un carburant combustible, qui permet de vaincre la force de gravité.
- Et, enfin, la méthode aérodynamique de création de portance, lorsque l'atmosphère terrestre est utilisée comme substance de support pour les véhicules plus lourds que l'air. Les avions, les hélicoptères, les autogires, les planeurs et, soit dit en passant, les oiseaux se déplacent en utilisant cette méthode particulière.
Forces aérodynamiques
Un avion se déplaçant dans les airs est affecté par quatre forces multidirectionnelles principales. Classiquement, les vecteurs de ces forces sont dirigés vers l'avant, vers l'arrière, vers le bas et vers le haut. C'est presque un cygne, un cancer et un brochet. La force qui pousse l'avion vers l'avant est générée par le moteur, vers l'arrière est la force naturelle de la résistance de l'air et vers le bas est la gravité. Eh bien, au lieu de laisser tomber l'avion - la portance générée par le flux d'air dû au flux autour de l'aile.
Ambiance standard
L'état de l'air, sa température et sa pression peuvent varier considérablement dans différentes parties de la surface de la terre. En conséquence, toutes les caractéristiques des aéronefs seront également différentes lors du vol à un endroit ou à un autre. Par conséquent, par commodité et pour ramener toutes les caractéristiques et les calculs à un dénominateur commun, nous avons convenu de définir l'atmosphère dite standard avec les paramètres principaux suivants: pression 760 mm Hg au-dessus du niveau de la mer, densité de l'air 1,188 kg par mètre cube, vitesse de son 340,17 mètres par seconde, température +15 ℃. Lorsque l' altitude augmente, ces paramètres changent. Il existe des tableaux spéciaux qui révèlent les valeurs des paramètres pour différentes hauteurs. Tous les calculs aérodynamiques, ainsi que la détermination des caractéristiques de performance de l'avion, sont effectués à l'aide de ces indicateurs.
Le principe le plus simple pour créer un lift
Si dans le flux d'air venant en sens inversepour placer un objet plat, par exemple, en collant la paume de la main par la fenêtre d'une voiture en mouvement, vous pouvez sentir cette force, comme on dit, "sur vos doigts". En tournant la paume sous un petit angle par rapport au flux d'air, on sent immédiatement qu'en plus de la résistance de l'air, une autre force est apparue, tirant vers le haut ou vers le bas, selon le sens de l'angle de rotation. L'angle entre le plan du corps (dans ce cas, les paumes) et la direction du flux d'air s'appelle l'angle d'attaque. En contrôlant l'angle d'attaque, vous pouvez contrôler la portance. On peut facilement voir qu'avec une augmentation de l'angle d'attaque, la force poussant la paume vers le haut augmentera, mais jusqu'à un certain point. Et lorsqu'il atteint un angle proche de 70-90 degrés, il disparaît complètement.
Aile d'avion
La surface portante principale qui crée la portance est l'aile de l'avion. Le profil de l'aile est généralement incurvé en forme de larme, comme indiqué.
Lorsque l'air circule autour de l'aile, la vitesse de l'air passant le long de la partie supérieure de l'aile dépasse la vitesse du flux inférieur. Dans ce cas, la pression d'air statique au sommet devient plus faible que sous l'aile. La différence de pression pousse l'aile vers le haut, créant de la portance. Par conséquent, pour assurer la différence de pression, tous les profils d'aile sont rendus asymétriques. Pour une aile à profil symétrique à incidence nulle, la portance en palier est nulle. Avec une telle aile, la seule façon de la créer est de changer l'angle d'attaque. Il existe un autre composant de la force de levage - inductif. Elle estest formé en raison de l'inclinaison vers le bas du flux d'air par la surface inférieure incurvée de l'aile, ce qui entraîne naturellement une force inverse vers le haut agissant sur l'aile.
Calcul
La formule pour calculer la force de portance d'une aile d'avion est la suivante:
Y=CyS(PV 2)/2
Où:
- Cy - coefficient de portance.
- S - zone de l'aile.
- V - vitesse du flux libre.
- P - densité de l'air.
Si tout est clair avec la densité de l'air, la surface de l'aile et la vitesse, alors le coefficient de portance est une valeur obtenue expérimentalement et n'est pas une constante. Il varie en fonction du profil de l'aile, de son rapport d'aspect, de l'angle d'attaque et d'autres valeurs. Comme vous pouvez le voir, les dépendances sont principalement linéaires, à l'exception de la vitesse.
Ce mystérieux coefficient
Le coefficient de portance de l'aile est une valeur ambiguë. Des calculs complexes en plusieurs étapes sont encore vérifiés expérimentalement. Cela se fait généralement dans une soufflerie. Pour chaque profil d'aile et pour chaque angle d'attaque, sa valeur sera différente. Et puisque l'aile elle-même ne vole pas, mais fait partie de l'avion, de tels tests sont effectués sur les copies réduites correspondantes des modèles d'avion. Les ailes sont rarement testées séparément. Selon les résultats de nombreuses mesures de chaque aile particulière, il est possible de tracer la dépendance du coefficient sur l'angle d'attaque, ainsi que divers graphiques qui reflètent la dépendanceportance de la vitesse et du profil d'une aile particulière, ainsi que de la mécanisation libérée de l'aile. Un exemple de graphique est présenté ci-dessous.
En fait, ce coefficient caractérise la capacité de l'aile à convertir la pression de l'air entrant en portance. Sa valeur habituelle est de 0 à 2. Le record est de 6. Jusqu'à présent, une personne est très loin de la perfection naturelle. Par exemple, ce coefficient pour un aigle, lorsqu'il se lève du sol avec un gopher attrapé, atteint une valeur de 14. Il ressort clairement du graphique ci-dessus qu'une augmentation de l'angle d'attaque entraîne une augmentation de la portance à certaines valeurs d'angle. Après cela, l'effet est perdu et va même dans la direction opposée.
Décrochage du débit
Comme on dit, tout est bon avec modération. Chaque aile a sa propre limite en termes d'angle d'attaque. L'angle d'attaque dit supercritique conduit à un décrochage sur l'extrados de l'aile, la privant de portance. Le décrochage se produit de manière inégale sur toute la surface de l'aile et s'accompagne de phénomènes correspondants extrêmement désagréables tels que des secousses et une perte de contrôle. Curieusement, ce phénomène ne dépend pas beaucoup de la vitesse, bien qu'il affecte également, mais la principale raison de l'apparition du décrochage est une manœuvre intensive, accompagnée d'angles d'attaque supercritiques. C'est à cause de cela que le seul crash de l'avion Il-86 s'est produit, lorsque le pilote, voulant "se montrer" sur un avion vide sans passagers, a brusquement commencé à monter, ce qui s'est terminé tragiquement.
Résistance
Hand in hand with lift vient drag,empêchant l'avion d'avancer. Il se compose de trois éléments. Il s'agit de la force de frottement due à l'effet de l'air sur l'aéronef, de la force due à la différence de pression dans les zones avant et arrière de l'aile, et de la composante inductive discutée ci-dessus, puisque le vecteur de son action est dirigé non seulement vers le haut, contribuant à une augmentation de la portance, mais aussi vers l'arrière, étant un allié de la résistance. De plus, l'une des composantes de la résistance inductive est la force qui se produit en raison du flux d'air à travers les extrémités de l'aile, provoquant des flux tourbillonnaires qui augmentent le biseau de la direction du mouvement de l'air. La formule de traînée aérodynamique est absolument identique à la formule de force de portance, à l'exception du coefficient Su. Il se transforme en coefficient Cx et est également déterminé expérimentalement. Sa valeur dépasse rarement un dixième de un.
Rapport goutte à goutte
Le rapport entre la force de portance et la force de traînée est appelé qualité aérodynamique. Une caractéristique doit être prise en compte ici. Puisque les formules de la force de portance et de la force de traînée, à l'exception des coefficients, sont les mêmes, on peut supposer que la qualité aérodynamique de l'aéronef est déterminée par le rapport des coefficients Cy et Cx. Le graphique de ce rapport pour certains angles d'attaque s'appelle la polaire de l'aile. Un exemple d'un tel tableau est illustré ci-dessous.
Les avions modernes ont une valeur de qualité aérodynamique d'environ 17-21, et les planeurs - jusqu'à 50. Cela signifie que sur les avions, la portance des ailes est dans des conditions optimales17 à 21 fois supérieure à la force de résistance. Comparé à l'avion des frères Wright, qui obtient une note de 6,5, le progrès de conception est évident, mais l'aigle avec le malheureux gopher dans ses pattes est encore loin.
Modes de vol
Différents modes de vol nécessitent un rapport portance/traînée différent. En vol en palier de croisière, la vitesse de l'avion est assez élevée, et le coefficient de portance, proportionnel au carré de la vitesse, est à des valeurs élevées. L'essentiel ici est de minimiser la résistance. Lors du décollage et surtout de l'atterrissage, le coefficient de portance joue un rôle déterminant. La vitesse de l'avion est faible, mais sa position stable dans les airs est requise. Une solution idéale à ce problème serait la création d'une aile dite adaptative, qui change sa courbure et même sa surface en fonction des conditions de vol, à peu près de la même manière que les oiseaux. Jusqu'à ce que les concepteurs réussissent, la modification du coefficient de portance est obtenue en utilisant la mécanisation de l'aile, qui augmente à la fois la surface et la courbure du profil, ce qui, en augmentant la résistance, augmente considérablement la portance. Pour les avions de chasse, une modification du balayage de l'aile a été utilisée. L'innovation a permis de réduire la traînée à haute vitesse et d'augmenter la portance à basse vitesse. Cependant, cette conception s'est avérée peu fiable et, récemment, des avions de première ligne ont été fabriqués avec une aile fixe. Une autre façon d'augmenter la force de portance d'une aile d'avion consiste à souffler en plus l'aile avec un flux provenant des moteurs. Cela a été mis en œuvre dans l'arméeLes avions de transport An-70 et A-400M, qui, en raison de cette propriété, se distinguent par des distances de décollage et d'atterrissage raccourcies.
