Основы аэродинамики летательных аппаратов. Основы динамики полета

Иркутский филиал федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технический университет гражданской авиации» (МГТУ ГА) Методическая разработка Кафедра ЛА и Д ЛЕКЦИЯ № 1 по дисциплине Основы авиации для студентов специальности 230301 Иркутск 2017г. ЛЕКЦИЯ № 1 Тема 1. Основы аэродинамики летательных аппаратов Тема 2. Основы динамики полета ЛА 1. Воздушное судно, как основное звено в авиационной транспортной системе Авиационная транспортная система (АТС) – это совокупность воздушных судов (ВС), наземных средств обеспечения полётов и авиационного персонала. ВС – это летательный аппарат, поддерживаемый в атмосфере за счёт взаимодействия с воздухом отличным от взаимодействия с воздухом, отраженным от поверхности земли или воды. ВС это не воздушный шар, не экраноплан, а это объект, который за счёт движения в атмосфере создает силы, необходимые для его поддержания в воздухе. Трудно представить, но это факт, когда летательный аппарат имеет массу в сотни тонн, но не падает на землю, а совершает полет над ней. За счёт чего? Предварительно заметим, что ни одна отрасль науки и техники не развивалась так бурно и стремительно, как авиация. Avis (лат.) – птица. Изучая историю создания ВС, их развитие до сегодняшнего поколения ВС различного предназначения и схем мы убеждаемся в наличии в них одних и тех же конструктивных, массовых и аэродинамических решений, которые и обусловили их полёт в атмосфере. Этими элементами, как правило, являются: фюзеляж ВС – предназначен для размещения в нём топлива, грузов, пассажиров, двигателей и т.п. крыло ВС – это главный элемент конструкции, совершенство которого обуславливает создание сил необходимых для поддержания ВС в воздухе, его полёта и маневрирования (управления). На крыле располагаются элероны. оперение ВС – это аэродинамические поверхности, которые обеспечивают устойчивость ВС, его балансировку и управление. горизонтальное оперение – стабилизатор с закрепленными на нём рулями высоты (глубины). вертикальное оперение – киль с рулём направления. Таким образом, основным элементом ВС, создающим подъёмную силу (силу поддержания ВС в воздухе) является крыло. Именно крыло позволяет нам реализовать соотношение сил такое, когда подъёмная сила будет не меньше массы ВС (силы тяжести, веса). За счёт чего создаются силы на крыле и в целом на ВС? За счёт его движения и реализации основных законов аэромеханики. 2. Основы аэродинамики (аэромеханики) ВС Характеристика и строение атмосферы Полеты ВС происходят в атмосфере Земли, поэтому при создании и эксплуатации ВС необходимо учитывать строение и параметры атмосферы (давление, плотность, температуру). Атмосферой называют газовую оболочку Земли, которая благодаря воздействию гравитационного поля Земли удерживается ею и вращается вместе с планетой как единое целое. Воздух, составляющий атмосферу, представляет собой механическую смесь газов. Плотность воздуха и атмосферное давление имеют максимальное значение у поверхности Земли, а с подъемом на высоту они постепенно уменьшаются. В нижних слоях атмосферы содержание газов в объемных долях следующее: азот (N2) ~ 78 %, кислород (O2) ~ 21 %, ар­гон (Ar) ~ 0,93 %, другие газы (в том числе CO2 - углекислый газ) ~ 0,07 %. До высоты 90 км относительный состав основных компонентов атмосферы практически не изменяется. Кроме газов в нижних слоях атмосферы содержится большое количество паров воды, а также пыль, различные химические соедине­ния (особенно над городами и промышленными центрами). Атмосфера Земли имеет четкое слоистое строение. При этом под влиянием центробежных сил, возникающих при вращении планеты, атмосфера, как и сама Земля, сплющена у полюсов, а в районе экватора имеет несколько большую толщину. Нижний слой атмосферы (от поверхности Земли до высоты 8 км над полюсами и 18 км над экватором) называется тропосферой. Тропопауза, как и другие п а у з ы (переходные зоны между основными слоями атмосферы) отделяет тропосферу от следующего слоя - стратосфер ы, которая простирается до высоты приблизительно 55 км. Интересно отметить, что в верхних слоях стратосферы температура повышается до + 0,8° С. Это происходит из-за поглощения молекулами озона и кислорода, находящими­ся на этих высотах, ультрафиолетового излучения Солнца. Выше стратосферы располагается мезосфера. Она доходит до высоты 80 км, и в ней снова происходит постепенное понижение температуры до - 88° С. Далее до высоты 800 км следует термосфера. В этом слое лучи Солнца, ионизируя воздух, доводят его температуру до + 750° С. Но вследствие малой плотности воздуха в термосфере эта высокая температура не оказывает заметного воздействия на находящиеся здесь тела. Из-за сильной ионизации воздуха часть атмосферы на высотах 40...800 км (в основном мезосфера и термо­сфера) получила название ионосферы. Выше 800 км над поверхностью Земли находится экзосфера, которая является переходной зоной к космическому пространству. Практическое значение для авиации в настоящее время имеют нижние слои атмосферы: тропосфера и нижняя часть стратосферы (до высо­ты 20 км). Основными параметрами, характеризующими состояние воздуха, являются: – давление; – температура; – плотность воздуха. Эти параметры изменяются по высоте, месту наблюдения (космос или экватор земли), времени года, суток и т.д. Для удобства расчетов и анализа введено понятие «Международная стандартная атмосфера» (МСА), которое на уровне моря характеризует воздух следующими параметрами: - температура: t=15°C - давление: Р=1,033·105Па (760 мм рт.ст.) - плотность: ρ=1,225 кг/м3 С подъёмом на высоту давления воздуха уменьшается с 760 мм рт.ст. до ~ 0,7 мм рт.ст. на высоте более 50 км, температура понижается с +15°С до -56,5°С на высоте 25…30 км. Для воздуха характерны такие свойства как вязкость, проявляющаяся в возникновении сил трения между частицами и слоями воздуха (струями) и сжимаемость – способность воздуха изменять свой объём и плотность при изменении температуры и внешнего давления. Основные законы аэродинамики (аэромеханики) а) Уравнение неразрывности Закон сохранения массы (М.В. Ломоносов) секундная масса в любом сечении есть величина постоянная: m=ρVS=const – уравнение неразрывности. б) Закон Бернулли Этот закон предполагает использование закона сохранения энергии: при установившемся сечении воздуха полная энергия воздуха струи постоянна. Характеристикой сжимаемости воздуха для движущегося воздуха является число M (Maxa) где V – скорость движения, a – скорость звука. При М=0,3…0,4 сжимаемость воздуха является очень малой, и такие скорости называют малыми дозвуковыми. При М > 0,3…0,4 < Мкр больше дозвуковых; М ≈ 1 – околозвуковые (трансзвуковые); М > 1 – сверхзвуковые; М >>> 1 – гиперзвуковые. Аэродинамические силы и характеристики крыла Основными частями самолета являются: крыло, фюзеляж, оперение, шас­си, силовая установка (рис. 9), а также система управления и бортовое оборудо­вание. В данном разделе нас интересуют, прежде всего, те части самолета, ко­торые непосредственно взаимодействуют с набегающим потоком воздуха и со­здают основную долю аэродинамических сил, т.е. крыло, фюзеляж и оперение. Шасси и силовая установка, как правило, тоже обтекаются потоком воздуха, но в данном курсе мы не будем заострять на этом внимание. Основным элементом в конструкции ВС создающим аэродинамические силы, удерживающие ВС в полёте, является крыло. Крыло - это аэродинамическая поверхность, составляющая 30…50% конструкции планера ВС. Сегодня можно увидеть крылья площадью несколько сотен м2. Внешние формы крыла можно охарактеризовать геометрическими характеристиками, например,: А) форма крыла в плане (виде сверху): – прямоугольные – трапециевидные – стреловидные – треугольные – оживальные В сентябре 1958 г. британская фирма Fairey выступила с предложением создать экспериментальный самолет (на базе самолета F.D.2) с целью исследования крыла новой формы, которое использовано в проекте пассажирского сверхзвукового самолета, разработанном ранее фирмой Hawker Siddeley. Однако лишь в июле 1960 г. программа была конкретизирована. Разработка и строительство прототипа были поруче... Экспериментальный самолет с оживальным крылом, СССР (1968) Микоян, Гуревич МиГ-21И (А-144) Аналог (ОКБ Микояна, Гуревича) В 1964 году на базе МиГ-21С началась разработка самолета-аналога А-144, аэродинамическая компоновка крыла которого повторяла форму несущей поверхности сверхзвукового пассажирского лайнера Ту-144. Самолет предназначался для исследований взлетно-посадочных характеристик "бесхвостки".Разработка "Аналога" осуществлялась в конструкторском бюро Горьковского авиационного завода. – элиптические – размах крыла – это наибольшее расстояние между концевыми точками крыла – площадь крыла – это площадь крыла в плане, включая «фюзеляжную часть» (׀׀׀׀); – удлинение крыла – отношение квадрата размаха крыла к площади крыла: – угол стреловидности – угол между перпендикуляром к вектору скорости и линией 25% хорд крыла; – сужение крыла – отношение корневой хорды вкорн к концевой хорде вконц; – профиль крыла – это форма сечения крыла в плоскости симметрии ВС Б) характеристики профиля: – «в» - хорда, отрезок соединяющий переднюю и заднюю точки профиля; – относительная частица профиля: Формы профилей крыла: – выпукло-вогнутый – двояковыпуклый – плосковыпуклый – ромбовидный – клиновидный Угол стреловидности крыла % - угол между линией четвертей хорд крыла и плоскостью, перпендикулярной корневой хорде. При описании геометрии крыла обычно используются также углы стреловидности крыльев по передней кромке %п.к и по задней кромке %з.к (рис. 13). Если % Ф 0, то крыло яв­ляется стреловидным. У современных пассажирских и транспортных самолетов % = 20...350. Форма крыла при виде спереди характеризуется углом у между базовой плоскостью крыла и линией четвертей хорд полукрыла (рис. 15). Как правило, линия четвертей хорд крыла располагается таким образом, что напоминает своими очертаниями латинскую букву «V». Поэтому угол у называют углом поперечного «V» крыла Аэродинамические силы крыла Аэродинамические силы возникают в результате взаимодействия любого тела с обтекающим его потоком. Природа их возникновения была открыта и подробно изучена Н.Е. Жуковским. Его теорема о подъёмной силе является одним из основных положений аэродинамики. Картина обтекания крыла симметричного профиля выглядит следующим образом: Верхние и нижние струйки деформируются одинаково, следовательно, скорости потока сверху профиля и снизу в соответствующих сечениях будут одинаковы, а, следовательно, будут одинаковы и давления в соответствующих сечениях под и над профилем (крылом). Картина обтекания несимметричного профиля выглядит иначе: Верхние струйки, сжимаясь, будут увеличивать свою скорость на много большую величину, чем у скорости нижних струек. Значит, давление профиля будет на много ниже, чем снизу и вследствие разности давлений возникнет аэродинамическая сила, направленная под некоторым углом вверх: Точка приложения полной аэродинамической силы R называется центром давления (ц.д.). Проекция силы на направление потока обозначается X(Q) и называется силой лобового сопротивления, а проекция, направленная перпендикулярно потоку – подъёмной силой Y: , , , где СR,, СY, СX – безразмерные коэффициенты определяемые опытным путем. Они зависят от формы крыла, угла атаки, чисел М и Re. От наличия скольжения (поток настигает со скосом). Эти коэффициенты не зависят от скоростного напора и площади крыла, т.е. геометрически подобные крылья (профили) имеют одинаковые коэффициенты СR,, СY, СX (при одинаковых углах атаки М и Re). Несущие свойства крыла, его аэродинамическое совершенство характеризуется аэродинамическим качеством: Из данной формулы следует, что аэродинамическое качество тем выше, чем больше подъёмная сила Y (или коэффициент подъёмной силы CY) меньше силы лобового сопротивления X (или CX). Сила Y является следствием разницы давления под и над крылом, а сила Х образуется из: – силы трения воздуха о поверхность крыла - Хтр (Стр); – силы сопротивления давления – Хд (Схд); X=Xтр+Хд Сх=Схтр+Схд Обычно коэффициент силы лобового сопротивления представляется в виде: Сх=Схо+Схi , (X=Xo +Хi) где Схо – коэффициент лобового сопротивления при нулевой подъёмной силе; Схi – коэффициент лобового сопротивления, обусловленного разницей давления под и над крылом. Схi – коэффициент индуктивного сопротивления. Индуктивное сопротивление возникает вследствие разности давлений и последующего перетекания воздуха из области повышенного давления в область пониженного давления Вследствие сбегания вихрей с поверхности крыла возникает скос потока и это вызывает отклонение вектора Y и образование составляющей Хi (Схi), направленной назад по полёту, т.е. силы сопротивления. Таким образом, основным объектом в АТС является ВС, которое вследствие взаимодействия с воздухом создает подъёмную силу и силу лобового сопротивления. Основная доля этих сил создается крылом – несущей поверхностью ВС. 2.2.4. Механизация крыла В ряде случаев необходимо получать подъёмную силу за счет применения специальной механизации. Причём увеличение подъёмной силы осуществляется при неизменном ограниченном угле атаки. Такая задача возникает, как правило, при полете с малыми скоростями на этапах взлета и посадки. Механизация крыла позволяет изменять или геометрию крыла, либо энергетически воздействовать на поток воздуха. В первом случае в качестве механизации используют: предкрылки, отклоняемые носки, щитки-закрылки, щелевые закрылки, изменение угла стреловидности крыла в полёте: Щиток: Cy увеличивается на 20…40%. Закрылок: При отклонении закрылка увеличивается кривизна профиля, это ведет к росту Су, а воздух, проходящий по щели (щелям) увеличивает скорость и отсасывает пограничный слой с самого закрылка «затягивая» срыв потока: Многощелевые закрылки позволяют увеличить Су на 70…80%. Предкрылок (отклоняемый носок): воздушный поток разгоняется в щели и прижимается к верхней поверхности крыла, «затягивая» срыв со всей верхней, а особенно на больших углах атаки, с передней части крыла: Газодинамический щиток (закрылок): 2.3. Основы динамики полёта ВС 2.3.1. Общая характеристика движения ВС В общем случае ВС можно рассматривать как свободное тело в пространстве, которое может совершать: – поступательное движение центра тяжести ВС; – вращательное движение ВС вокруг центра масс. Для описания характера движения ВС необходимо задать систему координат, в которой рассматривается или движение центра масс или его вращение относительно центра масс. При изучении поступательного движения используется прямоугольная подвижная система координат определенным образом ориентированная относительно траектории. Начало координат – в центре тяжести ВС. Ось ОХ – по вектору скорости, ось ОY – перпендикулярно оси ОХ в вертикальной плоскости, ось OZ – перпендикулярно плоскости XOY и направлена вправо (по полету). Угол между осью ОХ (вектором скорости) и горизонтальной плоскостью называют углом наклона траектории Θ: Угол между продольной осью ВС и горизонтальной плоскостью называют углом тангажа υ. Угол между вертикальной плоскостью (осью Y) и плоскостью симметрии ВС называют углом крена γ: Поступательное движение ВС можно рассматривать как движение центра масс (ЦМ) под действием сил: – подъёмной силы Y, перпендикулярной вектору скорости и расположенной в плоскости симметрии самолета; – силы лобового сопротивления Х, направленной по вектору скорости в противоположную движению ВС сторону; – силы тяжести; – тяги двигателя 2.3.2 Основные этапы полёта ВС а) горизонтальный прямолинейный установившийся полёт Θ=const=0°. V=const Условия данного полёта: Y=G P=Q Для осуществления горизонтального установившегося полёта необходимо на каждой скорости обеспечить равенство тяги лобовому сопротивлению. Весь диапазон: Vmin доп – минимально допустимая скорость, Vmах доп – максимально допустимая скорость. на диапазоне высот и скоростей полёта. б) Взлёт, набор высоты Взлёт – движение ВС по земле, отрыв и набор безопасной высоты (Нусл.≈25 м): Схема сил, действующих на ВС при наборе высоты: Y = G cos Θ; ρ = X + G sin Θ; в) Снижение, посадка Схема сил, действующих на ВС при снижении: Y = G sin Θ; X = P + G cos Θ; Посадка – этап полёта со снижением, до полной остановки ВС после разбега: При криволинейном движении ВС в вертикальной плоскости на него действуют те же силы, однако, их величина – (Y и G) в случае неравенства проекций на ось OY будут определять и характер движения: Для маневрирования ВС в горизонтальной плоскости боковые силы (Z) создаются соответствующими рулевыми поверхностями, но это будет рассмотрено ниже. 2.3.3. Понятие о перегрузке Для анализа движения ВС в ряде случаев удобно пользоваться не абсолютными, а относительными значениями сил, приходящихся на единицу массы ВС. Перегрузкой называется – отношение поверхностных сил, действующих на ВС к массе ВС: ; где – аэродинамические силы – тяга двигателя. В зависимости от направления действия сил на ВС (их проекций на соответствующие плоскости) различают: – нормальную перегрузку – отношение подъёмной силы к весу ВС: – продольную перегрузку – отношение сил действующих вдоль оси Х к весу ВС: , где Р – тяга двигателя; Х – сила лобового сопротивления; – боковую перегрузку – отношение сил, действующих вдоль оси Z весу ВС: Перегрузки могут быть положительными (их вектор – по направлению соответствующей оси координат) и отрицательными. В горизонтальном прямолинейном установившемся полёте, когда Y=G, P=X: ; . При движении в вертикальной плоскости: если траектория искривляется вверх; если траектория искривляется вниз. Величина перегрузки имеет ограничения: – по прочности конструкции ; – по физиологическим возможностям человека ; – по обеспечению нормальной работы функциональных систем ВС (топливной системы). Таким образом, несущие свойства крыла (самолета) могут быть графически интерпретированы полярой – зависимостью Су от Сх, вид которой определяется формой крыла (профиля), скоростью полёта и другими факторами. Изменяя соотношение сил, действующих на ВС в каждой плоскости системы координат можно задавать соответствующую траекторию движения ВС.