La fuerza de elevación del ala. Parte 2
Monin Ilya Alekseevich, Ph.D., imoninpgd@gmail.comPara comprender el orden de desarrollo de la "aviación" como rama de la industria y la "aerodinámica" como ciencia, es necesario recordar que primero apareció el primer avión construido por ingenieros entusiastas en una corazonada (ver fig. 11), y solo entonces comenzaron a aparecer los teóricos, que luego crearon disciplina "Aerodinámica" basada en los resultados de la creación de ingenieros de diseño.
En la imagen, el avión creado por el automovilista Henri Farman es una alteración del pequeño avión comprado de Voisin. Al mismo tiempo, el avión inicial de los hermanos Voisin comenzó a producirse solo en 1907. En el momento de la compra de Farman, los aviones de Voisin solo podían rebotar ligeramente y volar unas pocas decenas de metros. Farman, después de una serie de alteraciones de la aeronave original, logró la oportunidad de volar más de 1000m, sin dejar de girar y hacer un círculo para aterrizar. El vuelo récord de Farman tuvo lugar el 13 de enero de 1908. Y ya en 1909, la compañía de los hermanos Farman abrió su propia producción de aviones de su propio diseño y una escuela de vuelo para enseñarles el arte de volar sobre ellos (ver figura 12). La velocidad de vuelo de Farman era de unos 60 km / h, que se mostró en un vuelo récord a una distancia de 180 km, superada en 3 horas de vuelo.
Fig.11. Una maqueta del avión de Voisin convertida para un vuelo récord por Farman en 1907-1908.
Fig. 12. El diseño de la aeronave "Farman IV-1910". en el museo, y una foto de una muestra genuina en el aeropuerto.Está claro que los primeros primeros aviones fueron de baja potencia, ligeros y de baja velocidad.
Estos parámetros corresponden a los primeros perfiles delgados cóncavos convexos, más similares a la lámina de madera contrachapada curvada más simple, y no a un perfil complejo con un error de cálculo teórico profundo.
Como referencia, doy una ilustración de la transformación de los perfiles de ala desde principios del siglo XX hasta la industria de la aviación completamente desarrollada a mediados de los años 40. (ver figura 13)
Fig.13. Tendencias en el perfil del ala de la aeronave de la primera mitad del siglo XX.Después del primer avión experimental ligero, se produjo un rápido aumento en el tamaño y la masa de los aviones para el transporte de una carga útil cada vez mayor. Las alas delgadas no podían soportar tal escala y peso de ninguna manera que requiriera la instalación de vigas altas y fuertes dentro del ala, y el ala misma debería hacerse convexa plana o incluso doblemente convexa para ocultar la viga de soporte detrás del dobladillo aerodinámico del ala.
Ya en los años 20, todos los perfiles de ala adquirieron un aspecto completamente moderno.
En la década de 1940, la industria de la aviación se había desarrollado tanto que comenzó a producir una armada completa de aviones capaces de convertir ciudades enteras en polvo. Pero con un desarrollo tan explosivo de las capacidades de producción, la base teórica se mantuvo extremadamente débil.
Para los años 30, la intensidad del desarrollo de la aviación ya no permitía construir nuevos aviones en una "corazonada", sino que requería la construcción de una base experimental poderosa para volar partes de aviones, modelos a gran escala y aviones completamente en tierra en enormes túneles de viento (ADT).
Entonces, en TsAGI en 1939, se lanzó el T-101, el túnel de viento más grande en ese momento (el segundo en el mundo ahora), lo que hizo posible examinar todo el avión en tierra a velocidades de vuelo relevantes en ese momento.
Velocidad de flujo 5–52 m / s
Re número por 1 ma 3.6 ∙ 106
Presión atmosférica total
Presión de carga hasta 1.7 kPa
Temperatura ambiente de frenado
Rango de ángulo de ataque (α) ± 20 °
Rango de ángulos de deslizamiento (β) ± 180 °
Dimensiones de la parte de trabajo:
Sección de boquilla (elipse) 24x14 m
La longitud de la parte de trabajo es de 24 m.
Dimensiones de los objetos de prueba:
Envergadura del ala: hasta 18 m.
Longitud del fuselaje: hasta 30 m
Área de ala: hasta 35 m2
Desde entonces, los aviones se han vuelto mucho más grandes, y las velocidades de vuelo han sido mucho más rápidas, por lo que ningún avión moderno puede caber en el T-101 ADT en su conjunto, y en el ADT más moderno y rápido, solo los diseños reducidos a gran escala o los elementos estructurales se soplan por separado.
Es cierto que poco ha cambiado en teoría desde principios del siglo pasado, por lo que ya a fines del siglo XX los diseñadores de aviones comenzaron a reinventar lo que los diseñadores de principios y mediados del siglo XX ya habían pasado, pero los teóricos no lo habían explicado. Por ejemplo, daré una vista de perfil del ala de un avión acrobático, que se consideró el mejor en la década de 1980 (ver figura 14).
Fig.14. Uno de los perfiles de ala del catálogo de Perfiles de Aviación.El mismo tren de pensamiento recurrente también se observa entre los grandes modelos de equipos voladores; esto se reflejó en la creación de monstruos ekranoplanes en los años 60 y 80 (Fig. 15), que no son distinguibles de los aviones gigantes de finales de los años 30 (Fig. 16).
Al mismo tiempo, el efecto de pantalla en sí se descubrió a principios de los años 30 en el momento del aterrizaje de grandes aviones multimotor con una gran cuerda del ala.
Además, el efecto de pantalla se manifestó claramente durante el aterrizaje del avión ANT-25 de largo alcance récord, cuando durante un vuelo de prueba en 1933 el avión simplemente no pudo aterrizar, y cuando las ruedas tocaron ligeramente las ruedas, el avión rebotó y despegó nuevamente. Para eliminar este efecto y garantizar un aterrizaje silencioso, incluso fue necesario instalar aletas de freno retráctiles especiales, que empeoran drásticamente las cualidades de vuelo del ala durante el aterrizaje.
El acorde del ala en la parte más ancha de la raíz del ANT-25 excedió la altura del tren de aterrizaje, creando así las condiciones ideales para la formación de un efecto de pantalla bajo un ala ancha de bajo vuelo. Al mismo tiempo, durante el aterrizaje con tanques vacíos con un peso de avión de 4000 kg y un área de ala de 88 m2, la carga promedio de ala en vuelo se creó a menos de 50 kg / m2, lo que corresponde a una presión de velocidad de 500 Pa creada a una velocidad de 104 km / h (29 m / s) para volar en la pantalla Vale la pena señalar que el avión de esa época voló extremadamente lento (según los estándares modernos), por lo que el récord ANT-25 tenía una velocidad de crucero de aproximadamente 165 km / h (máx. 246 km / h en altitud), con un rango de vuelo de 10-12 mil km y una duración de 75- 80 horas seguidas.
A.
B.
B.
Fig.15. Peluca "Monstruo Caspio": a.) En vuelo. B.) Todavía en el agua, cara completa. c.) Estacionaria en proyección frontal.A.
B.
Figura 16. Avión gigante ANT-20 "Maxim Gorky", 1939 a) Sección esquemática. B) Fotos en el aeropuerto y durante el aterrizaje.Zonas estancadas durante el flujo de aire alrededor de cuerpos de forma compleja como una herramienta para formar un perfil de ala virtual.
A menudo hay casos. Cuando es necesario construir líneas de flujo de aire alrededor de cuerpos cuya forma difícilmente se pueda llamar aerodinámica.
Está claro que el aire no fluirá obedientemente alrededor de todas las esquinas y surcos del cuerpo, sino que irá con suaves giros, rayando sobre los hoyos y llenándolos con vórtices de flujos rasgados de zonas estancadas.
Si tenemos en cuenta la presencia de zonas estancadas como volúmenes sólidos adicionales del perfil en sí mismo, entonces la geometría del flujo alrededor de los elementos aerodinámicos que conocemos tomará una forma completamente diferente.
Es interesante que dicho método para encontrar un prototipo de ala condicional equivalente también se use en la aerodinámica aplicada existente. En cualquier caso, el método de construir un "cuerpo semi-infinito ficticio" alrededor de un ala sólida se describe en el libro de texto [3] en tres páginas enteras (págs. 435-437), mientras que los límites de una capa límite gruesa inhibida se eligen como los límites del ala ficticia, es decir, agregar al ala nuestras zonas muy estancadas en "burbujas de separación" o zonas turbulentas con una interrupción completa del flujo sobre el ala. En este caso, la presión sobre el ala sólida del flujo de aire de alta velocidad se considera igual a la presión de este flujo sobre el "cuerpo ficticio". Resulta que la presión se transfiere del chorro de alta velocidad al ala sólida a través de una capa suficientemente gruesa de aire inactivo de la capa inhibida del límite (zona estancada) sin ninguna distorsión.
Consideremos en detalle el proceso de flujo suave alrededor de chorros de alta velocidad de diferentes perfiles de perfiles de ala y distingamos varias "zonas estancadas".
El caso de adherencia completa del flujo al ala en ángulos de ataque pequeños no agrega mucha novedad (ver fig. 17), pero aparece una pequeña zona estancada en el carenado frontal, que se asemeja a un pequeño pico afilado en la cabeza redonda del ave.
El elemento parece pequeño, pero es extremadamente importante para comprender el fenómeno del "flujo" en general.
Considere el perfil de ala familiar en vuelo horizontal con chorros separados distintos, primero con un ángulo de ataque cero (ver fig. 18), y luego el mismo ala en un ángulo de ataque grande (ver fig. 20).
Figura 17. Un perfil de ala con un flujo sin interrupciones en los planos del ala, pero con una pequeña zona de desaceleración completa del flujo en la nariz del ala.
Fig.18. El perfil del ala con flujo se rompe en los planos del ala en ángulo de ataque cero y su "cuerpo ficticio".Al observar el fuerte aumento en el "cuerpo ficticio" en comparación con el carenado frontal de empuje inicial, queda claro cuán sorprendentemente baja se obtiene la resistencia frontal para cuerpos largos en forma de huso, por ejemplo, para fuselajes de aviones.
La racionalización de tales formas alcanza Cx = 0.06, mientras que para una bola de la misma sección Cx = 0.4..0.5, y para una placa plana Cx = 1.
Resulta que la descarga debajo de los chorros separados en la proyección frontal no se crea en absoluto. Todo lo que queda es aterrizar el chorro de separación en una superficie recta paralela al vector de velocidad, de modo que un componente longitudinal a la velocidad no aparezca al impactar. Un fuselaje cilíndrico largo con un carenado frontal ovoide alargado hace frente perfectamente a esta tarea. Resulta que el arrastre del enorme fuselaje es igual a la resistencia de la pelota en la punta de la nariz cónica (ver figura 19.)
La relación del diámetro de la bola en el carenado de la nariz con el diámetro del fuselaje depende de la velocidad de vuelo, y cuanto mayor sea la velocidad de vuelo, más estrecho se vuelve el redondeo de la nariz, empujando el flujo de aire. La creciente energía del flujo que se aproxima con un valor constante de la sección frontal requiere dispersar una cantidad cada vez menor de aire a los lados del fuselaje mientras se mantiene una sección constante del "cuerpo ficticio" detrás del carenado. En supersónico, el radio de curvatura del cono de la nariz se degenera en un punto, pero esta es una historia completamente diferente.
Fig. 19. El modo de flujo alrededor del fuselaje con chorros de corte, bajo el cual se crea una zona de resistencia cero al vuelo. Toda la resistencia del fuselaje es igual a la resistencia aerodinámica de la pelota en su carenado nasal. Y las ilustraciones que acompañan los libros de texto sobre el tema de la resistencia cuando el aire fluye alrededor de varios cuerpos.Ahora consideramos el comportamiento de zonas turbulentas separadas con un ala con un gran ángulo de ataque (ver Fig. 20).
Primero, es necesario trazar la trayectoria del flujo de separación por encima de la zona estancada hasta que encuentre el flujo desde debajo del ala del avión. Como consideramos que el perfil del carenado frontal del ala es cilíndrico simétrico, los chorros de corte tienen la misma potencia y trayectoria, es decir, también son simétricos.
Para el ala horizontal, ya hemos recibido una burbuja desmontable simétrica de dos lados con el cierre de los chorros en el ala en los mismos lugares.
Cuando se le da al ala un gran ángulo de ataque, el patrón de los chorros de separación cambia. Al mismo tiempo, los tamaños de "burbujas separadas" = "zonas estancadas" arriba y debajo del ala comienzan a diferir dramáticamente en volumen.
Como resultado, un ala muy hinchada con un aplanamiento significativo del plano inferior en comparación con la enorme cúpula de la burbuja de separación en el plano superior del ala resultará ser un "cuerpo ficticio". Curiosamente, el perfil virtual equivalente de un "cuerpo ficticio" en un gran ángulo de ataque del ala con burbujas separadas infladas en el plano superior del ala es sorprendentemente similar al conocido avión ECIP. (ver fig. 21)
Fig.20. El perfil del ala con flujo se rompe en los planos del ala con un gran ángulo de ataque y su "cuerpo ficticio".
Figura 21. Peluca EKIP. Un modelo de un modelo WIG en perspectiva y el modelo WIG más pequeño actual (que no despegó debido a la detención del proyecto).Es decir, en Ekranolet ECIP, fue una buena idea controlar la zona estancada en la parte trasera "sombra" del casco, lo que permitió que el chorro de despegue se depositara en el ala en la parte superior del domo, lo que proporciona una mayor elevación y reduce la resistencia aerodinámica al vuelo.
Resulta que el autor del EKIP no era tan inventivo, ofreciendo un diseño tan parecido a un hipopótamo como un avión.
Es cierto que el ECIP no debe volar muy rápido y en grandes ángulos de ataque del perfil delgado inicial (aproximadamente 15 grados), con un alto arrastre correspondiente.
La gran cantidad de espacio de carga en un ala voladora es más que compensada por un cierto deterioro en la aerodinámica. Al mismo tiempo, el Aircraft-Wing estructuralmente no fusible se ve mucho más atractivo que un avión tradicional con la separación de las funciones de un delgado "ala de apoyo" y un "fuselaje de carga-pasajero". Pero solo para un vuelo estable, todavía tiene que agregar una viga larga para acomodar la cola, como en el ala voladora gigante del ANT-20 "Maxim Gorky".
Una expansión significativa del ala (un aumento en el acorde) hace que el avión EKIP también sea un WIG pronunciado en términos de sus propiedades aerodinámicas cuando vuela cerca del suelo. Entonces, cuando vuela en la pantalla, el "cuerpo ficticio" del ala con un gran ángulo de ataque se transforma en un extraño hierro, donde el pico de la nariz pequeña de la zona de frenado en el ala se infla al tamaño de una gran cuña estancada debajo del ala (ver figura 22).
Fig.22. El perfil del ala cuando vuela sobre la pantalla con un gran ángulo de ataque y su "cuerpo ficticio".Dentro de este hierro puntiagudo, es posible colocarlo como perfiles de EKIP y VVA-14 Ekranoletos (Bartini), o un ala ultra gruesa como el ANT-20 "Maxim Gorky".
Las aeronaves con un ala muy gruesa fueron populares en la década de 1930 en la URSS, cuando se creó la aeronave ANT-20 "Maxim Gorky" más grande antes de la guerra. El ala de esta aeronave era tan gruesa y ancha que se colocaron varias cabinas en los compartimentos raíz del ala, donde una persona caminaba a su altura máxima (ver Fig. 16.).
Es cierto que este monstruo voló con una velocidad de crucero de solo 198 km / h (máximo 220 km / h).
Si el ANT-20 acorta levemente las secciones finales del ala, dejando solo la parte más gruesa central, entonces el avión se volverá similar al posterior Ala "Monstruo Caspio" Rostislav Alekseev.
Es interesante comparar la "Maxim Gorky" de tamaño reducido de la década de 1930 con el "Monstruo Caspio" de los años 60 (ver tabla 5)
Tab.5. Características comparativas de la aeronave ANT-20 "Maxim Gorky" 1934 y WIG KM "Caspian Monster" 1966.
La tabla contiene datos de referencia que deben interpretarse de alguna manera.
Vayamos primero por una manera simple de comparar directamente números homogéneos dividiéndolos entre sí.
Peso máximo: 544/42 = 13 veces
Área del ala: 662/486 = 1.36 veces
Carga de ala específica: 13 / 1.36 = 9.5 veces
Velocidad de crucero: 430/198 = 2.17 veces
La diferencia en velocidad a velocidad de crucero: 2.17 ^ 2 = 4.71 veces
Poder de las centrales eléctricas: (10 * 1300 * 9.81 * 430 / 3.6) / (8 * 900 000 * 0.735) = 28.8 veces
Carga útil teniendo en cuenta el combustible: 304 / (42-28.5) = 22.51.
Rango práctico: 1500/1200 = 1.25
Según la relación de ahorro de combustible ANT-20 = 7150 / (1200 * 6) = 0.993 l / (t * km)
La voracidad de KM no se conoce, pero se puede estimar a través de la potencia y la velocidad.
Al calcular el consumo específico por voracidad de referencia 0.8 kg / (kgf * h) para el motor VD-7.
Consumo de postquemador durante la aceleración del agua 10 * 13000 * 0.8 = 104 000 kg / h
Si tiene en cuenta la duración de un vuelo de crucero en la pantalla con solo dos de cada diez motores disponibles para la aceleración y el acceso a la pantalla, la economía aumentará.
Para crucero con dos motores 2 * 13 000 * 0.8 = 20 800 kg / h
Tiempo de vuelo 1500/430 = 3.5 horas
Durante un vuelo en un rango máximo de 1500 km, el KM engullirá al menos 104 * 0.5 + 3.5 * 20.8 = 100 toneladas de combustible.
Y la carga útil será de unas 200 toneladas.
La economía de combustible de KM resultará en 100 000 / (1500 * 200) = 0.333 l / (t.km).
Conclusiones de las relaciones obtenidas:
1. En términos de ahorro de combustible, el KM puede ser optimistamente 3 veces más económico que el ANT-20.
Ahora, el moderno avión de pasajeros Airbus A380 tiene una modificación de carga A380F con la capacidad de transportar carga de hasta 150 toneladas a una distancia de 10,370 km. La masa máxima de despegue es de 560 toneladas (la masa del avión en sí es de 280 toneladas). Calculamos la economía para la versión de carga a partir de estos indicadores y da 130 toneladas de combustible 150 toneladas de carga a una distancia de 10370 km: 130,000 / (150 * 10370) = 0.0835 l / (t * km).
En términos de pasajeros, el indicador es diferente: “Entre los grandes transatlánticos, el más económico es tres litros de combustible por pasajero por cada cien kilómetros (54 millas náuticas) de la ruta. Según Airbus [5], por pasajero, el A380 quema un 17% menos de combustible que el "avión moderno más grande" (al parecer, el Boeing 747 se entiende). „
Es decir, con un recuento de prueba de 850 pasajeros con equipaje y asientos, obtenemos un indicador cercano al cálculo para la versión de carga.
Resulta que no solo comenzamos a volar 4-5 veces más rápido en los últimos 80 años, sino que también mejoramos la eficiencia del combustible más de 10 veces desde el ANT-20 y 4 veces desde Ekranoplan KM. Aunque solo hace 20 años, nuestro Airbus voló 5 veces más rápido que el ANT-25. La reciente desaceleración en los aviones de pasajeros es causada por la lucha por los vuelos de bajo consumo de combustible.
2. La velocidad de crucero del KM se hace tan alta por la fuerza, ya que a una velocidad más baja simplemente no podrá volar en la pantalla. La condición de vuelo en la pantalla es el cumplimiento de la desigualdad "Cabeza de velocidad"> "Carga promedio de las alas", es decir
Pv = 8560Pa a 430 km / h (120m / s)> 544000 * 9.81 / 662.5 = 8055Pa.
3. La seguridad de vuelo de una aeronave gigante de baja velocidad de los años 30 es mucho mejor que la de una aeronave alada de velocidad excesivamente alta de los años 60, corriendo casi incontrolablemente entre barcos de movimiento lento y las ubicuas aves acuáticas.4. El costo de operar ekranoplanes en el mar es mucho más costoso que el de los aviones terrestres de gran altitud. Esto se debe a la cantidad excesiva de motores necesarios solo para lanzar desde el agua y alcanzar el vuelo en pantalla, así como a la extrema agresividad del agua de mar cuando se expone a motores y diseños de ekranoplan cuando vuela en las nubes por las salpicaduras de las olas del mar cercanas.5. Para el KM Ekranoplan, la calidad del ala cuando vuela en dos motores es igual a la relación de su empuje con el peso del Ekranoplan K = 544 / (13 * 2) = 20.9. Por lo tanto, la eficiencia aerodinámica de un Ekranoplan grande y pesado está al nivel de eficiencia de los mejores aviones grandes modernos con una calidad de planeador del orden de K = 18-20.6. El misterio para mí es la brecha triple en eficiencia del Ekranoplan KM con el Airbus 380F: ¿Por qué, con la misma calidad de fuselaje, el Airbus tiene una economía de combustible 4 veces mejor?¿O está todo el secreto oculto en la terrible glotonería de los viejos motores turborreactores soviéticos en comparación con los motores turboventiladores modernos con un alto grado de derivación?Bibliografía:1. "Hidráulica y aerodinámica", Altshul AD, Moscú, Stroyizdat, 1986.-413.2. "Aerodinámica" parte 1, Krasnov N.F., Moscú, Lenand, 2018, -496.3. "Aerodinámica", Ed. Kalugina V.T., Moscú, MGTUim.N.E.Baumana, 2017, -607s.