Kekuatan angkat sayap. Bagian 2
Monin Ilya Alekseevich, Ph.D., imoninpgd@gmail.comUntuk memahami tatanan pengembangan "penerbangan" sebagai cabang industri dan "aerodinamika" sebagai sains, perlu diingat bahwa pertama-tama pesawat pertama yang dibangun oleh insinyur inspirasi antusias muncul (lihat gambar 11), dan baru kemudian para ahli teori mulai muncul, yang kemudian menciptakan disiplin "Aerodinamika" berdasarkan hasil penciptaan insinyur desain.
Dalam gambar tersebut, pesawat yang dibuat oleh pengendara motor Henri Farman adalah perubahan dari pembelian pesawat berskala kecil Voisin. Pada saat yang sama, pesawat pertama dari saudara-saudara Voisin mulai diproduksi hanya pada tahun 1907. Pada saat pembelian Farman, pesawat Voisin hanya bisa memantul sedikit dan terbang beberapa puluh meter. Farman, setelah serangkaian perubahan dari pesawat asli, mencapai kesempatan untuk terbang lebih dari 1000m, sambil tetap berbalik dan membuat lingkaran untuk mendarat. Rekor penerbangan Farman terjadi pada 13 Januari 1908. Dan sudah pada tahun 1909, perusahaan saudara Farman membuka sendiri produksi pesawat terbang dengan desain sendiri dan sekolah penerbangan untuk mengajari mereka seni terbang di atas mereka (lihat gambar 12). Kecepatan penerbangan Farman saat itu sekitar 60 km / jam, yang ditunjukkan dalam rekor penerbangan pada jarak 180 km, diatasi dalam 3 jam penerbangan.
Fig. 11. Sebuah tiruan dari pesawat Voisin dikonversi untuk penerbangan rekor oleh Farman pada tahun 1907-1908.
Gambar 12. Tata letak pesawat "Farman IV-1910." di museum, dan foto sampel asli di bandara.Jelas bahwa pesawat awal pertama adalah daya rendah, ringan dan kecepatan rendah.
Parameter ini sesuai dengan profil tipis cekung cembung pertama, lebih mirip dengan lembaran kayu lapis melengkung paling sederhana, dan tidak dengan profil kompleks dengan kesalahan perhitungan teoritis yang mendalam.
Sebagai referensi, saya memberikan ilustrasi transformasi profil sayap dari awal abad ke-20 ke industri penerbangan yang berkembang penuh pada pertengahan 40-an. (lihat gambar 13)
Gbr. 13. Tren profil sayap pesawat pada paruh pertama abad ke-20.Setelah pesawat eksperimental ringan pertama, terjadi peningkatan pesat dalam ukuran dan massa pesawat untuk pengangkutan muatan yang terus meningkat. Sayap tipis tidak dapat menahan skala dan berat sedemikian rupa sehingga membutuhkan balok kuat tinggi untuk dipasang di dalam sayap, dan sayap itu sendiri harus dibuat cembung pipih atau bahkan cembung ganda untuk menyembunyikan balok penyangga di belakang ujung sayap yang ramping.
Sudah di 20-an, semua profil sayap mengambil tampilan yang sepenuhnya modern.
Pada 1940-an, industri penerbangan telah berkembang sedemikian rupa sehingga mulai memproduksi seluruh armada pesawat yang mampu membuat seluruh kota menjadi debu. Tetapi dengan pengembangan kapasitas produksi yang begitu eksplosif, landasan teoretis tetap sangat lemah.
Pada usia 30-an, intensitas pengembangan penerbangan tidak memungkinkan membangun pesawat baru di "firasat", tetapi membutuhkan pembangunan pangkalan eksperimental yang kuat untuk meniup bagian-bagian pesawat, model skala besar dan pesawat sepenuhnya di tanah dalam terowongan angin besar (ADT).
Jadi di TsAGI pada tahun 1939 T-101, terowongan angin terbesar pada waktu itu (yang kedua di dunia sekarang), diluncurkan, yang memungkinkan untuk memeriksa seluruh pesawat di darat dengan kecepatan penerbangan yang relevan pada waktu itu.
Kecepatan aliran 5–52 m / s
Nomor ulang per 1 m hingga 3,6 ∙ 106
Tekanan atmosfer total
Tekan kepala hingga 1,7 kPa
Suhu Pengereman Ambient
Kisaran angle of attack (α) ± 20 °
Rentang sudut slip (β) ± 180 °
Dimensi bagian kerja:
Bagian nozzle (elips) 24x14 m
Panjang bagian yang bekerja adalah 24 m
Dimensi benda uji:
Rentang sayap: hingga 18 m
Panjang badan pesawat: hingga 30 m
Area sayap: hingga 35 m2
Sejak itu, pesawat terbang menjadi jauh lebih besar, dan kecepatan penerbangan menjadi jauh lebih cepat, sehingga tidak ada pesawat modern yang dapat masuk ke dalam T-101 ADT secara keseluruhan, dan di ADT yang lebih modern dan lebih cepat hanya tata letak skala kecil yang dikurangi atau elemen struktural yang ditiup secara terpisah.
Benar, sedikit yang telah berubah dalam teori sejak awal abad terakhir, jadi sudah pada akhir abad kedua puluh, perancang pesawat mulai menemukan kembali apa yang telah dilalui perancang dari awal hingga pertengahan abad ke-20, tetapi ahli teori belum menjelaskan. Misalnya, saya akan memberikan tampilan profil sayap pesawat aerobatic, yang dianggap sebagai yang terbaik di tahun 1980-an (lihat gambar 14).
Fig. 14. Salah satu profil sayap dari katalog Profil Penerbangan.Kereta pikiran yang sama berulang juga diamati di antara model besar peralatan terbang, ini diungkapkan dalam penciptaan monster ekranoplan pada 1960-an dan 80-an (Gbr. 15), yang tidak dapat dibedakan dari pesawat raksasa akhir 1930-an (Gbr. 16).
Pada saat yang sama, efek layar itu sendiri ditemukan pada awal 30-an pada saat pendaratan pesawat multi-mesin besar dengan chord besar sayap.
Juga, efek layar terlihat jelas saat pendaratan pesawat ANT-25 rekor jarak jauh, ketika selama uji terbang pada tahun 1933 pesawat tidak bisa mendarat, dan ketika roda sedikit menyentuh tanah, pesawat memantul dan lepas landas lagi. Untuk menghilangkan efek ini dan memastikan pendaratan yang tenang, bahkan perlu menginstal flap rem yang dapat ditarik, yang secara tajam memperburuk kualitas penerbangan sayap selama pendaratan.
Tali sayap di bagian akar terluas ANT-25 melebihi ketinggian roda pendaratan, sehingga menciptakan kondisi ideal untuk pembentukan efek layar di bawah sayap terbang rendah yang lebar. Pada saat yang sama, selama pendaratan dengan tangki kosong dengan berat pesawat 4000 kg dan area sayap 88 sq.m, beban sayap rata-rata dalam penerbangan dibuat kurang dari 50 kg / sq.m, yang sesuai dengan tekanan kecepatan 500 Pa yang dibuat pada kecepatan 104 km / jam (29 m / s) untuk terbang di layar. Perlu dicatat bahwa pesawat waktu itu terbang sangat lambat (dengan standar modern), sehingga rekor ANT-25 memiliki kecepatan jelajah sekitar 165 km / jam (maks. 246 km / jam di ketinggian), dengan jangkauan penerbangan 10-12 ribu km dan durasi 75- 80 jam berturut-turut.
A.
B.
B.
Gbr. 15. WIG "Monster Kaspia": a.) Dalam penerbangan. B.) Masih di atas air, wajah penuh. c.) Stasioner dalam proyeksi frontal.A.
B.
Fig.16. Pesawat raksasa ANT-20 "Maxim Gorky", 1939 a) Bagian skematis. B) Foto di bandara dan saat mendarat.Zona stagnan selama aliran udara di sekitar benda dengan bentuk kompleks sebagai alat untuk membentuk profil sayap virtual.
Seringkali ada kasus. Ketika itu perlu untuk membangun garis aliran udara di sekitar tubuh yang bentuknya hampir tidak bisa disebut ramping.
Jelas bahwa udara tidak akan mengalir dengan patuh di seluruh sudut dan lekuk tubuh, tetapi akan pergi dengan tikungan lembut, melesat di atas lubang dan mengisinya dengan pusaran aliran robek dari zona stagnan.
Jika kita memperhitungkan keberadaan zona stagnan sebagai volume padat tambahan dari profil itu sendiri, maka geometri aliran di sekitar elemen aerodinamis yang kita kenal akan mengambil bentuk yang sama sekali berbeda.
Sangat menarik bahwa metode untuk menemukan prototipe sayap kondisional yang setara juga digunakan dalam aerodinamika terapan yang ada. Dalam kasus apa pun, metode membangun "tubuh semi-tak terbatas fiktif" di sekitar sayap padat dijelaskan dalam buku teks [3] pada tiga halaman (hal. 435-437), sedangkan perbatasan lapisan batas yang dihambat tebal dipilih sebagai batas sayap fiktif, yaitu, menambah sayap. zona sangat stagnan kita dalam "gelembung pemisahan" atau zona bergolak dengan gangguan aliran di atas sayap. Dalam hal ini, tekanan pada sayap padat dari aliran udara berkecepatan tinggi dianggap sama dengan tekanan aliran ini pada "benda fiktif". Ternyata tekanan ditransfer dari jet berkecepatan tinggi ke sayap padat melalui lapisan udara tidak aktif yang cukup tebal dari lapisan penghambat batas (zona stagnan) tanpa distorsi apa pun.
Mari kita perhatikan secara detail proses aliran lunak di sekitar jet berkecepatan tinggi dari berbagai profil profil sayap dan membedakan berbagai "zona stagnan".
Kasus kepatuhan penuh aliran ke sayap pada sudut serangan kecil tidak menambah banyak hal baru (lihat gbr. 17), tetapi zona stagnan kecil muncul di fairing frontal, menyerupai paruh kecil tajam pada kepala bundar burung.
Unsurnya tampak kecil, tetapi sangat penting untuk memahami fenomena "aliran" secara umum.
Pertimbangkan profil sayap yang dikenal dalam penerbangan horizontal dengan jet terpisah yang berbeda, pertama dengan sudut serang nol (lihat gbr. 18), dan kemudian sayap yang sama pada sudut serang yang besar (lihat gbr. 20).
Gbr. 17. Profil sayap dengan aliran di sekitar tanpa putus pada bidang sayap, tetapi dengan zona kecil perlambatan aliran pada hidung sayap.
Gbr. 18. Profil sayap dengan aliran pecah pada sayap pesawat pada sudut nol serangan dan "tubuh fiktif" nya.Melihat peningkatan yang kuat dalam "tubuh boneka" dibandingkan dengan fairing mendorong frontal awal, menjadi jelas bagaimana mengejutkan resistensi frontal rendah diperoleh untuk tubuh berbentuk spindle panjang, misalnya, untuk badan pesawat.
Perampingan bentuk tersebut mencapai Cx = 0,06, sedangkan untuk bola dari bagian yang sama Cx = 0,4..0.5, dan untuk pelat datar Cx = 1.
Ternyata pelepasan di bawah jet terpisah dalam proyeksi frontal tidak dibuat sama sekali. Yang tersisa adalah mendaratkan jet pemisah pada permukaan lurus yang sejajar dengan vektor kecepatan, sehingga komponen yang memanjang terhadap kecepatan tidak muncul saat tumbukan. Sebuah pesawat silindris panjang dengan fairing frontal ovoid memanjang mengatasi tugas ini dengan sempurna. Ternyata tarikan badan pesawat besar sama dengan hambatan bola di ujung hidung yang meruncing (lihat gambar 19).
Rasio diameter bola di hidung fairing dengan diameter badan pesawat tergantung pada kecepatan penerbangan, dan semakin tinggi kecepatan penerbangan, semakin sempit hidung bulat, mendorong aliran udara. Peningkatan energi dari aliran yang datang dengan nilai konstan dari bagian depan membutuhkan hamburan jumlah udara yang semakin kecil ke sisi-sisi badan pesawat sambil mempertahankan bagian konstan dari "tubuh fiktif" di belakang fairing. Pada saat supersonik, jari-jari kelengkungan dari cone hidung merosot ke suatu titik, tetapi ini adalah kisah yang sama sekali berbeda.
Fig. 19. Mode aliran di sekitar badan pesawat dengan jet sobek, di bawahnya dibuat zona tanpa hambatan untuk terbang. Semua resistansi badan pesawat sama dengan resistansi aerodinamis bola di hidungnya fairing. Dan ilustrasi yang menyertainya dari buku teks tentang topik resistensi ketika udara mengalir di sekitar berbagai badan.Sekarang kita mempertimbangkan perilaku zona turbulen yang terpisah dengan sayap dengan sudut serang yang besar (lihat Gambar 20).
Pertama, perlu untuk melacak lintasan aliran pemisahan di atas zona stagnan sampai bertemu aliran dari bawah sayap pesawat. Karena kami menganggap profil fairing frontal sayap adalah silinder simetris, jet sobek memiliki kekuatan dan lintasan yang sama, yaitu, mereka juga simetris.
Untuk sayap horizontal, kami telah menerima gelembung dua sisi simetris yang dapat dilepas dengan penutupan jet pada sayap di tempat yang sama.
Saat memberi sayap sudut serangan yang besar, pola jet pemisah berubah. Pada saat yang sama, ukuran "Gelembung terpisah" = "Zona stagnan" di atas dan di bawah sayap mulai berbeda secara dramatis dalam volume.
Akibatnya, sayap yang sangat bengkak dengan perataan signifikan pada bidang bawah dibandingkan dengan kubah besar gelembung pemisahan pada bidang atas sayap akan berubah menjadi "tubuh fiktif". Menariknya, profil virtual yang setara dari "tubuh fiktif" pada sudut besar serangan sayap dengan gelembung terpisah yang melambung di bidang atas sayap secara mengejutkan mirip dengan pesawat ECIP yang terkenal. (lihat gambar 21)
Gbr. 20. Profil sayap dengan aliran pecah pada sayap pesawat dengan sudut serangan yang besar dan "tubuh fiktif" nya.
Gbr.21. WIG EKIP. Model model perspektif WIG dan model WIG yang lebih kecil saat ini (yang tidak lepas landas karena proyek berhenti).Yaitu, di Ekranolet ECIP, itu ide yang cukup bagus untuk mengendalikan zona stagnan di bagian "bayangan" belakang lambung, yang memungkinkan jet air mata diendapkan pada sayap di bagian atas kubah, yang memberikan pengangkatan yang lebih besar dan mengurangi hambatan aerodinamis untuk penerbangan.
Ternyata penulis EKIP tidak begitu inventif, menawarkan desain seperti kuda nil seperti pesawat terbang.
Benar, ECIP tidak boleh terbang sangat cepat dan pada sudut besar serangan profil tipis awal (sekitar 15 derajat), dengan seret tinggi yang sesuai.
Jumlah besar ruang kargo di sayap terbang seperti itu lebih dari kompensasi untuk beberapa kemunduran aerodinamika. Pada saat yang sama, Aircraft-Wing yang secara struktural tidak dapat terlihat terlihat jauh lebih menarik daripada pesawat tradisional dengan pemisahan fungsi "sayap pendukung" yang tipis dan "badan pesawat penumpang-kargo". Tetapi hanya untuk penerbangan yang stabil, Anda masih harus menambahkan sinar panjang untuk mengakomodasi ekor, seperti pada sayap terbang raksasa ANT-20 "Maxim Gorky".
Ekspansi sayap yang signifikan (peningkatan akor) membuat pesawat EKIP juga menjadi WIG yang menonjol dalam hal sifat aerodinamisnya ketika terbang di dekat tanah. Jadi ketika terbang di layar, "tubuh fiktif" sayap dengan sudut serangan yang besar berubah menjadi besi yang aneh, di mana paruh hidung kecil dari zona pengereman di sayap mengembang ke ukuran ganjalan stagnan besar di bawah sayap (lihat gambar 22).
Gbr. 22. Profil sayap ketika terbang di atas layar dengan sudut serangan besar dan "tubuh fiktif" nya.Di dalam besi runcing ini dimungkinkan untuk menempatkannya sebagai profil EKIP dan VVA-14 Ekranoletos (Bartini), atau sayap ultra-tebal seperti ANT-20 "Maxim Gorky".
Pesawat dengan sayap yang sangat tebal populer pada 1930-an di USSR, ketika pesawat pra-perang terbesar ANT-20 "Maxim Gorky" diciptakan. Sayap pesawat ini sangat tebal dan lebar sehingga beberapa kabin ditempatkan di kompartemen akar sayap, tempat seseorang berjalan setinggi-tingginya (lihat Gambar 16).
Benar, monster ini terbang dengan kecepatan jelajah hanya 198km / jam (maksimum 220km / jam).
Jika ANT-20 sedikit memperpendek bagian ujung sayap, hanya menyisakan bagian paling tebal di bagian tengah, maka pesawat akan menjadi serupa dengan "Monster Kaspia" sayap selanjutnya, Rostislav Alekseev.
Sangat menarik untuk membandingkan "Maxim Gorky" berukuran dekat dari tahun 1930-an dengan "Monster Kaspia" dari tahun 60-an (lihat tabel 5)
Tab. 5. Karakteristik komparatif dari pesawat ANT-20 "Maxim Gorky" 1934 dan WIG KM "Caspian Monster" 1966.
Tabel tersebut berisi data referensi yang harus ditafsirkan entah bagaimana.
Mari kita mulai dengan cara sederhana untuk secara langsung membandingkan angka-angka homogen dengan membagi satu sama lain.
Berat maksimum: 544/42 = 13 kali
Area Sayap: 662/486 = 1,36 kali
Beban sayap spesifik: 13 / 1,36 = 9,5 kali
Kecepatan jelajah: 430/198 = 2,17 kali
Perbedaan kecepatan pada kecepatan jelajah: 2,17 ^ 2 = 4,71 kali
Kekuatan pembangkit listrik: (10 * 1300 * 9,81 * 430 / 3,6) / (8 * 900 000 * 0,735) = 28,8 kali
Muatan dengan mempertimbangkan bahan bakar akun: 304 / (42-28.5) = 22.51.
Rentang praktis: 1500/1200 = 1.25
Menurut rasio ekonomi bahan bakar ANT-20 = 7150 / (1200 * 6) = 0,993 l / (t * km)
Voracity KM tidak diketahui, tetapi dapat diperkirakan melalui kekuatan dan kecepatan.
Saat menghitung konsumsi spesifik dengan referensi voracity 0.8kg / (kgf * h) untuk mesin VD-7.
Konsumsi afterburner selama akselerasi dari air 10 * 13000 * 0,8 = 104 000kg / jam
Jika Anda memperhitungkan durasi penerbangan pesiar di layar dengan hanya dua dari sepuluh mesin yang tersedia untuk akselerasi dan akses ke Layar, maka ekonomi akan meningkat.
Untuk jelajah dengan dua mesin 2 * 13.000 * 0,8 = 20 800 kg / jam
Waktu penerbangan 1500/430 = 3,5 jam
Selama penerbangan pada jarak maksimum 1500 km, KM akan melahap setidaknya 104 * 0,5 + 3,5 * 20,8 = 100 ton bahan bakar.
Dan payloadnya sekitar 200 ton.
Penghematan bahan bakar KM akan menghasilkan 100.000 / (1500 * 200) = 0,333 l / (t.km).
Kesimpulan dari hubungan yang diperoleh:
1. Dalam hal penghematan bahan bakar, KM dapat secara optimis menjadi 3 kali lebih ekonomis daripada ANT-20.
Kini, pesawat modern Airbus A380 memiliki modifikasi kargo A380F dengan kemampuan mengangkut kargo hingga 150 ton pada jarak 10.370 km. Massa lepas landas maksimum adalah 560 ton (massa pesawat itu sendiri adalah 280 ton). Kami menghitung ekonomi untuk versi kargo dari indikator-indikator ini dan memberikan 130 ton bahan bakar 150 ton kargo pada jarak 10370 km: 130.000 / (150 * 10370) = 0,0835 l / (t * km).
Dalam hal penumpang, indikatornya berbeda: “Di antara liner besar, yang paling ekonomis adalah tiga liter bahan bakar per penumpang per seratus kilometer (54 mil laut) dari rute. Menurut Airbus [5], per penumpang, A380 membakar bahan bakar 17% lebih sedikit daripada "pesawat modern terbesar" (tampaknya, yang dimaksud Boeing 747). „
Artinya, dengan penghitungan cek 850 penumpang dengan bagasi dan kursi, kami mendapatkan indikator yang dekat dengan perhitungan untuk versi kargo.
Ternyata kami tidak hanya mulai terbang 4-5 kali lebih cepat selama 80 tahun terakhir, tetapi juga meningkatkan efisiensi bahan bakar lebih dari 10 kali dari ANT-20 dan 4 kali dari Ekranoplan KM. Meskipun hanya 20 tahun yang lalu, airbus kami terbang 5 kali lebih cepat dari ANT-25. Perlambatan baru-baru ini di pesawat penumpang disebabkan oleh perjuangan untuk penerbangan hemat bahan bakar.
2. Kecepatan jelajah KM dibuat begitu tinggi secara paksa, karena pada kecepatan yang lebih rendah KM tidak akan bisa terbang di layar. Kondisi penerbangan di layar adalah pemenuhan ketidaksetaraan "Kecepatan kepala"> "Beban sayap rata-rata", yaitu
Pv = 8560Pa pada 430km / h (120m / s)> 544000 * 9,81 / 662.5 = 8055Pa.
3. Keamanan penerbangan dari Giant Aircraft kecepatan rendah dari 30-an jauh lebih baik daripada keamanan dari pesawat bersayap berkecepatan tinggi dari 60-an, hampir tak terkendali di antara kapal-kapal yang bergerak lambat dan burung air di mana-mana.4. Biaya pengoperasian ekranoplane berbasis laut jauh lebih mahal daripada untuk pesawat dataran tinggi. Hal ini disebabkan oleh kelebihan jumlah mesin yang diperlukan hanya untuk mulai dari air dan keluar ke penerbangan layar, serta karena agresivitas ekstrim air laut ketika terkena mesin dan desain ekranoplan ketika terbang di awan dari cipratan dari gelombang laut terdekat.5. Untuk Ekranoplan KM, kualitas sayap ketika terbang dengan dua mesin sama dengan rasio daya dorong mereka terhadap bobot Ekranoplan K = 544 / (13 * 2) = 20,9. Dengan demikian, efisiensi aerodinamis Ekranoplan besar dan berat berada pada tingkat efisiensi pesawat besar modern terbaik dengan kualitas glider urutan K = 18-20.6. Misteri bagi saya adalah kesenjangan tiga kali lipat dalam efisiensi Ekranoplan KM dengan Airbus 380F: Mengapa, dengan kualitas badan pesawat yang sama, apakah Airbus memiliki penghematan bahan bakar 4 kali lebih baik?Atau apakah seluruh rahasianya tersembunyi dalam kerakusan mengerikan mesin turbojet Soviet tua dibandingkan dengan mesin turbofan modern dengan tingkat bypass yang tinggi?Daftar Pustaka:1. "Hidraulik dan aerodinamika", Altshul AD, Moscow, Stroyizdat, 1986.-413.2. "Aerodinamika" bagian 1, Krasnovov, Moskow, Lenand, 2018, -496C.3. "Aerodinamika", Ed. Kalugina V.T., Moscow, MGTUim.N.E.Baumana, 2017, -607s.