stringtranslate.com

Правило площади

Распределение площади поперечного сечения вдоль всего планера определяет волновое сопротивление, в значительной степени независимое от фактической формы. Синие и светло-зеленые формы примерно равны по площади.

Правило площади Уиткомба , названное в честь инженера NACA Ричарда Уиткомба и также называемое правилом трансзвуковой площади , представляет собой процедуру проектирования, используемую для уменьшения сопротивления самолета на трансзвуковых скоростях, которые происходят между примерно 0,75 и 1,2 Маха . Для сверхзвуковых скоростей используется другая процедура, называемая правилом сверхзвуковой площади , разработанная аэродинамиком NACA Робертом Джонсом .

Трансзвуковой режим является одним из важнейших диапазонов скоростей для современных коммерческих и военных самолетов с фиксированным крылом , при этом трансзвуковое ускорение является важным требованием к эксплуатационным характеристикам боевых самолетов и улучшается за счет снижения трансзвукового сопротивления.

Описание

На высоких дозвуковых скоростях полета локальная скорость воздушного потока может достигать скорости звука, где поток ускоряется вокруг корпуса и крыльев самолета . Скорость, с которой происходит это развитие, варьируется от самолета к самолету и известна как критическое число Маха . Результирующие ударные волны, образующиеся в этих зонах звукового потока, вызывают внезапное увеличение сопротивления , называемое волновым сопротивлением . Чтобы уменьшить количество и силу этих ударных волн, аэродинамическая форма должна изменяться в поперечном сечении как можно более плавно от передней части к задней.

Правило трансзвуковой области

Правило площади гласит, что два самолета с одинаковым распределением площади продольного сечения имеют одинаковое волновое сопротивление, независимо от того, как площадь распределена по бокам (т. е. в фюзеляже или в крыле). Кроме того, чтобы избежать образования сильных ударных волн, внешняя форма самолета должна быть тщательно продумана так, чтобы площадь поперечного сечения изменялась как можно более плавно от носа к хвосту. В месте расположения крыла фюзеляж сужается или «утягивается». Площадь поперечного сечения фюзеляжа может потребоваться уменьшить, уплотив боковые стороны фюзеляжа под куполом-пузырем и на поверхностях хвоста, чтобы компенсировать их наличие, и то и другое было сделано на Hawker Siddeley Buccaneer . [1]

Правило сверхзвуковой площади

Другое правило площади, известное как правило сверхзвуковой площади, разработанное аэродинамиком NACA Робертом Джонсом в «Теории сопротивления крыла-корпуса на сверхзвуковых скоростях» [2] , применимо на скоростях, превышающих трансзвуковую, и в этом случае требование к площади поперечного сечения устанавливается в зависимости от угла конуса Маха для расчетной скорости. Например, предположим, что при числе Маха 1,3 угол конуса Маха, создаваемого носом самолета, будет составлять угол μ = arcsin(1/M) = 50,3° (где μ — угол конуса Маха, также известный как угол Маха , а M — число Маха ). В этом случае «идеальная форма» смещена назад; поэтому самолеты, спроектированные для меньшего волнового сопротивления на сверхзвуковой скорости, обычно имеют крылья, направленные назад. [2]

Корпус Сирса–Хаака

Поверхностно связанной концепцией является тело Сирса-Хаака , форма которого допускает минимальное волновое сопротивление для заданной длины и заданного объема. Однако форма тела Сирса-Хаака выводится, начиная с уравнения Прандтля-Глауэрта , которое приблизительно управляет дозвуковыми потоками с малыми возмущениями, а также теории Аккерета, которая близко описывает сверхзвуковой поток. Оба метода теряют силу для трансзвуковых потоков, где применяется правило площадей, из-за допущений, сделанных при их выводах. Таким образом, хотя форма тела Сирса-Хаака, будучи гладкой, будет иметь благоприятные свойства волнового сопротивления в соответствии с правилом площадей, она не является теоретически оптимальной. [3]

История

Германия

Рисунок патента Юнкерса от марта 1944 г.
Необычное расположение реактивных двигателей Ju-287 обусловлено правилом площадей.

Правило площадей было открыто Отто Френцлем  [de] при сравнении стреловидного крыла с w-образным крылом с чрезвычайно высоким волновым сопротивлением [4] во время работы над трансзвуковой аэродинамической трубой на заводах Junkers в Германии между 1943 и 1945 годами. Он написал описание 17 декабря 1943 года под названием Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug («Расположение вытесняющих тел в высокоскоростном полете»); оно было использовано в патенте, поданном в 1944 году. [5] Результаты этого исследования были представлены широкому кругу в марте 1944 года Теодором Цобелем в Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung (Немецкой академии исследований в области аэронавтики) в лекции «Принципиально новые способы повышения производительности высокоскоростных самолетов». [6]

Последующее немецкое проектирование самолетов военного времени учитывало это открытие, очевидное в узком фюзеляже самолетов, включая Messerschmitt P.1112 , P.1106 и дальний бомбардировщик Focke-Wulf 1000x1000x1000 типа A, но также очевидное в конструкциях дельтавидного крыла, включая Henschel Hs 135. Несколько других исследователей были близки к разработке аналогичной теории, в частности Дитрих Кюхеманн , который спроектировал конический истребитель, который был назван «бутылкой Кюхеманна из-под кока-колы» после того, как он был обнаружен американскими войсками в 1946 году. В этом случае Кюхеманн пришел к теории, изучая воздушный поток, в частности, интерференцию или локальные линии потока на стыке фюзеляжа и стреловидного крыла . Фюзеляж был контурирован или сужен, чтобы соответствовать потоку. Требование к формообразованию этого подхода «ближнего поля» также вытекает из более позднего подхода Уиткомба «дальнего поля» к снижению сопротивления с использованием его правила звуковой площади. [7]

Соединенные Штаты

Уоллес Д. Хейс , пионер сверхзвуковых полетов, разработал правило околозвуковой площади в публикациях, начиная с 1947 года, в своей докторской диссертации в Калифорнийском технологическом институте . [8]

Апрель 1955 г.: Уиткомб изучает модель самолета, спроектированную в соответствии с его правилом площадей.

Ричард Т. Уиткомб , в честь которого названо правило, независимо открыл это правило в 1952 году, работая в Национальном консультативном комитете по аэронавтике (NACA). При использовании новой восьмифутовой высокоскоростной трубы, аэродинамической трубы с производительностью до 0,95 Маха в исследовательском центре NACA в Лэнгли , он был удивлен увеличением сопротивления из-за образования ударной волны. Уиткомб понял, что для аналитических целей самолет можно свести к обтекаемому телу вращения, удлиненному настолько, насколько это возможно, чтобы смягчить резкие разрывы и, следовательно, столь же резкий рост сопротивления. [9] Удары можно было увидеть с помощью шлирен-фотографии , но причина, по которой они создавались на скоростях намного ниже скорости звука, иногда всего лишь на скорости 0,70 Маха, оставалась загадкой.

В конце 1951 года в лаборатории состоялся доклад Адольфа Буземана , известного немецкого аэродинамика, который переехал в Лэнгли после Второй мировой войны . Он рассказал о поведении воздушного потока вокруг самолета, когда его скорость приближается к критическому числу Маха, когда воздух больше не ведет себя как несжимаемая жидкость. В то время как инженеры привыкли думать, что воздух плавно течет вокруг корпуса самолета, на высоких скоростях он просто не успевает «уйти с дороги» и вместо этого начинает течь так, как будто это жесткие трубы потока, концепцию Буземана, названную «потоковыми трубами», в отличие от линий тока , и в шутку предположил, что инженеры должны считать себя «трубопроводчиками».

Несколько дней спустя Уиткомб пережил момент « Эврики ». Причина высокого сопротивления заключалась в том, что «трубы» воздуха мешали друг другу в трех измерениях. Нельзя просто рассматривать воздух, текущий по двухмерному поперечному сечению самолета, как это делали другие в прошлом; теперь им также приходилось учитывать воздух по «сторонам» самолета, который также взаимодействовал с этими потоковыми трубами. Уиткомб понял, что формирование должно применяться к самолету в целом , а не только к фюзеляжу. Это означало, что дополнительная площадь поперечного сечения крыльев и хвоста должна была учитываться в общем формировании, и что фюзеляж должен был быть фактически сужен там, где они встречаются, чтобы более точно соответствовать идеалу.

Приложения

Первым самолетом, на котором правило площади было последовательно реализовано, был немецкий бомбардировщик- испытатель Junkers Ju-287 (1944). [10] Другие соответствующие немецкие проекты не были завершены из-за окончания войны или даже остались на стадии планирования.

Когда правило площадей было заново открыто Уиткомбом, оно стало доступно американской авиационной промышленности на секретной основе для военных программ с 1952 года [11] , а в 1957 году о нем сообщили для гражданских программ. [12] Convair и Grumman с помощью Уиткомба использовали его одновременно для проектирования Grumman F-11 Tiger и модернизации Convair F-102 . [13] Grumman F-11 Tiger был первым из двух самолетов, который поднялся в воздух, и был спроектирован с использованием правила площадей с самого начала. [14] Convair F-102 Delta Dagger пришлось перепроектировать, поскольку он не мог достичь скорости 1 Маха, хотя его расчетная скорость составляла 1,2 Маха. Ожидание того, что он достигнет расчетной скорости, основывалось на оптимистичных прогнозах сопротивления в аэродинамической трубе. [15] [16] Изменения, включавшие в себя вдавливание фюзеляжа рядом с крыльями и добавление большего объема в заднюю часть самолета, значительно снизили трансзвуковое сопротивление, и была достигнута расчетная скорость Маха 1,2. Причина использования правила площади на этих истребителях заключалась в том, чтобы уменьшить пиковое значение сопротивления, которое возникает при Маха 1, и таким образом обеспечить сверхзвуковые скорости с меньшей тягой, чем было бы необходимо в противном случае.

В 1957 году было доступно измененное правило площади для повышения дозвуковой крейсерской скорости транспортных самолетов на 50 миль в час. [12] Крейсерская скорость ограничена внезапным увеличением сопротивления, что указывает на наличие локального сверхзвукового потока на верхней части крыла. Измененное правило Уиткомба уменьшило сверхзвуковую скорость перед скачком уплотнения, что ослабило его и уменьшило сопротивление, связанное с ним. У Convair 990 были выступы, называемые противоударными телами, добавленные на верхнюю поверхность крыла с целью достижения требуемой крейсерской скорости. Однако распределение площади в каналах, образованных поверхностями гондолы/пилона/крыла, также вызывало сверхзвуковые скорости и было источником значительного сопротивления. Для достижения требуемой крейсерской скорости применялась техника правила площади, так называемое канальное сечение.

Конструкторы Armstrong-Whitworth продвинули правило звуковой площади на шаг дальше в своем предложении M-Wing, в котором крыло сначала было стреловидным вперед, а затем назад. Это позволило сузить фюзеляж как перед корнем, так и за ним, что привело к более гладкому фюзеляжу, который в среднем оставался шире, чем фюзеляж с классическим стреловидным крылом.

Расширение позади кабин экипажа на самолетах Rockwell B-1 Lancer и Boeing 747 было добавлено для улучшения распределения площади поперечного сечения в соответствии с правилом площадей. [17]

Самолеты, спроектированные в соответствии с правилом площадей Уиткомба (например, F-102 Delta Dagger и Northrop F-5 ), выглядели странно, когда они впервые появились, и иногда их называли «летающими бутылками из-под кока-колы », но это стало ожидаемой частью внешнего вида некоторых околозвуковых самолетов. Визуально-очевидными признаками того, что правило площадей определило форму самолета, являются «талия» фюзеляжа и форма концевого бака, как на Northrop F-5 , и утончение задней части фюзеляжа на бизнес-джетах с задними двигателями, таких как Bombardier Global Express . Правило также требует тщательного позиционирования деталей, таких как ускорители и грузовой отсек на ракетах, а также форма и расположение фонаря на F-22 Raptor .

Правило сверхзвуковой площади было применено на скорости Маха 2 к прототипу Concorde . Задняя часть фюзеляжа была удлинена на 3,73 м на серийном самолете и уменьшила волновое сопротивление на 1,8%. [18]

Изображения

Смотрите также

Примечания

  1. ^ От Spitfire до Eurofighter 45 лет проектирования боевых самолетов, Рой Бут, ISBN  1 85310 093 5 , стр. 93
  2. ^ ab Jones, Robert T (1956), Теория сопротивления крыла-корпуса на сверхзвуковых скоростях (PDF) (отчет), Великобритания : NACA, 1284, заархивировано из оригинала (PDF) 2020-12-05 , извлечено 2008-09-12.
  3. ^ Спенсер, Б. младший; Стиверс, Л. С. младший (октябрь 1967 г.). «Исследования оптимальных форм тела на гиперзвуковых скоростях» (PDF) . Сервер технических отчетов NASA . Получено 4 ноября 2022 г. .
  4. ^ Heinzerling, Werner, Flügelpfeilung und Flächenregel, zwei grundlegende deutsche Patente der Flugzeugaerodynamik [ Стреловидность крыла и правило площади, два основных немецких патента в области аэродинамики самолетов ] (PDF) (на немецком языке), Мюнхен, Германия : Немецкий музей, в архиве из оригинала ( PDF) от 19 июля 2011 г. , получено 6 ноября 2010 г..
  5. ^ Patentschrift zur Flächenregel [ Патент на правило зоны ] (PDF) (на немецком языке), 21 марта 1944 г..
  6. ^ Мейер, Ганс-Ульрих (2006), Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [ Развитие стреловидного крыла в Германии до 1945 года ] (на немецком языке), стр. 166–99, ISBN 3-7637-6130-6.
  7. ^ Проектирование боевых самолетов, Рэй Уитфорд 1987, ISBN 0 7106 0426 2 , Рис.161 
  8. ↑ Уоллес Хейс (некролог), Принстон.
  9. ^ Халлион, Ричард П. «NACA, NASA и сверхзвуковая-гиперзвуковая граница» (PDF) . NASA . Сервер технических отчетов NASA . Получено 8 сентября 2011 г. .
  10. ^ Мейер, Ганс-Ульрих (2006), Die Pfeilflügelentwicklung in Deutschland bis 1945 [ Развитие стреловидного крыла в Германии до 1945 года ] (на немецком языке), стр. 166–99, ISBN 3-7637-6130-6.
  11. ^ "Aviation Week 1955-09-12". 12 сентября 1955 г.
  12. ^ ab "Aviation Week: 12 августа 1957 г.". McGraw-Hill. 12 августа 1957 г. стр. 29 . Получено 4 ноября 2022 г.
  13. ^ "Aviation Week: 12 сентября 1955 г.". McGraw-Hill. 12 сентября 1955 г. стр. 12 . Получено 4 ноября 2022 г.
  14. ^ Проектирование воздушного боя, Рэй Уитфорд, ISBN 0 7106 0426 2 , стр.156 
  15. ↑ The World's Fighting Planes Четвертое и полностью переработанное издание, Уильям Грин, 1964, MacDonald & Co.(Publishers) Ltd., Gulf House, 2 Portman Street, London W.1, стр. 136
  16. ^ Уоллес 1998, стр. 144.
  17. ^ Уоллес 1998, стр. 147.
  18. ^ Исследование случая, проведенное компаниями Aerospatiale и British Aerospace на самолете Concorde. Авторы: Джин Реч и Клайв С. Лейман, Серия профессиональных исследований AIAA, рис. 3.6.

Библиография

Внешние ссылки