Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Распределение площади поперечного сечения вдоль тела определяет волновое сопротивление, в значительной степени не зависящее от фактической формы. Хотя и не совпадающие друг с другом, синие и светло-зеленые формы примерно равны по площади.

Правило площадь Виткомб , также называемый трансзвуковое правило площадь , представляет собой метод конструкции используется для уменьшения воздушного судна «ы лобовое сопротивление на околозвуковых и сверхзвуковых скоростях, в частности , между Маха 0.75 и 1.2.

Сегодня это один из наиболее важных диапазонов рабочих скоростей для коммерческих и военных самолетов с неподвижным крылом , при этом околозвуковое ускорение считается важным показателем характеристик боевых самолетов и обязательно зависит от околозвукового сопротивления.

Описание [ править ]

Теневой , показывающий волновое сопротивление пули, которая только превышающая скорость звука. Форма пули подчиняется правилу площади.

На высоких дозвуковых скоростях полета местная скорость воздушного потока может достигать скорости звука, когда 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 точках звукового потока, могут привести к внезапному увеличению сопротивления , называемому волновым сопротивлением . Чтобы уменьшить количество и мощность этих ударных волн, аэродинамическая форма должна изменяться в площади поперечного сечения как можно более плавно.

Правило площади гласит, что два самолета с одинаковым распределением площади в продольном поперечном сечении имеют одинаковое волновое сопротивление, независимо от того, как площадь распределена в поперечном направлении (то есть в фюзеляже или в крыле). Кроме того, чтобы избежать образования сильных ударных волн, это распределение общей площади должно быть плавным. В результате самолет должен быть аккуратно расположен так, чтобы в месте расположения крыла фюзеляж был сужен или «сужен», чтобы общая площадь не сильно изменилась. Аналогичная, но менее выраженная перемычка фюзеляжа используется в месте расположения купола и, возможно, на поверхностях хвостового оперения.

Правило площади также справедливо для скоростей, превышающих скорость звука , но в этом случае расположение тела соответствует линии Маха для расчетной скорости. Например, предположим, что при 1,3 Маха угол конуса Маха, образованного от корпуса самолета, будет примерно равен μ = arcsin (1 / M) = 50,3 ° (где μ - угол конуса Маха, или просто Маха угол , M - число Маха ). В этом случае «идеальная форма» смещена назад; поэтому самолеты, предназначенные для крейсерского полета на высокой скорости, обычно имеют крылья, направленные назад. [1]

Тело Сирса – Хаака [ править ]

Внешне связанная концепция - это тело Сирса – Хаака , форма которого обеспечивает минимальное волновое сопротивление для заданной длины и заданного объема. Однако форма тела Сирса – Хаака выводится, исходя из уравнения Прандтля – Глауэрта, которое описывает сверхзвуковые потоки с малыми возмущениями. Но это уравнение не действует для околозвуковых течений , где применяется правило площади. Таким образом, хотя форма тела Сирса – Хаака, будучи гладкой, будет иметь благоприятные свойства волнового сопротивления в соответствии с правилом площади, теоретически она не является оптимальной. [2]

История [ править ]

Германия [ править ]

Патентный рисунок Юнкерса от марта 1944 г.

Правило площади было обнаружено Отто Френцлем при сравнении стреловидного крыла с W-крылом с чрезвычайно высоким волновым сопротивлением [3] во время работы над трансзвуковой аэродинамической трубой на заводе Юнкерс в Германии между 1943 и 1945 годами. Он написал описание 17 декабря 1943 год, под названием Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug ("Расположение водоизмещающих тел в высокоскоростном полете"); это было использовано в патенте, поданном в 1944 году. [4] Результаты этого исследования были представлены широкому кругу людей в марте 1944 года Теодором Зобелем в Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung(Немецкая академия аэронавтических исследований) в лекции «Принципиально новые способы повышения летно-технических характеристик высокоскоростных самолетов». [5]

Последующая разработка немецких самолетов военного времени учитывала это открытие, очевидное в тонкой средней части фюзеляжа самолетов, включая Messerschmitt P.1112 , P.1106 и дальний бомбардировщик Focke-Wulf 1000x1000x1000 типа A, но также очевидное в конструкции треугольного крыла, включая Henschel Hs 135 . Несколько других исследователей вплотную подошли к разработке подобной теории, в частности Дитрих Кюхеманн, который сконструировал конический истребитель, который был назван «Бутылкой из-под кокса Кюхемана», когда он был обнаружен войсками США в 1946 году. В этом случае Кюхеманн пришел к теории, изучая воздушный поток. особенно обтекание по стреловидному крылу . Стреловидное крыло уже является косвенным применением правила площади.

Соединенные Штаты [ править ]

Уоллес Д. Хейс , пионер сверхзвуковых полетов, разработал правило околозвуковой зоны в публикациях, начиная с 1947 года, когда он написал докторскую диссертацию. защитил диссертацию в Калифорнийском технологическом институте . [6]

Апрель 1955: Уиткомб исследует модель самолета, спроектированную в соответствии с его территориальными правилами.

Ричард Т. Уиткомб , в честь которого названо это правило, независимо открыл это правило в 1952 году, работая в NACA . При использовании нового восьмифутового высокоскоростного туннеля, 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 может быть уменьшен до обтекаемого тела вращения, максимально удлиненного для смягчения резких скачков сплошности и, следовательно, столь же резкого увеличения сопротивления. [7] Удары можно было увидеть с помощью фотографии Шлирена., но причина, по которой они создавались на скоростях, намного ниже скорости звука, иногда даже на уровне 0,70 Маха, оставалась загадкой.

В конце 1951 года в лаборатории выступил Адольф Буземанн , известный немецкий аэродинамик, переехавший в Лэнгли после Второй мировой войны . Он говорил о поведении воздушного потока вокруг самолета, когда его скорость приближалась к критическому числу Маха, когда воздух больше не вел себя как несжимаемая жидкость. В то время как инженеры привыкли думать о воздушном потоке, плавно обтекающем корпус самолета, на высоких скоростях он просто не успевал «уйти с дороги», и вместо этого начинал течь, как если бы это были жесткие трубы потока. Концепт Буземанн назвал «стримпайпами», а не « стримлайнами» , и в шутку предположил, что инженеры должны были считать себя «пайпфиттерами».

Несколько дней спустя у Уиткомба наступил момент « Эврики ». Причина высокого сопротивления заключалась в том, что «трубы» воздуха мешали друг другу в трех измерениях. Один не просто рассматривает воздух, текущий над двухмерным поперечным сечением самолета, как это делали другие в прошлом; теперь они также должны были рассмотреть воздух «по бокам» самолета, который также будет взаимодействовать с этими струйными трубками. Уиткомб понял, что придание формы должно применяться к самолету в целом , а не только к фюзеляжу. Это означало, что дополнительная площадь поперечного сечения крыльев и оперения должна быть учтена в общей форме, и что фюзеляж фактически должен быть сужен там, где они встречаются, чтобы более точно соответствовать идеалу.

Приложения [ править ]

Нижняя сторона А380 . Видны несколько функций, продиктованных правилами области - см. Текст

Правило площади было немедленно применено к ряду разработок. Одной из самых известных разработок была личная работа Уиткомба по перепроектированию Convair F-102 Delta Dagger , реактивного истребителя ВВС США, который продемонстрировал значительно худшие характеристики, чем ожидалось. [8] Из-за изгиба фюзеляжа рядом с крыльями и (как это ни парадоксально) увеличения объема в задней части самолета трансзвуковое сопротивление было значительно уменьшено, и была достигнута проектная скорость 1,2 Маха. Кульминацией этого исследования стал самолет Convair F-106 Delta Dart , который в течение многих лет был основным всепогодным перехватчиком ВВС США. Несмотря на тот же двигатель J57, что и F-102, F-106 был почти вдвое быстрее. [9]

Подобным образом были изменены и многочисленные конструкции той эпохи: либо добавлены новые топливные баки, либо удлинены хвостовые части для сглаживания профиля. Туполев Тот-95 «Медведь» , А советский -era бомбардировщик , имеет большую передаточную выпуклую посадку гондолу позади два внутренних двигателей, увеличивая общее поперечное сечение воздушного судна в кормовой части корневой части крыла. Его версия авиалайнера была самым быстрым винтовым самолетом в мире с 1960 года. Convair 990 использовал аналогичное решение, добавив выступы, называемые противоударными корпусами, на задней кромке верхнего крыла. 990 остается самым быстрым авиалайнером СШАв истории, крейсерская скорость до 0,89 Маха . Дизайнеры Armstrong-Whitworth пошли еще дальше в предложенной концепции M-Wing, в которой крыло сначала смещалось вперед, а затем назад. Это позволило сузить фюзеляж по обе стороны от корня, а не сразу за ним, что привело к более гладкому фюзеляжу, который в среднем оставался шире, чем у фюзеляжа с классическим стреловидным крылом.

Один интересный результат правила площади - это форма верхней палубы Boeing 747 . [10] Самолет был разработан для перевозки стандартных интермодальных контейнеров.в штабеле шириной две и высотой в две части на главной палубе, что считалось серьезным риском аварии для пилотов, если они находились в кабине в передней части самолета. Вместо этого они были перемещены над палубой в небольшой «горб», который был спроектирован так, чтобы быть как можно меньше с учетом обычных принципов оптимизации. Позже выяснилось, что сопротивление может быть уменьшено гораздо больше, если удлинить выступ, используя его для уменьшения волнового сопротивления, компенсирующего вклад поверхности хвоста. Новый дизайн был представлен на 747-300, улучшив его крейсерскую скорость и снизив лобовое сопротивление, с побочным эффектом небольшого увеличения вместимости на пассажирских рейсах.

Самолеты, спроектированные в соответствии с правилами площади Уиткомба (такие как Blackburn Buccaneer и Northrop F-5 ), выглядели странно в то время, когда они впервые проходили испытания и были названы «летающими бутылками из-под кока-колы », но правило площади было эффективным и стало ожидаемым. часть внешнего вида любого трансзвукового самолета. Более поздний дизайн начался с учетом правила площади и стал выглядеть намного приятнее. Хотя это правило по-прежнему действует, видимую "перегибку" фюзеляжа можно увидеть только на некоторых самолетах, таких как B-1B Lancer , Learjet 60 и Tupolev Tu-160 'Blackjack' . Тот же эффект теперь достигается за счет тщательного размещения компонентов самолета, таких как ускорители и грузовой отсек на ракетах;тореактивные двигатели перед (а не непосредственно под) крыльями Airbus A380 ; реактивные двигатели позади (а не только сбоку) фюзеляжа Cessna Citation X ; форма и расположение фонаря на F-22 Raptor ; и изображение Airbus A380 выше, демонстрирующее очевидную форму линейки площади у основания крыла, которая практически невидима под любым другим углом.

Изображения [ править ]

  • F-106 Delta Dart , разработка из F-102 Delta Dagger , показывает «осу талии» Формирование из - за соображения правила площади

  • NASA Convair 990 с противоударными корпусами на задней части крыльев

  • Визуализация отрыва потока нефти без и с противоударными корпусами

  • За двигателями этого Туполева Ту-95 видны две большие выпуклые гондолы (основных стоек шасси ).

См. Также [ править ]

  • Противоударный корпус
  • ударная волна
  • Звуковой барьер
  • Сверхзвуковая аэродинамика

Примечания [ править ]

  1. ^ Джонс, Роберт Т (1956), Сверхзвуковое правило области (PDF) (отчет), Великобритания : NACA, 1284.
  2. ^ https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19670030792.pdf nasa.gov. Проверено 6 апреля 2015 года.
  3. ^ Heinzerling, Werner, Flügelpfeilung und Flächenregel, zwei grundlegende deutsche Patente der Flugzeugaerodynamik [ Стреловидность крыла и правила площади, два основных немецких патента аэродинамики самолетов ] (PDF) (на немецком языке), München, DE : Deutsches Museum.
  4. ^ Patentschrift цур Flächenregel [ Патентный для правила области ] (PDF) (на немецком языке ), 21 марта 1944.
  5. ^ Мейер, Ханс-Ульрих (2006), Die Pfeilflügelentwicklung в Deutschland бис 1945 [ Развитие стреловидности крыла в Германии до 1945 года ] (на немецком языке ), стр. 166-99, ISBN 3-7637-6130-6.
  6. ^ Уоллес Хейс (некролог), Принстон.
  7. ^ Халлион, Ричард П. «NACA, НАСА и сверхзвуковой-гиперзвуковой рубеж» (PDF) . НАСА . Сервер технических отчетов НАСА . Проверено 8 сентября 2011 года .
  8. Перейти ↑ Wallace 1998 , p. 144.
  9. ^ Эпоха высокоскоростного полета https://history.nasa.gov/SP-440/ch5-10.htm
  10. Перейти ↑ Wallace 1998 , p. 147.

Библиография [ править ]

  • Уоллес, Лейн E (1998). «5». В Мак, Памела Э (ред.). Правило области Уиткомба: аэродинамические исследования и инновации NACA . От инженерной науки к большой науке . НАСА. С. 144–47 . Проверено 29 августа 2012 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Объяснение правила области , Aerospace Web.
  • Правило площади Уиткомба и морковь Кюхемана , Aerospace Web.
  • Документ DGLR
  • Немецкая система патентного поиска - ищите патент DE 932410, поданный 21 марта 1944 г.
  • 2004: Чрезмерное использование увеличивает сопротивление, но все же снижает слышимость стрелы на земле НАСА
  • См. Изображение 4 для крайнего примера: фюзеляж перед крылом , PBS.
  • Правило области Уиткомба: аэродинамические исследования и инновации NACA , History Nasa.
  • "Исследование характеристик сопротивления при нулевой подъемной силе комбинаций крыло-тело вблизи скорости звука". hdl : 2060/19930092271 . Цитировать журнал требует |journal=( помощь ) (1,31 МБ) , Уиткомб, Ричард Т., Отчет NACA 1273, 1956.
  • Современная отчетность и объяснение правила зоны , глобальные архивы Flight