Войти
Распределение площади поперечного сечения вдоль тела определяет волновое сопротивление, в значительной степени независимо от фактической формы. Хотя и не совпадающие, синие и светло-зеленые формы примерно равны по площади. Правило площади Уиткомба, также называемое правилом трансзвуковой площади, представляет собой метод проектирования, используемый для уменьшения аэродинамическое сопротивление самолета на околозвуковой и сверхзвуковой скоростях, в частности между Маха 0,75 и 1,2.
Это один из наиболее важных диапазонов рабочих скоростей для коммерческих и военных самолетов на сегодняшний день, при этом околозвуковое ускорение считается важным показателем характеристик боевых самолетов и обязательно зависит от околозвукового сопротивления..
При высоких дозвуковых скоростях полета местная скорость воздушного потока может достигать скорости звука, когда поток ускоряется вокруг самолет корпус и крылья. Скорость, с которой происходит это развитие, варьируется от самолета к самолету и известна как критическое число Маха. Результирующие ударные волны, сформированные 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 области поперечного сечения как можно более плавно.
Правило площади гласит, что два самолета с одинаковым распределением площади продольного поперечного сечения 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, хвостовых поверхностей.
Правило площади также выполняется при скоростях, превышающих скорость звука, но в этом случае расположение корпуса 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 угол Маха, а M - число Маха ). В этом случае «идеальная форма» смещена назад; поэтому самолеты, предназначенные для крейсерского полета на высокой скорости, обычно имеют крылья, направленные назад. Классический пример такой конструкции - Concorde. При применении правила трансзвуковой площади условие, что плоскость, определяющая поперечное сечение, встречает продольную ось под углом Маха μ, больше не предписывает уникальную плоскость для μ, отличную от 90 °, заданных M = 1. Правильная процедура состоит в том, чтобы усреднение по всем возможным ориентациям пересекающейся плоскости.
Внешне родственная концепция - это тело Сирса – Хаака, форма которого обеспечивает минимальное волновое сопротивление для данной длины и заданного объема. Однако форма тела Сирса – Хаака выводится, исходя из уравнения Прандтля – Глауэрта, которое управляет сверхзвуковыми потоками с малыми возмущениями. Но это уравнение не верно для трансзвуковых потоков, где применяется правило площади. Таким образом, хотя форма тела Сирса – Хаака, будучи гладкой, будет иметь благоприятные свойства волнового сопротивления в соответствии с правилом площади, это не является теоретически оптимальным.
Junkers патентный рисунок от марта 1944 года. Правило площади было обнаружено при сравнении стреловидного крыла с W-образным крылом с чрезвычайно высоким волновым сопротивлением при работе над трансзвуковой аэродинамической трубой в Юнкерс работал в Германии между 1943 и 1945 годами. 17 декабря 1943 года он написал описание под названием Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug («Расположение смещаемых тел при высокоскоростном полете»); это было использовано в патенте, поданном в 1944 году. Результаты этого исследования были представлены широкому кругу людей в марте 1944 года Теодором Зобелем из Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung (Немецкая академия исследований в области аэронавтики) в лекции «Принципиально новые способы повышения производительности. высокоскоростных самолетов ».
При разработке последующих немецких самолетов военного времени было учтено открытие, очевидное в узкой средней части фюзеляжа самолетов, включая Messerschmitt P.1112, P.1106 и Focke-Wulf 1000x1000x1000 тип Бомбардировщик дальнего действия, но также очевиден в конструкции треугольного крыла, включая. Несколько других исследователей вплотную подошли к разработке аналогичной 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 теория путем изучения воздушного потока, особенно потока по размаху, над стреловидным крылом. Стреловидное крыло уже является косвенным применением правила площади.
Уоллес Д. Хейс, пионер сверхзвуковых полетов, разработал правило околозвуковой зоны в публикациях, начиная с 1947 года в своей докторской диссертации. дипломная работа в Калифорнийском технологическом институте.
апрель 1955 г.: Уиткомб исследует модель самолета, спроектированную в соответствии с его территориальными правилами. Ричард Т. Уиткомб, в честь которого названо это правило, независимо обнаружил это правил в 1952 году, работая в NACA. При использовании нового восьмифутового высокоскоростного туннеля аэродинамической трубы с производительностью до 0,95 Маха в Исследовательском центре Лэнгли NACA, он был удивлен увеличением сопротивления из-за удара. формирование 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. Удары можно было увидеть с помощью фотографии Шлирена, но причина, по которой они создавались на скоростях намного ниже скорости звука, иногда даже на 0,70 Маха, оставалась загадкой.
В конце 1951 года в лаборатории выступил Адольф Буземан, 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, что воздух плавно обтекает корпус самолета, на высоких скоростях он просто не успевал «уйти с дороги», и вместо этого начинал течь, как будто это были жесткие трубы потока, Концепцию Буземанн назвал «струйными трубками», в отличие от streamlines, и в шутку предположил, что инженеры должны были считать себя «трубочниками».
Несколько дней спустя у Уиткомба случился момент «Эврика ». Причина высокого сопротивления заключалась в том, что «трубы» воздуха мешали друг другу в трех измерениях. Один не просто рассматривает воздух, текущий по двухмерному поперечному сечению самолета, как это делали другие в прошлом; теперь они также должны были учитывать 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 хвостового оперения должна быть учтена в общей форме, и что фюзеляж должен быть фактически сужен в местах пересечения, чтобы более точно соответствовать идеалу.
Нижняя сторона A380. Видны несколько функций, определяемых правилами области - см. Текст Правило области 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 демонстрировал значительно худшие характеристики, чем ожидалось. За счет углубления фюзеляжа рядом с крыльями и (как это ни парадоксально) увеличения объема задней части самолета трансзвуковое сопротивление было значительно уменьшено, и была достигнута проектная скорость 1,2 Маха. Кульминационным результатом этого исследования стал Convair F-106 Delta Dart, самолет, 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.
Многие конструкции той эпохи также были модифицированы таким же образом, либо путем добавления новых топливных баков или удлинения хвостовой части. разгладить профиль. Туполев Ту-95 «Медведь», советский -эра бомбардировщик, имеет большие выпуклые гондолы шасси за двумя внутренними двигателями, что увеличивает общую проходимость самолета. секция за корнем крыла. Его версия авиалайнера была самым быстрым винтовым самолетом в мире с 1960 года. В Convair 990 использовалось аналогичное решение, добавив неровности, называемые противоударными. тела к задней кромке верхнего крыла. 990 остается самым быстрым американским авиалайнером в истории, развивая крейсерскую скорость до Маха 0,89. Конструкторы из Armstrong-Whitworth продвинули эту концепцию на шаг вперед, предложив M-Wing, в котором 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 Боинга 747. Самолет был спроектирован так, чтобы перевозить стандартные интермодальные контейнеры в штабеле двух шириной и двух высот на главной палубе, что считалось серьезным риском аварии для пилотов, если они находились в передней кабине. самолета. Вместо этого они были перемещены над палубой в небольшой «горб», который был спроектирован так, чтобы быть как можно меньше с учетом обычных принципов обтекаемости. Позже выяснилось, что сопротивление может быть уменьшено гораздо больше, если удлинить выступ, используя его для уменьшения волнового сопротивления, компенсируя влияние 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 территориальными правилами Уиткомба (такие как Blackburn Buccaneer и Northrop F-5 ), выглядели странно в то время, когда они были впервые испытаны и были названы "летающие бутылки из-под кока-колы ", но правило площади эффективно и стало ожидаемой частью внешнего вида любого трансзвукового самолета. Более поздний дизайн начался с учетом правила площади и стал выглядеть намного приятнее. Хотя это правило по-прежнему применяется, видимую "талию" фюзеляжа можно увидеть только на некоторых самолетах, таких как B-1B Lancer, Learjet 60 и Tupolev. Ту-160 "Блэкджек". Тот же эффект теперь достигается за счет тщательного размещения компонентов самолета, таких как ускорители и грузовой отсек на ракетах; реактивные 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 показывает очевидную форму линейки площади у основания крыла, которая практически невидима под любым другим углом.
F-106 Delta Dart, развитие F-102 Delta Dagger, демонстрирует форму «осиной талии» из-за площади Соображения правил
NASA Convair 990 с противоударными корпусами на задней части крыльев
Визуализация отрыва потока нефти без и с противоударными корпусами
Две большие выпуклые гондолы (для основных шасси ) видно за двигателями этого Туполев Ту-95
| journal =() (1,31 МБ), Whitcomb, Ричард Т., NACA Report 1273, 1956.