Вредное сопротивление

Лобовое сопротивление — это сила, препятствующая движению тел в жидкостях и газах. Лобовое сопротивления складывается из двух типов сил: сил касательного (тангенциального) трения, направленных вдоль поверхности тела, и сил давления, направленных по нормали к поверхности.

Силы сопротивления удобно разделить на три категории: паразитное сопротивление, индуктивное сопротивление и волновое сопротивление. Каждый тип характеризуется своим собственным безразмерным коэффициентом сопротивления и определённой зависимостью от скорости движения.

Паразитное сопротивление

Паразитное (вредное) сопротивление (англ. parasite drag) возникает в результате воздействия скоростного напора воздуха и сил трения на лобовые части и поверхности элементов конструкции, не участвующих в создании подъёмной силы. Фюзеляж самолета, крылья и оперение, мотогондолы, шасси, выступающие антенны, расчалки и растяжки, подвесные системы и т. п. — все они создают вредное сопротивление при движении сквозь среду. Кроме того, в местах сочленений деталей, на резких переходах формы, возле щелей и выступов возникают завихрения воздушного потока, которые также увеличивают вредное сопротивление. Скоростные самолеты, несмотря на острые кромки крыльев и сверхобтекаемую форму, испытывают существенный нагрев обшивки, когда преодолевают силу лобового сопротивления мощью своих двигателей.

Сила сопротивления направлена против скорости движения, её величина пропорциональна площади поперечного сечения S, плотности среды ρ и квадрату скорости v:

$F_d= {1 \over 2} C_d \rho v^2 S$

Мощность, требуемая для преодоления вредного сопротивления, пропорциональна кубу скорости.

Индуктивное сопротивление

Индуктивное сопротивление (англ. lift-induced drag) — это следствие образования подъёмной силы на крыле конечного размаха. Несимметричное обтекание крыла приводит к тому, что поток воздуха сбегает с крыла под углом к набегающему на крыло потоку (т. н. скос потока). Таким образом, во время движения крыла происходит постоянное ускорение массы набегающего воздуха в направлении, перпендикулярном направлению полёта, и направленном вниз. Это ускорение во-первых сопровождается образованием подъёмной силы, а во-вторых — приводит к необходимости сообщать ускоряющемуся потоку кинетическую энергию. Количество кинетической энергии, необходимое для сообщения потоку скорости, перпендикулярной направлению полёта, и будет определять величину индуктивного сопротивления.

На величину индуктивного сопротивления оказывает влияние не только величина подъёмной силы, но и её распределение по размаху крыла. Доказано, что минимальное значение индуктивного сопротивления достигается при эллиптическом распределении подъёмной силы по крылу. При этом форма крыла в плане, обеспечивающая такое распределение, будет также эллиптической.

Существенный вклад в индуктивное сопротивление вносит концевой вихрь, интенсивность которого зависит от распределения подъёмной силы по размаху крыла. Суть его состоит в следующем:

Часть воздуха перетекает через законцовку крыла из области высокого давления снизу в область пониженного давления сверху, образуя при этом концевой вихрь. На образование вихря тратится энергия движения, что приводит к росту силы индуктивного сопротивления. При проектировании крыла добиваются уменьшения интенсивности концевого вихря распределением подъёмной силы, близким к эллиптическому, следующими методами:

Выбором рациональной формы крыла в плане;

применением геометрической и аэродинамической крутки;

Установкой вспомогательных поверхностей(законцовок, гребней), препятствующих движению воздуха вдоль размаха.

Индуктивное сопротивление пропорционально квадрату подъёмной силы L, и обратно пропорционально плотности среды ρ, площали крыла S, его удлинению A и квадрату скорости v:

$F_i = \frac{k L^2}{\frac{1}{2} \pi \rho v^2 S A}$

Коэффициент k показывает степень отклонения от наивыгоднейшего эллиптического распределения подъёмной силы по размаху крыла, и обычно находится в районе 1.05—1.15.

Таким образом, индуктивное сопротивление наиболее выражено при большом весе самолёта и при полёте на малой скорости (и, как следствие, на больших углах атаки). Эта ситуация типична для взлёта и посадки, когда скорость ещё мала. При этом за самолётом образуются два спутных вихря, стекающих с законцовок крыла и являющихся источником крупномасштабной турбулентности, опасной для самолётов, следующих позади-ниже. Чтобы избежать опасных ситуаций, самолёты, заходящие на посадку, разделяют интервалами в зависимости от веса — чем больше вес предыдущего самолёта и меньше вес следующего, тем дольше ждать посадки следующему.

Волновое сопротивление

Волновое сопротивление (англ. wave drag) является существенным при движении с около- и сверхзвуковой скоростью, и вызвано образованием ударной волны, уносящей значительную долю энергии движения. Волновое сопротивление начинает вносить ощутимый вклад начиная со скоростей порядка 0.8М (где М — число Маха), однако, может оказаться значительным и при более низких скоростях, если часть потока, обтекающего тело, внезапно приобретает сверхзвуковую скорость (например, над крылом, особенно с толстым профилем и без стреловидности).

Суммарное сопротивление

Является суммой всех видов сил сопротивления. При движении с дозвуковой скоростью наиболее существенны паразитное и (при наличии подъёмной силы) индуктивное сопротивление.

Так как паразитное сопротивление пропорционально квадрату скорости, а индуктивное — обратно пропорционально квадрату скорости, то они имеют разный вклад при разных скоростях. Скорость, при которой обе силы сопротивления равны по величине, характеризуется минимальным суммарным сопротивлением. При этой скорости самолёт обладает наивысшим аэродинамическим качеством. Для моторного самолёта это является скоростью наилучшего угла подъёма, а для безмоторного планёра — скоростью наименьшего угла планирования (следовательно, наибольшей дальности планирования).

Мощность, требуемая для преодоления силы паразитного сопротивления, пропорциональна кубу скорости, а мощность, требуемая для преодоления индуктивного сопротивления, обратно-пропорциональна скорости, поэтому суммарная мощность тоже имеет нелинейную зависимость от скорости. При некоторой скорости мощность (а значит и расход топлива) становится минимальной — это скорость наибольшей продолжительности полёта (барражирования). Скорость, при которой достигается минимум отношения мощности (расхода топлива) к скорости полёта, является скоростью максимальной дальности полёта или крейсерской скоростью.

См. также

• Эффект Бартини