ในสำนักงานออกแบบการบินทุกแห่งมีเรื่องราวเกี่ยวกับคำกล่าวของหัวหน้านักออกแบบ เฉพาะผู้เขียนคำชี้แจงเท่านั้นที่เปลี่ยนแปลง และดูเหมือนว่า: "ฉันจัดการกับเครื่องบินมาตลอดชีวิต แต่ฉันยังไม่เข้าใจว่าเหล็กชิ้นนี้บินได้อย่างไร!" ที่จริงแล้ว กฎข้อแรกของนิวตันยังไม่ถูกยกเลิก และเครื่องบินก็หนักกว่าอากาศอย่างชัดเจน จำเป็นต้องหาว่าแรงใดที่ไม่ยอมให้เครื่องจักรขนาดหลายตันตกลงสู่พื้น
วิธีเดินทางทางอากาศ
มีสามวิธีในการเดินทาง:
- Aerostatic เมื่อยกขึ้นจากพื้นจะดำเนินการโดยใช้วัตถุที่มีความถ่วงจำเพาะต่ำกว่าความหนาแน่นของอากาศในบรรยากาศ ได้แก่ ลูกโป่ง เรือเหาะ โพรบ และโครงสร้างอื่นๆ ที่คล้ายคลึงกัน
- ปฏิกิริยา ซึ่งเป็นกำลังดุร้ายของเจ็ทสตรีมจากเชื้อเพลิงที่ติดไฟได้ ซึ่งช่วยให้เอาชนะแรงโน้มถ่วงได้
- สุดท้ายคือวิธีสร้างแรงยกตามหลักอากาศพลศาสตร์ เมื่อชั้นบรรยากาศของโลกถูกใช้เป็นวัสดุรองรับยานพาหนะที่หนักกว่าอากาศ เครื่องบิน เฮลิคอปเตอร์ ไจโรเพลน เครื่องร่อน และอีกอย่าง นกเคลื่อนที่โดยใช้วิธีนี้โดยเฉพาะ
แรงแอโรไดนามิก
เครื่องบินที่เคลื่อนที่ในอากาศได้รับผลกระทบจากแรงหลายทิศทางหลักสี่แรง ตามอัตภาพ เวกเตอร์ของแรงเหล่านี้จะพุ่งไปข้างหน้า ถอยหลัง ลงและขึ้น ที่เกือบจะเป็นหงส์ มะเร็ง และหอก แรงที่ผลักเครื่องบินไปข้างหน้าถูกสร้างขึ้นโดยเครื่องยนต์ ถอยหลังคือแรงธรรมชาติของแรงต้านของอากาศ และด้านล่างคือแรงโน้มถ่วง อืม แทนที่จะปล่อยให้เครื่องบินตก - ลิฟท์ที่เกิดจากการไหลของอากาศเนื่องจากกระแสรอบปีก
บรรยากาศมาตรฐาน
สถานะของอากาศ อุณหภูมิ และความดันของอากาศอาจแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญในส่วนต่างๆ ของพื้นผิวโลก ดังนั้น คุณลักษณะทั้งหมดของเครื่องบินจะแตกต่างกันไปเมื่อบินในที่ใดที่หนึ่ง ดังนั้น เพื่อความสะดวกและนำลักษณะและการคำนวณทั้งหมดมาเป็นตัวหารร่วม เราจึงตกลงที่จะกำหนดบรรยากาศมาตรฐานที่เรียกว่าด้วยพารามิเตอร์หลักดังต่อไปนี้: ความดัน 760 มม. ปรอท เหนือระดับน้ำทะเล ความหนาแน่นของอากาศ 1.188 กก. ต่อลูกบาศก์เมตร ความเร็วของ เสียง 340.17 เมตรต่อวินาที, อุณหภูมิ +15 ℃ เมื่อระดับความสูงเพิ่มขึ้น พารามิเตอร์เหล่านี้จะเปลี่ยนไป มีตารางพิเศษที่แสดงค่าของพารามิเตอร์สำหรับความสูงต่างกัน การคำนวณตามหลักอากาศพลศาสตร์ทั้งหมด ตลอดจนการกำหนดคุณลักษณะประสิทธิภาพของเครื่องบิน ดำเนินการโดยใช้ตัวชี้วัดเหล่านี้
หลักการสร้างลิฟต์ที่ง่ายที่สุด
ถ้าอยู่ในกระแสลมที่กำลังจะมาถึงการวางวัตถุแบนๆ เช่น การเอาฝ่ามือออกไปทางหน้าต่างรถที่กำลังเคลื่อนที่ คุณจะสัมผัสได้ถึงแรงนี้ดังที่พวกเขาพูดกันว่า "บนนิ้วของคุณ" เมื่อหมุนฝ่ามือเป็นมุมเล็ก ๆ ที่สัมพันธ์กับการไหลของอากาศ จะรู้สึกได้ทันทีว่านอกจากแรงต้านอากาศแล้ว ยังมีแรงอีกอันปรากฏขึ้นดึงขึ้นหรือลง ขึ้นอยู่กับทิศทางของมุมการหมุน มุมระหว่างระนาบของร่างกาย (ในกรณีนี้คือฝ่ามือ) กับทิศทางการไหลของอากาศเรียกว่ามุมโจมตี โดยการควบคุมมุมของการโจมตี คุณสามารถควบคุมลิฟต์ได้ จะเห็นได้ง่าย ๆ ว่าเมื่อมุมโจมตีเพิ่มขึ้น แรงที่ดันฝ่ามือขึ้นจะเพิ่มขึ้น แต่ขึ้นไปถึงจุดหนึ่ง และเมื่อถึงมุมใกล้ 70-90 องศาก็จะหายหมด
ปีกเครื่องบิน
พื้นผิวลูกปืนหลักที่สร้างแรงยกคือปีกเครื่องบิน โครงร่างปีกมักจะเป็นรูปหยดน้ำโค้งตามที่แสดง
เมื่ออากาศไหลไปรอบๆ ปีก ความเร็วของอากาศที่ไหลผ่านส่วนบนของปีกจะเกินความเร็วของการไหลที่ต่ำกว่า ในกรณีนี้ ความกดอากาศคงที่ที่ด้านบนจะต่ำกว่าใต้ปีก ความต่างของแรงกดทำให้ปีกยกขึ้น ทำให้เกิดแรงยก ดังนั้น เพื่อให้มั่นใจถึงความแตกต่างของแรงกด โปรไฟล์ปีกทั้งหมดจึงไม่สมมาตร สำหรับปีกที่มีรูปทรงสมมาตรที่มุมการโจมตีเป็นศูนย์ การยกขึ้นในระดับการบินจะเป็นศูนย์ ด้วยปีกแบบนี้ วิธีเดียวที่จะสร้างมันคือการเปลี่ยนมุมของการโจมตี มีส่วนประกอบอื่นของแรงยก - อุปนัย เธอคือเกิดขึ้นเนื่องจากการเอียงลงของการไหลของอากาศโดยพื้นผิวที่โค้งงอของปีก ซึ่งส่งผลให้เกิดแรงย้อนกลับขึ้นที่กระทำบนปีกโดยธรรมชาติ
การคำนวณ
สูตรคำนวณแรงยกของปีกเครื่องบินมีดังนี้
Y=CyS(PV 2)/2
ที่ไหน:
- Cy - สัมประสิทธิ์การยก
- S - บริเวณปีก
- V - ความเร็วการสตรีมฟรี
- P - ความหนาแน่นของอากาศ
ถ้าทุกอย่างชัดเจนด้วยความหนาแน่นของอากาศ พื้นที่ปีก และความเร็ว สัมประสิทธิ์การยกจะเป็นค่าที่ได้จากการทดลองและไม่ใช่ค่าคงที่ มันแตกต่างกันไปขึ้นอยู่กับโปรไฟล์ปีก อัตราส่วนกว้างยาว มุมของการโจมตี และค่าอื่นๆ อย่างที่คุณเห็น การขึ้นต่อกันส่วนใหญ่เป็นเส้นตรง ยกเว้นความเร็ว
สัมประสิทธิ์ลึกลับนี้
ค่าสัมประสิทธิ์การยกปีกเป็นค่าที่คลุมเครือ การคำนวณแบบหลายขั้นตอนที่ซับซ้อนยังคงได้รับการยืนยันในการทดลอง โดยปกติจะทำในอุโมงค์ลม สำหรับโปรไฟล์ปีกแต่ละอันและสำหรับมุมของการโจมตีแต่ละอัน ค่าของปีกจะแตกต่างกัน และเนื่องจากตัวปีกไม่บิน แต่เป็นส่วนหนึ่งของเครื่องบิน การทดสอบดังกล่าวจึงดำเนินการกับแบบจำลองเครื่องบินที่ลดจำนวนลงที่เกี่ยวข้อง ปีกจะไม่ค่อยได้รับการทดสอบแยกจากกัน จากผลการวัดจำนวนมากของแต่ละปีกโดยเฉพาะ เป็นไปได้ที่จะพล็อตการพึ่งพาสัมประสิทธิ์ของมุมของการโจมตี เช่นเดียวกับกราฟต่างๆ ที่สะท้อนถึงการพึ่งพาอาศัยกันยกขึ้นจากความเร็วและโปรไฟล์ของปีกเฉพาะ รวมทั้งจากกลไกของปีกที่ปล่อยออกมา แผนภูมิตัวอย่างแสดงอยู่ด้านล่าง
อันที่จริงแล้ว สัมประสิทธิ์นี้เป็นตัวกำหนดความสามารถของปีกในการแปลงแรงดันของอากาศที่เข้ามาเป็นแรงยก ค่าปกติของมันคือ 0 ถึง 2 บันทึกคือ 6 จนถึงตอนนี้บุคคลนั้นอยู่ไกลจากความสมบูรณ์แบบตามธรรมชาติมาก ตัวอย่างเช่น ค่าสัมประสิทธิ์ของนกอินทรีเมื่อลอยขึ้นจากพื้นพร้อมกับจับโกเฟอร์ มีค่าเท่ากับ 14 จากกราฟด้านบนจะเห็นได้ชัดเจนว่าการเพิ่มมุมของการโจมตีจะทำให้แรงยกของค่ามุมบางค่าเพิ่มขึ้น. หลังจากนั้นเอฟเฟกต์จะหายไปและแม้แต่ไปในทิศทางตรงกันข้าม
กระแสร้าน
อย่างที่พวกเขาพูดกันว่าทุกอย่างดีพอประมาณ แต่ละปีกมีขีดจำกัดในแง่ของมุมโจมตี มุมโจมตีวิกฤตยิ่งยวดที่เรียกว่านำไปสู่แผงลอยบนพื้นผิวด้านบนของปีก ทำให้ไม่สามารถยกได้ แผงลอยเกิดขึ้นไม่สม่ำเสมอทั่วทั้งปีกและมีปรากฏการณ์ที่ไม่พึงประสงค์อย่างยิ่งที่สอดคล้องกันเช่นการสั่นและการสูญเสียการควบคุม น่าแปลกที่ปรากฏการณ์นี้ไม่ได้ขึ้นอยู่กับความเร็วมากนัก แม้ว่ามันจะส่งผลกระทบด้วย แต่สาเหตุหลักของการเกิดแผงลอยคือการหลบหลีกอย่างเข้มข้น พร้อมด้วยมุมการจู่โจมที่วิกฤตยิ่งยวด เป็นเพราะเหตุนี้เองที่เครื่องบิน Il-86 พังเพียงครั้งเดียวเกิดขึ้นเมื่อนักบินต้องการ "อวด" บนเครื่องบินเปล่าที่ไม่มีผู้โดยสาร ทันใดนั้นก็เริ่มปีนขึ้นไปซึ่งจบลงอย่างน่าเศร้า
แนวต้าน
จูงมือกันยกมาแดร็กป้องกันไม่ให้เครื่องบินเคลื่อนที่ไปข้างหน้า ประกอบด้วยสามองค์ประกอบ สิ่งเหล่านี้คือแรงเสียดทานอันเนื่องมาจากผลกระทบของอากาศบนเครื่องบิน แรงที่เกิดจากความแตกต่างของแรงดันในบริเวณด้านหน้าของปีกและด้านหลังปีก และองค์ประกอบอุปนัยที่กล่าวถึงข้างต้น เนื่องจากเวกเตอร์ของการกระทำนั้นถูกกำกับ ไม่เพียงแต่ขึ้นไปเท่านั้น มีส่วนทำให้การยกสูงขึ้น แต่ยังกลับมาเป็นพันธมิตรของการต่อต้านด้วย นอกจากนี้ หนึ่งในองค์ประกอบของความต้านทานอุปนัยคือแรงที่เกิดขึ้นเนื่องจากการไหลของอากาศผ่านปลายปีกทำให้เกิดกระแสน้ำวนที่เพิ่มความเอียงของทิศทางการเคลื่อนที่ของอากาศ สูตรการลากตามหลักอากาศพลศาสตร์จะเหมือนกันทุกประการกับสูตรแรงยก ยกเว้นค่าสัมประสิทธิ์ Su มันเปลี่ยนเป็นค่าสัมประสิทธิ์ Cx และถูกกำหนดโดยการทดลองด้วย ค่าของมันแทบจะไม่เกินหนึ่งในสิบของหนึ่ง
อัตราส่วนดรอปต่อการลาก
อัตราส่วนของแรงยกต่อแรงต้านเรียกว่าคุณภาพแอโรไดนามิก ต้องคำนึงถึงคุณลักษณะหนึ่งที่นี่ เนื่องจากสูตรของแรงยกและแรงลาก ยกเว้นค่าสัมประสิทธิ์จะเหมือนกัน จึงสรุปได้ว่าคุณภาพอากาศพลศาสตร์ของเครื่องบินถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของสัมประสิทธิ์ Cy และ Cx กราฟของอัตราส่วนนี้สำหรับมุมโจมตีบางมุมเรียกว่าขั้วปีก ตัวอย่างของแผนภูมิดังกล่าวแสดงอยู่ด้านล่าง
เครื่องบินสมัยใหม่มีค่าคุณภาพอากาศพลศาสตร์ประมาณ 17-21 และเครื่องร่อน - มากถึง 50 ซึ่งหมายความว่าบนเครื่องบิน การยกปีกนั้นอยู่ในสภาวะที่เหมาะสมมากกว่าแรงต้าน 17-21 เท่า เมื่อเทียบกับเครื่องบินของพี่น้องตระกูล Wright ซึ่งได้คะแนน 6.5 ความก้าวหน้าในการออกแบบนั้นชัดเจน แต่นกอินทรีที่มีโกเฟอร์อยู่ในอุ้งเท้าของมันก็ยังห่างไกลออกไป
โหมดเครื่องบิน
โหมดการบินที่แตกต่างกันต้องใช้อัตราส่วนการยกต่อการลากที่แตกต่างกัน ในการบินระดับการล่องเรือ ความเร็วของเครื่องบินค่อนข้างสูงและค่าสัมประสิทธิ์การยกซึ่งแปรผันตามกำลังสองของความเร็วอยู่ที่ค่าที่สูง สิ่งสำคัญที่นี่คือการลดความต้านทาน ในระหว่างการบินขึ้นและโดยเฉพาะอย่างยิ่งการลงจอด ค่าสัมประสิทธิ์การยกมีบทบาทชี้ขาด ความเร็วของเครื่องบินต่ำ แต่จำเป็นต้องมีตำแหน่งที่มั่นคงในอากาศ ทางออกที่ดีสำหรับปัญหานี้คือการสร้างปีกแบบปรับได้ซึ่งจะเปลี่ยนความโค้งและแม้กระทั่งพื้นที่ขึ้นอยู่กับสภาพการบิน ในลักษณะเดียวกับที่นกทำโดยประมาณ จนกว่านักออกแบบจะประสบความสำเร็จ การเปลี่ยนแปลงในค่าสัมประสิทธิ์การยกจะเกิดขึ้นได้โดยใช้กลไกของปีก ซึ่งจะเพิ่มทั้งพื้นที่และความโค้งของโปรไฟล์ ซึ่งโดยการเพิ่มความต้านทาน จะเพิ่มแรงยกอย่างมาก สำหรับเครื่องบินรบ ใช้การเปลี่ยนแปลงการกวาดปีก นวัตกรรมนี้ทำให้สามารถลดแรงต้านที่ความเร็วสูงและเพิ่มแรงยกที่ความเร็วต่ำได้ อย่างไรก็ตาม การออกแบบนี้กลับกลายเป็นว่าไม่น่าเชื่อถือ และเมื่อเร็ว ๆ นี้เครื่องบินแนวหน้าได้รับการผลิตด้วยปีกคงที่ อีกวิธีหนึ่งในการเพิ่มแรงยกของปีกเครื่องบินคือการเป่าปีกด้วยกระแสจากเครื่องยนต์ นี้ได้รับการดำเนินการในกองทัพเครื่องบินขนส่ง An-70 และ A-400M ซึ่งด้วยคุณสมบัตินี้ มีความโดดเด่นด้วยระยะทางที่เครื่องขึ้นและลงที่สั้นลง
