Андрей Макронович предлагает Вам запомнить сайт «Космос»
Вы хотите запомнить сайт «Космос»?
Да Нет
×
Прогноз погоды

Без Космоса нет будущего!

Поиск по блогу

Запомнить
Читать

О сайте

Двигатель и крыло

развернуть
Двигатель и крыло

Настоящий бич современного общества — это тотальная некомпетентность. Так называемые ВУЗы наплодили безумное количество образованщины, которая зазубрила какие-то формулы и названия, но не смогла понять их смысла и взаимосвязи с реальной жизнью. Однако эти ребята искренне уверены, что всё во всём понимают — как Полиграф Полиграфович Шариков. Помните, что ему сказал профессор?

Вы стоите на самой низкой ступени развития. Вы — ещё только формирующееся, слабое в умственном отношении существо. Все ваши поступки звериные. И вы, в присутствии 2-х людей с университетским образованием, позволяете себе давать советы космического масштаба и космической же глупости.

Вот вылезает такой Полиграфыч — и что с ним делать? Как ему объяснить принципы конструирования летательного аппарата — если он не знает элементарных вещей, но при этом позволяет себе давать специалистам советы космического масштаба и космической же глупости?

Можно, конечно, начать с букварей — например, с формулы Бернулли (при установившемся движении идеального несжимаемого газа сумма кинетической и потенциальной энергий единицы его объема есть величина постоянная для всех сечений) и следующей из нее теоремы Жуковского. Но что толку, если Полиграфыч не в состоянии понять связи этих абстракций с реальной жизнью?

Поэтому я, как Ленин, пойду другим путём — более занимательным. Я вам расскажу, как развивалось понимание принципов конструирования самолетов на примерах реально летавших аппаратов, и вы без всяких формул и теорем увидите, в чем там дело.

Для простоты пока рассмотрим узкую проблему размещения движителя (воздушного винта или турбореактивного двигателя) относительно крыла. Это одна из самых фундаментальных проблем конструирования, которая определяет облик летательного аппарата процентов на 60, а то и более.

Чтобы понять, почему это так важно — посмотрим всё-таки на вот такую картинку:

Двигатель и крыло

Это эпюры распределения давления по поверхности профиля крыла, выраженные через коэффициент Ср, который показывает относительную разницу между давлением воздушного потока на крыло и атмосферным давлением. Отрицательные значения Ср означают разрежение воздуха, положительные — сжатие (избыточное давление). Это даже не теория — можно взять крыло, насверлить в нем дырочек, приделать к каждой дырочке манометр и померять давление во время полета. И получится вот такая вот картинка. Теория объясняет — почему картинка именно такая, но практические выводы можно сделать, даже вообще не зная теории, а просто имея вот эти эпюры и некоторый запас серого вещества в голове.

Распределение давлений по профилю зависит от формы профиля, угла атаки и может существенно отличаться от приведенного на рисунке, но нам важно запомнить, что на малых (дозвуковых) скоростях основной вклад в создание подъемной силы вносит разрежение, образующееся над верхней поверхностью крыла на первых 25% хорды профиля. Причем подъемная сила тем выше, чем выше скорость потока, обтекающего крыло.

Как только эта зависимость стала понятна — авиаконструкторы очень быстро пришли вот к такому дизайну самолетов:

Двигатель и крыло

В данном случае это бомбардировщик Boeing B-29, его советская копия называется Ту-4, и она во многом определила облик всей послевоенной советской авиации.

Обратите внимание на то, что ось винта находится примерно на уровне хорды крыла, таким образом поток воздуха от винта равномерно распределен между верхней и нижней поверхностью крыла. Сам винт достаточно далеко отодвинут от кромки крыла, чтобы уменьшить потери, вызываемые турбулентностью (поток воздуха после винта закручен, и при столкновении с плоскостью крыла вызывает завихрения и нарушает нормальное обтекание крыла). Это классический дизайн пары «движитель и крыло» образца WW2.

Идея такой компоновки состоит в том, чтобы направить разогнанный винтом и быстро движущийся поток воздуха на переднюю кромку крыла — это должно дать прирост подъемной силы крыла за счет увеличения скорости воздуха, омывающего крыло. И это работает — при достаточной производительности винтов и аэродинамическом качестве плоскости самолет с такой компоновкой «двигатель перед крылом» может подняться в воздух вообще без разбега.

В определенный момент эта идея привела к возникновению вот такой машины:

Двигатель и крыло

Это палубный самолет V-173, на нем вы видите опознавательные знаки США и US Navy — но на самом деле самолет придумали немцы. Он взлетает и даже садится практически без разбега и пробега благодаря очень сильному обдуву винтами своего дискообразного крыла. Причем пропеллеры крутятся в определенные стороны и поставлены с краю крыла не просто так — закрутка потока обеспечивает перетекание давления через кромку крыла и увеличивает давление под крылом и разрежение над крылом.

Однако через некоторое время математическое моделирование показало, что у такого подхода есть ряд изъянов. Главный из которых состоит в том, что поток воздуха, идущего от пропеллера, сам по себе имеет избыточное давление относительно атмосферного. И если для нижней поверхности крыла это даже хорошо (там подъемную силу создает избыточное давление), то для верхней поверхности крыла это плохо, ибо уменьшает его подъемную силу. А ведь, как мы уже видели — основной вклад в создание подъемной силы вносит разрежение, образующееся над верхней поверхностью крыла, и именно это разрежение мы губим.

Первое, что пришло в голову конструкторам для уменьшения этого печального эффекта — сдвинуть моторы вниз относительно крыла. Чтобы основной поток воздуха от двигателей, стоящих перед крылом, шел под крыло. Вот так это выглядит на Ту-95:

Двигатель и крыло

Здесь сдвиг двигателя под крыло относительно умеренный — но Туполев пошел на него даже невзирая на колоссальные конструктивные проблемы, вызванные тем, что на самолете используются турбовинтовые двигатели с гигантским диаметром винтов в 6 метров — чтобы такие винты не цепляли лопастями за грунт, понадобились высоченные шасси, создание которых для машины взлетной массой в 182 тонны само по себе непросто.

Американцы попытались решить эту проблему иначе — перейдя на толкающие винты:

Двигатель и крыло

Это красивое решение, идея которого состоит в замене обдува передней кромки крыла на отсос воздуха с задней кромки. При этом винты можно сдвинуть выше — обеспечив увеличение разрежения над крылом, при этом особенно сильно разрежение увеличится в задней части крыла, которая «недогружена» разрежением при обычном обтекании аэродинамеческого профиля.

Ровно та же самая идея используется на отечественной амфибии Бе-200:

Двигатель и крыло

Здесь турбореактивные двигатели отсасывают воздух не только с верхней корневой части консолей крыла, но еще и с центроплана — площадь больше, соответственно и прирост подъемной силы выше. В пределе эта схема выглядит вот так:

Двигатель и крыло

Это перспективный авиалайнер от Boeing. Схема обеспечивает серьезный прирост характеристик по сравнению с ныне применяемыми фюзеляжными лайнерами — но увы, авиакомпании пока не готовы к такому авангарду. Хотя технически там нет ничего сложного.

Вариант этой же идеи применительно к пассажирскому низкоплану:

Двигатель и крыло

Это Cessna 750 Citation X — но вообще такая компоновка используется для бизнес-джетов довольно часто. В СССР эту же идею использовал Як-40 — именно этот отсос воздуха с верхней поверхности крыла и фюзеляжа в районе центроплана во многом обеспечил машине Яковлева те самые выдающиеся взлетно-посадочные характеристики, которые все отмечали:

Двигатель и крыло

На Як-42 пытались использовать ту же самую идею — но уже не столь успешно.

Но ладно, вернемся к идее «двигатель дует под крыло». Так уж вышло, что именно американцы из Boeing первыми показали миру чистейший, рафинированный образец оптимизации компоновки дозвукового пассажирского самолета, причем не только в части «двигатель-крыло», но и всего остального:

Двигатель и крыло

На фото так называемый Boeing-367 выполняет свой первый полет 15 июля 1954 года. Впрочем, весь мир знает этот самолет как Боинг-707 — один из первых реактивных пассажирских лайнеров в мире. Посмотрите на эту машину внимательно — за прошедшие 60 лет технический прогресс авиации так и не смог создать никакой другой компоновки, столь же оптимальной — хотя было сделано множество попыток. Всё, что дал прогресс — это уменьшение количества двигателей с 4 до 2, но это просто следствие роста их мощности. А так компоновка — всё та же.

Знаете, о чем это говорит? Это говорит о том, что конструкторы Boeing решили проблемы компоновки оптимально. Так что внимательно смотрим — как именно они расположили двигатель относительно крыла. А чтобы не было грязи — мы посмотрим не на Боинг, а на его главного конкурента Airbus (потому что так расположены двигатели абсолютно у всех современных лайнеров, за исключением самых маленьких):

Двигатель и крыло

Видите — поток воздуха от двигателя поступает строго под крыло. Никакого обдува верхней части крыла потоком от двигателя нет и в помине.

Забавно, что в настоящее время грузовые Boeing 707 и различные военные модификации Boeing 707 и KC-135 продолжают летать — и будут летать предположительно до 2040 года. То есть более 100 лет. По меркам авиации это — вечность.

При этом заметьте — компоновочно такое решение (двигатель перед крылом ниже крыла) имеет проблемы, особенно усугубляющиеся, если самолет имеет схему низкоплана (крыло расположено ниже центра фюзеляжа). Эта проблема прекрасно видна на фотографии — двигатель висит над самой поверхностью взлетно-посадочной полосы. Но выгода аэродинамики от сочетания такого расположения двигателя со схемой низкоплана — слишком велика, чтобы от этой схемы отказаться.

Казалось бы — проблему можно решить, перейдя к схеме высокоплана:

Двигатель и крыло

Это хохляцкий Ан-148 — как видите, расположение двигателя относительно крыла всё то же, только крыло стоит сверху фюзеляжа.

Самолет по идее аналогичен по размерному классу российскому Superjet SSJ-100 (который сделан по классической схеме):

Двигатель и крыло

Так вот при всех компоновочных достоинствах высокоплана Ан-148 в соперничестве с SSJ-100 обречен. Аэродинамику не обманешь. Если вы внимательно присмотритесь к современным самолетам — вы увидите, что схема высокоплана применяется практически исключительно для военно-транспортных самолетов (для которых стоимость эксплуатации и расход топлива на тоннокилометр — не слишком значимые параметры), ну и для маленьких личных самолетиков.

Вот вам для примера самый популярный в мире военно-транспортный самолет — Lockheed C-130 Hercules:

Двигатель и крыло

Видите, как у него расположены турбовинтовые двигатели? Для 1954 года, когда он впервые полетел — это было почти гениальным прозрением. С тех пор такая компоновка для военно-транспортных самолетов стала столь же классической, как компоновка B-707 для коммерческих лайнеров. Она используется широко и абсолютно всеми мировыми производителями ВТА. И конкурирует с ней разве что всё та же схема с турбореактивными двигателями, дующими под крыло — как на вот этом Embraer 390:

Двигатель и крыло

Схема турбопропа а-ля С-130 оптимальна для скоростей до 600 км/ч — затем, с ростом скорости, она приводит к появлению монстров вроде Ту-95. Поэтому на скорости более 600 км/ч выгодно переходить на схему с турбореактивными двигателями, дующими под крыло. Любимый многими Ил-76 именно так и сделан — поэтому он прекрасно летит в сопровождении истребителей, вроде Су-27 — а у турбопропов вроде С-130 с этим проблема, их крейсерская скорость слишком низка для того, чтобы сверхзвуковые истребители могли их сопровождать в экономичном режиме.

Вообще же говоря, превзойти по эффективности на скоростях в районе 700-900 км/ч (высокий дозвук) классическую схему Боинга (низкоплан с турбореактивными моторами под крылом, сдвинутыми к передней кромке крыла) может только вторая схема Боинга (да-да — вот то самое летающее крыло с моторами сверху сзади крыла). Компьютерное моделирование показало это со всей отчетливостью — но, в общем-то, хорошим авиаконструкторам это было ясно уже в 60-е годы после огромного количества продувок в аэродинамических трубах всяких экзотических моделей.

По этой причине, между прочим, коммерческие грузы возят в основном не на гражданских версиях военно-транспортников, а на грузовых версиях пассажирских лайнеров — и все они выполнены по классической схеме а-ля B-707 как наиболее эффективной.

Двигатель и крыло

Ну а теперь, когда вы всё это знаете, давайте еще раз посмотрим шоу уродцев, сделанных горе-конструкторами, смотревшими в книгу — но видевшими там только фигу:

Двигатель и крыло

Это Ан-74 — удлиненная версия Ан-72. Впрочем, компоновка у них одинаковая. Это вот типичный самолет Полиграф Полиграфыча — чувак увидел в книжке те самые эпюры, которые я вам привел в самом начале статьи, и его осенило: чтобы увеличить подъемную силу крыла, надо увеличить скорость воздуха на крыле, а раз основную подъемную силу дает верх крыла — так давайте будем дуть на верх крыла.

Ощущаете накал неадеквата? Люди решили надуть сжатый турбореактивным двигателем воздух в зону пониженного давления на крыле. Они просто не обратили на это внимания.

Это, прости Хосподи, уровень понимания аэродинамики времен первой мировой войны. Когда в небе летали вот такие уродцы:

Двигатель и крыло

Но продолжим знакомиться с творчеством авиаконструктора Полиграфыча:

Двигатель и крыло

Все идут не в ногу — а один Полиграфыч в ногу. У всех почему-то на турбопропах ось винта находится ниже хорды крыла, и сильно ниже — и только Полиграфыч смело ставит мотор над крылом. Это — Ан-32.

Тут интересно, что самолет сделан на базе тупо представляет из себя Ан-26, на который пригорожены более мощные двигатели от Ил-18. А знаете, почему Полиграфыч так поставил эти моторы? А потому, что они на Ил-18 стоят точно так же:

Двигатель и крыло

А на Ил-18 они стоят так потому, что его конструировал другой Полиграфыч — которого, впрочем, частично извиняет то, что он принял схему низкоплана, и у него просто не было другого простого выхода — при попытке поставить моторы так же, как на Ил-14 (то есть так, как на Douglas DC-3, который Полиграфыч мучительно косплеил) винты начинали цеплять за грунт, а увеличивать высоту шасси было чревато — возрастают габариты и масса шасси, а самое главное — вырастает погрузочная высота самолета, что при отсутствии механических погрузчиков создает проблемы.

Но Ан-32 ведь высокоплан, и особых проблем с винтами не должно было быть? У Ан-26 ведь винты не цепляли? Ну да, мощность выше — но можно же винты не брать тупо с более крупного Ил-18, а спроектировать новые, на базе винтов от Ан-26. Лопасти более широкие поставить, увеличить число лопастей, в конце концов — что, никакого выхода не было?

Но Полиграфыч не стал париться. Что нам намекает на одну чрезвычайно печальную особенность подобных конструкторов: они научились бодро перерисовывать чужие технические решения, при этом совершенно не понимая, чем именно такие решения вызваны. Просто копипастили, и всё. На Ан-26 скопипастили относительно удачно, а на Ан-32 пришили уши от слона на туловище свиньи. Получилось смешно, да.

Сходную аэродинамическую ахинею мы видим и у старого Бериева на Бе-12:

Двигатель и крыло

Ну, причина понятна — схема копирует Бе-6, у которого поршневые звездообразные моторы стояли по моде WW2 перед крылом примерно симметрично относительно хорды, а турбовинтовой двигатель длинный, его так не поставить, если не резать силовой набор крыла. Сдвигать вниз — вода близко, поэтому сдвинули вверх.

Понадобилось еще 40 лет развития и сменить поколение конструкторов, чтобы в аналогичной ситуации решение стало выглядеть вот так:

Двигатель и крыло

На переднем плане — амфибия Бе-103. Она небольшая, но демонстрирует изменение подходов к компоновке — когда конструкторам стало ясно, как именно можно решить проблему аэродинамики крыла и грамотного размещения пропеллера. Да-да — это всё та же схема с отсосом воздуха над крылом. Но крыло удалось сдвинуть вниз.

В общем, мои дорогие друзья — запомните простое правило: двигатель должен либо надувать поток под крыло, либо отсасывать поток над крылом. В первом случае двигатель (движитель) ставится перед крылом ниже, во втором — позади крыла выше. Остальные схемы — это аэродинамическая ахинея. Они тоже могут летать — но это тот случай, про который известный американский авиаконструктор сказал: дайте мне достаточно мощный двигатель — и у меня полетит даже платяной шкаф.

PS. Домашнее задание. Понять, почему самые популярные легкомоторные самолеты имеют вот такую компоновку:

Двигатель и крыло

В данном случае это Цессна-150, но на самом деле их таких — миллионы, начиная еще с Fieseler Fi-156.

Источник - Proper специально для TOPRU.ORG .

Опубликовано 17.11.2017 в 07:21

Комментарии

Показать предыдущие комментарии (показано %s из %s)
Глеб Глебыч
Глеб Глебыч 17 ноября, в 13:47 Аффтор - ты сам полный Шариков!!!!!! Конструкция многих планеров создана в угоду не пётным оптимальным характеристикам, а узкопрофильному спец.назначению... Ты б свой опус специалистам-самолетчикам адресовал, а не на всеобщее обозрение...Вот они б тебя грамотно в хвос и в гриву поимели... Грамотно, с употреблением терминологии из аэродинамики, динамики полета, характеристик силовых установок... и вздернут тебя на шпангоуте...) Текст скрыт развернуть
2
Сергей Иванов
Сергей Иванов 17 ноября, в 16:47 Ахинея! Текст скрыт развернуть
1
федот
федот 17 ноября, в 17:49 Молодчина и автор и Юрий Радюшин,в самый раз для егэшников-,,авиятороф'.' Текст скрыт развернуть
0
Владимир Барышев
Владимир Барышев 17 ноября, в 20:09 Пусть этот такой "умный" автор, покажет хоть один самолет, который он сконструировал и построил сам, кроме конечно, голубков из бумаги которые он запускал в детстве! Текст скрыт развернуть
0
Дионисий Воловед
Дионисий Воловед 17 ноября, в 20:14 В старое время был такой анекдот - лектор наподобие этого автора очень долго распинался перед деревенской аудиторией по поводу космоса.
А в конце встает старый дед и говорит - "Да хрен с ним с космосом, ты нам лучше объясни как варенье попадает в конфеты подушка".
Возникает вопрос - А НА КОЙ ХРЕН ЭТО ОПУБЛИКОВАЛИ в обычной ГОВОРИЛЬНЕ?
Здесь что аэродинамический институт?
Текст скрыт развернуть
1
СЕРГЕЙ СОХАНЬ
СЕРГЕЙ СОХАНЬ 17 ноября, в 21:40 Автор сам Полиграфыч! Интересно ,а сам то хоть построил САМОСТЯТЕЛЬНО воздушного змея? Текст скрыт развернуть
0
Юрий В Радюшин
Юрий В Радюшин 22 ноября, в 07:33 Хамить подобно "Глебычу" - то не стоит! Текст скрыт развернуть
0
Показать новые комментарии
Показаны все комментарии: 7
Комментарии Facebook
Блог
В России разработан подводный аппарат, работающий на глубине 14 километров
16 дек, 15:36
+13 1
Владимир Полеванов: «Мы вступили в эпоху великих космических открытий»
13 дек, 05:58
+4 4
Жители США паникуют из-за активности военных и сообщений о вторжении НЛО
12 дек, 15:34
+9 5
Физик из МГУ нашел новый способ запустить термоядерную реакцию
12 дек, 15:27
+10 2

Последние комментарии

Артём Просянников
невидимая зарплата-незаметная работа!
Артём Просянников Павел Пушкин: «На Луне и Марсе человеку делать нечего»
Егор Петраков
Эдуард Тихомиров
Леопольд Кудасов
Леопольд Кудасов
В. Болотов
Адам Меровей
Адам Меровей
Адам Меровей
Юрий В Радюшин
Юрий В Радюшин
Cветлана
вознесения в летающие тарелки?)
Cветлана Жители США паникуют из-за активности военных и сообщений о вторжении НЛО
Адам Меровей
Юрий В Радюшин
Юрий В Радюшин
Адам Меровей
Александр Сергеевич
Сергей Огурцов
Глеб Глебыч
Леопольд Кудасов
Николай Клименко
Николай Агапов
Геннадий Ростовский
Юрий В Радюшин
Зато ето будет "космический дизентерий":-)
Юрий В Радюшин На МКС нашли внеземную жизнь
Иван-Павел Белл
дизентерий бы какой не пробрал. а так все нормально
Иван-Павел Белл На МКС нашли внеземную жизнь
Сергей Гончаров
Наталия Шнитникова
Pav Aks
Наталия Шнитникова
Владимир Минаков
Pav Aks
Сергей Гришин
Короче говоря -капец всей америке!
Сергей Гришин Йеллоустонский супервулкан перемещается
Oddy Rash
Жди, Манитоба.
Oddy Rash Йеллоустонский супервулкан перемещается
Тимур Бикметов
Юрий Атаманов
Юрий В Радюшин
Юрий В Радюшин
Тимур Бикметов
Юрий В Радюшин
Хамить подобно "Глебычу" - то не стоит!
Юрий В Радюшин Двигатель и крыло
Евгений Шеньшин
Владислав Малиновский
СЕРГЕЙ СОХАНЬ
Дионисий Воловед
Владимир Барышев
федот
Молодчина и автор и Юрий Радюшин,в самый раз для егэшников-,,авиятороф'.'
федот Двигатель и крыло
Сергей Иванов
Ахинея!
Сергей Иванов Двигатель и крыло
Глеб Глебыч
Vova Timushev
кувырок чего м поля или земли??
Vova Timushev В США меняют маркировку взлетных полос. Земля скоро совершит кувырок?
Александр Самсонов
M-s Арх.