Волновое сопротивление - Wave drag

В воздухоплавание, волновое сопротивление является составной частью аэродинамическое сопротивление на крыльях и фюзеляже самолетов, на концах лопастей винта и снаряды движется в трансзвуковой и сверхзвуковой скорости, из-за наличия ударные волны. Волновое сопротивление не зависит от вязкие эффекты,^[1] и имеет тенденцию проявляться как внезапное и резкое увеличение лобового сопротивления, когда транспортное средство увеличивает скорость до Критическое число Маха. Это внезапный и резкий рост волнового сопротивления, который приводит к концепции звуковой барьер.

Обзор

Волновое сопротивление представляет собой часть сопротивление давления из-за сжимаемость последствия. Это вызвано образованием ударные волны вокруг тела. Ударные волны создают значительное сопротивление, которое может привести к чрезмерному сопротивлению телу. Хотя ударные волны обычно связаны со сверхзвуковым потоком, они могут образовываться при дозвуковой самолет движется по участкам тела, где локальный воздушный поток ускоряется до сверхзвуковой скорости. Эффект обычно наблюдается на самолетах при трансзвуковой скорости (около 0,8 Маха ), но проблему можно заметить на любой скорости выше, чем у критический Мах этого самолета. Он настолько выражен, что до 1947 года считалось, что двигатели самолетов не будут достаточно мощными, чтобы преодолеть повышенное лобовое сопротивление, или что силы будут настолько велики, что самолет будет подвержен риску разрушения в полете. Это привело к концепции звуковой барьер.

Исследование

В 1947 году исследования волнового сопротивления привели к разработке идеально формы, чтобы уменьшить волновое сопротивление, насколько это теоретически возможно. Для фюзеляжа получившаяся форма была Тело Сирса – Хаака, что предполагало идеальную форму поперечного сечения для любого заданного внутреннего объема. В фон Карман оживе аналогичной формы имел тела с тупым концом, как у ракеты. Оба были основаны на длинных узких формах с заостренными концами, главное отличие состояло в том, что огив был заострен только на одном конце.

Снижение лобового сопротивления

Ряд новых методов, разработанных во время и сразу после Вторая Мировая Война смогли резко снизить величину волнового сопротивления, и к началу 1950-х годов последние самолет истребитель может достичь сверхзвуковой скорости.

Эти приемы быстро начали применять авиаконструкторы. Одним из распространенных решений проблемы волнового сопротивления было использование стреловидное крыло, которые фактически были разработаны перед Второй мировой войной и использовались в некоторых немецких конструкциях военного времени. Смахивание крыла делает его тоньше и длиннее в направлении воздушного потока, делая обычную форму крыла каплевидной формы ближе к форме крыла. фон Карман оживе, оставаясь полезной при более низких скоростях, когда важны кривизна и толщина.

Крыло не нужно стреловидить, если можно сделать очень тонкое крыло. Это решение использовалось в ряде проектов, начиная с Колокол X-1, первый пилотируемый самолет, летящий со скоростью звука. Обратной стороной этого подхода является то, что крыло настолько тонкое, что его больше нельзя использовать для хранения топлива или шасси. Такие крылья очень распространены на ракетах, хотя в этой области их часто называют «плавниками».

Форма фюзеляжа была аналогичным образом изменена с введением Правило области Уиткомба. Уиткомб работал над испытанием различных форм планера на трансзвуковое сопротивление, когда после просмотра презентации Адольф Буземанн в 1952 году он понял, что корпус Sears-Haack должен применяться ко всему самолету, а не только к фюзеляжу. Это означало, что фюзеляж нужно было сделать уже там, где он соединялся с крыльями, чтобы поперечное сечение всего самолета соответствовало корпусу Sears-Haack.

В Convair 990 был особенно очевиден противоударные тела; современные авиалайнеры обычно имеют более тонкую форму для управления районом.

Применение правила площади также можно увидеть в использовании противоударные тела на трансзвуковой самолеты, в том числе некоторые реактивные авиалайнеры. Противоударные корпуса, представляющие собой гондолы вдоль задних кромок крыльев, выполняют ту же роль, что и конструкция узкого поясного фюзеляжа других трансзвуковых самолетов.

Другие методы уменьшения сопротивления

За прошедшие годы было предпринято несколько других попыток уменьшить волновое сопротивление. В сверхкритический профиль это тип, который обеспечивает приемлемую низкую скорость подъемной силы, как у обычного крылового профиля, но имеет профиль, значительно более близкий к профилю von Kármán ogive. Все современные гражданские авиалайнеры используют формы сверхкритического крыла и имеют существенный сверхзвуковой поток над верхней поверхностью крыла.

Математическая формула

Для плоского аэродинамического профиля

${ displaystyle cd_ {w} = 4 * { frac { alpha ^ {2}} { sqrt {(M ^ {2} -1)}}}}}$ ^[2]

Для двухклинового крыла

${ displaystyle cd_ {w} = 4 * { frac { alpha ^ {2} + (t / c) ^ {2}} { sqrt {(M ^ {2} -1)}}}}$ ^[2]

Примечания

^ Клэнси, Л.Дж. (1975), Аэродинамика, Раздел 11.7
^ ^а ^б "Как я могу рассчитать волновое сопротивление сверхзвукового профиля?". 2 февраля 2014 г.. Получено 23 мая 2019.