Нужно всего лишь...
Показать полностью
1
0 просмотренных постов скрыто
Как нарушить законы физики на яхте?
Очень интересный выпуск от Дмитрия Побединского с канала Физика от Побединского.
Аэродинамика
Показать полностью
1
Влияние температуры воздуха на подъёмную силу
Недавно сижу такой, серферю интернет в поисках чего-нибудь эдакого
Как вдруг...
Озарение!
Небольшой дисклеймер: я думаю, для многих эта информация будет предельно очевидна и тривиальна, а мой препод по аэрогидрогазодинамике неодобрительно покачает головой, что только сейчас до меня это дошло, а не в годы обучения по его предмету, но всё же кому-то, может, и пополнит копилку знаний, так что делюсь этими сакральными знаниями для тех, кому это вдруг будет интересно, и кому также как и мне сорвёт башню.
Итак, полагаю, многие знают, что самолёт летает за счёт магии подъёмной силы крыла.
Чуть поменьше людей знают, что подъёмная сила формируется разностью давлений на нижнюю и верхнюю стороны крыла.
Ещё меньше людей знают, что давление зависит от плотности воздуха.
Но как много людей знают и помнят из 8-го класса физики, что плотность воздуха зависит от температуры и меняется соответственно в большую или меньшую сторону обратно пропорционально температуре? То есть, чем выше температура, тем ниже плотность, и наоборот:
Что меня поразило, так это если соединить знание из школьного курса физики с общим знанием того, как летают самолёты, то получится Pen Pineapple Apple Pen вот такой вот вывод:
Иными словами, разгон/торможение самолёта при +30 °C и при -30 °C в одном и том же аэропорту будет легче зимой и труднее летом, т.к. длина взлётно-посадочной полосы (ВПП) условно постоянна.
"Что же в этом для тебя такого поразительного", - спросите вы. А то, что если принять во внимание тот факт, что температура ежегодно по чуть-чуть повышается по всей Земле (привет, глобальное потепление), то и запас длины ВПП для взлёта/посадки ежегодно уменьшается. В отдалённом будущем вполне вероятна ситуация, когда запаса длины ВПП в каком-нибудь жарком районе нашей планеты будет не хватать, и придётся как-то изгаляться: уменьшать полезную нагрузку, использовать другие типы самолётов или вертолёты, и т.п.
P.S.: В попытках поглубже погрузиться в эту тему не нашёл доступных исследований в русскоязычных источниках. В зарубежных нашёл исследование влияния на греческие аэропорты от 2020 года. В нём приводится, в частности, информация, что для самолётов типа Airbus A320 в аэропорту острова Хиос с 1988 года разрешённый взлётный вес был уменьшен в общей сложности на 3990 кг (~124 кг в год) по причине температурных изменений и уменьшения допустимой длины разбега самолёта. Однако, это худший из описанных случаев, и в остальном эффект на авиацию не столь драматичен на данный момент.
Показать полностью
2
«Феррари» и «Макларен» попытались развить свои болиды, в то время как «Астон Мартин» решился на радикальные перемены
«Феррари» в погоне за надежностью
В прошлом году у «Феррари» была достаточно быстрая машина, чтобы завоевать 11 поул-позиций, что на две больше, чем у победившего в чемпионате «Ред Булл». Поэтому, возможно, не так удивительно, что новая SF-23 очень похожа на прошлогоднюю машину.
Самым большим фактором, сдерживающим прошлогоднюю борьбу за титул, была надежность силовой установки. После двойного схода с дистанции в Баку, мотор работал не на полную мощность до конца сезона, пока команда занималась длительным проектом по повышению надежности гибридной системы.
Эта работа была завершена зимой, и мы уверены, что теперь силовая установка может безопасно работать в более агрессивном режиме, чем в начале прошлого сезона, когда она была самой мощной на решетке.
Энрико Гуалтьери, руководитель отдела силовых установок, сказал: «Мы исходили из главной концепции – стремления к максимальной эффективности процесса преобразования энергии, от химического процесса сгорания к механическому, к коленчатому валу…»
«Феррари» надеется, что этого, в сочетании с изменениями, внесенными в шасси, будет достаточно, чтобы бороться с «Ред Булл» дольше, чем это было в 2022 году.
«Наша машина 2023 года – это эволюция той, на которой мы гонялись в прошлом году, но в действительности она была полностью переработана», - сказал глава отдела шасси Энрико Кардиле, рассказывая об изменениях. «С аэродинамической стороны мы увеличили вертикальную прижимную силу, чтобы еще больше адаптироваться к новым аэродинамическим правилам и достичь желаемых характеристик баланса. Подвеска также была переработана, чтобы поддержать аэродинамику и увеличить диапазон регулировок, которые можно сделать с автомобилем на трассе».
«Наиболее очевидные изменения произошли в области передней подвески, где мы перешли на расположенную низко направляющую штангу. Переднее крыло также отличается, как и конструкция носа, а кузов – это более экстремальная версия того, что мы видели в прошлом сезоне».
Он выглядит как более изящная версия прошлогодней «Феррари», с наклоном крыльев, уходящим в сторону, что позволяет предположить, что – как и почти на всех других машинах, выпущенных до сих пор – часть радиатора была перенесена оттуда и поднята выше вокруг корпуса автомобиля.
Сравнение бокового вида SF-23 (вверху) и F1-75 (внизу). Нижний передний угол боковых понтонов был отрезан, чтобы создать больше пространства для идеального выравнивания важнейших воздушных потоков для днища
Машина сохранила контуры «ванны» в верхней части боковых понтонов, с углублением, облегчающим забор воздуха и направляющим его к заднему крылу.
Перестройка системы охлаждения не включала в себя имитацию «пушечного» кузова «Ред Булл» в направлении выходящего сзади воздуха. Вместо этого на кузове, где крышка двигателя и крышки боковых обтекателей сливаются за кокпитом, остаются обширные прорези.
Боковые понтоны SF-23 (вверху) в сравнении с F1-75 (внизу). Впадины в верхней части боковых понтонов сохранились. За отвод горячего воздуха отвечает обширная система прорезей
Боковые понтоны SF-23 (вверху) в сравнении с боковыми понтонами F1-75 (внизу)
Нос выглядит слегка приплюснутым, а переднее крыло, с которым автомобиль был выпущен на трассу, имеет щелевые разделители, расположенные под углом таким образом, чтобы создавать вихри, которые помогут ускорить воздушный поток к воздухозаборникам в нижней части боковых понтонов.
В прошлом году «Мерседес» изготовил крыло похожее на это, и представил его в Остине и Мексике, но «ФИА» признала его несоответствующим регламенту, поскольку посчитала, что основная функция разделителей щелей в данном случае не структурная, а аэродинамическая.
Остается только догадываться, будет ли более тонкая интерпретация «Феррари» той же идеи признана приемлемой.
Вид спереди на SF-23 с немного приплюснутым носом и подправленным передним крылом
Полная версия тут.
Показать полностью
5
Разбираем самолет по винтикам. Управление и система управления
Предыдущие части:
1) Разбираем самолет по винтикам
2) Разбираем самолет по винтикам. Органы управления
Приветствуем вас, друзья! Прошла всего неделя и вот мы уже приступили к разбору управления самолетом и системы управления. Этот пост можно считать углублением предыдущего. Неделю назад мы разобрали, какие органы управления отвечают за изменение положения самолета в пространстве и как они задействуются из кабины экипажа. Теперь давайте поговорим о реальных маневрах и реальном применении этих органов управления. Напоминаем, рассмотренные примеры сильно упрощены и лишь дают понимание о том, "что такое самолет и с чем его едят".
Элероны
Если говорить о реальности привычных нам лайнеров, то Внешние Элероны в основном задействуются только на взлете и посадке, так как они незаменимы на малой скорости, но очень грубы на высоких скоростях в крейсерском полете (из-за большого плеча относительно центра вращения).
Внешний Элерон (из прошлого поста)
Если применить их на высокой скорости, то, во-первых, самолет даст резкий крен на значительный угол, в во-вторых, это окажет сильное воздействие на крыло и может спровоцировать Флаттер (неуправляемое колебание) крыла:
Во время Флаттера происходит скручивание крыла из-за действия значительной аэродинамической силы на Элероне. Попросту, на заднюю кромку крыла резко начинает действовать большая сила, что приводит к его закручиванию до тех пор, пока сила упругости крыла не прекращает это закручивание; пока не уравновесит возникшую аэродинамическую силу. Тогда крыло идет в исходное положение. Важную роль в этом явлении играет постоянно меняющийся Угол Атаки крыла. Это угол, под которым плоскость крыла расположена к набегающему потоку воздуха:
Он так же очень сильно влияет на величину подъемной силы, возникающей на участке крыла. Итак, схема возникновения Флаттера на примере: отклонили Внешний Элерон вниз - возникла большая аэродинамическая сила на задней кромке полукрыла, направленная вверх - полукрыло начало закручиваться задней кромкой вверх, передней вниз - из-за закрутки изменился угол атаки (был 0, стал отрицательным) - закрутка усугубилась - полукрыло изогнулось и дало реакцию ("спружинило") - угол атаки резко меняется на положительный - полукрыло резко пошло вверх - цикл замкнулся. Если на таких колебаниях поймать резонанс - поздравляем - вы остались без крыла! Флаттер может возникнуть на любой аэродинамической поверхности (на полукрыле, на Элероне, на Стабилизаторе, на Руле высоты, даже на винте) и является большой проблемой в авиации.
Стоит сказать, что колебания крыла могут возникать не только в результате Флаттера, но и в результате турбулентности. Для гашения таких колебаний применяется система активной защиты крыла от нагрузок: компьютер фиксирует изменение подъемной силы на полукрыле и компенсирует его отклонением элеронов, минимизируя нагрузку на конструкцию крыла.
На больших скоростях в крейсерском полете применяются Флапероны или Внутренние Элероны. На разных самолетах эти аэродинамические поверхности называются по-разному в зависимости от их вовлеченности в управление на взлете - посадке (товарищ @GeneralDrozd, Вам уже ответили в комментах по этому поводу).
Флаперон (из предыдущего поста)
Ими можно более "тонко" управлять самолетом на больших скоростях. Они имеют меньшую площадь и меньшее плечо по сравнению с Внешними Элеронами. Но этого вполне хватает, так как скорость большая и изменение аэродинамической силы при задействовании Флаперонов значительно. А на малых скоростях они помогают Внешним Элеронам наравне с Интерцепторами (см. предыдущий пост).
Крен самолета
Подъемная сила всегда +- перпендикулярна плоскости крыла. Представим, что самолету нужно повернуть. Для этого ему нужно накрениться. Следовательно, подъемная сила тоже отклонится вместе с крылом:
На схеме: G - Вес самолета, Y - Подъемная сила, - угол Крена.
Как видим, Подъемная сила раскладывается на проекции по осям Х и У. Как раз проекция на ось Х и тянет самолет в центр дуги, заставляя его лететь по этой дуге. Но так же можно заметить, что проекция на ось У меньше самой подъемной силы и перестает уравновешивать Вес самолета. Самолет начинает "скользить по крылу" - терять высоту. Такой вираж (со скольжением) называется Неправильным. А Правильным будет называться вираж без скольжения. Для этого проекция Подъемной силы на ось У должна уравновешивать Вес самолета. То-есть, ее надо увеличить путем увеличения самой Подъемной силы. Как же это сделать? Увеличить скорость полета или увеличить угол Тангажа (взять Сайдстик "на себя", задействовать Руль высоты), задействовать Руль направления. Как правило, применяется совокупность этих способов борьбы со скольжением.
На схеме: а) правильный вираж (направление скорости совпадает с осью симметрии с-та);
б) вираж с внешним скольжением; в) с внутренним скольжением.
Стоит так же заметить, что пилотам, например, А320, нет нужды управлять Рулем направления при вираже в крейсерском полете - за них это делает автоматика. Для входа в вираж им лишь нужно отклонить Сайдстик влево или вправо. Да и вообще, по сути, человек самолетом почти не управляет - его действия проходят через компьютер и даже не один (об этом ниже).
Скольжение в вираже
Скольжение - вещь не всегда плохая. Иногда она может быть очень даже полезной. К примеру, рассмотрим ситуацию, когда высота велика, скорость большая, а вам нужно приземлиться (да, пример скорее для фронтовой авиации). Что желать с высотой? Дать " от себя" и опустить нос самолета? Высота, конечно, начнет стремительно падать, но и скорость начнет резко расти, ведь мы подтолкнем самолет к пикированию. Этот вариант отпадает. В этом случае подойдет вариант б) из схемы выше. Давайте его и рассмотрим. В этом варианте мы накреняем самолет вправо, даем левую педаль "от себя", нос самолета начинает смотреть как бы "из дуги виража". Начинается скольжение - самолет снижается, но при этом собственная скорость самолета остается неизменной (мы можем управлять ей, увеличивая или уменьшая угол скольжения ()).
Система управления (Неавтоматическая)
Ох, вот мы и добрались...
Для понимания современной системы управления необходимо знать, как она была устроена тогда, давно, когда трава была зеленее, а деревья выше (Неавтоматическая система управления). Пример управления элеронами (Н.П. - направление полета):
Отклоняем Штурвал влево-вправо - усилие передается через систему тяг (8), тросов и качалок (9) на качалку (7) Элерона (5) и приводит его в движение вокруг оси вращения (6).
Если же мы хотим отклонить Руль направления с помощью педалей, то наше усилие так же через систему тяг и качалок передается на качалку Руля направления и он отклоняется:
Аналогично выглядит и управление Рулем высоты:
Наклоняем от себя штурвал по направлению Б вокруг оси (10), тяга (4) передает усилие на качалку Руля высоты (6) и отклоняет его. На этой схеме, кстати, прекрасно видна кинематика отклонения и Руля высоты, и Элеронов одновременно. При повороте штурвала по направлению А усилие с помощью цепей (аналогичных велосипедной) передается на качалку (12), которая задействует тяги, идущие к элеронам. Вот приближенная к реальности схема системы управления:
А вот все в совокупности:
Немного истории системы управления
Со временем самолеты становились все больше и летали все быстрее. Аэродинамические силы, действующие на самолет, так же увеличивались. И человеку становилось не под силу напрямую управлять аэродинамическими поверхностями. Появлялись различные усилители: увеличивались рычаги качалок, добавлялись гидравлические устройства (вот в автомобиле тоже есть гидроусилитель руля). Так же появлялись и различные электроприводы. Но больше всего восхищают решения, принятые инженерами на ранних этапах развития околозвуковой авиации, когда приходилось обходиться только механикой в угоду весу и габаритам самолета. К сожалению, в интернете не было найдено примеров, а личных фото с давних времен не осталось. Но, поверьте, решения были гениальны (и далеко не просты). Прошу знающих людей оставить в комментах примеры, если есть у кого-то. В конечном итоге, самолеты стали настолько большими и сложными, что обойтись без бортового компьютера не представлялось возможным.
Современные системы управления
Про Неавтоматическую систему управления мы поговорили, там все было довольно просто. Перейдем к нашей реальности. Сейчас в больших лайнерах используются:
- Полуавтоматические (человек подаёт сигналы на механические, гидравлические и электрические устройства, которые перемещают органы управления);
- Автоматические (бортовые компьютеры сами подают сигналы на органы управления. Например, автопилот или система сопровождения цели);
- Комбинированные (совокупность предыдущих двух, реализована во всех современных лайнерах).
Рассмотрим, опять же, как пример, А320. Там реализована система Fly-by-Wire (дословно - "Полет по проводам"). Это значит, что все сигналы, исходящие от пилота, передаются на несколько бортовых компьютеров, которые уже решают, какие и как конкретно органы управления отклонить. То-есть, компьютеры корректируют сигналы пилотов, держат их в "безопасных рамках", учитывая текущую реальность (скорость, массу самолета, траекторию полета и тд). Компьютеров, отвечающих за управление, на борту А320 целых семь:
- Компьютер ELAC (Elevator Aileron Computer) – для управления рулями высоты, стабилизатором и элеронами. Две штуки.
- Компьютер SEC (Spoilers Elevator Computer) – для управления спойлерами, резервного управления рулями высоты и стабилизатором. Три штуки.
- Компьютер FAC (Flight Augmentation Computer) – для электрического управления рулем направления. Две штуки.
Панели включения и выключения компьютеров находятся на потолочном пульте. Одна панель в левой части, другая – в правой:
Нормальное состояние - включенное (ни одно табло не горит). Зачем так много одинаковых? В самолете все системы дублируются для обеспечения безопасности полета.
Ну а на сегодня все. Мы стали на шаг ближе к самому соку, самой сладкой части самолета. Спасибо за внимание, уважаемый читатель:)
TechnoHubble: интересное из мира техники каждый день.
P.S.: Если есть конструктивная критика - просим в комменты. А если хотите отблагодарить - можете просто заглянуть в наш телеграмм, там тоже много всего интересного;)
Показать полностью
13
1