Аэродинамика чизбургера
Теперь вы это знаете.
0 просмотренных постов скрыто
Ответ на пост «Почему все современные авиалайнеры похожи сами на себя?»1
В целом грамотно.
Есть несколько помарок, но грамотно. По поводу помарок -
Напр, не "кто его знает, у кого крыло получится легче", а с гарантией крыло с двиглами легче и намного, нежели крыло чистое. Как по разгрузке на излом, так и по устойчивости к флаттеру. Можно делать развитую механизацию тяжелой, не боясь смещения Сm назад от Cd, потому что двиг, а точнее, вынос этого двигла вперед на пилоне с гарантией помещает центр тяжести вперед от центра давления, что ликвидирует условия образования флаттера. Упомянутый вами Ил-62 таскал свинцовые чушки (только не в носу, а в носке крыла) именно поэтому.
Крыло снизу не только по вопросу посадки на воду, но и банально потому, что наиболее легкая конструкция, когда фюзеляж просто ставится сверху на ЦП. В случае, когда он подвешивается, шпангоуты и крепления к ЦП должны принимать на себя нагрузку от веса фюзеляжа с грузом. А если еще шасси на фюзеляже, а не пилонах, то еще и передавать нагрузку от шасси к крылу - нагрузка на стабильность, что хуже переносится конструкцией.
А "лучше летает при крыле снизу" - это прямо неправда. Экранный эффект у земли категорически вреден. Вот садитесь вы, боковой ветер, выпрямили перед касанием по полосе, чтоб пневматики на сорвать, а машина на подушке лежит и не хочет садиться. И первый же ветерок её сдувает в сторону, в пампасы. Оно вам надо? Не, вы, конечно, можете прикрыться креном от ветра, но первый же порыв вас шарахнет крылом о впп. Опять же, оно вам надо? Ну или на взлёте - вы разгоняетесь, начинаете ротейшн (поднимать переднюю ногу)... вспухаете, но от земли отойти не можете, и вас сносит куда-то. Очень неприятное оно, не нужно.
Грубо экранный эффект становится заметен на высотах в районе половина длины хорды (ну или САХ, если крыло сужающееся), то есть, поднятие крыла на высоту фюзеляжа вполне надежно снимает проблему. Потому для машин поменьше крыло сверху предпочтительнее, безопаснее в этом плане. Для машин ВТА - тем более: можно фюзеляж разместить ближе к земле при крыле на достаточном удалении, и рампа будет проще.
А почему ранее была популярна схема "каравеллы" - с двигами в хвосте - это чисто шум. Ранние ГТД были ОЧЕНЬ шумные. Даже хашкиты (hushkits) не спасали особенно. Точнее, спасали от шума на земле, но от шума в полёте не очень. Поскольку максимальное распространение шума - в плоскости вращения компрессора. Места салона, попадающие на этот сектор, становятся максимально некомфортны. Потому, когда придумали схему каравеллы (первый применивший), достаточно быстро лайнеры перешли на неё. Сделав полёт комфортным настолько, что в салоне можно было говорить, не повышая голоса, а это много значило. Это не значит, что не было лайнеров нашей классической схемы. Напр ,Меркьюри издали вообще легко спутать с 737, а он из того же поколения ранних. Но успех имели дававшие комфорт относительной тишины.
Как только двигатели стали тихими, - время "тяжелых жоп" ушло безвозвратно.
Ну и так далее.
Показать полностью
Почему все современные авиалайнеры похожи сами на себя?1
Короткий ответ - потому что физика (и исходящие из нее нормы сертификации и безопасности ЛА, а так же экономической эффективности) на планете общая, но можно и нужно раскрыть эту тему подробнее.
Автор: Трифон Дубогрызов.
1. Они все дозвуковые, потому что сверхзвук жрет слишком много дорогого топлива и слишком шумный (ударная волна от фюзеляжа порой вышибает витрины и стекла домов), его не купит ни одна авиакомпания. Там есть еще с десяток проблем, но эти основные. Значит, у всех пассажирских лайнеров дозвуковая аэродинамика ("формы" фюзеляжа и крыла).
2. У них всех стабилизатор и киль в хвосте. Никакого ПГО (переднее горизонтальное оперение, т.н. "маленькие крылышки" в носу) и других финтов. Потому что такая схема обеспечивает наилучший диапазон центровок (нужно меньше усилий, чтобы лететь ровно) - а чем больше диапазон, тем длиннее фюзеляж (больше пассажирских мест) можно сделать. ПГО же этот диапазон уменьшает, да и с компоновкой ("как его запихнуть???") создает проблемы - поэтому его никто не ставит.
2.1 Они все низкопланы (крыло внизу фюзеляжа), потому что низкопланы лучше плавают при авариной посадке на воду. У высокоплана (крыло на крыше) фюзеляж тонет мгновенно - а это, кроме шуток, важный пункт в списке требований по безопасности воздушных судов. Так же у высокопланов всегда хуже взлетно-посадочные характеристики (высокое крыло, в отличие от низкого, не создает эффект экрана), их двигатели тяжелее обслуживать (ибо высоко), а при разрушении их осколки летят прямо в иллюминатор к пассажирам, но основной пункт - безопасность.
(Да, я в курсе, что Ан-148 существует. Но никому из коммерческих АК он внезапно (нет) оказался не нужен, да и международные сертификаты не получил).
3. У них у всех 2 двигателя, эпоха 3-х/4-х турбин ушла (сейчас больше двух дороже, меньше нельзя по соображениям безопасности). Расположены эти двигатели... А вот тут вопрос.
Рис. 1. 4-х двигательный 747 родом из 60-х, если что. Тут нету 4-х двигательного А380, но оный, справедливости ради ожидания по закупкам не оправдал вообще.
Есть два вида пассажирских самолетов - условно "маленький" (рис. 2) и "больше маленького"(рис. 1). Что у Боинг 737, что у Боинг 777 два двигателя под крылом, в данном вопросе их разница в габаритах и классе не важна. А вот "маленький" самолет (99% бизнес-джетов) - это двигатели в хвосте, ибо под крылом там банально нет места.
Рис. 2
Рис. 3
(Нет, если у вас миллиарды денег и времени, можете попробовать поставить двигатель на крыло, но тут про список проблем и сложностей можно отдельную статью писать, так что просто поверьте на слово - HondaJet не просто так одна такая).
Тут кто-то может вспомнить, что раньше двигатели в хвост ставили и на "большие" самолеты тоже, и задать вопрос - чего сейчас от этого отказались? Если кратко - потому что такая схема дает худшие ЛТХ и создает больше рисков. А теперь подробнее.
Оговоримся о плюсах "двигателей в хвосте" - это "чистое" крыло, что хорошо для аэродинамики и для посадки на воду, это более короткие стойки шасси (что упрощает их размещение, уменьшает массу и делает более безопасным (не так высоко прыгать) экстренное покидание самолета, если аварийный трап откажет), при отказе одного двигателя меньше дестабилизирующий момент (меньше "уводит вбок"). Лет 40 назад в плюсы записали бы кратно меньшую шумность для пассажиров, но современные двигатели под крылом уже не создают такого дискомфорта в салоне, как тогда. Также бытует миф, что высоко расположенный двигатель меньше засасывает мусор с полосы, но в реальности все наоборот, низкорасположенным воздухозаборникам не свойственно вихреобразование, поднимающим мусор, а высоким - да (рис. 4). Всё, список плюсов закончился, переходим к недостаткам.
Рис. 4. Вот такой смерч вполне может поднять и засосать мусор в двигатель
Первый и самый основной - масса. Чем самолет легче - тем выше его ЛТХ и экономические показатели. А размещая двигатели в хвосте фюзеляжа, мы обрекаем его на удлинение (фото 5), так как: 1. место под двигатель "съест" часть салона = меньше пассажиров = меньше денег, 2. Нельзя размещать оперение и двигатель на одной линии. Почему? Безопасность. Двигатель имеет свойство ломаться и разрушаться - и если раскаленные обломки турбины, только что вращавшейся со скоростью несколько десятков тысяч оборотов в минуту, влетят в киль - то полет точно станет пикированием. А так есть шанс дотянуть...
Рис. 5. Разлет между двигателем и килем, наглядно
Так вот - более длинный фюзеляж - большая масса. На этом рост массы не заканчивается, ведь киль тоже становится тяжелее. Почему? Потому что теперь он должен создавать больший момент, ведь плечо между ним и крылом стало меньше - потому что крыло съехало назад (о чем ниже), а устойчивость нужна прежняя. А кроме киля есть стабилизатор (горизонтальное оперение). Если на обычном самолете его можно навесить на силовой набор фюзеляжа, то тут его нельзя поставить прямо за горяченным соплом, его должен нести киль. Для чего киль должен стать прочнее и толще - то есть опять-таки тяжелее. Как и та часть фюзеляжа, на которую мы ставим все это богатство...
Итак, хвост стал куда тяжелее. Значит, у нас сместился назад центр тяжести (ЦТ). Значит, надо смещать и крыло. Но это наш самолет еще пустой. Вспоминаем, что загрузка (а значит, положение ЦТ) бывает разной и меняется в полете (по мере выработки топлива), и начинаем думать, как, блин, его постоянно балансировать? Ну, Ил-62 или Каравелла для этого возили с собой бесплатный груз-балласт в носу...
Кто-то скажет, что зато крыло должно стать легче, ведь ему теперь не надо нести двигатель, держать реверс, паразитное сопротивление и другие моменты. Но... Нет. Крыло в таком случае надо делать прочнее. В полете подъемная сила постоянно стремится "сложить" крыло над фюзеляжем (представьте, что самолетик "хлопнул в ладоши" над собой). Если под крылом есть двигатель, то он своим весом тянет центроплан вниз и частично парирует этот эффект, если двигателя нет, то крыло ничего не разгружает, и приходится повышать его прочность по старинке. И поди угадай, чье крыло в итоге будет тяжелее.
Но фиг с ней, с весовой культурой все понятно - в гражданской авиации (ГА) приоритет номер 1 — это безопасность. И тут тоже все плохо.
Опять вернемся в хвост, ведь там в чат вошло "затенение". Если по какой-либо причине самолет вышел на критические углы атаки (задрал нос), то крыло "закрывает" носовую часть от набегающего потока воздуха, и возникает риск, что двигатели словят помпаж, стабилизаторы потеряют эффективность... И вполне возможно, что аминь.
Вновь вернемся к самим двигателям. Помимо разрушения, они еще иногда и горят. И если система пожаротушения сказала "аминь", то пламя гарантированно захватит и второй двигатель (ибо все топливопроводы рядом) и хвостовое оперение. А потерять его - куда страшнее, чем потерять часть обшивки консоли крыла.
Но не беспокойтесь! Чтобы двигатель не ломался, его надо обслуживать. И тут... Тут нужна стремянка, ага. Двигатель же высоко. Те, что под крылом, обслуживать всяко проще. А еще они больше. Сейчас в ГА балом правят двигатели с высокой степенью двухконтурности (с большим диаметром первой ступени компрессора) - они банально экономичнее двигателей с малой степенью. Запихнуть их в хвост... Ну удачи, что, под крылом их разместить кратно проще.
Рис. 6. m - степень двухконтурности, C - удельный расход, R - удельная тяга
Рис. 7
Собсна, по этим причинам двигатели в хвост нынче ставят только бизнесджетам. Там их некуда больше ставить, да и часть перечисленных выше проблем маленьким летаблам свойственны в меньшей степени. Поэтому все бизнесджеты похожи друг на друга, а все лайнеры похожи на лайнеры. Физика везде одинаковая.
Пост с навигацией по Коту
Подпишись, чтобы не пропустить новые интересные посты!
Показать полностью
8
Корова уже была на днях. А что если я вам покажу крысу на 6 махах?
Гиперзвук. Холст. Масло.
Сам Крис.
Визуализация расчета при скорости движения в 6М.
Показать полностью
2
Мож кому пригодится
Нашел тут в интернетах схему аэродинамического сопротивления коровы.
Показать полностью
2
Ответ на пост «Как взвешивают самолеты?»1
А точнее, на заявление " чтобы рассчитать центровку и, соответственно, допустимую загрузку и запас топлива. В авиации каждый килограмм на счету"
Не "соответственно".
Центровка значительно важнее массы.
Перевес (не превышая максимального) чреват только достаточно незначительным превышением расхода на каждую тонну перевеса (если, конечно, речь не о предельных дальностях) и не наивыгоднейшими скоростями и эшелонами полета для данного веса.
Превышение максимального (небольшое, ессно) еще чревато сложностями на разбеге-пробеге. Тут длина полосы, препятствия на взлете, возможность выката по недостаточной эффективности тормозов.
То есть, хоть сколько-то значимые неприятности наступают разве что в пределе, и то не смертельно
А с центровкой - у вас могут появиться проблемы совершенно смертельного свойства.
Для каждого борта есть диапазон центровок, во фкоме он отдельной диаграммой выдан, и вы должны спланировать груз-заправку так, чтоб всю длительность полета значения центровки при текущей массе не вылезли за границы этого диапазона. А они могут. Топливо расположено не строго по центру. Груз также. Паксы также. Выработка заставляет ЦМ уползать.
Какого именно свойства?
Напр, если центровка в некий момент уползет за предельно передний край (емнис, около 17% САХ) - эффективности стабилизатора не хватит для компенсации пикирующего момента, поток со стаба сорвётся, и вы радостно спикируете к земле. С весьма вероятным разрушением от нерасчетных нагрузок на планер еще в небе.
Если уйдет за пределы (емнис, 32% сах) назад - у вас машина станет неустойчивой, компоновочная схема превратится из "классики" (с дающим подъёмную и пикирующий момент крылом, отрицательной зависимостью mz от Сy, плюс тянущий вниз для компенсации mz стаб)
в "тандем" (обе плоскости дают подъёмную) и положительным наклоном зависимости на графике (ака статическую неустойчивость по тангажу) с трендом на дальнейший рост положительного угла атаки стаба. Что в случае любой турбулентности или даже не очень резкого маневра в условиях малого запаса углов около потолка означает срыв потока. И в такой схеме срыв уже не даёт автоматического пикирования, а наоборот, проседает жопа и вы радостно уходите в плоский штопор без шанса вывести. Примеры - кабульский 747, донецкая тушка, да мало ли..
Ну а неверно введенная в ФМС центровка, не выходящая за пределы ограничений, - как минимум неэффективнный выбор режимов (углы атаки, скорости, эшелоны), что опять же повышенный расход.
Что, впрочем, не отнимает риска не выйти на заданный эшелон, поскольку при сужении диапазона скоростей и уа при приближении к потолку необходимый запас тяги недостаточен. Или неверно выставленный установочный угол стаба будет давать больше сопротивления и опять же вам не хватит тяги занять эшелон. Или...
Да, уход центровки в сторону от продольной оси - также неприятен. Помимо того, что вас будет всё время куда-то тянуть, вам уже придется идти с отклоненными для компенсации элеронами, создавая дополнительное сопротивление. И, возможно, скольжением. А при случайной турбулентности у вас может просто не хватить запаса рулей для компенсации, и вас утянет в спирать. Плюс придется организовывать маршрут и схемы так, чтоб крениться на "более легкую" сторону, ибо вывод из крена на "тяжелую" более затруднен и можно опять же уйти в спираль.
Короче, геморрой, который никому не нужен.
Именно поэтому M&B - предмет вполне серьезный и как минимум часть компаний подряжают отдельных людей на чисто эту задачу.
Показать полностью
1
Блазиус Генрих
Все, кто изучал курс гидравлики трубопроводных систем, должны быть знакомы с его уравнением для определения коэффициента гидравлического трения для трубопроводов гладкой области сопротивлений. Человек это был достаточно интересный, посмотрим на пару фактов. Он был первым учеником Людвига Прандля. Практически всю жизнь он проработал в Инженерной школе Гамбурга. Выполнил в Германии туже работу, что сделал Чаплыгин в России по теории крыла. В Германии он больше известен не как ученый, а как преподаватель, так как практически всю жизнь посвятил именно этому делу.
Оригинальный фрагмент из его статьи, где впервые было представлено уравнение Блазиуса для коэффициента гидравлического трения.
Блазиус в 1962 году.
Английский перевод с немецкого диссертации Блазиуса, США, посвященной пограничным слоям с малым трением.
Блазиус за игрой в шахматы, 1915 год.
Подробнее о его жизни описано в статье Blasius: A life in research and education, автор W.H. Hager.
Канал на Дзене: https://dzen.ru/hydroprepod Канал в Telegram: https://t.me/HYDReducation
Показать полностью
3