Angkat sayap pesawat: formula

Daftar Isi:

Angkat sayap pesawat: formula
Angkat sayap pesawat: formula
Anonim

Di setiap biro desain penerbangan ada cerita tentang pernyataan kepala desainer. Hanya penulis pernyataan yang berubah. Dan terdengar seperti ini: "Saya telah berurusan dengan pesawat sepanjang hidup saya, tetapi saya masih tidak mengerti bagaimana potongan besi ini terbang!". Memang, bagaimanapun, hukum pertama Newton belum dibatalkan, dan pesawat jelas lebih berat daripada udara. Penting untuk mengetahui kekuatan apa yang tidak memungkinkan mesin multi-ton jatuh ke tanah.

Metode perjalanan udara

Ada tiga cara untuk bepergian:

  1. Aerostatik, saat pengangkatan dari tanah dilakukan dengan bantuan benda yang berat jenisnya lebih rendah dari kerapatan udara atmosfer. Ini adalah balon, kapal udara, probe dan struktur serupa lainnya.
  2. Reaktif, yang merupakan kekuatan aliran jet dari bahan bakar yang mudah terbakar, yang memungkinkan untuk mengatasi gaya gravitasi.
  3. Dan, akhirnya, metode aerodinamis untuk menciptakan gaya angkat, ketika atmosfer bumi digunakan sebagai zat pendukung untuk kendaraan yang lebih berat daripada udara. Pesawat, helikopter, gyroplanes, glider dan, omong-omong, burung bergerak menggunakan metode khusus ini.
skemaaliran sayap pesawat
skemaaliran sayap pesawat

Gaya aerodinamis

Sebuah pesawat yang bergerak di udara dipengaruhi oleh empat gaya multiarah utama. Secara konvensional, vektor gaya-gaya ini diarahkan ke depan, ke belakang, ke bawah, dan ke atas. Itu hampir seperti angsa, kanker, dan tombak. Gaya yang mendorong pesawat ke depan dihasilkan oleh mesin, ke belakang adalah gaya alami hambatan udara, dan ke bawah adalah gravitasi. Nah, alih-alih membiarkan pesawat jatuh - gaya angkat yang dihasilkan oleh aliran udara karena aliran di sekitar sayap.

gaya yang bekerja pada sayap
gaya yang bekerja pada sayap

Suasana standar

Keadaan udara, suhu dan tekanannya dapat bervariasi secara signifikan di berbagai bagian permukaan bumi. Dengan demikian, semua karakteristik pesawat juga akan berbeda ketika terbang di satu tempat atau tempat lain. Oleh karena itu, untuk kenyamanan dan membawa semua karakteristik dan perhitungan ke penyebut yang sama, kami sepakat untuk mendefinisikan apa yang disebut atmosfer standar dengan parameter utama berikut: tekanan 760 mm Hg di atas permukaan laut, kerapatan udara 1,188 kg per meter kubik, kecepatan suara 340,17 meter per detik, suhu +15. Saat ketinggian meningkat, parameter ini berubah. Ada tabel khusus yang mengungkapkan nilai parameter untuk ketinggian yang berbeda. Semua perhitungan aerodinamis, serta penentuan karakteristik kinerja pesawat, dilakukan dengan menggunakan indikator ini.

glider dalam penerbangan
glider dalam penerbangan

Prinsip paling sederhana dalam membuat lift

Jika dalam aliran udara yang datanguntuk menempatkan benda datar, misalnya, dengan menjulurkan telapak tangan Anda keluar dari jendela mobil yang bergerak, Anda dapat merasakan gaya ini, seperti yang mereka katakan, "di jari-jari Anda". Saat memutar telapak tangan pada sudut kecil relatif terhadap aliran udara, segera terasa bahwa selain hambatan udara, kekuatan lain telah muncul, menarik ke atas atau ke bawah, tergantung pada arah sudut rotasi. Sudut antara bidang tubuh (dalam hal ini telapak tangan) dan arah aliran udara disebut angle of attack. Dengan mengontrol sudut serangan, Anda dapat mengontrol lift. Dapat dengan mudah dilihat bahwa dengan peningkatan sudut serang, kekuatan mendorong telapak tangan ke atas akan meningkat, tetapi sampai titik tertentu. Dan ketika mencapai sudut mendekati 70-90 derajat, itu akan hilang sama sekali.

Sayap pesawat

Permukaan bantalan utama yang menciptakan daya angkat adalah sayap pesawat. Profil sayap biasanya berbentuk titik air mata melengkung seperti yang ditunjukkan.

profil sayap
profil sayap

Saat udara mengalir di sekitar sayap, kecepatan udara yang melewati bagian atas sayap melebihi kecepatan aliran bawah. Dalam hal ini, tekanan udara statis di bagian atas menjadi lebih rendah daripada di bawah sayap. Perbedaan tekanan mendorong sayap ke atas, menciptakan daya angkat. Oleh karena itu, untuk memastikan perbedaan tekanan, semua profil sayap dibuat asimetris. Untuk sayap dengan profil simetris pada sudut serang nol, gaya angkat dalam penerbangan rata adalah nol. Dengan sayap seperti itu, satu-satunya cara untuk membuatnya adalah dengan mengubah sudut serangan. Ada komponen lain dari gaya angkat - induktif. Dia adalahterbentuk karena aliran udara miring ke bawah oleh permukaan bawah sayap yang melengkung, yang secara alami menghasilkan gaya balik ke atas yang bekerja pada sayap.

Pembersihan pesawat
Pembersihan pesawat

Perhitungan

Rumus untuk menghitung gaya angkat sayap pesawat adalah sebagai berikut:

Y=CyS(PV 2)/2

Di mana:

  • Cy - koefisien angkat.
  • S - area sayap.
  • V - kecepatan aliran bebas.
  • P - kerapatan udara.

Jika semuanya jelas dengan kepadatan udara, luas sayap dan kecepatan, maka koefisien angkat adalah nilai yang diperoleh secara eksperimental dan tidak konstan. Ini bervariasi tergantung pada profil sayap, rasio aspeknya, sudut serang, dan nilai lainnya. Seperti yang Anda lihat, dependensi sebagian besar linier, kecuali untuk kecepatan.

Koefisien misterius ini

Koefisien angkat sayap adalah nilai yang ambigu. Perhitungan multi-tahap yang kompleks masih diverifikasi secara eksperimental. Ini biasanya dilakukan di terowongan angin. Untuk setiap profil sayap dan untuk setiap sudut serang, nilainya akan berbeda. Dan karena sayap itu sendiri tidak terbang, tetapi merupakan bagian dari pesawat, tes semacam itu dilakukan pada salinan model pesawat yang dikurangi. Sayap jarang diuji secara terpisah. Menurut hasil berbagai pengukuran masing-masing sayap tertentu, dimungkinkan untuk memplot ketergantungan koefisien pada sudut serang, serta berbagai grafik yang mencerminkan ketergantunganangkat dari kecepatan dan profil sayap tertentu, serta dari mekanisasi sayap yang dilepaskan. Contoh bagan ditunjukkan di bawah ini.

ketergantungan pada sudut serang
ketergantungan pada sudut serang

Faktanya, koefisien ini mencirikan kemampuan sayap untuk mengubah tekanan udara yang masuk menjadi gaya angkat. Nilai biasanya dari 0 hingga 2. Rekornya adalah 6. Sejauh ini, seseorang sangat jauh dari kesempurnaan alami. Sebagai contoh, koefisien untuk elang ini, ketika naik dari tanah dengan gopher yang ditangkap, mencapai nilai 14. Terlihat jelas dari grafik di atas bahwa peningkatan sudut serang menyebabkan peningkatan gaya angkat ke nilai sudut tertentu.. Setelah itu, efeknya hilang dan malah menuju ke arah sebaliknya.

Aliran terhenti

Seperti yang mereka katakan, semuanya baik-baik saja dalam jumlah sedang. Setiap sayap memiliki batasannya sendiri dalam hal angle of attack. Apa yang disebut sudut serangan superkritis mengarah ke kios di permukaan atas sayap, membuatnya kehilangan daya angkat. Kios terjadi secara tidak merata di seluruh area sayap dan disertai dengan fenomena yang sangat tidak menyenangkan seperti gemetar dan kehilangan kendali. Anehnya, fenomena ini tidak terlalu bergantung pada kecepatan, meski juga berpengaruh, namun penyebab utama terjadinya stall adalah manuver yang intensif, disertai dengan sudut serang superkritis. Karena itulah satu-satunya kecelakaan pesawat Il-86 terjadi, ketika pilot, yang ingin "pamer" di pesawat kosong tanpa penumpang, tiba-tiba mulai naik, yang berakhir tragis.

Perlawanan

Bergandengan tangan dengan lift datang tarik,mencegah pesawat bergerak maju. Ini terdiri dari tiga elemen. Ini adalah gaya gesekan karena efek udara pada pesawat, gaya karena perbedaan tekanan di area di depan sayap dan di belakang sayap, dan komponen induktif yang dibahas di atas, karena vektor aksinya diarahkan tidak hanya ke atas, berkontribusi pada peningkatan daya angkat, tetapi juga ke belakang, menjadi sekutu perlawanan. Selain itu, salah satu komponen hambatan induktif adalah gaya yang terjadi akibat aliran udara melalui ujung-ujung sayap sehingga menimbulkan aliran vortex yang memperbesar kemiringan arah pergerakan udara. Rumus gaya hambat aerodinamis benar-benar identik dengan rumus gaya angkat, kecuali untuk koefisien Su. Ini berubah menjadi koefisien Cx dan juga ditentukan secara eksperimental. Nilainya jarang melebihi sepersepuluh dari satu.

Rasio drop-to-drag

Rasio gaya angkat dan gaya hambat disebut kualitas aerodinamis. Satu fitur harus diperhitungkan di sini. Karena rumus untuk gaya angkat dan gaya seret, kecuali untuk koefisien, adalah sama, dapat diasumsikan bahwa kualitas aerodinamis pesawat ditentukan oleh rasio koefisien Cy dan Cx. Grafik perbandingan sudut serang tertentu disebut polar wing. Contoh bagan seperti itu ditunjukkan di bawah ini.

sayap kutub
sayap kutub

Pesawat modern memiliki nilai kualitas aerodinamis sekitar 17-21, dan glider - hingga 50. Ini berarti bahwa pada pesawat, gaya angkat sayap berada pada kondisi optimal17-21 kali lebih besar dari gaya perlawanan. Dibandingkan dengan pesawat Wright bersaudara, yang mendapat skor 6,5, kemajuan desainnya terlihat jelas, tetapi elang dengan gopher malang di cakarnya masih jauh.

Mode penerbangan

Mode penerbangan yang berbeda memerlukan rasio angkat-ke-tarik yang berbeda. Dalam penerbangan tingkat jelajah, kecepatan pesawat cukup tinggi, dan koefisien angkat, sebanding dengan kuadrat kecepatan, berada pada nilai tinggi. Hal utama di sini adalah meminimalkan resistensi. Selama lepas landas dan terutama mendarat, koefisien angkat memainkan peran yang menentukan. Kecepatan pesawat rendah, tetapi diperlukan posisi stabil di udara. Solusi ideal untuk masalah ini adalah dengan menciptakan apa yang disebut sayap adaptif, yang mengubah kelengkungan dan bahkan areanya tergantung pada kondisi penerbangan, kira-kira dengan cara yang sama seperti yang dilakukan burung. Sampai perancang berhasil, perubahan koefisien angkat dicapai dengan menggunakan mekanisasi sayap, yang meningkatkan luas dan kelengkungan profil, yang, dengan meningkatkan resistensi, meningkatkan daya angkat secara signifikan. Untuk pesawat tempur, perubahan sapuan sayap digunakan. Inovasi memungkinkan untuk mengurangi hambatan pada kecepatan tinggi dan meningkatkan daya angkat pada kecepatan rendah. Namun, desain ini ternyata tidak dapat diandalkan, dan baru-baru ini pesawat garis depan telah diproduksi dengan sayap tetap. Cara lain untuk meningkatkan gaya angkat sayap pesawat adalah dengan meniup sayap tambahan dengan aliran dari mesin. Ini telah diterapkan di militerPesawat angkut An-70 dan A-400M, yang karena sifat ini dibedakan oleh jarak lepas landas dan pendaratan yang diperpendek.

Direkomendasikan: