AcroBatMan
Погиб в полете
- Откуда
- en route
Предлагаю почтенной публике для общего развития слегка авторизованный перевод статьи одного из наиболее известных теоретиков и практиков в области автожиров - Чака Бити (США). Статья также доступна на АВТОЖИРных страницах
=====================================
Chuck Beaty Rotor Airfoils
Чак Бити. Профили лопастей ротора
слегка авторизованный перевод: Mr.TwistAir&гуру Шумейко
Как говорил Бернулли, применяя закон сохранения энергии к потоку жидкости: "Когда несжимаемая и не имеющая вязкости жидкость течет, полное давление в струе остается неизменным". Говоря нормальным языком, при отсутствии трения энергия струи жидкости неизменна. Авиаторы воспользовались выводами Бернулли.
Конечное назначение всех аэродинамических профилей - изменение направления или, точнее, импульса движущейся воздушной массы с минимальными вредными потерями.
Импульс зависит от массы и скорости, это векторная величина, т.е. она имеет направление. Применительно к самолету поток воздуха имеет горизонтальный импульс. Чтобы получить реакцию, которую мы называем подъемной силой, часть притекающей воздушной массы должна получить нисходящий импульс. Подъемная сила - это явление, схожее с отдачей при выстреле.
Начало
Воздушные змеи и ветряные мельницы известны с самых давних времен. Вполне вероятно, что в Китае были воздушные змеи, способные нести человека. Но только в последние сто лет или около того мы постепенно овладевали количественным пониманием того, как это работает.
Сэр Исаак Ньютон, похоже, был одним из первых, кто попытался научно анализировать летательные аппараты, однако его предположения были не вполне верны. Он полагал, что нисходящий импульс получает только воздух, проходящий через лобовое сечение несущей поверхности (хорда, умноженная на синус угла атаки). Т.е. этот импульс зависит только от хорды, скорости и угла атаки. Ему не удалось понять, что на низких дозвуковых скоростях воздух является несжимаемой жидкостью*, которая ведет себя подобно воде. Поэтому воздух далеко кверху и далеко книзу от несущей поверхности также вовлечен в процесс. Крылья Ньютона должны были быть невозможно большими, чтобы их можно было использовать практически. *Воздух несжимаем при обтекании профиля на малых дозвуковых скоростях. Да-да, про воздушные компрессоры я слышал.
Экспериментаторы ранней поры авиации начинали с плоских пластин в качестве крыльев, но очень скоро поняли, что кривизна повышает эффективность. Наиболее вероятно, что к этому выводу их подтолкнули наблюдения за крылом птицы.
Братья Райт построили собственную аэродинамическую трубу и систематически изучали множество аэродинамических поверхностей, но заблуждались в том, что не учитывали эффект масштаба. Поведение большого крыла очень сильно отличается от поведения меньшего крыла на той же скорости. Чтобы учесть влияние масштаба мы используем коэффициент, называемый числом Рейнольдса[ch185]. Для стандартной атмосферы на уровне моря этот коэффициент равен хорде (в футах), умноженной на скорость потока (в футах в секунду) и умноженной на число 6378. Наружные части лопасти ротора работают при числе Рейнольдса в диапазоне 1-2 миллиона.
Братья Райт проводили свои исследования на очень низких числах Рейнольдса, когда поток всегда ламинарный и тонкие профили работают лучше толстых. Бумажные самолетики не летали бы так хорошо, если бы имели толстые крылья.
Дальнейшие разработки
Когда правительства и университеты начали проявлять интерес к аэронавтике и аэродинамические трубы наконец стали работать с более реалистичными числами Рейнольдса, было установлено, что чем толще профиль - тем лучше. По крайней мере, до толщины около 12% хорды. Относительная толщина профиля, равная 12% хорды, дает наилучшее соотношение максимальной подъемной силы и минимального сопротивления. Многие самолеты имеют толщину профиля больше, чем 12%, но это обычно вызвано необходимостью обеспечить конструкционную прочность крыла, нежели аэродинамическими причинами.
Первые правительственные и университетские аэродинамические трубы работали поначалу в области низких чисел Рейнольдса, как и труба братьев Райт. Чтобы достичь чисел Рейнольдса для реального масштаба, требовалось либо продувать большие элементы профилей, либо испытывать уменьшенные элементы на очень высоких скоростях. Ни то, ни другое не было привлекательным. NACA[ch178] решил эту дилемму созданием трубы с высоким давлением, которая могла работать при давлении воздуха более 25 атмосфер. Дело в том, число Рейнольдса растет также и пропорционально росту плотности воздуха.
NACA также упорядочил тот хаос в классификации профилей, который сложился из-за того, что свои силы в изучении профилей пробовали все, кому не лень. Лаборатории Германии, Франции, Италии, Британии, США и т.д. испытывали множество профилей, которым присваивались номера и названия, не имевшие смыслового значения, а просто отражавшие порядковые номера в экспериментах.
NACA выбрал несколько лучших профилей того времени, таких, как Clark Y и G[ch246]ttingen 398, и выяснилось, что если убрать выпукло-вогнутость и привести профили к одной толщине, то все они оказываются практически идентичными[ch179]. См. рис. 1.
Результатом будет профиль NACA 0012, который может быть описан математически и который легко преобразуется в профиль любой другой толщины простой заменой коэффициента в уравнении, описывающем поверхность. Таким образом, толщина профиля и его выпукло-вогнутость были разделены по их влиянию на характеристики. Появилась возможность систематизации профилей, нечто вроде библиотечной системы Дьюи4.
Первый разряд номера профиля указывает на выпукло-вогнутость средней линии в процентах от хорды. Вторая - расстояние точки наибольшей выпукло-вогнутости от передней кромки в десятых от хорды. Последние два разряда показывают толщину профиля в процентах от хорды. Средние линии, используемые в 4-разрядных профилях NACA также определены математически.
Так, NACA 4412, великолепный профиль для самолетного крыла, имеющий весьма высокий коэффициент подъемной силы и благоприятную картину срыва, имеет наибольшую выпукло-вогнутость, равную 4% хорды, расположенную на 40% хорды от передней кромки. Толщина профиля, соответственно, равна 12% хорды. См. рис. 2.
Вращающиеся крылья
Лопасти ротора - тонкие и длинные, в отличие от крыльев самолета, и, в силу этого, являются гибкими на кручение. Профили с сильно выраженной выпукло-вогнутостью, которые хорошо работают в воздушных винтах, были бы источником катастроф при использовании в несущем винте.
Средняя линия профиля 44-й серии (рис. 2) своей формой напоминает пластину венецианских жалюзи. При движении сквозь воздух на большой скорости, такой профиль будет, имея высокий отрицательный осевой момент, около -0.1 (по американской системе - МТ), стремиться довернуться на пикирование.
Исходя из опубликованных коэффициентов профиля, можно рассчитать усилие от осевого момента:
Осевой момент = (p*V[ch178]/2)*площадь*хорда*коэффициент осевого момента, где
р =плотность воздуха, 0.0023 на уровне моря
V = скорость, фут в секунду
Результатом расчета будет осевой момент в футах на фунт.
Лопасть с профилем NACA 4412 и хордой 7 дюймов будет иметь отрицательный осевой момент, равный почти 33 фута на фунт при скорости законцовки 400 футов в секунду для ротора диаметром 23 фута. На высоких скоростях такой аппарат скорее всего будет затягиваться в пикирование, из которого, в зависимости от жесткости лопастей на кручение, может и не выйти.
Профиль NACA 4412 мог быть использован для лопастей несущего винта при наличии отогнутой задней кромки, она выполняла бы такую же роль, как руль высоты у самолета. Умеренный отгиб задней кромки необходим, хотя он и уменьшает подъемную силу и, таким образом, снижает преимущества, получаемые за счет выпукло-вогнутости профиля. Рис.3 показывает профиль 4412 с задней кромкой, отогнутой вверх для создания нулевого осевого момента. Такой нулевой момент необходим также для аппаратов типа "летающее крыло".
Форма средней линии определяет моментные характеристики профиля и угол нулевой подъемной силы, а также оказывает значительное влияние на характер срыва.
Аэродинамический фокус
Центр давления (ЦД) профиля - это точка, к которой приложена суммарная аэродинамическая сила. Для большинства профилей она находится в районе 25% хорды от передней кромки. В случае лопасти несущего винта, которая подвержена быстрым циклическим изменениям аэродинамической силы, эта точку правильнее рассматривать как несколько растянутое по хорде пятно, средняя точка которого находится в районе 25% хорды. См. рис.4.
Если лопасть имеет заднюю центровку, т.е. центр тяжести лопасти находится позади отметки 25% хорды, лопасть в потоке стремится поднять нос, что еще более увеличивает усилие, поднимающее нос лопасти. Т.е., если центровка чересчур задняя, лопасть будет подвержена флаттеру. Если флаттер не возникает, то ротор будет просто неустойчив по углу атаки. Восходящий поток будет вызывать увеличение угла атаки ротора. Пилоты описывают такое поведение как "вспухание".
Напротив, излишняя перебалансировка лопасти, при которой ЦТ находится впереди отметки 25% хорды, может усиливать устойчивость ротора. Излишняя перебалансировка мягкой на кручение лопасти может приводить к тому, что ротор станет настолько устойчивым, что он перестанет реагировать на что-либо, включая движения ручкой управления. Однако перебалансировать ротор до такой степени с помощью внутренних грузов практически невозможно, для этого понадобились бы внешние грузы.
======================================
Продолжение следует
=====================================
Chuck Beaty Rotor Airfoils
Чак Бити. Профили лопастей ротора
слегка авторизованный перевод: Mr.TwistAir&гуру Шумейко
Как говорил Бернулли, применяя закон сохранения энергии к потоку жидкости: "Когда несжимаемая и не имеющая вязкости жидкость течет, полное давление в струе остается неизменным". Говоря нормальным языком, при отсутствии трения энергия струи жидкости неизменна. Авиаторы воспользовались выводами Бернулли.
Конечное назначение всех аэродинамических профилей - изменение направления или, точнее, импульса движущейся воздушной массы с минимальными вредными потерями.
Импульс зависит от массы и скорости, это векторная величина, т.е. она имеет направление. Применительно к самолету поток воздуха имеет горизонтальный импульс. Чтобы получить реакцию, которую мы называем подъемной силой, часть притекающей воздушной массы должна получить нисходящий импульс. Подъемная сила - это явление, схожее с отдачей при выстреле.
Начало
Воздушные змеи и ветряные мельницы известны с самых давних времен. Вполне вероятно, что в Китае были воздушные змеи, способные нести человека. Но только в последние сто лет или около того мы постепенно овладевали количественным пониманием того, как это работает.
Сэр Исаак Ньютон, похоже, был одним из первых, кто попытался научно анализировать летательные аппараты, однако его предположения были не вполне верны. Он полагал, что нисходящий импульс получает только воздух, проходящий через лобовое сечение несущей поверхности (хорда, умноженная на синус угла атаки). Т.е. этот импульс зависит только от хорды, скорости и угла атаки. Ему не удалось понять, что на низких дозвуковых скоростях воздух является несжимаемой жидкостью*, которая ведет себя подобно воде. Поэтому воздух далеко кверху и далеко книзу от несущей поверхности также вовлечен в процесс. Крылья Ньютона должны были быть невозможно большими, чтобы их можно было использовать практически. *Воздух несжимаем при обтекании профиля на малых дозвуковых скоростях. Да-да, про воздушные компрессоры я слышал.
Экспериментаторы ранней поры авиации начинали с плоских пластин в качестве крыльев, но очень скоро поняли, что кривизна повышает эффективность. Наиболее вероятно, что к этому выводу их подтолкнули наблюдения за крылом птицы.
Братья Райт построили собственную аэродинамическую трубу и систематически изучали множество аэродинамических поверхностей, но заблуждались в том, что не учитывали эффект масштаба. Поведение большого крыла очень сильно отличается от поведения меньшего крыла на той же скорости. Чтобы учесть влияние масштаба мы используем коэффициент, называемый числом Рейнольдса[ch185]. Для стандартной атмосферы на уровне моря этот коэффициент равен хорде (в футах), умноженной на скорость потока (в футах в секунду) и умноженной на число 6378. Наружные части лопасти ротора работают при числе Рейнольдса в диапазоне 1-2 миллиона.
Братья Райт проводили свои исследования на очень низких числах Рейнольдса, когда поток всегда ламинарный и тонкие профили работают лучше толстых. Бумажные самолетики не летали бы так хорошо, если бы имели толстые крылья.
Дальнейшие разработки
Когда правительства и университеты начали проявлять интерес к аэронавтике и аэродинамические трубы наконец стали работать с более реалистичными числами Рейнольдса, было установлено, что чем толще профиль - тем лучше. По крайней мере, до толщины около 12% хорды. Относительная толщина профиля, равная 12% хорды, дает наилучшее соотношение максимальной подъемной силы и минимального сопротивления. Многие самолеты имеют толщину профиля больше, чем 12%, но это обычно вызвано необходимостью обеспечить конструкционную прочность крыла, нежели аэродинамическими причинами.
Первые правительственные и университетские аэродинамические трубы работали поначалу в области низких чисел Рейнольдса, как и труба братьев Райт. Чтобы достичь чисел Рейнольдса для реального масштаба, требовалось либо продувать большие элементы профилей, либо испытывать уменьшенные элементы на очень высоких скоростях. Ни то, ни другое не было привлекательным. NACA[ch178] решил эту дилемму созданием трубы с высоким давлением, которая могла работать при давлении воздуха более 25 атмосфер. Дело в том, число Рейнольдса растет также и пропорционально росту плотности воздуха.
NACA также упорядочил тот хаос в классификации профилей, который сложился из-за того, что свои силы в изучении профилей пробовали все, кому не лень. Лаборатории Германии, Франции, Италии, Британии, США и т.д. испытывали множество профилей, которым присваивались номера и названия, не имевшие смыслового значения, а просто отражавшие порядковые номера в экспериментах.
NACA выбрал несколько лучших профилей того времени, таких, как Clark Y и G[ch246]ttingen 398, и выяснилось, что если убрать выпукло-вогнутость и привести профили к одной толщине, то все они оказываются практически идентичными[ch179]. См. рис. 1.
Результатом будет профиль NACA 0012, который может быть описан математически и который легко преобразуется в профиль любой другой толщины простой заменой коэффициента в уравнении, описывающем поверхность. Таким образом, толщина профиля и его выпукло-вогнутость были разделены по их влиянию на характеристики. Появилась возможность систематизации профилей, нечто вроде библиотечной системы Дьюи4.
Первый разряд номера профиля указывает на выпукло-вогнутость средней линии в процентах от хорды. Вторая - расстояние точки наибольшей выпукло-вогнутости от передней кромки в десятых от хорды. Последние два разряда показывают толщину профиля в процентах от хорды. Средние линии, используемые в 4-разрядных профилях NACA также определены математически.
Так, NACA 4412, великолепный профиль для самолетного крыла, имеющий весьма высокий коэффициент подъемной силы и благоприятную картину срыва, имеет наибольшую выпукло-вогнутость, равную 4% хорды, расположенную на 40% хорды от передней кромки. Толщина профиля, соответственно, равна 12% хорды. См. рис. 2.
Вращающиеся крылья
Лопасти ротора - тонкие и длинные, в отличие от крыльев самолета, и, в силу этого, являются гибкими на кручение. Профили с сильно выраженной выпукло-вогнутостью, которые хорошо работают в воздушных винтах, были бы источником катастроф при использовании в несущем винте.
Средняя линия профиля 44-й серии (рис. 2) своей формой напоминает пластину венецианских жалюзи. При движении сквозь воздух на большой скорости, такой профиль будет, имея высокий отрицательный осевой момент, около -0.1 (по американской системе - МТ), стремиться довернуться на пикирование.
Исходя из опубликованных коэффициентов профиля, можно рассчитать усилие от осевого момента:
Осевой момент = (p*V[ch178]/2)*площадь*хорда*коэффициент осевого момента, где
р =плотность воздуха, 0.0023 на уровне моря
V = скорость, фут в секунду
Результатом расчета будет осевой момент в футах на фунт.
Лопасть с профилем NACA 4412 и хордой 7 дюймов будет иметь отрицательный осевой момент, равный почти 33 фута на фунт при скорости законцовки 400 футов в секунду для ротора диаметром 23 фута. На высоких скоростях такой аппарат скорее всего будет затягиваться в пикирование, из которого, в зависимости от жесткости лопастей на кручение, может и не выйти.
Профиль NACA 4412 мог быть использован для лопастей несущего винта при наличии отогнутой задней кромки, она выполняла бы такую же роль, как руль высоты у самолета. Умеренный отгиб задней кромки необходим, хотя он и уменьшает подъемную силу и, таким образом, снижает преимущества, получаемые за счет выпукло-вогнутости профиля. Рис.3 показывает профиль 4412 с задней кромкой, отогнутой вверх для создания нулевого осевого момента. Такой нулевой момент необходим также для аппаратов типа "летающее крыло".
Форма средней линии определяет моментные характеристики профиля и угол нулевой подъемной силы, а также оказывает значительное влияние на характер срыва.
Аэродинамический фокус
Центр давления (ЦД) профиля - это точка, к которой приложена суммарная аэродинамическая сила. Для большинства профилей она находится в районе 25% хорды от передней кромки. В случае лопасти несущего винта, которая подвержена быстрым циклическим изменениям аэродинамической силы, эта точку правильнее рассматривать как несколько растянутое по хорде пятно, средняя точка которого находится в районе 25% хорды. См. рис.4.
Если лопасть имеет заднюю центровку, т.е. центр тяжести лопасти находится позади отметки 25% хорды, лопасть в потоке стремится поднять нос, что еще более увеличивает усилие, поднимающее нос лопасти. Т.е., если центровка чересчур задняя, лопасть будет подвержена флаттеру. Если флаттер не возникает, то ротор будет просто неустойчив по углу атаки. Восходящий поток будет вызывать увеличение угла атаки ротора. Пилоты описывают такое поведение как "вспухание".
Напротив, излишняя перебалансировка лопасти, при которой ЦТ находится впереди отметки 25% хорды, может усиливать устойчивость ротора. Излишняя перебалансировка мягкой на кручение лопасти может приводить к тому, что ротор станет настолько устойчивым, что он перестанет реагировать на что-либо, включая движения ручкой управления. Однако перебалансировать ротор до такой степени с помощью внутренних грузов практически невозможно, для этого понадобились бы внешние грузы.
======================================
Продолжение следует
