ТРАНСПОРТ в России
Список темНовая темаПоискПравилаВойти Темы: <<>>
Ламерский вопрос по авиации
kneiphof  03.01.2008 22:33

Какими факторами определяется максимальная высота полёта летательного аппарата?

Re: Ламерский вопрос по авиации
Впередсмотрящий  03.01.2008 23:43

Очевидно взлётным весом , мощностью двигателя и площадью крыльев. Вероятно, особое значение имеет длина передней кромки крыла. Хотя лётчик Коккинаки установил рекорд высоты полёта в открытой кабине (который держится до сих пор) четырнадцать с половиной километров, на биплане И-15 длина передней кромки крыльев которого невелика. Это же биплан :-).

Re: Ламерский вопрос по авиации
kneiphof  04.01.2008 00:19

Дибуны писал(а):
-------------------------------------------------------
> Очевидно взлётным весом , мощностью двигателя и
> площадью крыльев. Вероятно, особое значение имеет
> длина передней кромки крыла. Хотя лётчик Коккинаки
> установил рекорд высоты полёта в открытой кабине
> (который держится до сих пор) четырнадцать с
> половиной километров, на биплане И-15 длина
> передней кромки крыльев которого невелика. Это же
> биплан :-).

Спасибо, но я не совсем это имел ввиду. Меня интересуют... ка бы выразиться... физические принципы, что ли? Ну вот скажем площадь крыльев. На большой высоте воздух становится более разреженным, поэтому наверное самолёт с большей площадью крыльев может подняться на большую высоту. Выражаясь ламерски, "площадь опоры на воздух" больше.

Re: Ламерский вопрос по авиации
Впередсмотрящий  04.01.2008 00:25

Да, конечно, но до 40 процентов подъёмной силы крыла, насколько мне известно, образуется на его передней кромке. По этому я этот параметр и выделил. Хотя вот мой пример биплана попал в этом смысле "не в струю".

Re: Ламерский вопрос по авиации
Впередсмотрящий  04.01.2008 00:29

Здесь у нас есть один господин, который в теме "Антиавтомобильная статья в газете" призывал задавать ему вопросы по авиации. Вероятно он увидит нашу дискуссию и нам всё объяснит :-).

Re: Ламерский вопрос по авиации
Илюха_ЛэП  04.01.2008 01:28

Скоростью (если крылья маленькие) и удлинением крыла (если дозвуковая скорость)

Re: Ламерский вопрос по авиации
Toman  04.01.2008 05:17

Дибуны писал(а):
-------------------------------------------------------
> Да, конечно, но до 40 процентов подъёмной силы
> крыла, насколько мне известно, образуется на его
> передней кромке. По этому я этот параметр и
> выделил. Хотя вот мой пример биплана попал в этом
> смысле "не в струю".

Ну, как тут сказать... Если себе представить крыло с удлинением 30, и крыло с удлинением 100, например, и одинаковой плащадью, то и площадь "передней кромки" у них будет одинакова. Потому что в любом случае речь идёт, напимер, о зоне от кромки до стольких-то процентов хорды профиля. А значит, чем крыло ширше, тем ширше и эта зона. И большой разницы между такими крыльями не будет.

А вообще, нельзя говорить так - что 40% подъёмной силы на передней кромке. Нет, конечно, физически нагрузка действительно спереди больше. Но ведь никуда не денешься, и задняя часть профиля совершенно необходима для того, чтобы спереди реализовывалась эта подъёмная сила. При выпуске механизации распределение силы меняется. При приближении к скорости звука и её превышении центр аэродинамических сил несколько уходит назад.

Так что там дело вовсе не в том, какова длина передней кромки, а в том, какова длина как раз кромок на конце крыла (ну, или того, что их заменяет в своей нехорошей функции). Потому что если в середине крыла - при обычном обтекании, когда нет срыва - поток идёт вдоль плоскости крыла, то на концевой кромке, поскольку ни на эту кромку не дует, ни с неё не сходит поток в одном направлении с обеих сторон крыла, а дует только вдоль кромки, вокруг неё начинает "сифонить" поток воздуха из-под крыла вверх. А потом после пролёта самолёта в этом месте остаются сбегающие вихри. Т.е. концы крыла - это можно себе образно представлять, как такая дыра определённого сечения, в которую зазря утекает воздух. Поэтому и стараются делать как можно большее удлинение крыла для достижения наилучшего аэродинамического качества.

Re: Ламерский вопрос по авиации
Toman  04.01.2008 07:40

kneiphof писал(а):
-------------------------------------------------------
>
> Спасибо, но я не совсем это имел ввиду. Меня
> интересуют... ка бы выразиться... физические
> принципы, что ли? Ну вот скажем площадь крыльев.
> На большой высоте воздух становится более
> разреженным, поэтому наверное самолёт с большей
> площадью крыльев может подняться на большую
> высоту. Выражаясь ламерски, "площадь опоры на
> воздух" больше.

Ну, что тут сказать? А действительно, что? Попробую про физические принципы. Начнём, как всегда, со скорости полёта. На любом приличном самолёте имеется указатель скорости. Обычно он считается самым первым по важности прибором из всех пилотажных приборов. Он измеряет фактически скоростной напор набегающего потока, и показывает его в единицах скорости. (Скоростной напор в единицах давления, естественно, пропорционален квадрату истинной скорости и пропорционален плотности воздуха). При некоторой стандартной плотности воздуха - т.е. при стандартном давлении уровня моря и какой-то там температуре, не знаю, честно говоря, какая принята за стандарт в авиации, это показание приблизительно совпадает с истинной воздушной скоростью.
Все аэродинамические силы, действующие на самолёт в набегающем потоке, пропорциональны скоростному напору, а значит, квадрату приборной скорости. (Это я пока только о совсем дозвуковом диапазоне скоростей). Поэтому (дозвуковые) самолёты обычно имеют довольно узкий диапазон допустимых скоростей полёта - снизу ограниченный скоростью сваливания, которое происходит в общем примерно тогда, когда происходит срыв потока (вообще-то срыв определяется углом атаки, а не скоростью как таковой, но подразумевается полёт в равновесии, т.е. подъёмная сила равна весу, а значит, с уменьшенем приборной скорости/скоростного напора угол атаки приходится увеличивать - пока это даёт прирост подъёмной силы, а дальше - срыв), а сверху - скоростью, выше которой может произойти что-то неприятное с конструкцией - развалиться из-за автоколебаний, или необратимо потерять управляемость. Эта скорость в общем случае определяется экспериментально, и простыми теоретическими формулами её выразить или даже приблизительно прикинуть нельзя.
Есть ещё совсем другие максимально допустимые скорости - например, максимальная скорость маневрирования. Что это такое? Это такая скорость, ниже которой можно быть уверенным, что в любом режиме полёта, даже если угол атаки достигнет того значения, при котором достигается максимальная подъёмная сила, подъёмная сила не создаст перегрузку больше расчётной, и не будет угрожать разрушением самолёта или людей или груза в нём. Вот эту скорость можно приблизительно прикинуть исходя из скорости сваливания и назначенной самолёту эксплуатационной перегрузки. Ведь скорость сваливания - это фактически такая скорость, когда максимально возможная подъёмная сила крыла (при критическом угле атаки) равна весу самолёта с перегрузкой ровно 1,0. Значит, поскольку все силы пропорциональны скоростному напору, то предельно допустимый скоростной напор для маневрирования будет больше во столько раз, чему равна перегрузка. А предельная скорость маневрирования - скорость сваливания умножить на корень квадратный эксплуатационной перегрузки. Например, если взять какой-нибудь самолёт со скоростью сваливания 160 км/ч и перегрузкой 6, то макс. скорость маневрирования для него будет из таких теоретических соображений 392 км/ч. Или - скорость сваливания 300 км/ч, допустимая перегрузка 4 - макс. скорость маневрирования 600 км/ч.
Потом, предельная скорость полёта в атмосферной турбулентности. В зависимости от характеристик крыла (например, разности критического угла атаки и угла атаки на рассматриваемом режиме полёта) и от соотношения скорости полёта и скорости вертикального воздушного потка, на который идёт расчёт, может или совпасть с предельной скоростью маневрирования, или быть более мягким ограничением, т.е. более высокой скоростью (если соотношение этих скоростей покажет, что при попадании в поток угол атаки будет меньше критического, а значит, и перегрузка меньше).
В горизонтальном полёте или в наборе высоты, естественно, не получится превысить ту скорость, насколько хватит мощности двигателя.

При скоростях полёта, приближающихся к скорости звука или выше скорости звука, основным становится показание другого прибора - число М - отношение (истинной) воздушной скорости к скорости звука. Этот переход происходит, поскольку при приближении к скорости звука аэродинамика резко меняется, и пропорциональность сил скоростному напору исчезает, смещаются центры аэродинамических сил - а о степени всех этих изменений и о том, с какого момента они начинаются, говорит как раз число М. Поэтому всякий околозвуковой самолёт имеет кроме максимальной допустимой приборной скорости (скоростного напора) и максимально допустимое число М. Ведь локальное превышение скорости звука потоком начинается ещё при скорости полёта существенно меньше М=1,0. У современных дозвуковых=околозвуковых пассажирских самолётов предельное число М обычно где-то около 0,8..0,9. На уровне моря это составило бы 950-1050 км/ч - но эти самолёты достигнуть такой скорости здесь не могут, поскольку у них ограничение макс. приборной скорости в районе 500-600 км/ч. Да и двигатели не потянули бы бы против сопротивления на приборных скоростях. А вот у такого дозвукового самолёта, как штурмовик Су-25, и двигатели потянут, и ограничение приборной скорости по конструкции планера достаточно высокое - и поэтому он спокойно может летать на своих 900 с гаком км/ч даже на уровне моря.
Ну а у того же пассажирского лайнера или транспортного самолёта, или самолёта-разведчика, с набором высоты при постоянной приборной скорости растёт истинная воздушная скорость (обратно пропорционально корню квадратному плотности воздуха). В то же время скорость звука с набором высоты несколько падает - пропорционально корню квадратному температуры (скажем, если при наших примерно 295К на уровне моря это что-то около 330 м/с=1188 км/ч, то на границе стратосферы температура порядка 220К, и скорость звука около 284 м/с=1026 км/ч - так что М 0,8-0,9 на той высоте - уже не 950-1050, а 820-920 км/ч). Так что получается довольно парадоксальная на первый взгляд ситуация: если есть принципиальное требование оставаться в рамках дозвука, то наибольшую истинную воздушную скорость можно достигнуть на уровне моря, а не на высоте. А уж о приборной скорости и говорить нечего: тот же наш околозвуковой лайнер Ту-154 - это приборная скорость 550 км/ч - примерно на этой скорочти он и летит всю дорогу, и почти на ней он упирается в ограничение числа М на высоте.
К некоторому условному счастью :) для конструкторов сверхвысотных дозвуковых самолётов (и к большим проблемам, наоборот, для конструкторов сверхзвуковых :) ), на границе тропосферы заканчивается интенсивная конвекция, начинающаяся от поверхности земли, а с ней заканчивается и падение температуры по адиабатическому закону, и начинается устойчивая инверсия - рост температуры с высотой, блокирующий любое интенсивное вертикальное перемешивание. А значит, скорость звука опять начинает потихоньку расти, и на какой-то высоте опять приближается к скорости звука на уровне моря. Но поскольку плотность неуклонно падает, падает и приборная скорость, соответствующая предельно допустимым числам М. Вот и получается, что на уровне моря околозвуковая скорость - это порядка 1000 км/ч приборной скорости, на 11-12 тыс. м - это уже порядка 500 км/ч приборной скорости, а выше можно докатиться и хоть до 100 приборной скорости, при том, что это будет совершенно реально околозвуковой самолёт. Но естественно, что ему приходится быть похожим на самолёты со скоростью полёта типа тех же 100 на уровне моря - т.е. фактически на планеры. Т.е. да, совершенно верно - в итоге чем выше летишь, тем ниже нагрузка на крыло, тем больше должна быть площадь крыла. А если ещё волнует аэродинамическое качество, и не устраивает "выезжать на двигателе", грубой силой, то эта площадь должна получаться с большим удлинением. А это значит бОльшие изгибающие моменты крыла, более высокие требования к конструкции крыла и распределению масс (например, вариант, как это сделать - переход к бесфюзеляжному самолёту с более-менее равномерным распределением массы и вообще всех агрегатов по длине крыла), определённое увеличение толщины профиля крыла, необходимость идти на снижение эксплуатационной перегрузки.
Отдельный вопрос - это, конечно, двигатели и движители. Двигателям нужен воздух. Кроме ракетного - но ракетный двигатель на дозвуковом самолёте будет вообще слишком неэкономичен (в идеале скорость реактивной струи ракетного двигателя должна быть близка к скорости полёта). Т.е. всё приходит к варианту любого двигателя внутреннего сгорания с возимым окислителем, даже если движитель будет винтовой или вентиляторный, т.к. двигатели на воздухе с увеличением рабочей высоты приходится делать всё более габаритными и тяжёлыми при той же мощности, и в какой-то момент уже легче будет возить окислитель, чем все девайсы для сжатия воздуха.
У сверхзвука свои проблемы. Помимо тех же двигателей, это в основном нагрев. По мере падения плотности воздуха можно просто разогнать самолёт до большей скорости и как бы сохранить статус кво, особенно это просто, если двигатель действительно ракетный, да и прямоточный на гиперзвуке неплохо себя проявляет. Но тут проблема именно из-за той самой инверсии. Если в пределах падения температуры по адиабате, и при небольших значениях числа М (в т.ч. на дозвуковой скорости) рост числа М с ростом высоты компенсируется падением температуры практически точно (оно и понятно - ведь цель по сути - лететь с постоянным давлением), и температура на участках сжатия набегающего потока мало растёт, то при одновременном падении плотности и росте температуры в инверсии температура нагрева возрастает очень резко. Так что даже для сверхзвуковых приходится как-то ограничивать число М, и увеличивать площадь крыла.

Re: Ламерский вопрос по авиации
Toman  04.01.2008 07:50

kneiphof писал(а):
-------------------------------------------------------
> Какими факторами определяется максимальная высота
> полёта летательного аппарата?

Ну вот, если чтобы покороче, то для дозвуковых самолётов самые типичные варианты:
1) достигнуто максимальное число М, за которым начинается что-то недопустимое для полёта, при том, что приборную скорость дальше снижать нельзя, ибо скорость сваливания уже близка, или же
2) по мере падения плотности воздуха диапазон истинных скоростей настолько возрос, а мощность двигателей настолько упала, что уже ни при какой скорости мощность двигателя не может превышать мощности аэродинамического сопротивления.
От этого зависит, что в первую очередь надо менять в самолёте, чтобы поднять его ещё выше.

Ещё высота ограничена мощностью высотной системы. У Боинга-737-500 максимум 11600 м, у Ту-154 12100, хотя мощности для дальшейнего набора часто хватает (-) (-)
Eagle755  04.01.2008 08:57

0

Re: Ламерский вопрос по авиации

Летательные аппараты, как известно, летали и на Луну, и на Марс, и за пределы Солнечой системы. Полагаю, что в исходном вопросе речь идет об управляемом полете с применением аэродинамической подъемной силы - в просторечии крыльев. Правильный ответ - на крыльях можно летать на любой высоте в пределах атмосферы, что и делают шаттлы и целый ряд других летательных аппаратов - тот же Союз, у которого специальная форма днища создает аэродинамическую силу. Шаттл обладает управляемым полетом начиная с верхней стратосферы.

Предельная же высота полетов того, что мы привыкли называть самолетом, т.е. не просто планером, а планером с двигателем, определяется вовсе не крыльями и их конфигурацией, а именно и только двигателем, которому на больших высотах попросту не хватает кислорода из воздуха. В настоящее время активно ведутся работы по созданию разного рода комбинированных двигателей, которые на относительно малых высотах пользуются атмосферным окислителем (кислородом), а на больших высотах переходят на свой запас.

Re: Ламерский вопрос по авиации
Toman  05.01.2008 02:11

Владимир Венедиктов писал(а):
-------------------------------------------------------

> Шаттл обладает управляемым
> полетом начиная с верхней стратосферы.

Однако шаттл летит только вниз - набирать высоту, скажем, он не умеет. И главное даже не это - а что все эти космические аппараты, пролетев один раз, т.е. за несколько минут полёта, практически требуют замены наружной облицовки, т.к. она портится от нагрева. Я думаю, для самолёта в обычном понимании требуется, чтобы он был способен лететь неоднократно, или лететь гораздо более продолжительное время (часы и десятки часов) без наземного обслуживания, и чтобы у него обшивка не сгорела. Т.е. не надо недооценивать проблему нагрева.
Ну а совсем в космосе - там проблемы перегрева нет (ну, только солнце - но это уже мелочи по сравнению с тем), но там и самолётам делать нечего.

>
> Предельная же высота полетов того, что мы привыкли
> называть самолетом, т.е. не просто планером, а
> планером с двигателем, определяется вовсе не
> крыльями и их конфигурацией, а именно и только
> двигателем, которому на больших высотах попросту
> не хватает кислорода из воздуха. В настоящее время
> активно ведутся работы по созданию разного рода
> комбинированных двигателей, которые на
> относительно малых высотах пользуются атмосферным
> окислителем (кислородом), а на больших высотах
> переходят на свой запас.

Да собственно первые реактвные самолёты, когда ещё не было ТРД, были на ракетных двигателях. А крылья всё же имеют большое значение. Потому, что от них зависит, с какой скоростью придётся летать, а именно скорость определяет, насколько остро будет стоять проблема нагрева обшивки.

Re: Ламерский вопрос по авиации

Ну, во первых я отвечал на принципиально поставленный вопрос - чем определяется предельная высота. Насчет шаттлов Вы не совсем правы - они, в принципе, могут и подниматься и маневрировать - примерно как планер. Они чаще пользуются этим на нижней (конечной) части пути, но до известной степени могут делать это и в верхних слоях атмосферы. На среднем участке пути - в зоне активного торможения и разогрева - они этого делать не могут ТЕХНИЧЕСКИ, но не принципиально. Но шаттл - это ведь технологии тридцаилетней давности. Насколько мне известно (профессионально, откуда - не скажу, не спрашивайте) в настоящее время ведутся уже вполне прикладные разработки аппаратов, которым разогрев не мешает активно маневрировать и в зоне гиперзвуковых скоростей (гиперзвук в данном случае - скорость в несколько М). Это достигается и использованием современных теплозащитных материалов, и продвинутой аэродинамикой, и еще боле хитрыми средствами активного воздействия на атмосферну плазму. Но эти вопросы уж точно не для публичного форума:-))))))))))))))))))))))))

Re: Ламерский вопрос по авиации
Олег Черников  05.01.2008 16:46

Toman писал(а):
-------------------------------------------------------


А крылья
> всё же имеют большое значение. Потому, что от них
> зависит, с какой скоростью придётся летать, а
> именно скорость определяет, насколько остро будет
> стоять проблема нагрева обшивки.

Что имеется в виду под "большим значением крыла"? Форма, материалы, стреловидность, ч-л ещё?

Re: Ламерский вопрос по авиации
Vladislav E. Lavrov  05.01.2008 21:19

Владимир Венедиктов писал(а):
-------------------------------------------------------

> давности. Насколько мне известно (профессионально,
> откуда - не скажу, не спрашивайте)

Вы там поосторожнее, а то будем в газетах читать про эксперименты по ректальному криптоанализу с применением паяльника на даче в глухом пригороде... Промышленные шпиёны - еще те выдумщики ;-]

Re: Ламерский вопрос по авиации

Vladislav E. Lavrov писал(а):
-------------------------------------------------------
> Владимир Венедиктов писал(а):
> --------------------------------------------------
> -----
>
> > давности. Насколько мне известно
> (профессионально,
> > откуда - не скажу, не спрашивайте)
>
> Вы там поосторожнее, а то будем в газетах читать
> про эксперименты по ректальному криптоанализу с
> применением паяльника на даче в глухом
> пригороде... Промышленные шпиёны - еще те
> выдумщики ;-]


А это им к американским товаристчам :-) . Пускай у них спрашивают. А если серьезно, то внимательного чтения газетных публикаций и смотрения телевизора достаточно - нам неоднократно объясняли, что одним из важных преимуществ ракетной системы Тополь является именно возможность боеголовок к активному маневрированию на этапе входа в верхние слои атмосферы. Вот как это делается - другой вопрос.

Список темНовая темаПоискПравилаВойти Темы: <<>>


©  "ТРАНСПОРТ В РОССИИ", 2003-2024.
©  Дизайн - интернет-ателье "Рузайн" (Rusign), 2003.
Rambler's Top100
AT.

[ Generated in 0.002 seconds ]