Правило области

Распределение площади поперечного сечения по всему планеру определяет волновое сопротивление, в значительной степени независимое от фактической формы. Синие и светло-зеленые фигуры примерно равны по площади.

Правило площади Уиткомба , названное в честь NACA инженера Ричарда Уиткомба и также называемое правилом трансзвуковой зоны , представляет собой процедуру проектирования, используемую для уменьшения самолета сопротивления скоростях , на околозвуковых которые происходят примерно между 0,75 и 1,2 Маха . другая процедура, называемая правилом сверхзвуковой площади , разработанная аэродинамиком NACA Робертом Джонсом Для сверхзвуковых скоростей используется .

Трансзвуковой диапазон скоростей сегодня является одним из наиболее важных диапазонов скоростей для коммерческих и военных самолетов , при этом околозвуковое ускорение является важным требованием к характеристикам боевых самолетов и улучшается за счет уменьшения трансзвукового сопротивления.

Описание

При высоких дозвуковых скоростях полета местная скорость воздушного потока может достигать скорости звука, при которой поток ускоряется вокруг самолета корпуса и крыльев . Скорость, с которой происходит это развитие, варьируется от самолета к самолету и известна как критическое число Маха . Возникающие в результате ударные волны, образующиеся в этих зонах звукового потока, вызывают внезапное увеличение сопротивления , называемое волновым сопротивлением . Для уменьшения количества и силы этих ударных волн аэродинамическая форма должна как можно более плавно изменять площадь поперечного сечения спереди назад.

Правило околозвуковой зоны

Правило площади гласит, что два самолета с одинаковым распределением площади продольного поперечного сечения имеют одинаковое волновое сопротивление независимо от того, как площадь распределена в поперечном направлении (т. е. в фюзеляже или в крыле). Кроме того, во избежание образования сильных ударных волн необходимо тщательно продумать внешнюю форму самолета так, чтобы площадь поперечного сечения менялась как можно более плавно от носа к хвосту. В месте расположения крыла фюзеляж сужен или «затащен». Площадь поперечного сечения фюзеляжа, возможно, придется уменьшить путем сплющивания боковых сторон фюзеляжа ниже купольного фонаря и на хвостовых поверхностях, чтобы компенсировать их присутствие, и то, и другое было сделано на Hawker Siddeley Buccaneer .

Правило сверхзвуковой зоны

Другое правило площади, известное как правило сверхзвуковой площади, разработанное аэродинамиком NACA Робертом Джонсом в «Теории сопротивления корпуса крыла на сверхзвуковых скоростях». применимо на скоростях, превышающих околозвуковые, и в этом случае требование к площади поперечного сечения устанавливается по отношению к углу конуса Маха для расчетной скорости. Например, учтите, что при скорости 1,3 Маха угол конуса Маха, создаваемый носовой частью самолета, будет составлять угол μ = arcsin(1/M) = 50,3° (где μ — угол конуса Маха, также известный как как угол Маха , а М — число Маха ). В этом случае «идеальная форма» смещена назад; поэтому самолеты, рассчитанные на меньшее волновое сопротивление на сверхзвуковой скорости, обычно имеют крылья, обращенные назад.

Тело Сирса – Хаака

На первый взгляд связанная концепция - это тело Сирса-Хаака , форма которого обеспечивает минимальное волновое сопротивление для заданной длины и заданного объема. Однако форма тела Сирса-Хаака выводится, исходя из уравнения Прандтля-Глауэрта , которое приблизительно описывает дозвуковые течения с малыми возмущениями, а также теории Аккерета, которая точно описывает сверхзвуковой поток. Оба метода теряют применимость для трансзвуковых потоков, где применяется правило площади, из-за допущений, сделанных при их выводе. Таким образом, хотя форма тела Сирса-Хаака, будучи гладкой, будет иметь благоприятные свойства волнового сопротивления в соответствии с правилом площадей, теоретически она не является оптимальной.

История

Германия

Юнкерса Патентный рисунок от марта 1944 года.

Необычное расположение реактивных двигателей Ю-287 обусловлено правилом площади.

Правило площади было открыто Отто Френцлем при сравнении стреловидного крыла со стреловидным крылом с чрезвычайно высоким волновым сопротивлением. во время работы над трансзвуковой аэродинамической трубой на заводе Юнкерса в Германии в период с 1943 по 1945 год. 17 декабря 1943 года он написал описание под названием Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug («Расположение тел смещения в высокоскоростном полете»); это было использовано в патенте, поданном в 1944 году. Результаты этих исследований были представлены широкому кругу в марте 1944 года Теодором Зобелем в Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung (Немецкой академии аэронавтических исследований) на лекции «Принципиально новые пути повышения летно-технических характеристик высокоскоростных самолетов».

Последующие разработки немецких самолетов военного времени учитывали это открытие, проявившееся в тонких среднефюзеляжных самолетах, включая Messerschmitt P.1112 , P.1106 и Focke-Wulf 1000x1000x1000 дальний бомбардировщик типа A, но также проявившееся в конструкциях треугольного крыла, включая Хеншель Hs 135 . Несколько других исследователей подошли близко к разработке аналогичной теории, в частности Дитрих Кюхеманн , который разработал конический истребитель, получивший название «Бутылка из-под кока-колы Кюхемана», когда он был обнаружен американскими войсками в 1946 году. В этом случае Кюхеманн пришел к теории, изучая поток воздуха. в частности, помехи или локальные линии тока на стыке фюзеляжа и стреловидного крыла . Фюзеляж имел контуры или суженную форму, чтобы соответствовать обтеканию. Требование к формированию этого подхода «ближнего поля» также возникло в результате более позднего подхода Уиткомба «дальнего поля» к уменьшению сопротивления с использованием его правила зоны Соника.

Соединенные Штаты

Уоллес Д. Хейс , пионер сверхзвуковых полетов, разработал правило трансзвуковой площади в публикациях, начиная с 1947 года, когда он защитил докторскую диссертацию. диссертацию в Калифорнийском технологическом институте .

Апрель 1955 года: Уиткомб осматривает модель самолета, спроектированную в соответствии с его местными правилами.

Ричард Т. Уиткомб , в честь которого названо правило, независимо открыл это правило в 1952 году, работая в Национальном консультативном комитете по аэронавтике (NACA). При использовании нового восьмифутового высокоскоростного туннеля, аэродинамической трубы с производительностью до 0,95 Маха в Исследовательском центре NACA в Лэнгли , он был удивлен увеличением сопротивления из-за образования ударной волны. Уиткомб понял, что для аналитических целей самолет можно свести к обтекаемому телу вращения, максимально удлиненному, чтобы смягчить резкие разрывы и, следовательно, столь же резкое увеличение сопротивления. Сотрясения можно было увидеть с помощью шлирен-фотографии , но причина, по которой они создавались на скоростях, намного меньших скорости звука, иногда до 0,70 Маха, оставалась загадкой.

В конце 1951 года в лаборатории состоялся доклад Адольфа Буземана , известного немецкого аэродинамика, переехавшего в Лэнгли после Второй мировой войны . Он рассказал о поведении воздушного потока вокруг самолета, когда его скорость приближалась к критическому числу Маха, когда воздух больше не вел себя как несжимаемая жидкость. Если инженеры привыкли думать, что воздух плавно обтекает корпус самолета, то на высоких скоростях он просто не успевает «уйти с дороги», а вместо этого начинает течь, как будто это жесткие трубы потока, Концепцию Буземанн назвал «струйными трубами», в отличие от обтекаемых линий , и в шутку предположил, что инженеры должны считать себя «трубомонтажниками».

Несколько дней спустя у Уиткомба случился момент « Эврики ». Причиной высокого сопротивления было то, что «трубы» воздуха мешали друг другу в трех измерениях. Нельзя просто рассматривать воздух, обтекающий двумерное поперечное сечение самолета, как это делали раньше; теперь им также приходилось учитывать воздух по «бокам» самолета, который также взаимодействовал бы с этими струями. Уиткомб понял, что формообразование должно применяться к самолету в целом , а не только к фюзеляжу. Это означало, что при общей форме необходимо было учитывать дополнительную площадь поперечного сечения крыльев и хвостового оперения и что фюзеляж должен был фактически сузиться в местах их соприкосновения, чтобы более точно соответствовать идеалу.

Приложения

Первым самолетом, на котором было впоследствии реализовано правило площади, стал немецкий испытательный бомбардировщик Юнкерс Ю-287 (1944 г.). Другие соответствующие немецкие разработки не были завершены из-за окончания войны или вообще оставались на стадии планирования.

Когда правило территории было вновь открыто Уиткомбом, оно было секретно предоставлено авиационной промышленности США для военных программ с 1952 года. и в 1957 году об этом сообщалось для гражданских программ. Convair и Grumman с помощью Уиткомба использовали его одновременно для разработки Grumman F-11 Tiger и модернизации Convair F-102 . Grumman F-11 Tiger был первым из двух самолетов, совершивших полет, и с самого начала проектировался с учетом правила площади. Convair F-102 Delta Dagger пришлось перепроектировать, поскольку он не мог развивать скорость 1 Маха, хотя его расчетная скорость составляла 1,2 Маха. Ожидание того, что он достигнет расчетной скорости, было основано на оптимистических прогнозах сопротивления аэродинамической трубы. Модификации, которые включали в себя выемку фюзеляжа рядом с крыльями и увеличение объема задней части самолета, значительно уменьшили околозвуковое сопротивление и была достигнута расчетная скорость 1,2 Маха. Причиной использования правила площади на этих истребителях было уменьшение максимального значения сопротивления, возникающего при скорости 1 Маха, и, таким образом, обеспечение сверхзвуковых скоростей с меньшей тягой, чем это было бы необходимо в противном случае.

В 1957 году было доступно измененное правило зоны, позволяющее повысить дозвуковую крейсерскую скорость транспортных самолетов на 50 миль в час. Крейсерская скорость ограничена внезапным увеличением сопротивления, что указывает на наличие локального сверхзвукового потока над крылом. Модифицированное правило Уиткомба уменьшило сверхзвуковую скорость перед ударом, что ослабило его и уменьшило связанное с ним сопротивление. Convair 990 имел выступы, называемые противоударными корпусами, добавленные к верхней поверхности крыла с целью достижения необходимой крейсерской скорости. Однако распределение площади в каналах, образованных поверхностями гондолы/пилона/крыла, также вызывало сверхзвуковые скорости и являлось источником значительного сопротивления. Для достижения требуемой крейсерской скорости применялся метод правила площади, так называемый «правило площади канала».

Конструкторы Armstrong-Whitworth пошли еще дальше в правиле звуковой зоны в своем предложенном M-Wing, в котором крыло сначала было смещено вперед, а затем назад. Это позволило сузить фюзеляж как спереди, так и сзади, что привело к получению более гладкого фюзеляжа, который в среднем оставался шире, чем у фюзеляжа с классическим стреловидным крылом.

Расширение за кабиной экипажа на Rockwell B-1 Lancer и Boeing 747 было добавлено для улучшения распределения площади поперечного сечения в соответствии с правилом площади.

Самолеты, спроектированные в соответствии с правилом зоны Уиткомба (такие как F-102 Delta Dagger и Northrop F-5 ), когда они впервые появились, выглядели странно, и их иногда окрестили «летающими бутылками из-под кока-колы », но это стало ожидаемой частью появления некоторых самолетов. трансзвуковой самолет. Визуально очевидными признаками того, что правило площади определило форму самолета, являются «талия» фюзеляжа и форма носового бака, как на Northrop F-5 , а также утончение задней части фюзеляжа на бизнес-джетах с задними двигателями, таких как Bombardier Global Express . Правило также требует тщательного расположения деталей, таких как ускорители и грузовой отсек на ракетах, а также форма и расположение фонаря на F-22 Raptor .

Правило сверхзвуковой зоны было применено на скорости 2 Маха к прототипу Конкорда . Задняя часть фюзеляжа серийного самолета была удлинена на 3,73 м, что позволило снизить волновое сопротивление на 1,8%.

Изображения

• 
  F -106 Delta Dart , развитие F-102 Delta Dagger , имеет форму «осиной талии» из-за соображений правил местности.
• 
  NASA Convair 990 с противоударными корпусами в задней части крыльев
• 
  Визуализация отрыва потока нефти без и с противоударными телами
• 
  Northrop F-5 демонстрирует перетяжку фюзеляжа
• 
  Northrop F-5 демонстрирует форму наконечника танка
• 
  Bombardier Global Express демонстрирует утончение задней части фюзеляжа между двигателями
• 
  Прототип Конкорда до того, как хвост был модифицирован с использованием правила площади со скоростью 2 Маха.
• 
  Серийный Concorde с продольным хвостовым оперением

См. также

• Противоударный корпус
• Звуковой бум
• Звуковой барьер
• Сверхзвуковая аэродинамика

Библиография

• Уоллес, Лейн E (1998). «5». В Маке, Памела Э. (ред.). Правило зоны Уиткомба: аэродинамические исследования и инновации NACA . НАСА. стр. 144–47 . Проверено 29 августа 2012 г. {{cite book}}: |work= игнорируется ( помогите )

Внешние ссылки

• Объяснение правил зоны , Aerospace Web.
• Правило площади Уиткомба и морковь Кюхемана , Aerospace Web.
• Документ DGLR. Архивировано 6 августа 2016 г. на Wayback Machine.
• Немецкая система патентного поиска – найдите патент DE 932410, поданный 21 марта 1944 г.
• 2004: Чрезмерное использование увеличивает сопротивление, но все же уменьшает грохот, слышимый на земле НАСА
• Крайний пример см. на изображении 4: фюзеляж перед крылом , PBS.
• Правило территории Уиткомба: исследования и инновации в области аэродинамики NACA , история НАСА.
• Уиткомб, Ричард Т. (январь 1956 г.). Исследование характеристик сопротивления и подъема при нулевой подъемной силе комбинаций крыло-корпус вблизи скорости звука (технический отчет). Национальный консультативный комитет по аэронавтике. hdl : 2060/19930092271 — через сервер технических отчетов НАСА.
• Современные репортажи и объяснения правил территории , Глобальные архивы полетов