«Особенности строения крыла самолёта». Бюджетное профессиональное образовательное учреждение среднего профессионального образования
 Скачать 39.69 Kb.
|
|
Бюджетное профессиональное образовательное учреждение среднего профессионального образования «Омский авиационный колледж им. Н.Е. Жуковского» Индивидуальный проект «Особенности строения крыла самолёта» Работу подготовил: Студент группы Д-110 Семёнов Александр Проверил: Преподаватель Лукьянчикова Ирина Александровна Омск, 2021 ОглавлениеВведение 2 Глава 1. «Основные элементы летательного аппарата» 3 ГЛАВА 2. «Подъемная сила крыла» 4 ГЛАВА 3. «Полёт самолёта» 5 ГЛАВА 4. «Назначение самолётного винта» 7 «Принцип действия» 8 «Форма крыла» 9 ГЛАВА 5. «Толщина крыла»» 12 ГЛАВА 6. «Конструктивно-силовые схемы крыла» 13 Заключение 14 Библиографический список 15 ВведениеКрыло самолёта - несущая поверхность самолёта (планёра, экраноплана), создающая основную аэродинамическую подъёмную силу. Аэродинамические и прочностные характеристики крыла определяются его формой, конструкцией, размерами. Как правило, крыло симметрично относительно вертикальной плоскости летательного аппарата. Крыло обычно имеет отъёмные части – консоли, прикрепляемые к фюзеляжу; иногда к фюзеляжу крепится или составляет с ним одно целое средняя часть крыла (центроплан), а уже к ней присоединяют консоли. Во внутреннем пространстве крыла обычно размещаются топливные баки, различные коммуникации, приводы подвижных элементов крыла (элеронов, закрылков, элевонов, щитков и т. п.), ёмкость для жидкостей и газов, электронное и другое оборудование. В крыло могут убираться шасси. Кроме того, в крыле, на крыле или на пилонах под крылом могут устанавливаться двигатели, подвешиваться контейнеры с дополнительным оборудованием, вооружение. Первые теоретические исследования и важные результаты для крыла бесконечного размаха проведены на рубеже XIX—XX веков русскими учёными Н. Жуковским, С. Чаплыгиным, немецким М. Куттой, английским Ф. Ланчестером. Теоретические работы для реального крыла начаты немцем Л. Прандтлем. Цель: Целью данного проекта является изучение крыла самолёта, его физических характеристик, форм и способность влиять на лётные характеристики самолёта. Задачи: 1. Изучить по конструкции крыла и его характеристики 2. Выявить особенность в строении крыльев различных форм Глава 1. «Основные элементы летательного аппарата»Крыло -- создаёт при поступательном движении самолёта необходимую для полёта подъёмную силу за счёт возникающей в набегающем потоке воздуха разницы давлений на нижнюю и верхнюю поверхности крыла: давление на нижнюю поверхность самолётного крыла больше чем давление на верхнюю его поверхность. На крыле располагаются аэродинамические органы управления (элероны, элевоны и др.), а также механизация крыла -- то есть устройства, служащие для управления подъемной силой и сопротивлением самолёта. Фюзеляж -- предназначен для размещения экипажа, пассажиров, грузов и оборудования, а также для крепления крыла, оперения, шасси, двигателей и т. п. (является, как бы, «телом» самолёта). Известны самолёты без фюзеляжа (например -- «летающее крыло»). Оперение -- аэродинамические поверхности, предназначенные для обеспечения устойчивости, управляемости и балансировки самолёта. Для управления самолётом на оперении располагают отклоняемые поверхности -- аэродинамические рули (руль высоты, руль направления), или же делают поверхности оперения цельно поворотными. Шасси -- система опор, необходимых для разбега самолёта при взлёте, пробега при посадке, а также передвижения и стоянки его на земле. Наибольшее распространение имеет колёсное шасси. Также известны конструкции шасси с лыжами, поплавками, полозьями. В СССР осуществлялись эксперименты с гусеничным шасси и шасси на воздушной подушке. Многие современные самолёты, в частности большинство самолётов военного назначения, а также пассажирских самолётов, имеют убираемое шасси. Силовая установка самолета, состоящая, из двигателя -- (например: воздушного винта) -- создаёт необходимую тягу, которая, уравновешивая аэродинамическое сопротивление, обеспечивает самолёту поступательное движение. Системы бортового оборудования -- различное оборудование, которое позволяет выполнять полёты при любых условиях. Это всё в совокупности и составляет основу всех систем необходимых для полёта самолёта, но в моём проекте будут рассмотрены только особенности строения крыла самолёта, как его неотъемлемой части. ГЛАВА 2. «Подъемная сила крыла»Подъёмная сила — одна из составляющих полной аэродинамической силы, перпендикулярная вектору скорости движения тела в потоке жидкости или газа, возникающая в результате несимметричности обтекания тела потоком. Подъёмная сила самолета (на слайде 6) Опытным путем Бернулли установил, что статическое давление в потоке жидкости или газа обратно пропорционально скорости потока в данной точке, что означает то, что в тех точках, где скорость потока выше давление – ниже. На практике легче понять это выражение на примере: когда у входа на эскалатор на станции метро образуется большое столпотворение людей, то возникает давка (перед эскалатором), а когда вы входите на эскалатор и начинаете подниматься, то на ступени стоит максимум 2 человека и скорость вашего движения выше, а т. н. «столпотворение» (давление) ниже. ГЛАВА 3. «Полёт самолёта»Рассмотрим теперь обтекание потоком воздуха крыла самолета. Опыт показывает, что, когда крыло помещено в поток воздуха, вблизи острой задней кромки крыла возникают вихри, вращающиеся против часовой стрелки. Вихри эти растут, отрываются от крыла и уносятся потоком. Остальная масса воздуха вблизи крыла получает при этом противоположное вращение (по часовой стрелке), образуя циркуляцию около крыла. Накладываясь на общий поток, циркуляция обусловливает распределение линий тока. -У острого края профиля крыла образуется вихрь -При образовании вихря возникает циркуляция воздуха вокруг крыла -Вихрь унесен потоком, а линии тока плавно обтекают профиль; они сгущены над крылом и разрежены под крылом Для профиля крыла тоже обтекания, как и для вращающегося цилиндра. И здесь на общий поток воздуха наложено вращение вокруг крыла -- циркуляция. Только, в отличие от вращающегося цилиндра, здесь циркуляция возникает не в результате вращения тела, а благодаря возникновению вихрей вблизи острого края крыла. Циркуляция ускоряет движение воздуха над крылом и замедляет его под крылом. Вследствие этого над крылом давление понижается, а под крылом повышается. Равнодействующая F всех сил, действующих со стороны потока на крыло (включая силы трения), направлена вверх и немного отклонена назад. Ее составляющая, перпендикулярная к потоку, представляет собой подъемную силу F1, а составляющая в направлении потока -- силу лобового сопротивления F2. Чем больше скорость набегающего потока, тем больше и подъемная сила и сила лобового сопротивления. Эти силы зависят, кроме того, и от формы профиля крыла, и от угла, под которым поток набегает на крыло (угол атаки), а также от плотности набегающего потока: чем больше плотность, тем больше и эти силы. Профиль крыла выбирают так, чтобы оно давало возможно большую подъемную силу при возможно меньшем лобовом сопротивлении. Теория возникновения подъемной силы крыла при обтекании потоком воздуха была дана основоположником теории авиации, основателем русской школы аэро- и гидродинамики Николаем Егоровичем Жуковским (1847--1921). Теперь мы можем объяснить, как летает самолет. Воздушный винт самолета, вращаемый двигателем, или реакция струи реактивного двигателя, сообщает самолету такую скорость, что подъемная сила крыла достигает веса самолета и даже превосходит его. Тогда самолет взлетает. При равномерном прямолинейном полете сумма всех сил, действующих на самолет, равна нулю, как и должно быть согласно первому закону Ньютона. Силы, действующие на самолет при горизонтальном полете с постоянной скоростью. Сила тяги двигателя f равна по модулю и противоположна по направлению силе лобового сопротивления воздуха F2 для всего самолета, а силы, действующие на самолет при горизонтальном равномерном полете тяжести Р равна по модулю и противоположна по направлению подъемной силе F1. Самолеты, рассчитанные на полет с различной скоростью, имеют различные размеры крыльев. Медленно летящие транспортные самолеты должны иметь большую площадь крыльев, так как при малой скорости подъемная сила, приходящаяся на единицу площади крыла, невелика. Скоростные же самолеты получают достаточную подъемную силу и от крыльев малой площади. Так как подъемная сила крыла уменьшается при уменьшении плотности воздуха, то для полета на большой высоте самолет должен двигаться с большей скоростью, чем вблизи земли. Подъемная сила возникает и в том случае, когда крыло движется в воде. Это дает возможность строить суда, движущиеся на подводных крыльях. Корпус таких судов во время движения выходит из воды. Это уменьшает сопротивление воды движению судна и позволяет достичь большой скорости хода. Так как плотность воды во много раз больше, чем плотность воздуха, то можно получить достаточную подъемную силу подводного крыла при сравнительно малой его площади и умеренной скорости. ГЛАВА 4. «Назначение самолётного винта»Назначение самолетного винта — это придание самолету большой скорости, при которой крыло создает подъемную силу, уравновешивающую вес самолета. С этой целью винт самолета укрепляют на горизонтальной оси. Существует тип летательных аппаратов тяжелее воздуха, для которого крылья не нужны. Это -- вертолеты. В вертолетах ось воздушного винта расположена вертикально и винт создает тягу, направленную вверх, которая и уравновешивает вес вертолета, заменяя подъемную силу крыла. Винт вертолета создает вертикальную тягу независимо от того, движется вертолет или нет. Поэтому при работе воздушных винтов вертолет может неподвижно висеть в воздухе или подниматься по вертикали. Для горизонтального перемещения вертолета необходимо создать тягу, направленную горизонтально. Для этого не нужно устанавливать специальный винт с горизонтальной осью, а достаточно только несколько изменить наклон лопастей вертикального винта, что выполняется при помощи специального механизма во втулке винта. У современных самолетов удельная нагрузка на крыло колеблется в широких пределах: от 100 кг/м2 у легких самолетов до 800 кг/м2 и более у тяжелых самолетов и самолетов больших скоростей полета. Полет самолета на первых режимах выполняется на малых углах атаки, когда крыло обтекается установившимся ламинарным воздушным потоком, самолет хорошо устойчив и управляем. Поэтому обычно пользуются первыми режимами. Для установившегося горизонтального полета на некоторой скорости V1 в области первых режимов двигатель должен быть за дросселирован до характеристики Мдр1. При случайном увеличении скорости горизонтального полета возникает отрицательный избыток мощности, самолет будет двигаться с торможением и вернется к исходной скорости. При уменьшении скорости избыток мощности будет направлен вперед и самолет также восстановит скорость исходного режима. Для сохранения скорости на первых режимах от летчика требуется одно - выдерживать горизонтальный полет при помощи руля высоты. Если летчику по условиям полета необходимо перейти на новую, большую скорость, в пределах первых режимов на той же высоте, то, сохраняя горизонтальный полет, он должен увеличить мощность двигателя, а для перехода на меньшую скорость горизонтального полета - уменьшить мощность силовой установки (уменьшить частоту вращения коленчатого вала). Крыло в авиационной Технике — это поверхность для создания подъёмной силы. В общем случае крыло самолёта состоит из центропланной части, консолей (левой и правой) и механизации крыла. Также крыло можно разделить на две части, левое и правое полу-крыло. Часто встречается термин «крылья», но он ошибочен по отношению к моноплану «Принцип действия»Подъемная сила крыла создается за счет разницы давлений воздуха на нижнюю и верхнюю поверхность. Давление же воздуха зависит от скорости протекания воздуха по поверхности вследствие закона Бернулли На нижней поверхности крыла скорость протекания воздуха оказывается ниже, чем на верхней, поэтому подъемная сила крыла направлена снизу вверх. Дым показывает движение воздуха, обусловленное взаимодействием, крыла с воздухом. Одним из популярных объяснений принципа действия крыла является ударная модель Ньютона: частицы воздуха, сталкиваясь с нижней поверхностью крыла, стоящего под углом к потоку, упруго отскакивают вниз («скос потока»), толкая крыло вверх. Данная модель учитывает закон сохранения импульса, но полностью игнорирует обтекание верхней поверхности крыла, вследствие чего она даёт заниженную величину подъёмной силы. В другой популярной модели возникновение подъёмной силы приписывается разности давлений на верхней и нижней сторонах профиля, возникающей согласно закону Бернулли. Обычно рассматривается крыло с плоско-выпуклым профилем: нижняя поверхность плоская, верхняя -- выпуклая. Набегающий поток разделяется крылом на две части: верхнюю и нижнюю, при этом верхняя часть вынуждена проходить более длинный путь, чем нижняя, вследствие выпуклости крыла. Исходя из условия о неразрывности потока, делается заключение, что скорость потока сверху крыла должна быть больше, чем снизу, что вызывает разность давлений и подъёмную силу. Однако, данная модель не объясняет возникновение подъёмной силы на двояко-выпуклых симметричных или на вогнуто-выпуклых профилях, когда потоки сверху и снизу проходят одинаковую длину. «Форма крыла»Одна из основных проблем при конструировании новых самолётов -- выбор оптимальной формы крыла и его параметров (геометрических, аэродинамических, прочностных и т. п.). ПРЯМОЕ КРЫЛО Основным достоинством прямого крыла является его высокий коэффициент подъёмной силы даже при малых углах атаки, это позволяет существенно увеличить удельную нагрузку на крыло, а значит уменьшить габариты и массу, не опасаясь значительного увеличения скорости взлёта и посадки. Данный тип крыла применяется в дозвуковых и околозвуковых самолётах с реактивными двигателями. Еще одним достоинством прямого крыла является технологичность изготовления, позволяющая удешевить производство. Недостатком, предопределяющим непригодность такого крыла при звуковых скоростях полёта, является резкое увеличение коэффициента лобового сопротивления при превышении критического значения числа Маха. СТРЕЛОВИДНОЕ КРЫЛО Стреловидное крыло получило широкое распространение благодаря различным модификациям и конструкторским решениям. ДОСТОИНСТВА - увеличение скорости, при которой наступает волновой кризис, и как следствие -- меньшее сопротивление на трансзвуковых скоростях по сравнению с прямым крылом; - медленный рост подъёмной силы в зависимости от угла атаки, а следовательно лучшая устойчивость к турбулентности атмосферы. Недостатки - пониженная несущая способность крыла, а также меньшая эффективность действия механизации; - увеличение поперечной статистической устойчивости по мере возрастания угла стреловидности крыла и угла атаки, что затрудняет получение надлежащего соотношения между путевой и поперечной устойчивостями самолёта и вынуждает применять вертикальное оперение с большой площадью поверхности, а также придавать крылу или горизонтальному оперению отрицательный угол поперечного V; - отрыв потока воздуха в концевых частях крыла, что приводит к ухудшению продольной и поперечной устойчивости и управляемости самолёта; - увеличение скоса потока за крылом, приводящее к снижению эффективности горизонтального оперения; - возрастание массы и уменьшение жёсткости крыла. Для избавления от отрицательных моментов используется крутка крыла, механизация, переменный угол стреловидности вдоль размаха, обратное сужение крыла либо отрицательная стреловидность. Примеры применения: Су-7 КРЫЛО С НАПЛЫВОМ (оживальное). Действия крыла оживальной формы можно описать как спиральный поток вихрей, срывающихся с острой передней кромки большой стреловидности около фюзеляжной части крыла. Вихревая пленка вызывает также образование обширных областей низкого давления и увеличивает энергию пограничного слоя воздуха, увеличивая тем самым коэффициент подъёмной силы. Маневренность ограничивается, прежде всего, статической и динамической прочностью конструкционных материалов, а также аэродинамическими характеристиками самолёта. Примеры применения: А-144 Конкорд СВЕРХКРИТИЧЕСКОЕ КРЫЛО Интересный пример модификации "стреловидного крыла". Использование уплощённых профилей с изогнутой задней частью позволяет равномерно распределить давление вдоль хорды профиля и тем самым приводит к смещению центра давления назад, а также увеличивает критическое число Маха на 10-15 %. Примеры применения: АН-225 «Мария». КРЫЛО ОБРАТНОЙ СТРЕЛОВИДНОСТИ Крыло с отрицательной стреловидностью (то есть со скосом вперёд). ПРЕИМУЩЕСТВА · позволяет улучшить управляемость на малых скоростях полёта; · повышает аэродинамическую эффективность во всех областях лётных режимов; · компоновка КОС оптимизирует распределения давления на крыло и переднее горизонтальное оперение; · позволяет уменьшить радиолокационную заметность самолёта в передней полусфере; НЕДОСТАТКИ · КОС особо подвержено аэродинамической дивергенции (потере статической устойчивости) при достижении определённых значений скорости и углов атаки; · требует конструкционных материалов и технологий, позволяющих создать достаточную жёсткость конструкции; Примеры применения: серийный гражданский HFB-320 Hansa Jet, -экспериментальный истребитель Су-47 «Беркут». ТРЕУГОЛЬНОЕ КРЫЛО Треугольное ("дельтавидное" англ. "delta-wing" -- получило наименование по начертанию греческой буквы дельта) крыло жёстче и легче как прямого, так и стреловидного и чаще всего используется при скоростях свыше M=2. ПРЕИМУЩЕСТВВА · Имеет малое относительное удлинение НЕДОСТАТКИ · Возникновение и развитие волнового кризиса; · Большие сопротивления и более резкое падение максимального аэродинамического качества при изменении угла атаки, что затрудняет достижение большего потолка и радиуса действия. Примеры применения: МиГ-21 ГЛАВА 5. «Толщина крыла»»Крыло также характеризуется относительной толщиной (соотношение толщины к ширине), у корня и на концах, выраженной в процентах. ТОЛСТОЕ КРЫЛО Толстое крыло позволяет отодвинуть момент срыва в штопор (сваливание), и лётчик может маневрировать с большими углами и перегрузкой. Главное -- этот срыв на таком крыле развивается постепенно, сохраняя плавное обтекание потока на большей части крыла. При этом, лётчик получает возможность распознать опасность по возникающей тряске аэроплана и вовремя принять меры. Самолёт же с тонким крылом резко и внезапно теряет подъёмную силу почти на всей площади крыла, не оставляя пилоту шансов. Примеры: ТБ-4, (АНТ-16), АНТ-20, К-7,Boeing Model 299, Boeing XB-15 ГЛАВА 6. «Конструктивно-силовые схемы крыла»По конструктивно-силовой схеме крылья делятся на ферменные, лонжеронные, кессонные. ФЕРМЕННОЕ КРЫЛО Конструкция такого крыла включает пространственную ферму, воспринимающую силовые факторы, нервюры и обшивку, передающую аэродинамическую нагрузку на нервюры. Не следует путать ферменную конструктивно-силовую схему крыла с лонжеронной конструкцией, включающей лонжероны и (или) нервюры ферменной конструкции. В настоящее время крылья ферменной конструкции практически не применяются. ЛОЖЕРННОЕ КРЫЛО Лонжеронное крыло включает один или несколько продольных силовых элементов - лонжеронов, которые воспринимают изгибающий момент. Помимо лонжеронов, в таком крыле могут присутствовать продольные стенки. Они отличаются от лонжеронов почти полным отсутствием поясов. Остальные силовые элементы (нервюры, панели обшивки с стрингерным набором) крепятся к лонжеронам. Лонжероны передают нагрузку на шпангоуты фюзеляжа самолета с помощью моментных узлов. КЕССОННОЕ КРЫЛО Кессонное крыло воспринимает все основные силовые факторы с помощью кессона, включающего лонжероны и силовые панели обшивки. В пределе лонжероны вырождаются до стенок, а изгибающий момент полностью воспринимается панелями обшивки. В таком случае конструкцию называют "моноблочной". Силовые панели включают обшивку и подкрепляющий набор в виде стрингеров или гофра. Подкрепляющий набор служит для обеспечения отсутствия потери устойчивости обшивки от сжатия и работает на растяжение-сжатие вместе с обшивкой. Кессонная конструкция крыла требует наличия центроплана, к которому крепятся консоли крыла. Консоли крыла стыкуются с центропланом при помощи контурного стыка, обеспечивающего передачу силовых факторов по всей ширине панели. ЗаключениеКрыло – один из основных конструктивных элементов самолёта, обеспечивающий создание подъёмной силы для полёта и маневрирования в воздушных массах. Крылья используют для размещения взлётно-посадочных устройств, силового агрегата, топлива и навесного оборудования. Самолёт без крыла даже представить сложно. Крыло у современных самолётов почти всегда одно — разделённое фюзеляжем на полуплоскости, или консоли (у птиц два крыла — каждая «полуплоскость» у них считается самостоятельным крылом). Самолёту крыло нужно для создания подъёмной силы в результате разницы давлений воздуха на нижней и верхней поверхностях. Если говорить максимально упрощённо (а физика обтекания крыла воздухом на самом деле очень сложна), то разница давления создаётся за счёт разной скорости потоков над и под крылом. Библиографический списокФархан А. Д. А. М., Маркова Е. В., Миллер В. В. Основные законы конструкции самолета //Наука и Образование. – 2020. – Т. 3. – №. 1. 145 с. ОФНЕР А. и др. КРЫЛО САМОЛЕТА. – 2004. 150 с. Ликсудеев В. В. КРЫЛО САМОЛЕТА. – 2015. 324 с. ХЮНЕККЕ К. УСТРОЙСТВО И СПОСОБ УМЕНЬШЕНИЯ ВИХРЕЙ, ВОЗНИКАЮЩИХ ПОЗАДИ ДВИЖУЩЕГОСЯ САМОЛЕТА. – 2006. 123 с. МАКБРУМ Д. П. КРЫЛО САМОЛЕТА, ПАНЕЛЬ КРЫЛА САМОЛЕТА И САМОЛЕТ. – 2011. 133 с. |