Reguła obszaru - Area rule

Rozkład powierzchni przekroju poprzecznego wzdłuż całego płatowca determinuje opór fali, w dużej mierze niezależny od rzeczywistego kształtu. Niebieskie i jasnozielone kształty mają mniej więcej taką samą powierzchnię.

Reguły obszar Whitcomb , zwany również zasada obszar transsoniczny jest procedura konstrukcja stosować, by obniżyć samolot „S przeciągania na Transonic prędkości, które pojawiają się pomiędzy Mach 0,75 a 1,2. W przypadku prędkości naddźwiękowych stosowana jest inna procedura zwana regułą obszaru naddźwiękowego , opracowaną przez Jonesa.

Transonic jest obecnie jednym z najważniejszych zakresów prędkości dla komercyjnych i wojskowych samolotów ze stałymi skrzydłami. Przyspieszenie transsoniczne jest ważnym wymogiem osiągów dla samolotów bojowych i które jest poprawiane przez zmniejszenie oporu transsonicznego.

Opis

Przy wysokich prędkościach lotu poddźwiękowych lokalna prędkość przepływu powietrza może osiągnąć prędkość dźwięku, przy której przepływ przyspiesza wokół korpusu i skrzydeł samolotu . Szybkość, z jaką następuje ten rozwój, różni się w zależności od samolotu i jest znana jako krytyczna liczba Macha . Powstające w ten sposób fale uderzeniowe powstające w tych strefach przepływu dźwiękowego powodują nagły wzrost oporu , zwany oporem falowym . Aby zmniejszyć liczbę i siłę tych fal uderzeniowych, aerodynamiczny kształt powinien zmieniać się w przekroju poprzecznym tak płynnie, jak to możliwe, od przodu do tyłu.

Reguła powierzchni mówi, że dwa samoloty o takim samym rozkładzie wzdłużnego przekroju poprzecznego mają taki sam opór fal, niezależnie od tego, jak powierzchnia ta jest rozłożona poprzecznie (tj. w kadłubie lub w skrzydle). Ponadto, aby uniknąć tworzenia się silnych fal uderzeniowych, kształt zewnętrzny samolotu musi być starannie zaaranżowany tak, aby pole przekroju poprzecznego zmieniało się tak płynnie, jak to możliwe, przechodząc od dziobu do ogona. W miejscu skrzydła kadłub jest zwężony lub „przewinięty”. Może zaistnieć potrzeba zmniejszenia powierzchni przekroju kadłuba poprzez spłaszczenie boków kadłuba poniżej baldachimu bąbelkowego i powierzchni ogona, aby skompensować ich obecność, co zostało wykonane na Hawker Siddeley Buccaneer .

Inna reguła pola, znana jako reguła pola powierzchni naddźwiękowej i opracowana przez Jonesa, „Teoria oporu ciała skrzydła przy prędkościach ponaddźwiękowych”, ma zastosowanie przy prędkościach przekraczających transsoniczne, ale w tym przypadku wymóg pola przekroju jest ustalany za pomocą zależności do kąta stożka Macha dla prędkości projektowej. Weźmy na przykład, że przy 1,3 Macha kąt stożka Macha generowany przez nos samolotu będzie pod kątem μ = arcsin(1/M) = 50,3° (gdzie μ jest kątem stożka Macha, znanym również jako kąt Macha , a M to liczba Macha ). W tym przypadku „doskonały kształt” jest odchylony do tyłu; dlatego samoloty zaprojektowane do mniejszego oporu fali przy prędkości naddźwiękowej zwykle mają skrzydła skierowane do tyłu.

Sears-ciało Haacka

Powierzchownie pokrewną koncepcją jest korpus Searsa-Haacka , którego kształt pozwala na minimalny opór fali dla danej długości i określonej objętości. Jednak kształt ciała Searsa-Haacka pochodzi od równania Prandtla-Glauerta, które reguluje przepływy naddźwiękowe o małych zakłóceniach. Ale to równanie nie jest prawidłowe dla przepływów transsonicznych, w których obowiązuje reguła powierzchni. Tak więc chociaż kształt ciała Searsa-Haacka, będąc gładkim, będzie miał korzystne właściwości oporu fali zgodnie z regułą powierzchni, nie jest teoretycznie optymalny.

Historia

Niemcy

Rysunek patentowy Junkersa z marca 1944 r.

Regułę obszarową odkrył Otto Frenzl , porównując skośne skrzydło z w-skrzydłem o ekstremalnie wysokim oporze fali podczas pracy nad transsonicznym tunelem aerodynamicznym w zakładach Junkers w Niemczech w latach 1943-1945. tytuł Anordnung von Verdrängungskörpern beim Hochgeschwindigkeitsflug („Układ ciał przemieszczających w locie z dużą prędkością”); wykorzystano to w patencie złożonym w 1944 r. Wyniki tych badań zostały zaprezentowane szerokiemu gronu w marcu 1944 r. przez Theodora Zobela w Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung (Niemieckiej Akademii Badań Aeronautycznych) w wykładzie „Fundamentalnie nowe sposoby na zwiększenie wydajności szybkich samolotów."

Późniejsze niemieckie projekty samolotów wojennych uwzględniły odkrycie, widoczne w smukłym kadłubie środkowym samolotów, w tym Messerschmitt P.1112 , P.1106 i Focke-Wulf 1000x1000x1000 typ A bombowiec dalekiego zasięgu, ale także widoczne w konstrukcjach skrzydeł delta, w tym Henschela Hs 135 . Kilku innych badaczy zbliżyło się do opracowania podobnej teorii, w szczególności Dietrich Küchemann, który zaprojektował zwężający się myśliwiec nazwany „Küchemann Coke Bottle”, gdy został odkryty przez siły USA w 1946 roku. W tym przypadku Küchemann doszedł do teorii, badając przepływ powietrza. zwłaszcza interferencja lub lokalne linie prądu przepływu na styku kadłuba z skośnym skrzydłem . Kadłub został wyprofilowany lub zwężony, aby pasował do przepływu. Wymóg kształtowania tego podejścia „bliskiego pola” wynikałby również z późniejszego podejścia Whitcomba do „dalekiego pola” do redukcji oporu przy użyciu jego reguły pola Sonic.

Stany Zjednoczone

Wallace D. Hayes , pionier lotów naddźwiękowych , rozwinął zasadę obszaru transsonicznego w publikacjach rozpoczynających się w 1947 r. wraz z jego doktoratem. praca dyplomowa w Kalifornijskim Instytucie Technologii .

Kwiecień 1955: Whitcomb bada model samolotu zaprojektowany zgodnie z jego regułą obszarową.

Richard T. Whitcomb , od którego pochodzi nazwa reguły, niezależnie odkrył ją w 1952 roku, pracując w NACA . Podczas korzystania z nowego ośmiostopowego szybkiego tunelu, tunelu aerodynamicznego o wydajności do 0,95 Macha w Langley Research Center NACA , był zaskoczony wzrostem oporu spowodowanym formowaniem się fali uderzeniowej. Whitcomb zdał sobie sprawę, że dla celów analitycznych samolot można zredukować do opływowego korpusu obrotowego, maksymalnie wydłużonego, aby złagodzić nagłe nieciągłości, a tym samym równie gwałtowny wzrost oporu. Wstrząsy można było zobaczyć na fotografii Schlierena , ale powód, dla którego były one tworzone przy prędkościach znacznie niższych od prędkości dźwięku, czasami tak niskich jak 0,70 Macha, pozostawał tajemnicą.

Pod koniec 1951 roku w laboratorium odbył się wykład Adolfa Busemanna , słynnego niemieckiego aerodynamika, który przeniósł się do Langley po II wojnie światowej . Mówił o zachowaniu przepływu powietrza wokół samolotu, gdy jego prędkość zbliżała się do krytycznej liczby Macha, kiedy powietrze nie zachowywało się już jak nieściśliwy płyn. Podczas gdy inżynierowie byli przyzwyczajeni do myślenia o płynnym przepływie powietrza wokół kadłuba samolotu, przy dużych prędkościach po prostu nie miał czasu, aby „zejść z drogi”, a zamiast tego zaczął płynąć tak, jakby były sztywnymi rurami przepływu, a Koncepcja Busemann odniósł się do „streampipes”, w przeciwieństwie do streamlines , i żartobliwie zasugerował, że inżynierowie muszą uważać się za „monterów rur ”.

Kilka dni później Whitcomb miał moment „ Eureka ”. Powodem dużego oporu było to, że „rury” powietrza kolidowały ze sobą w trzech wymiarach. Nie bierze się pod uwagę powietrza przepływającego nad dwuwymiarowym przekrojem samolotu, tak jak robili to inni w przeszłości; teraz musieli również wziąć pod uwagę powietrze po „bokach” samolotu, które również wchodziłyby w interakcję z tymi rurami strumieniowymi. Whitcomb zdał sobie sprawę, że kształt musi dotyczyć samolotu jako całości , a nie tylko kadłuba. Oznaczało to, że w ogólnym kształtowaniu musiała zostać uwzględniona dodatkowa powierzchnia przekroju poprzecznego skrzydeł i ogona, a kadłub powinien być właściwie zwężony w miejscu, w którym się spotykają, aby bardziej odpowiadał ideałowi.

Aplikacje

Reguła obszaru została udostępniona amerykańskiemu przemysłowi lotniczemu potajemnie dla programów wojskowych od 1952 roku i została zgłoszona w 1957 roku dla programów cywilnych.

Convair i Grumman, z pomocą Whitcomba, użyli go jednocześnie do zaprojektowania Grumman F-11 Tiger i przeprojektowania Convair F-102 . Grumman F-11 Tiger był pierwszym z dwóch samolotów latać i został zaprojektowany przy użyciu reguła pól od samego początku. Convair F-102 Delta Dagger musiał zostać przeprojektowany, ponieważ nie był w stanie osiągnąć 1 Macha, chociaż jego prędkość projektowa wynosiła 1,2 Macha. Oczekiwanie, że osiągnie prędkość projektową, zostało oparte na optymistycznych prognozach oporu w tunelu aerodynamicznym. Modyfikacje, które obejmowały wcięcie kadłuba obok skrzydeł i zwiększenie objętości z tyłu samolotu, znacznie zmniejszyły opór transsoniczny i osiągnięto prędkość projektową Mach 1.2. Powodem zastosowania reguły obszaru w tych myśliwcach było zmniejszenie szczytowej wartości oporu, który występuje przy Mach 1, a tym samym umożliwienie prędkości naddźwiękowych z mniejszym ciągiem, niż byłoby to konieczne.

W 1957 r. udostępniono zmodyfikowaną regułę obszarową umożliwiającą zwiększenie poddźwiękowej prędkości przelotowej samolotów transportowych o 50 mil na godzinę. Prędkość przelotowa jest ograniczona przez nagły wzrost oporu, który wskazuje na obecność lokalnego przepływu naddźwiękowego na górze skrzydła. Zmodyfikowana zasada Whitcomba zmniejszyła prędkość naddźwiękową przed wstrząsem, co osłabiło ją i zmniejszyło związany z nią opór. W Convair 990 miały guzy zwane organy zAntishock dodany do górnej powierzchni skrzydła z zamiarem osiągnięcia wymaganej prędkości przelotowej. Jednak rozkład powierzchni w kanałach utworzonych przez powierzchnie gondoli/pylonu/skrzydła powodował również prędkości naddźwiękowe i był źródłem znacznego oporu. W celu osiągnięcia wymaganej prędkości przelotowej zastosowano technikę area-ruling, tzw. channel area-ruling.

Projektanci firmy Armstrong-Whitworth posunęli się o krok dalej w kwestii zasady obszaru dźwiękowego w swoim proponowanym skrzydle M, w którym skrzydło było najpierw przesunięte do przodu, a następnie do tyłu. Pozwoliło to na zwężenie kadłuba zarówno przed nasadą, jak i za nim, prowadząc do gładszego kadłuba, który pozostawał średnio szerszy niż w przypadku klasycznego skośnego skrzydła.

Dodano przedłużenie za kabiną startową w Rockwell B-1 Lancer i Boeing 747, aby poprawić rozkład powierzchni przekroju zgodnie z regułą powierzchni.

Samoloty zaprojektowane zgodnie z regułą obszaru Whitcomba (takie jak F-102 Delta Dagger i Northrop F-5 ) wyglądały dziwnie, kiedy pojawiły się po raz pierwszy i czasami były nazywane „latającymi butelkami po Coli ”, ale stało się to oczekiwaną częścią wyglądu niektórych samoloty transsoniczne. Wizualnie widocznymi oznakami, że zasada obszaru określa kształt samolotu, jest „pasowanie” kadłuba i kształtowanie czubka, jak w Northrop F-5 , oraz przerzedzenie tylnego kadłuba w odrzutowcach biznesowych z tylnymi silnikami, takimi jak Bombardier Global Express . Reguła wymaga również starannego rozmieszczenia części, takich jak silniki rakietowe i ładownia rakiet oraz kształt i położenie czaszy na F-22 Raptor .

Do prototypu Concorde zastosowano regułę obszaru naddźwiękowego, wynoszącą 2 machy . Tylny kadłub został wydłużony o 3,73 m w samolotach produkcyjnych i zmniejszył opór fal o 1,8%.

Obrazy

  • F-106 Delta Dart , rozwinięcie F-102 Delta Dagger , pokazuje „osa zwężone” Kształtowanie ze względów reguła pól

  • NASA Convair 990 z korpusami przeciwwstrząsowymi z tyłu skrzydeł

  • Wizualizacja przepływu oleju separacji przepływu bez i z korpusami przeciwwstrząsowymi

  • Northrop F-5 pokazujący taliowanie kadłuba

  • Northrop F-5 pokazujący kształtowanie tip-tanka

  • Bombardier Global Express pokazuje przerzedzenie tylnego kadłuba między silnikami

  • Prototyp Concorde przed zmodyfikowaniem ogona za pomocą zastosowania reguły obszaru Mach 2

  • Produkcja Concorde z ogonem w linijce obszaru

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia

Zewnętrzne linki