Аэродинамическое сопротивление или зачем нам столько керосина на борту?⁠⁠

Про подъемную силу посты были, а про аэродинамическое сопротивление подробно никто не рассказывал. А тут все интересней, чем с подъемной силой.

Для пассажирского самолета на длительных маршрутах основные затраты энергии требуются на преодоление аэродинамического сопротивления, которое является своего рода побочным продуктом при создании подъемной силы.

Что же это за зверь такой? При движении со скоростью не приближающейся к скорости звука аэродин. сопротивление включает в себя 3 составляющие:

- сопротивление давления;

- сопротивление трения;

- индуктивное сопротивление.

Если скорость приближается к скорости звука, то появляется еще и волновое сопротивление.

1 - сопротивление давления.

Вокруг профиля (поперечного сечения крыла) возникает распределение давления, что кстати и является источником подъемной силы. Если рассматривать статическое давление давление на передней и задней кромке крыла, то мы увидим, что P1 больше P2. Это и является причиной возникновения сопротивления давления. Таким образом, можно сказать, что сопротивление давления возникает из-за разности давлений, распределенных по поверхности крыла. Определятся оно формой обтекаемого тела.

2 - сопротивление трения.

Сопротивление трения является результатом вязкости воздуха. Представим, что тело находится в потоке воздуха. Между ними возникает силовое взаимодействие в результате которого, частицы воздуха тормозятся (та область, где скорость частиц упала на 5% и более называется пограничным слоем). На это расходуется энергия. При ламинарном (спокойном течении) тормозится меньше частиц, при турбулентном - больше, значит и потери на трение больше.

Как правило течение в пограничном слое на крыле смешенное т.е. до определенного момента оно ламинарное, потом переходит в турбулентное. Это зависит от наличия вмятин, царапин, забоин, загрязнений, особенно в носовой части крыла (где пограничный слой ламинарный) и формы профиля.

Чем дальше от передней кромки точка перехода от ламинарного течения к турбулентному, тем больше сопротивление трения, т.к. при турбулентном течении происходит более интенсивный обмен энергией между слоями воздуха. Кстати, иногда течение в пограничном слое турбулизируют намеренно и используют  как инструмент для уменьшения/смещения срывных явлений/срыва потока, но это совсем другая история. 

3 - индуктивное сопротивление.

В силу разности давлений на верхней и нижней поверхностях крыла происходит перетекание массы воздух через боковые кромки и частичное выравнивание давления.

Такое движение воздуха по поверхности крыла приводит к тому, что величина давления вдоль размаха как верхней так и нижней поверхности изменяется. Под влиянием этой разности давлений струйки воздуха искривляются и, сходя с крыла, закручиваются, образуют вихревую пелену.

Вихревая пелена и перетекающие через его боковые струйки воздуха сворачиваются в систему двух вихревых жгутов противоположного вращения.

С энергетической точки зрения индуктивное сопротивление является результатом затрат энергии на образование системы вихрей, ведущее место в которой занимают концевые вихревые жгуты.

Как с этим бороться? Можно увеличить удлинение крыла и подобрать крутку крыла:

Ну или использовать всевозможные законцовки (про это не писал только ленивый):

Выводы:

Сопротивление давления и  Сопротивление трения в основном определяется формой профиля, поэтому их объединяют в одну группу и называют Профильным сопротивлением.

Индуктивное сопротивление определяется формой крыла. Эти три составляющие в большей мере влияют на расход топлива. И сегодня над поиском наиболее оптимальной формы работают огромное количество исследователей. Этому свидетельством новые решения (Suhoi Super Jet 100, Boeing 777-x, Airbus A350 и др.)

Это кстати актуально не только для авиации.

Наверняка многие слышали про грузовики Tesla, особенностью которых является малый аэродинамический коэффициент лобового сопротивления (т.е. существенно снижено лобовое сопротивление в сравнение с конкурентами), что по мнению конструкторов играет основную роль при повышении топливной эффективности.

Резюме:

О волновом сопротивлении могу рассказать позже... Если вдруг это кому-то покажется интересно...

Всем бобра!