Аэродинамическое качество – безразмерная величина, являющаяся мерой транспортной эффективности летательного аппарата, движущегося в атмосфере. Она характеризует энергетические затраты па перемещение груза на заданное расстояние. Отношение массы mлетательного аппарата в полёте к силе тягиР двигательной установки представляет собой количество кг полетной массы, приходящихся на единицу силы тяги. При установившемся горизонтальном полёте приближенно можно считать, что тяга Р уравновешивает силу лобового сопротивленияХа летательного аппарата, а подъёмная сила Ya– полётную массу летательного аппарата, поэтому соблюдается численное равенство mg/P=Ya/Xa. Величина
называется аэродинамическим качеством летательного аппарата (Cy– коэффициент аэродинамической подъемной силы, Cx– коэффициент лобового сопротивления). При отсутствии боковых составляющих аэродинамической силы аэродинамическое качество равно тангенсу угла наклона результирующей аэродинамической силы к направлению скорости полёта.
Графическая зависимость Cy= f(Cx) называется полярой, она позволяет определить аэродинамическое качество (рис.1):
Рис.1, с-относительная толщина профиля.
Типичные поляры самолёта для различных чисел Маха.
Рис.2
Максимальному аэродинамическому качеству соответствует точка касания поляры с прямой, проведенной из начала координат.
Аэродинамическое качество оценивает, в частности, дальность планированияLпл летательного аппарата с выключенным двигателем с высоты Н:
, которая будет максимальной при угле атаки αн соответствующем Кмакс (рис.3):
Рис.3
Аэродинамическое качество определяется главным образом формой тела, а также условиями полёта (скорость, высота и т.п.) и меняется от 0 (сфера) до нескольких десятков (крыло). Для наиболее совершенных аэродинамических форм (планер) аэродинамическое качество при малых дозвуковых скоростях может превышать 40, у дозвуковых самолётов 15–20. Для тела заданной формы вид зависимости Сy=f(Сx) меняется с изменением чисел Маха М и Рейнольдса Re, соответствующим условиям полета. При сверхзвуковых скоростях полёта (рис.2) аэродинамическое качество тела значительно меньше, чем при дозвуковых, и для лучших несущих поверхностей ~6.
Примеры аоэродинамических качеств различных летательных аппаратов:
Первый полёт
ЛА
АК
режим полёта
Тип
1966
«Союз»
0,25-0,3
полёт в атмосфере
Спускаемый аппарат
1968
«Аполлон»
0,368
полёт в атмосфере
Спускаемый аппарат
1981
Спейс Шаттл
1
на гиперзвуке
Многоразовый космический ЛА
Воробей
4
полёт в атмосфере
Птица семейства воробьиных
1969
Aérospatiale-BAC Concorde
4,35
на посадке
Сверхзвуковой пассажирский самолёт
Серебристая чайка
10
полёт в атмосфере
Морская птица семейства чайковых
1969
Boeing 747
17
полёт в атмосфере
Широкофюзеляжный пассажирский самолёт
Альбатрос
20
полёт в атмосфере
Морская птица отряда буревестникообразны
1935
Göppingen Gö 3
28
при 72 км/ч
Планёр
Реализации эффекта
Планер ОК (орбитальный корабль) по внешнему виду и составу элементов напоминает обычный самолет схемы "бесхвостка" и состоит из фюзеляжа, крыла, снабженного элевонами, функционирующими как рули высоты при управлении по тангажу и как элероны при управлении по крену, вертикального оперения с рулем направления, конструктивно состоящим из двух расщепляющихся створок, работающих при раскрытии в режиме воздушного тормоза, а также балансировочного щитка в хвостовой части для обеспечения балансировки и разгрузки элевонов на гиперзвуковых скоростях и больших углах атаки, где их отклонения ограничены температурным фактором.
К особенностям конфигурации крыла следует отнести его двойную стреловидность, что обеспечивает необходимые несущие свойства и благоприятное изменение аэродинамических характеристик на сверхзвуковых и трансзвуковых скоростях полета. Профиль крыла ОК по сравнению с профилями, применяющимися в современной сверхзвуковой авиации, отличается большей толщиной и большим радиусом передней кромки, что уменьшает температуру нагрева конструкции при входе и полете в плотных слоях атмосферы. Для управления по крену и рысканию при полете на больших скоростях и больших углах атаки, когда руль направления неэффективен, используется реактивная система управления ОК, двигатели которой расположены в двух блоках.
Компановка орбитального корабля "Буран":
Рис 1.
В процессе оптимизации аэродинамических характеристик планера были проведены многочисленные экспериментальные исследования параметрических моделей ОК на дозвуковых, трансзвуковых, сверхзвуковых и гиперзвуковых скоростях в аэродинамических трубах, которые определили влияние на аэродинамические характеристики формы профиля крыла, его стреловидности по передней кромке наплыва и основной трапеции, профиля и габаритных размеров вертикального оперения и установки внешних элементов. По результатам исследований были выбраны:
• крыло со стреловидностью 450 по основной трапеции, 780 по наплыву, с симметричным базовым профилем, максимальная толщина которого, равная 12% хорды, расположена на 40% ее длины;
• фюзеляж с цилиндрической подрезкой по нижней образующей хвостовой части в боковой проекции, равной 140 ;
• вертикальное оперение с чечевицеобразным профилем, максимальная толщина которого расположена на 60% длины хорды.
Анализ характеристик показал, что максимальное балансировочное значение аэродинамического качестваК на дозвуковом режиме полета равно 5,6, а на гиперзвуковом режиме – 1,3.
Литература
1.Физическая энциклопедия / Гл. ред. А.М. Прохоров. Ред. кол.: Д.М. Алексеев, А.М. Балдин, А.М. Бонч-Бруевич, А.С. Боровик-Романов. 2.Большая Российская энциклопедия. Т1. Ааронова-Бома эффект – Длинные линии. 1998. 704 с.