Розрахунок аеродинамічної сили, що діє на літак в польоті
Розрахунок сил лобового опору, бічної і підйомної сили в першому наближенні.
Аеродинамічну силу, діючу на літак в польоті, можна уявити трьома слагающими уздовж трьох осей полусвязанной системи координат:
- підйомної силою Y,
- лобовим опором Q,
- бічний силою Z.
Перед тим як говорити про силах, згадаємо фізику. Уявімо, що літак - це матеріальна точка, що рухається по траєкторії.
Для того щоб змінити траєкторію і швидкість руху до точки потрібно докласти прискорення, прискорення розкладається на нормальну і тангенціальну складові. Нормальне прискорення прагне змінити траєкторію, і чим воно більше, тим менше радіус кривизни траєкторії. Тангенціальне прискорення впливає на швидкість точки.
У випадку з літаком, нормальне прискорення створюється підйомної силою крила, різко зростаючій при зміні кута атаки, а тангенціальне - силою лобового опору і тягою рушіїв. Так що вся маневреність літака закладена в підйомній силі, в який бік необхідно повернути літак, спочатку потрібно зорієнтувати вектор підйомної сили (елеронами накренивши літак) потім кермом висоти створити підйомну силу на крилі.
Тому якщо ми хочемо маневрений літак - треба виставляти коефіцієнт підйомної сили більше.
Звичайно є ще й кермо напряму і бічна сила, але внесок її в зміна курсу невеликий, зате виникають крутний момент на крилі і додатковий опір (забігаючи вперед, якщо ви хочете більше аркадності, то можна вплив бічної сили збільшити і залишити тільки вплив на момент My )
для обчислення будь-аеродинамічної сили використовується вираз:
де:
c - коефіцієнт форми
S - характерна площа (ми будемо використовувати площу крила)
q - швидкісний напір або динамічний тиск, додаткове тиск виникає в рухомому потоці
- щільність повітря, залежить від висоти;
V - швидкість потоку;
цей вислів справедливо для потоку нестисливої рідини, для повітря же на швидкостях понад М> 0.3 (близько 300 км / ч) похибка обчислень починає зростати. Чим ближче швидкість літака до швидкості звуку тим менш точна модель (в авіасимуляторах при сильному розгоні зазвичай відриває крила, це і є обмеження), так що не варто особливо переживати за точність коефіцієнтів, якщо ви пишете гру а не тренажер.
Підйомна сила і сила лобового опору
Підйомна сила крила спрямована по осі y '(перпендикулярно вектору швидкості):
Де - - коефіцієнт підйомної сили, залежить від кута атаки
S - площа крила
Зразковий вид залежності
Нульового кута атаки відповідає деяке значення. можна приблизно обчислити виходячи з того, що при горизонтальному польоті (нульовий кут атаки) на певній швидкості сила тяжіння врівноважується підйомної силою крила.
Звичайно крім крила, підйомна сила створюється і іншими елементами, зокрема хвостовим горизонтальним оперенням, внесок її в підйомну силу всього літака невеликої та полягає більше в створенні поздовжнього крутного моменту, а невідомих при розрахунку підйомної сили і так досить щоб вважати їх окремо.
Сила лобового опору
Аеродинамічну силу лобового опору можна представити у вигляді суми сили лобового опору, пов'язаної зі створенням підйомної сили, - індуктивного опору і сили лобового опору, обумовленої властивостями в'язкості і стисливості повітря.
де S - площа крила,
- коефіцієнт лобового опору,
V - швидкість польоту.
Для дозвукових швидкостей і невеликих кутах атаки, в першому наближенні можна прийняти:
де - геометричне подовження крила.
l - розмах крил;
прийнято постійним незалежно від кута атаки, може бути підібрано виходячи з рівноваги сили тяги і опору при горизонтальному польоті з нульовим кутом атаки.
Звідси видно, що лобове опору різко зростає зі збільшенням кута атаки.
Для уточнення лобове опору можна розрахувати для окремих частин ЛА (фюзеляж, мотогондоли, вежі).
Бічна сила і ковзання літака
При польоті літака з ковзанням на фюзеляж і вертикальне оперення діє бічна сила, при цьому виникають моменти по всіх осях літака (про моментах, знову ж таки, поговоримо пізніше, поки розглядаємо тільки силу)
Для вертикального оперення і фюзеляжу вважаємо окремо:
S - площа крила
- максимальна висота фюзеляжу
- довжина фюзеляжу
де
- площа вертикального оперення;
; (Дуже грубо в першому наближенні);
- кут ковзання.
На закінчення
Навмисне і через мізерність довідкових даних, я не привів практично ніяких конкретних цифр. Конкретні значення коефіцієнтів краще виставляти в ході балансування і "по-відчуття". Навряд чи вийде справжній авіасимулятор, але імітація повинна бути досить переконливою, тобто літак повинен вести себе як справжній, але в той же час, якщо ви пишете гру, то грати її має бути цікаво. Особисто мені, як казуалов, воювати з органами управління в "ІЛ-2-штурмовик" цікаво тільки перші десять хвилин, в той же час убогість більшості казуальних леталок зашкалює.
---------------------------
При написанні статей використовувалися матеріали з книги "Аеродинаміка літака" (І. Остославський).