Аэродинамические профили крыла.
Общие понятия, характеристики профилей, рекомендации по выбору профиля.

Аэродинамические силы, возникающие от взаимодействия профиля с набегающим потоком, можно условно разделить в соответствии с природой их возникновения на два вида

• силы, обусловленные нормальными давлениями на поверхности профиля (подьемная сила и сила сопротивления)
• сила, вызванная касательными напряжениями и связанная с проявлением вязкости воздуха - сопротивление трения

Подьемная сила, действующая на профиль, вызвана разностью давлений на нижней и верхней поверхностях и направлена перпендикулярно вектору скорости набегающего потока. Точка приложения подьемной силы называется центром давления. Положение центра давления на несимметричном профиле зависит от угла атаки. Поэтому в аэродинамике пользуются более удобным понятием - фокусом. Фокус - это точка приложения приращения подьемной силы, вызванного изменением угла атаки.

Силы вязкости, возникающие при движении слоев воздуха друг относительно друга, оказывают заметное воздействие на течение в тонком слое воздуха, примыкающем к поверхности профиля. В этом слое, называемом пограничным, происходит резкое нарастание скоростипо нормали к стенке от нуля (частицы, прилипшие к стенке полностью заторможены) до местной скорости внешнего течения. Если частицы воздуха послойно движутся в пограничном слое - течение называется ламинарным. При некоторых условиях слоистое (ламинарное) течение разрушается и возникает течение с бурным перемешиванием слоев - турбулентное. Условием, определяющим переход от одного типа течения к другому, является параметр Рейнольдса (Re). Значение параметра Re, при котором происходит переход ламинарного течения в турбулентное, называется критическим числом - Re_кр. Величина Re_кр существенно зависит от степени шероховатости тела: чем меньше высота микронеровностей, тем выше значение Re_кр, тем протяженнее длина ламинарного участка при обтекании тела. Характер течения в пограничном слое оказывает решающее влияние на величину сопротивления трения: при ламинарном течении коэффициент трения в несколько раз ниже, чем при турбулентном.

Рассматривая обтекание профиля на разных углах атаки, можно отметить два принципиально различающихся режима:

• безотрывное обтекание - когда пограничный слой и течение в целом присоединены к поверхности профиля, при этом подьемная сила связана с углом атаки линейной зависимостью, а сопротивление профиля минимально
• обтекание с отрывом пограничного слоя от верхней поверхности профиля, имеющее место на углах атаки 14-20 градусов. Этот режим обтекания характерен нарушением линейной зависимости подьемной силы от угла атаки и резким повышением сопротивления давления

Основные аэродинамические характеристики профилей

Основным назначением поверохности летательного аппарата является создание силы, которая используется как подьемная, управляющая или стабилизирующая.

Угол атаки профиля, соответствующий нулеврй подьемной силе, в основном определяется его кривизной. Относительная толщина профиля мало влияет на величину этого угла.

Производная C_y^a (отношение приращения коэффициента подьемной силы к соответствующему приращению угла атаки)

Для обычных профилей производная C_y^a уменьшается при увеличении отностиельной толщины. Установлено также, что уменьшение угла схода (угла при задней кромке) профиля приводит к некоторому увеличению C_y^a.

Максимальные несущие свойства

Для большинства известных профилей при увеличении относительной толщины до значения 12% C_{y max} возрастает. Дальнейшее увеличение толщины профиля не оказывает существенного влияния на его максимальные несущие свойства. Важно отметить, что увеличение относительной толщины профиля сопровождается возрастанием приращения подьемной силы, вызванного отклонением механизации задней кромки.

Крыловые профили с положением максимальной кривизны вблизи передней кромки проявляют склонность к срыву потока с резкой потерей несущих свойств. Более пологая форма пика зависимости C_y(a) в окрестности C_{y max} достигается, когда положение максимальной кривизны смещено назад. По влиянию числа Re на C_{y max} профили можно условно разделить на четыре группы:

• к первой группе относятся симметричные профили и профили с малой кривизной не свыше 2-2,5% от хорды, тонкие профили со средней кривизной, максимальная ордината которой находится в задней половине хорды профиля. C_{y max} профилей этой группы возрастает при увеличении числаRe
• ко второй группе профилей относятся профили с толщиной 12-16% со средней кривизной 3-4% от хорды, максимальная ордината которой расположена на расстоянии (0,4-0,45)b от носка. Величина C_{y max} профилей этой группы весьма слабо убывает при возрастании Re
• к третьей группе относятся сильно вогнутые профили со средней кривизной около 3-4%, но с ординатой максимальной кривизны, расположенной на расстоянии (0,2-0,25)b от носка и толстые профили со средней кривизной. C_{y max} этих профилей сильно убывает при возрастании Re
• к четвертой группе принадлежат профили с острой или слегка закругленной передней кромкой. C_{y max} этих профилей весьма мал (0,4-0,5). Увеличение Re слегка увеличивает значение C_{y max}

Влияние шероховатости поверхности профиля на его несущие свойства

Экспериментально установлено, что шероховатость поверхности, особенно вблизи передней кромки, сильно воздействует на несущие свойства профиля. Величина C_{y max} заметно уменьшается с увеличением шероховатости поверхности. Для профиля с шероховатой передней кромкой C_{y max} медленно увеличивается с ростом числа Re. В то же время шероховатость поверхности, расположенная за положением максимальной толщины профиля, мало влияет на его несущие свойства и величину C_y^a.

Шероховатость поверхности профиля при толщинах больше 18% приводит к уменьшению производной C_y^a. Для профилей с меньшей относительной толщиной влияние шероховатости на C_y^a значительно слабее.

Продольный момент

Изменение относительной толщины профиля слабо влияет на величину момента тангажа при нулевой подьемной силе, приводя к незначительному уменьшению его величины при повышении толщины профиля.

Увеличение кривизны профиля сопровождается увеличением продольного момента на пикирование. Фокус профиля при увеличении относительной толщины смещается вперед.

Сопротивление профиля

Значение минимального сопротивления гладкого профиля зависит главным образом от числа Re и протяженности участка ламинарного обтекания и слабее от относительной толщины и кривизны. Коэффициент сопротивления обычно уменьшается с возрастанием числа Re. Увеличение кривизны профиля практически не приводит к изменениям в значении C_{xp min}. Увеличение относительной толщины профиля, также как и ее смещение ее положения к носку, сопровождается повышением минимального лобового сопротивления.

Шероховатость поверхности профиля может значительно увеличить его минимальное сопротивление, поэтому важно сохранять глаадкость поверхности при любом характере течения в пограничном слое.

Рекомендации по выбору профиля несущей поверхности

Выбор профиля крыла начинают с оценки параметра, характеризующего минимальную и максимальную скорость летательного аппарата. В качестве такого параметра обычно рассматривают отношение максимального коэффициента подьемной силы при полностью отклоненной механизации к коэффициенту профильного сопротивления при значении C_y, соответствующем полету на максимальной скорости: C_y^мех_max/C_xp. Большие значения этого отношения соответствуют большей достижимой величине максимальной скорости полета при заданной посадочной скорости.

Для оценки качества профиля по рекомендуемому отношению необходимо брать значение C_y^мех_max при числе Re, соответствующем посадочной скорости.

Выбирая профиль по критерию C_y^мех_max/C_xp необходимо помнить, что для отдельных классов летательных аппаратов (высокоманевренные самолеты) важно дополнительное соблюдение определенного отношения |C_{y max}|/|C_{y min}|, что требует применение профилей близких к симметричным (например NACA 230). Для большинства самолетов самодеятельной постройки (неманевренных или ограниченно маневренных самолетов) этот критерий не играет существенной роли. В этом случае можно повысить сотношение C_y^мех_max/C_xp применяя несимметричные профили, имеющие большие значения C_{y max} и более плавную зависимость C_y (a) в области критических углов атаки, что повысит безопасность при полете на околокритических углах атаки (посадка, крутой вираж).

Среди выбранных классов профилей, равно удовлетворяющих рассмотренной выше оценке, следует отдать предпочтение профилям, имеющим минимальное значение коэффициента продольного момента при нулевой подьемной силе c_m0. Дальнейшее сужение классов рассматриваемых профилей производится на основе удовлетворения дополнительным требованиям, которым должен соответствовать проектируемый летательный аппарат.

Все профили можно разделить на несколько групп:

• профили серий P-II, P-III, NACA 44, ЦАГИ-846, Go относятся к классическим профилям, разработанным в 30-е годы. Эти профили обладают хорошими несущими свойствами, плавной зависимостью C_y (a) в области критических углов атаки, не предьявляют особых требований к качеству поверхности и точности выполнения контура профиля. Такие профили могут быть использованы для крыльев с мягкой обшивкой, при этом потери в несущих свойствах и аэродинамическом сопротивлении, по сравнению с жестким крылом, будут не очень значительны. По этой причине такие профили могут найти широкое применение на легких самолетах схематических конструкций
• к другой группе профилей относятся P-III, MS 16/209, Д-2, К-3, NACA 230, NACA 430, GA(W)-1. Они обладают хорошими несущими свойствами и высоким значением отношения C_{y max}/C_{xp min}. Эти профили предьявляют более высокие требования к соблюдению формы контура и могут быть рекомендованы для применения на легких самолетах с жестким крылом
• профили серии С обладают высокими несущими свойствами и резким изменением зависимости C_y (a) в области критических углов атаки. Они предьявляют высокие требования к чистоте поверхности и точности контура профиля и предназначены для пилотажно-акробатических самолетов. Применение таких профилей для крыльев любительских самолетов общего назначения нежелательно из за повышенной опасности к сваливанию
• ламинаризированные профили серии FX, разработанные Вортманом, обладают высокими несущими свойствами и аэродинамическим качеством, в том числе на малых числах Re. Такие профили могут быть рекомендованы для планеров и легких рекордных самолетов с жестким крылом. Эти профили предьявляют повышенные требования к качеству поверхности и точности выполнения контура профиля при создании летательного аппарата и в процессе эксплуатации.
  
  

по материалам: С.Т. Кашафутдинов В.Н. Лушин "Атлас аэродинамических крыловых профилей"