Экранный эффект какое явление создает

Чем шире крыло, ниже скорость полёта и высота — тем выше экранный эффект. Например, максимальная дальность полёта экранолёта «Иволга» на высоте 0,8 м составляет 1150 км, а на высоте 0,3 метра с той же нагрузкой — уже 1480 км.

Традиционно на скоростях полётов самолетов у самой земли принято считать высотой действия экрана половину хорды крыла. Это даёт высоту порядка метра. Наиболее сильно экранный эффект проявляется у дельтапланов из-за малой полетной скорости (порядка 10 м/сек) и большой хорды крыла. У достаточно больших экранопланов высота полёта «на экране» может достигать 10 и более метров.

Центр давления (общая точка приложения силы) экранного эффекта находится ближе к задней кромке, центр давления «обычной» подъёмной силы — ближе к передней кромке, поэтому, чем больше вклад экрана в общую подъёмную силу, тем больше центр давления смещается назад. Это приводит к проблемам балансировки. Изменение высоты меняет балансировку, изменение скорости — тоже. Крен вызывает диагональное смещение центра давления. Поэтому управление экранопланом требует специфических навыков.

См. также

Ссылки

• Физика экранного эффекта, Двигатель, №4 2007

Примечания

1. ↑Эффект влияния земли // Авиация: Энциклопедия. — М.: Большая Российская Энциклопедия. Главный редактор Г.П. Свищев. 1994.
2. ↑http://www.airwar.ru/enc/sea/el7.html Экраноплан Иволга

Экранный эффект какое явление создает

Если расположить цилиндр поперек потока, то на него будет действовать сила лобового сопротивления. Однако если цилиндр привести во вращение вокруг своей оси, то появится также и подъемная сила. В этом легко можно убедиться, если пронаблюдать за траекторией падающего легкого пенопластового цилиндра, предварительно скатившегося с наклонной плоскости (рис. 4.32). Цилиндр стремится упасть под стол, что свидетельствует о наличии силы F, направленной перпендикулярно скорости движения оси цилиндра. Эта сила появляется вследствие вращения цилиндра в вязком воздухе, а само явление называется эффект Магнуса.

При вращении цилиндра воздух в пограничном слое увлекается поверхностью цилиндра. Обтекание вращающегося цилиндра будет выглядеть так, как показано на рис. 4.33. Скорость воздушного потока над цилиндром будет больше, чем под ним. Величина силы F, как показывает расчет, увеличивается как с увеличением скорости потока, так и с угловой скоростью вращения цилиндра. Эффект Магнуса не получил широкого технического применения, хотя предпринимались попытки заменить паруса кораблей вращающимся цилиндром (ротором Флеттнера). Однако в спортивных играх с мячом последний часто подкручивают, чтобы задать полету мяча нужную траекторию.

Экранный эффект.

Этот эффект заключается в увеличении подъемной силы, а также в снижении лобового сопротивления на высотах, соизмеримых с длиной хорды крыла летательного аппарата. Прирост подъемной силы крыла вблизи ровного участка Земли или поверхности воды (экрана) вызывается повышением динамического давления на нижней поверхности крыла вследствие близости экрана. Снижение лобового сопротивления связано с уменьшением вихреобразований около концов крыльев (уменьшением индуктивного сопротивления). Первыми начали изучать экранный эффект судостроители. Шведский ученый Э. Сведберг в 1716 г. предложил идею использования «воздушной подушки» для уменьшения сопротивления движению судов. Впоследствии эта идея нашла воплощение при строительстве экранопланов — воздушных судов, летающих вблизи экрана. Первый экспериментальный экраноплан был построен в 1935 г. финским инженером Т. Каарно. Однако разработка и производство экранопланов, не имеющих мировых аналогов, получили широкое развитие в 80-е годы в СССР. Полет экраноплана «Лунь» (декабрь 1989 г.) показан на фотографии (рис. 4.34). Экраноплан соединяет в себе положительные качества самолетов и кораблей, что позволяет использовать его для перевозки пассажиров и грузов, поисково-спасательных работ, военных целей и др. Скорость их движения при полете у экрана составляет 400-550 км/ч, при полете вне экрана — до 750 км/ч; высота полета вне экрана -до 7500 м; мореходность при посадке в море — до 5 баллов (высота волны до 3,5 м). Экраноплан может принять на борт до 800 человек.

Рис. 4.34.

Сверхзвуковое обтекание тел.

Обтекание тела воздушным потоком, скорость которого превышает скорость звука в воздухе, имеет ряд специфических свойств. Рассмотрим вначале обтекание сильно вытянутого вдоль потока тела, напоминающего иглу (рис. 4.35). В непосредственной близости перед острием в т. О возникает возмущение плотности воздуха . Это возмущение в неподвижном воздухе распространялось бы в виде сферических волн, радиус которых R увеличивался бы во времени: R=ct. В сверхзвуковом потоке эти возмущения будут сноситься потоком и оставаться внутри конуса возмущений — конуса Маха с углом .

Воспользуемся принципом обратимости движения, согласно которому, обтекание жидкостью тела эквивалентно движению тела в покоящейся жидкости. С учетом этого можно сказать, что при движении тела со сверхзвуковой скоростью возбуждаются возмущения плотности и давления, локализованные на поверхности движущегося с телом конуса Маха. Когда это возмущение достигает неподвижных частиц воздуха, то последние получают воздействие, подобное удару, и приходят в движение. Поэтому возмущение носит название ударной волны. При обтекании сверхзвуковым потоком конического тела (рис. 4.36а) линии тока как бы «преломляются» на поверхности уплотнений воздуха. Для классификации течения вводят число Маха M=v/c. Оно равно отношению скорости течения к скорости звука в данном месте течения. В невозмущенном сверхзвуковом потоке М>1. На поверхности конуса Маха из-за повышения плотности скорость звука возрастает, и М = 1. У поверхности конуса воздух разрежен и его обтекание носит дозвуковой характер (М<1). При обтекании тела с затупленной частью скачок уплотнений становится криволинейным и отходит от тела (рис. 4.36б).

На образование ударных волн расходуется кинетическая энергия движущегося тела, поэтому даже в отсутствие вязкости при сверхзвуковых скоростях возникает значительная сила лобового сопротивления. Эта сила существенно зависит от формы головной части движущегося тела. Например, игла (рис.4.37), помещенная перед цилиндрическим телом, как бы рассекает поток, способствуя отрыву потока от поверхности цилиндра. Этот отрыв потока приводит к уменьшению лобового сопротивления движущегося цилиндра. Этой же цели служит использование стреловидных (скошенных) и треугольных крыльев на сверхзвуковых самолетах.

Рис. 4.37.

Отдельно следует упомянуть об обтекании с гиперзвуковой скоростью, когда число Маха М1. Полет тел в газе с такими скоростями (спускаемых космических аппаратов, например) связан с ростом до очень больших значений температуры газа вблизи поверхности тела. Это обусловлено адиабатическим нагревом сжимаемого воздуха перед головной частью тела и выделением теплоты вследствие вязкого трения. При изучении гиперзвуковых течений необходимо не только учитывать сжимаемость воздуха, но и нелинейный характер его движения, так как возмущения плотности и давления не могут рассматриваться малыми по сравнению с равновесными значениями плотности и давления p₀ воздуха. Помимо этого, при высоких температурах необходимо учитывать и изменение физико-химических свойств воздуха. Мы лишь ограничимся одним важным выводом из такого анализа. При очень больших числах Маха давление воздуха непосредственно перед головной частью может быть пренебрежимо малым по сравнению с давлением воздуха перед ударной волной, где М1. На рис. 4.38 представлен экспериментально полученный график коэффициентов лобового сопротивления для тел в виде сферы и цилиндра с конической головной частью. Хорошо видно, что в силу вышеуказанного падения давления перед головной частью коэффициенты лобового сопротивления убывают с ростом М, а начиная с М = 4 меняются мало и сравнимы со значениями коэффициентов при дозвуковых течениях.

При сверхзвуковых скоростях меняется картина обтекания крыла самолета. Сверху над крылом течение отрывается от его поверхности, а под крылом происходит скачок плотности. При таком обтекании, как показывает анализ, величина подъемной силы может быть грубо оценена с использованием ударной теории Ньютона, в которой . Одним из уникальных достижений современной аэродинамики является создание в России в 1997 г. новейшего истребителя СУ-37, у которого впервые в мире использованы крылья с отрицательной стреловидностью. Контур этого самолета изображен на рис. 4.37. Такой самолет имеет меньшее аэродинамическое сопротивление, чем самолет с обычным стреловидным крылом. Помимо этого у него увеличенная подъемная сила на малых и высоких скоростях и уникальные взлетно-посадочные характеристики.

Экспериментальные аэродинамические исследования.

Взаимодействие летательных аппаратов с потоком воздуха изучают экспериментально в ходе летных испытаний. Для этого на борт аппарата устанавливается разнообразная аппаратура, фиксирующая аэродинамические нагрузки. Однако значительно больший объем информации удается получить при обдувании потоком воздуха летательного аппарата в натуральную величину или его уменьшенной геометрической копии (модели). Это осуществляется в аэродинамических трубах, схема которой изображена на рис. 4.40.

В замкнутом канале переменного сечения с помощью мощного вентилятора 1 создается поток воздуха в направлении, указанном стрелками. В узкой части канала (в сопле), где скорость потока наибольшая, помещается исследуемый объект 2 (или его модель). Этот объект связан с аэродинамическими весами 3, позволяющими измерять аэродинамические силы и моменты сил, действующие на объект. Кроме труб с замкнутым циклом существуют разомкнутые аэродинамические трубы, в которые газ подводится из специальных емкостей. Аэродинамическая труба для экспериментов с натуральными объектами является громадной, сложной и чрезвычайно дорогостоящей экспериментальной установкой. Первая аэродинамическая труба в мире была создана в 1897 г. К.Э. Циолковским при поддержке Н.Е. Жуковского. В ней он провел исследования моделей дирижаблей и самолетов в потоке, скорость которого была около 5 м/с. В 1902 г. Н.Е. Жуковский построил при механическом кабинете Московского университета первую аэродинамическую трубу с электрическим приводом. В 1904 г. под его руководством был создан первый в мире аэродинамический институт (ЦАГИ), оказавший огромное влияние на развитие авиации и космонавтики. В настоящее время в мире существуют уникальные аэродинамические трубы, позволяющие проводить испытания летательных аппаратов в натуральную величину при сверхзвуковых скоростях потоков. В менее дорогостоящих экспериментах с моделями возникает проблема перенесения результатов эксперимента на натуральные объекты. Ясно, что модель должна быть точной уменьшенной геометрической копией натурального объекта. Если, например, бугорки поверхности крыла реального самолета достигают нескольких микрон, то у модели, уменьшенной в 10 раз, крылья должны быть отполированы до долей микрона. Однако лишь геометрического подобия недостаточно. Надо также создать такие условия обтекания, при которых соотношение между силами инерции, давления и вязкости в модельных и натуральных условиях было бы одинаковым. Для дозвуковых скоростей критерием подобия натурных и модельных экспериментов является равенство чисел Рейнольдса в обоих случаях:

Здесь индексы «м» и «н» относятся к параметрам модельного и натурального экспериментов. Если, например, размер модели в 10 раз меньше размеров натурального объекта то подобие обтекания может быть достигнуто либо 10-кратным увеличением скорости потока, либо таким же увеличением плотности воздуха. Второе чаще оказывается предпочтительнее, поскольку скорость vм не может превзойти скорость звука, когда картина становится принципиально другой. Поэтому в аэродинамических трубах воздух сжимается до давления несколько десятков атмосфер, что позволяет обеспечить условие (4.52). В качестве иллюстрации на рис. 4.41 показана распределение воздушных потоков, обдувающих модели зданий. Ясно, что такой эксперимент является чрезвычайно полезным при проектировке строительства зданий и расчете на них действующей ветровой нагрузки. При сверхзвуковых испытаниях модель помещается в сопло Лаваля, устанавливаемое в аэродинамической трубе. В этих трубах потери на образование ударных волн велики, поэтому используются мощные многоступенчатые компрессоры. Широкое распространение получили баллонные аэродинамические трубы, в которые воздух поступает из баллонов высокого давления (несколько тысяч атмосфер). В сверхзвуковом режиме помимо (4.52) необходимо выполнение и второго условия подобия — равенства чисел Маха:

Отметим, что в трубах, где М1, возникает ряд технических проблем, связанных с предотвращением конденсации струи воздуха вследствие понижения температуры при прохождении через сопло Лаваля. С этой целью воздух предварительно подогревают до температур ~10 3 К, либо используют газ гелий, конденсация которого происходит при достаточно низких температурах.

Рис. 4.41.

Что такое экраноплан?

Экраноплан – летательный аппарат перемещающийся в основном режиме полета в непосредственной близости от поверхности (вода, ровная месность) используя экранный эффект.

Экранопланы включают три типа судов. Суда типа «А» передвигаются только вблизи поверхности с использованием экранного эффекта. Суда типа «В» могут кратковременно уходить из зоны влияния экранного эффекта например для преодоления препятствий. Экранопланы типа «С» могут двигаться как с использованием экранного эффекта так и в свободном полете как самолеты. Ключевое понятие связанное с экранопланами – экранный эффект.

Экранный эффект

Экранный эффект на 20-30% увеличивает подъемную силу крыла летательного аппарата и снижает его сопротивления вблизи поверхности. В результате экранного эффекта, аэродинамическое качество экраноплана достигает 25-30 *. Ощутимое действие экранного эффекта наблюдается на высоте меньше средней аэродинамической хорды крыла (средняя аэродинамическая хорда (САХ) крыла – среднее расстояние от носка до задней кромки). Для прямоугольного крыла САХ можно представить как линию соединяющую носок и заднюю кромку на поперечном сечении (профиле) крыла.

*Аэродинамическое качество является показателем эффективности любого летательного аппарата и может быть представлено как тяга необходимая для поддержания горизонтального полета. Так для горизонтального полета самолета Ан-2 при весе 5 тонн необходима тяга воздушного винта около 500 кг. Аэродинамическое качество самолета составляет около 10. Если аэродинамическое качество увеличить до 25 то потребная тяга винта составит 200 кг. Т.е. мощность двигателя уменьшится более чем в два раза.

Высокое аэродинамическое качество экраноплана определено двумя составляющими – повышенным давлением под крылом и малым индуктивным сопротивлением. На рис.1 показано как создается подъемная сила на низко расположенном прямоугольном крыле с удлинением — 2 при взлете. (Удлинение крыла – отношение расстояния между консолями к САХ)

Рис.1. Эпюры подъемной силы

При расстоянии до поверхности около 1% хорды, давление под крылом выше разрежения над ним и подъемная сила создается в основном за счет давления. Центр действия подъемной силы расположен ближе к передней кромке крыла, чем при стандартном полете вне экранного эффекта.

поверхности, давление под крылом уменьшается, а При увеличении расстояния до разрежение над крылом вследствие роста скорости увеличивается. Центр давления сначала смещается в направлении задней кромки, а затем возвращается – наибольшее смещение происходит на высоте 5-6% хорды крыла.

При дальнейшем увеличении высоты и скорости, давление продолжает уменьшаться, а разрежение увеличиваться. На высоте 50% хорды, экранный эффект уже незначителен и подъемная сила создается в основном за счет разрежения воздуха над крылом.

Если бы действие экранного эффекта ограничивалось только некоторым увеличением подъемной силы, то эффективность экраноплана не была бы столь значительной. Вторым критерием эффективности является низкое индуктивное сопротивление. Индуктивное сопротивление появляется в результате перетекания воздуха с области повышенного давления в область повышенного разрежения – с нижней части крыла на верхнюю. Поскольку экраноплан движется низко над поверхностью, то перетекание воздуха оказывается затрудненным тем больше чем ближе поверхность при и чем больше удлинение крыла (Рис.2).

Рис.2. Снижение индуктивного сопротивления экраноплана при приближении к поверхности

Повышение подъемной силы и одновременное снижение сопротивления позволяет уменьшить в 1,5-2 раза мощность силовой установки экраноплана при одинаковом весе с самолетом или увеличить полетную массу при одинаковой мощности двигателей. С учетом того, что экраноплану не требуется большая скороподъемность, мощность силовой установки по сравнению с самолетом может быть уменьшена в три раза. Соответственно возрастает экономичность перевозок.

Аэродинамическое качество экранопланов падает с увеличением высоты полета (рис.3.)

Рис.3. Зависимость аэродинамического качества экраноплана от относительной высоты полета

Из графика видно, что эффективность экраноплана тем выше чем ближе его крыло к поверхности. Экономически выгодной высотой для крыла с удлинением 2 является расстояние до поверхности не превышающее 10% средней аэродинамической хорды крыла. У небольших экранопланов данное расстояние составляет несколько десятков сантиметров.

При увеличении удлинения крыла эффективная высота растет, но увеличивается профильное сопротивление (Рис.4)

Рис.4. Зависимость аэродинамического качества экраноплана от относительной высоты полета при различном удлинении крыла

Продольная устойчивость экраноплана

После экранного эффекта, продольная устойчивость (стабилизация), является самым актуальным понятием для экранопланов. От нее зависит безопасность полета и ее достаточно трудно осуществить.

Под продольной устойчивостью экраноплана понимается способность судна самовосстанавливаться в горизонтальном полете после непреднамеренного поднимания или опускания носа. Поднимание или опускание носа экраноплана возможно в следствие воздействия возмущающих воздушных потоков, при касании воды, а также вследствие ошибок в управлении.

Основная трудность в осуществлении продольной стабилизации экраноплана заключена в том, что фокус подъемной силы крыла смещается в зависимости от высоты и угла атаки.

Если посмотреть старую кинохронику можно заметить, что некоторые попытки приземления аэропланов с низко расположенным крылом заканчивались стойкой на нос (рис.5). В этом и заключается сущность экранного эффекта. Если в обычном полете самолет хорошо управляем, то на посадке, при приближении крыла к земле, центр приложения подъемной силы начинает смещаться к задней кромке крыла, нос перевешивает и получается кульбит. Руля высоты или реакции пилота в таких случаях для выравнивания самолета не хватает.

Рис.5. Влияние экранного эффекта на продольную устойчивость

Вполне вероятен и другой вариант. При подходе к земле, самолет упрямо не хотел приземляться, поскольку подъемная сила на крыле увеличивалась. Пытаясь «прижать» самолет, пилот отдавал ручку от себя и при касании земли колесами машина капотировала. Опять таки виновник кульбита — экранный эффект (и пилот).

Авиаконструкторы решили проблему экрана удалив крыло от земли при помощи шасси или путем поднятия крыла над фюзеляжем (высокопланы).

Конструкторы экранопланов так поступить не могут поскольку должны не избавляться от экранного эффекта, а наоборот его использовать. В простейшем случае проблема решается увеличением площади стабилизатора.

Классический способ продольной стабилизации экраноплана с прямоугольным крылом показан на рис.6. При подъеме экраноплана до высоты 6% САХ и как следствие смещении фокуса подъемной силы А к центру крыла, появляется пикирующий момент который компенсируется отрицательной подъемной силой на стабилизаторе В.

Рис.6. Продольная стабилизация экраноплана

Недостатком схемы является потребность в большом стабилизаторе (или длинном хвосте). Большой стабилизатор сильно ухудшает аэродинамику машины поскольку подъемной силы не создает (в данном случае уменьшает), а сопротивление движению оказывает. Длинный хвост увеличивает вес конструкции.

Такой экраноплан вполне можно использовать при тех обстоятельствах когда не имеет значение экономичность – например возить ракеты. Этим и занимался во времена СССР экраноплан «Лунь» спроектированный в КБ талантливого советского конструктора Ростислава Алексеева.

Однако данная схема также взята за основу на коммерческих экранопланах Амфистар и Волга-2. Видимо «срисовали» неподумавши. В результате ничего хорошего не получилось. Два двигателя по 150 л.с. еле отрывали полупустую Волгу-2 от воды, а Амфистар (Акваглайд) возит всего четырех пассажиров имея 360-сильный двигатель!

Схема имеет еще один существенный недостаток. Если машина случайно взмоет на высоту более 0,6 САХ (например при ударе о волну) может начаться необратимый процесс увеличения угла кабрирования, что приведет к перевороту через корму. (От переворотов через корму часто страдают гонщики водной Формулы-1) Проблему можно решить применив S-образный профиль крыла (Волга-2) или другие методы стабилизации. В результате дополнительно снижается аэродинамическое качество экраноплана. Т.е. «овчинка выделки не стоит».

В любом случае, если Вас заботит экономичность транспортного средства, жертвовать его аэродинамическим качеством Вы явно не захотите. Не захотел и немецкий авиаконструктор Липпиш (один из создателей реактивного Месссершмидта). После второй мировой войны он создал серию экранопланов от Х-111 до Х-114 с небольшими стабилизаторами. Чтобы машины не кувыркались, Липпиш применил специальное крыло, которое не хотят использовать конструкторы самолетов. Их данное крыло не удовлетворяет из-за плохой аэродинамики.

Липпиша это нисколько не смутило, поскольку он проэктировал экраноплан, а не самолет. Положительное свойство крыла заключается в том, что фокус подъемной силы на нем, по сравнению с крылом прямоугольным, смещается незначительно. Машины построенные Липпишом имели аэродинамическое качество более 25, что значительно лучше чем у большинства самолетов. В Настоящее время схема Липпиша получила наибольшее распространение. Впервые в СССР она была использована на экранолете ЭСКА (по сведениям автора). В России в 2001 году такое крыло применил А.В. Колганов на экранолете Иволга. (Рис.7.)

Рис.7. Схема Липпиша

Казалось бы с продольной устойчивостью экранопланов все стало на свои места. Но исследования по поиску оптимальной схемы продолжаются. Дело в том, что теоретически экраноплан может иметь аэродинамическое качество в пределах 50. Достичь такого качества можно только максимально уменьшив затраты мощности силовой установки на стабилизацию.

Одниим из направлений разрабатываемых в экранопланостроении является схема тандем – два крыла расположенных друг за другом. В авиации данная схема не прижилась потому, что в классическом тандеме переднее крыло затеняет заднее, вследствие чего последнее ведет себя на определенных режимах полета крайне неустойчиво. Экранопланы типа «А» тандемной схемы вполне реальны. Продольная стабилизация такого экраноплана осуществляется очень просто – по мере удаления от поверхности одного из крыльев подъемная сила на нем падает и крыло возвращается на исходную позицию. Экранопланы по данной схеме в СССР строил Панченков.

Права на данный материал принадлежат Малая верфь
Материал был размещен правообладателем в открытом доступе.