Pendant de nombreuses décennies, une augmentation progressive de la vitesse des navires a été obtenue principalement en augmentant la puissance des moteurs installés, ainsi qu'en améliorant les contours de la coque et les propulseurs. De nos jours, les constructeurs navals - y compris les concepteurs amateurs - ont la possibilité d'utiliser une méthode qualitativement nouvelle.
Comme on le sait, la résistance de l'eau au mouvement d'un navire peut être divisée en deux composantes principales :
1) résistance, en fonction de la forme du corps et de la consommation d'énergie pour la formation des vagues, et
2) résistance par friction du corps contre l’eau.
À mesure que la vitesse d'un navire à déplacement augmente, la résistance à son mouvement augmente fortement, principalement en raison d'une augmentation de la résistance des vagues. Lorsque la vitesse d'un navire planant augmente en raison de la présence d'une force dynamique qui soulève la coque du navire planant hors de l'eau, la première composante de la résistance diminue considérablement. Des perspectives encore plus larges d'augmentation de la vitesse sans augmenter la puissance du moteur sont ouvertes par l'utilisation d'un nouveau principe de mouvement sur l'eau : le mouvement des hydroptères. L'aile, ayant (à même force de portance) des caractéristiques hydrodynamiques nettement supérieures à celles de la plaque planante, peut réduire considérablement la résistance du navire lors du déplacement sur les ailes.
Les limites de rentabilité de l'utilisation des différents principes de déplacement sur l'eau sont déterminées par la vitesse relative du navire, qui est caractérisée par le nombre de Froude :
υ - vitesse de déplacement ;
g est l'accélération de la gravité ; g = 9,81 m/s 2 ;
L est la taille linéaire caractéristique du navire - sa longueur.
En supposant que L est proportionnel à la racine cubique de D (où D est le déplacement du navire), le nombre de déplacement est souvent utilisé :
Généralement, les coques avec lignes de déplacement ont moins de résistance aux vitesses correspondant aux nombres de forces P rD< 1; при больших значениях относительной скорости (F rD >2, 3) pour les navires, des contours planants sont utilisés et il est conseillé d'installer des ailes.
À basse vitesse, la résistance du bateau à ailes est légèrement supérieure à la résistance du planeur (Fig. 1) en raison de la résistance des ailes elles-mêmes et des entretoises reliant la coque aux ailes. Mais à mesure que la vitesse augmente, en raison de la sortie progressive de la coque du navire de l'eau, sa résistance au mouvement commence à diminuer et à la vitesse à laquelle la coque se soulève complètement de l'eau, elle atteint sa valeur la plus basse. Dans le même temps, la résistance du bateau sur les ailes est nettement inférieure à la résistance du planeur, ce qui permet d'obtenir des vitesses plus élevées avec la même puissance moteur et la même cylindrée.
Lors de l'exploitation de navires à hydroptères, d'autres avantages par rapport aux hydroptères ont été identifiés, et surtout une meilleure navigabilité, du fait que lors du déplacement sur des foils, la coque est au-dessus de l'eau et ne subit pas de vagues. Lors de navigations à basse vitesse, les ailes ont également un effet bénéfique en réduisant le balancement du navire. Les qualités négatives (par exemple, grand tirant d'eau au stationnement, ailes volumineuses) ne réduisent en rien l'importance des navires sur ailes, qui offrent un confort de navigation élevé en combinaison avec une vitesse élevée. Les avantages des navires ailés leur ont valu une grande popularité dans de nombreux pays du monde.
Cet article présente les concepts de base et les dépendances de la théorie du mouvement des ailes dans l'eau et les méthodes de calcul et de conception des systèmes d'ailes par rapport aux navires à petit déplacement.
Hydrodynamique d'un hydroptère
L’exemple le plus simple d’un hydroptère est une fine plaque rectangulaire placée selon un angle par rapport à la direction de son mouvement. Cependant, pour obtenir une plus grande portance avec moins de traînée, des ailes de formes plus complexes sont actuellement utilisées. Malgré le fait que les questions de théorie et de recherche expérimentale sur l'hydroptère n'ont pas encore été développées à bien des égards, les principales dépendances ont déjà été obtenues et un vaste matériel expérimental a été collecté, permettant d'évaluer correctement l'influence de divers facteurs sur le hydrodynamique de l'aile et concevoir sa structure.La forme de l'aile (Fig. 2) est déterminée par son envergure l, sa corde b, son angle de flèche χ et son angle d'inclinaison β. Des paramètres supplémentaires sont la surface de l'aile dans le plan S = lb et le rapport d'aspect relatif λ = l 2 /S. Pour une aile rectangulaire avec une corde constante le long de l'envergure, λ = l/b.
La position de l'aile par rapport à l'écoulement est déterminée par l'angle d'attaque géométrique du profil α, c'est-à-dire l'angle entre la corde de l'aile et la direction de son mouvement.
Le profil de l'aile, c'est-à-dire la section de l'aile par un plan perpendiculaire à l'envergure, est d'une importance capitale pour les caractéristiques d'une aile. Le profil de l'aile est déterminé par l'épaisseur e, concavité de la ligne médiane du profil f, ainsi que l'angle de portance nulle α 0. L'épaisseur du profil est variable le long de la corde. Typiquement, l'épaisseur maximale se situe au milieu de la corde du profilé ou légèrement décalée vers le nez. La ligne passant par le milieu de l’épaisseur du profil dans chaque section est appelée ligne médiane de courbure ou ligne médiane du profil. Les rapports entre l'épaisseur maximale et la flèche de concavité maximale de la ligne médiane par rapport à la corde déterminent l'épaisseur relative et la concavité du profil et sont désignés en conséquence. e et f. Valeurs e et f et leur position géométrique le long de la corde sont exprimés en parts.
Considérons l'écoulement autour d'une aile plate d'aspect infini alors qu'elle se déplace dans un fluide infini.
Le flux frappant l'aile à une vitesse v sous un certain angle d'attaque positif α accélère sur la face supérieure du profil et ralentit sur la face inférieure. Dans ce cas, selon la loi de Bernoulli, la pression sur la face supérieure diminue et sur la face inférieure elle augmente (par rapport à la pression dans le liquide non perturbé). En figue. La figure 3 montre un graphique illustrant l'évolution du coefficient de pression sans dimension :
le long de la corde du profil de l'hydroptère.
Ici Δр = р - р o, où р est la pression au point correspondant du profil, et р о est la pression dans le liquide non perturbé.
Les valeurs négatives du coefficient de pression indiquent un vide (p<Р о), положительные - на наличие давления (р>R°).
La différence de pression qui en résulte crée une force ascendante sur l’aile, c’est-à-dire la force de portance de l’aile.
Comme le montre la figure, l'aire du diagramme de raréfaction est beaucoup plus grande que l'aire du diagramme haute pression. De nombreuses expériences montrent qu'environ 2/3 de la force de portance est créée sur le côté supérieur (« aspiration ») du profil en raison de la raréfaction, et environ 1/3 sur le côté inférieur (« décharge ») en raison de l'augmentation de la pression.
La résultante des forces de pression agissant sur l’aile représente la force hydrodynamique totale, qui peut être décomposée en deux composantes :
Y - portance de l'aile perpendiculaire à la direction du mouvement ;
X est la force de résistance dont la direction coïncide avec la direction du mouvement.
Le point d'application de la résultante de ces efforts sur le profilé est caractérisé par le moment M relatif au point avant du profilé.
Des études expérimentales ont montré que la force de portance Y, la force de traînée X et leur moment M s'expriment par les dépendances :
ρ est la densité de l'eau (pour l'eau de mer ρ = 104 et pour l'eau douce ρ = 102 kg s 2 /m 4) ;
υ est la vitesse du flux circulant sur l'aile (la vitesse de l'aile dans le flux) ;
b - corde de l'aile ;
S - zone de l'aile ;
С y, С x, С m sont respectivement des coefficients hydrodynamiques sans dimension de la force de portance, de la force de traînée et du moment.
Les coefficients C y, C x, C m sont les principales caractéristiques de l'aile, indépendamment du milieu dans lequel l'aile se déplace (air ou eau). Actuellement, il n'existe pas de méthode suffisamment précise pour calculer théoriquement les coefficients hydrodynamiques d'une aile (notamment C x et C m) pour différents types de voilure. Ainsi, pour obtenir des caractéristiques précises de l'aile, ces coefficients sont déterminés expérimentalement par soufflage en soufflerie ou par remorquage dans des piscines expérimentales. Les résultats des tests sont présentés sous forme de diagrammes des dépendances des coefficients С y, С x, С m sur l'angle d'attaque α.
Pour les caractéristiques générales de l'aile, la notion de qualité hydrodynamique de l'aile K est en outre introduite, représentant le rapport de la force de portance à la force de traînée :
Souvent les caractéristiques d'une aile sont données sous la forme d'une « polaire de Lilienthal », exprimant la dépendance de C y par rapport à C x. Les points expérimentaux et leurs angles d'attaque correspondants sont marqués sur la polaire. En figue. Les figures 4 et 5 montrent les caractéristiques hydrodynamiques du profil segmentaire « Göttingen n° 608 ». Comme vous pouvez le constater, les valeurs des coefficients hydrodynamiques sont déterminées par l'angle d'attaque de l'aile. En figue. La figure 6 montre la répartition de la pression pour trois angles d'attaque. À mesure que l'angle augmente, le degré de vide sur l'extrados de l'aile augmente et sur l'intrados, la surpression augmente ; la surface totale du diagramme de pression à α = 3° est nettement plus grande qu'à α = 0°, ce qui assure une augmentation du coefficient Cy.
En revanche, à mesure que l’angle d’attaque diminue, le coefficient Su chute presque linéairement jusqu’à zéro. La valeur de l'angle d'attaque pour lequel le coefficient de portance est égal à zéro détermine l'angle de portance nulle α o. L'angle de levée nul dépend de la forme et de l'épaisseur relative du profilé. À mesure que l’angle d’attaque de l’aile diminue encore, la force de portance devient négative.
Jusqu’à présent, nous avons parlé des caractéristiques d’une aile à forte flèche et d’envergure infinie. Les vraies ailes ont un allongement très défini et fonctionnent à proximité de la surface libre du liquide. Ces différences laissent une empreinte significative sur les caractéristiques hydrodynamiques de l'aile.
Pour une aile avec λ = ∞, le modèle de répartition de la pression dans chaque section de l'aile le long de l'envergure est le même. Sur une aile d'envergure finie, le liquide s'écoule à travers les extrémités de l'aile depuis la zone d'excès de pression jusqu'à la zone de raréfaction, égalisant la pression et réduisant ainsi la portance. En figue. La figure 7 montre le changement de pression le long de l'envergure de l'aile au rapport d'aspect final. Étant donné que l'écoulement du fluide se produit principalement dans les sections extrêmes de l'aile, son influence diminue avec l'augmentation de l'allongement et, pratiquement à λ = 7÷9, les caractéristiques de l'aile correspondent à une envergure infinie (Fig. 8).
Un autre facteur influençant le fonctionnement de l'aile est la présence d'une surface liquide libre à proximité - la limite de deux milieux avec une grande différence de densités de masse (ρ eau ≈ 800 ρ air). L'influence de la surface libre sur la force de portance s'explique par le fait que l'aile, ayant une certaine épaisseur, soulève une couche de liquide, la resserrant d'autant moins que l'aile est proche de la surface libre. Cela permet au fluide de circuler autour de l'aile à une vitesse inférieure à celle lors d'une plongée profonde ; Les valeurs de vide sur l'extrados de l'aile diminuent.
En figue. La figure 9 montre l'évolution du diagramme de pression en fonction de l'évolution de la profondeur relative d'immersion sous la surface libre pour une aile de profil segmenté (l'immersion relative d'une aile s'entend comme le rapport de la distance de l'aile au surface du liquide à la valeur de la corde). Comme on peut le constater, l’influence de la surface libre n’est pas la même pour les côtés aspiration et refoulement de l’aile. De nombreuses expériences ont établi que l'influence de l'immersion affecte principalement le diagramme de pression au-dessus de l'aile, tandis que la zone de haute pression reste quasiment inchangée. Le degré d'influence de l'immersion sur la portance de l'aile diminue rapidement avec l'augmentation de l'immersion.
Ci-dessous, sur la fig. La figure 12 montre un graphique illustrant la diminution du vide sur l'extrados de l'aile à l'approche de la surface libre. De ce graphique, il s'ensuit que l'influence de la surface libre est faible même à une submersion égale à la corde de l'aile, et à h = 2 l'aile peut être considérée comme profondément immergée. En figue. Les figures 10, a, b, c montrent les caractéristiques hydrodynamiques d'une aile plate segmentée d'allongement λ = 5 et d'épaisseur e = 0,06 pour diverses immersions relatives.
Pour une aile réelle, il faut prendre en compte l'effet total de tous les facteurs listés ci-dessus : la forme de l'aile, son allongement, l'immersion relative, etc.
Le paramètre suivant dont dépend l'ampleur des forces se développant sur l'aile est la vitesse de déplacement. Du point de vue de l'hydrodynamique de l'aile, il existe une certaine valeur de vitesse, dont le dépassement entraîne des modifications significatives des caractéristiques de l'aile. La raison en est le développement de cavitation sur l'aile et les perturbations associées dans la fluidité de l'écoulement du fluide autour du profil.
À mesure que la vitesse augmente, le vide sur l'aile atteint des valeurs auxquelles de petites bulles remplies de vapeur et de gaz commencent à émerger de l'eau. Avec une nouvelle augmentation de la vitesse d'écoulement, la région de cavitation se dilate et occupe une partie importante du côté aspiration de l'aile, formant une grande bulle de vapeur-gaz sur l'aile. À ce stade de la cavitation, les coefficients de portance et de traînée commencent à changer radicalement ; dans le même temps, la qualité hydrodynamique de l'aile diminue.
En raison de l'effet négatif de la cavitation sur les caractéristiques de l'aile, il a été nécessaire de créer des profils de géométrie spéciale. Actuellement, tous les profils sont divisés en profils fonctionnant dans le régime d'écoulement pré-cavitation et en profils avec une cavitation très développée. A noter que toutes les dépendances que nous présentons concernent les ailes non cavitantes (les caractéristiques des profils cavitants ne sont pas prises en compte dans cet article).
Afin de prévenir les effets néfastes de la cavitation sur le fonctionnement de l'aile, il est nécessaire de vérifier la possibilité de cavitation lors de son calcul. L'apparition d'une cavitation est possible aux points du profil où la pression chute légèrement en dessous de la pression de la vapeur d'eau saturée, ce qui permet aux vapeurs et aux gaz de s'échapper du liquide, se concentrant autour des plus petites bulles d'air et gaz dissous dans l’eau. Cette condition peut s’écrire :
Le coefficient P min pour les profils segmentés peut être déterminé en fonction du coefficient de portance et de l'épaisseur relative à l'aide du graphique de Gutsche illustré à la Fig. 11. Le graphique de Gutsche et le calcul utilisant la formule donnée sont valables pour le cas du mouvement des ailes dans un fluide infini. Mais, comme déjà noté, l'approche de l'aile vers la surface libre réduit l'ampleur du vide sur l'aile, augmentant ainsi la valeur de la vitesse maximale d'écoulement sans cavitation autour de l'aile.
Dans ce cas:
où la valeur de q est prise selon le graphique (Fig. 12).
Il est à noter que le bon choix des caractéristiques géométriques des profilés, ainsi que de leurs modes de fonctionnement, permet de retarder l'apparition de la cavitation à 120-130 km/h, soit à des vitesses élevées, tout à fait suffisantes pour les petits bateaux et bateaux à moteur. .
Le balayage de l’aile a un effet positif sur la distance depuis le début de la cavitation. Dans ce cas, la relation suivante est vraie :
En plus de la cavitation, il faut prendre en compte le phénomène de pénétration de l'air vers l'aile, qui dépend également fortement de la vitesse de l'aile et provoque une modification significative des caractéristiques hydrodynamiques. Lorsque l'air pénètre dans l'aile, une forte diminution du coefficient de portance se produit en raison d'une chute du vide sur la face supérieure de l'aile jusqu'à la pression atmosphérique, qui s'accompagne d'une perte de portance et de l'effondrement de l'aile sous le influence de la charge qui lui est appliquée.
L'apparition d'une percée d'air dépend en grande partie de la valeur maximale du vide sur le profil et de la profondeur de l'aile. Les ailes faiblement immergées, très proches de la surface de l'eau lorsqu'elles se déplacent, sont particulièrement sensibles à ce phénomène. Par conséquent, les profils des ailes à faible immersion sont réalisés avec un bord d'attaque pointu afin de réduire l'ampleur du pic de vide côté aspiration (Fig. 13). Pour les éléments profondément immergés, le risque de pénétration d'air vers l'aile est réduit et il est donc possible d'utiliser des profils avec un nez arrondi.
En pratique, les percées d'air vers l'aile peuvent parfois être provoquées par la chute d'objets sur l'aile (herbe flottante, morceaux de bois, etc.), par des dommages à la surface lisse de l'aile ou sur ses bords, ainsi que par la proximité d'entretoises cavitaires. , stabilisateurs, etc.
Conception de dispositifs d'ailes
La conception des dispositifs alaires d'un bateau consiste en une solution cohérente à un certain nombre de problèmes techniques, parfois contradictoires les uns par rapport aux autres. Par exemple, une augmentation de l'allongement relatif des ailes, qui a un effet bénéfique sur les caractéristiques hydrodynamiques, détériore la résistance de la structure et augmente ses dimensions.La principale qualité du système d'aile doit être d'assurer une stabilité verticale, longitudinale et latérale suffisante du mouvement de l'avion, c'est-à-dire maintenir une égalité constante entre la charge sur l'aile et les forces hydrodynamiques qui s'exercent sur elle pendant le mouvement. Les trois types de durabilité sont étroitement liés et sont atteints de la même manière.
Lors de l'accélération du bateau, comme déjà indiqué, la force de portance des ailes augmente ; puisque le poids du bateau reste constant, en maintenant l'égalité :
peut-être en raison d'un changement soit dans la zone immergée des ailes S, soit dans le coefficient de portance C y.
Un exemple typique de régulation de la portance en modifiant la zone mouillée des ailes est le type bien connu de dispositif d'aile « étagère ». Dans ce cas, le dispositif est constitué d'une série d'ailes situées les unes au-dessus des autres et émergeant tour à tour de l'eau au fur et à mesure que la vitesse du bateau augmente. Le changement brusque de la zone immergée des ailes lorsque le prochain avion sort de l'eau peut être éliminé en utilisant le deadrise. Il convient de noter que les dispositifs d'ailes « empilés », qui confèrent au bateau une bonne stabilité de mouvement et un accès facile aux ailes, ont de faibles valeurs de qualité hydrodynamique en raison de l'influence mutuelle de plans rapprochés et d'un grand nombre d'éléments et de leurs Connexions. Par conséquent, les ailes qui sont de meilleure qualité et qui représentent des plans d'ailes fortement carénés et de grande envergure coupant la surface de l'eau sont plus souvent utilisées (Fig. 14). Lorsqu'un bateau équipé d'un tel dispositif d'aile gîte, des zones supplémentaires des ailes entrent dans l'eau du côté du côté gîte, créant un moment de redressement.
Une autre façon d'assurer la stabilité du mouvement du bateau - en modifiant le coefficient de portance des ailes - peut être réalisée en modifiant l'angle d'attaque ou en rapprochant l'aile de la surface libre de l'eau.
L'angle d'attaque de l'aile change automatiquement en fonction de la vitesse et de la position du bateau par rapport à la surface de l'eau. La plupart des systèmes automatiques existants modifient l'angle d'attaque en fonction des changements dans la profondeur d'immersion de l'aile. Dans ce cas, l'angle d'attaque peut être modifié en tournant soit toute l'aile, soit seulement une partie de celle-ci. Le contrôle automatique des angles d'attaque des ailes permet d'obtenir une grande stabilité de mouvement, mais un obstacle sérieux à l'utilisation généralisée de l'automatisation est la complexité de la conception des ailes et des systèmes de contrôle. Un exemple de système beaucoup plus simple et plus facile à fabriquer est une conception qui permet de modifier l'angle d'attaque de l'aile d'étrave à l'aide d'un levier avec un flotteur qui plane le long de la surface de l'eau. À mesure que l'immersion de l'une des ailes d'arc augmente, le système permet une augmentation correspondante des angles d'attaque, mais il est difficile d'obtenir la stabilité du mouvement d'un tel système.
La deuxième façon de modifier le coefficient de portance est basée sur le fait qu'à mesure que la vitesse augmente, l'immersion des ailes diminue et le coefficient de portance diminue. L'utilisation de cette méthode est possible si le mode de fonctionnement de conception des ailes est leur mouvement près de la surface libre. La stabilité verticale, longitudinale et latérale du mouvement sur les ailes faiblement chargées est généralement facilement assurée avec le choix correct des coefficients de portance et la sélection appropriée des angles d'attaque des ailes et est tout à fait suffisante dans le mode où l'aile se déplace près de la surface du eau.
Lorsque le bateau roule, dans les sections de l'aile situées plus près de la surface libre, la force de portance diminue, et dans les sections plongeantes (du côté du côté talonné), elle augmente. Grâce à cela, un moment de redressement est créé, dirigé dans le sens opposé à l'inclinaison. Les parties centrales de l'aile modifient moins significativement la plongée et affectent dans une moindre mesure le moment de redressement. En figue. La figure 15 est un graphique montrant le rapport entre le moment de redressement créé par les extrémités de l'aile et le moment de l'aile entière.
Le graphique montre qu'un rôle particulier est joué par les sections extrêmes de l'aile, qui s'étendent sur environ 1/4 de l'envergure.
Analytiquement, le moment de rappel d'une aile inclinée à plat est exprimé par la formule :
De la formule, nous pouvons conclure que le moment de redressement dépend des caractéristiques géométriques de l'aile - envergure l et allongement relatif λ ; leur augmentation conduit à une meilleure stabilisation de l'aile dans l'écoulement du fluide, ce qui doit être pris en compte lors de la conception des dispositifs d'aile.
La stabilité latérale du mouvement en conditions transitoires (avant d'atteindre l'aile) sur les bateaux à ailes à faible immersion est souvent insuffisante. Afin d'augmenter la stabilité, des éléments d'aile supplémentaires sont utilisés, qui sortent de l'eau à grande vitesse. De tels éléments peuvent être des ailes supplémentaires situées au-dessus du plan principal ou des plaques de rabotage.
La stabilité du mouvement peut également être augmentée en utilisant ce qu'on appelle des stabilisateurs, qui sont une continuation du plan principal. Les stabilisateurs peuvent soit avoir la même corde que le plan principal, soit s'évaser vers les extrémités. La partie supérieure des stabilisateurs, située près de la surface libre, même en cas de fortes immersions du plan principal, assure la stabilité du mouvement du bateau. L'angle d'inclinaison des stabilisateurs doit être compris entre 25 et 35°. Quand (β<25° по засасывающей стороне стабилизаторов на основную плоскость может попасть атмосферный воздух; стабилизаторы с β>35° sont inefficaces. L'angle d'attaque des stabilisateurs (dans les sections verticales) est généralement le même que celui du plan principal, ou supérieur d'environ 0,5°. Parfois, pour augmenter l'efficacité des stabilisateurs, l'angle d'attaque est rendu variable, allant de 0° en bas (par rapport au plan principal) et jusqu'à 1,5-2° à l'extrémité supérieure.
La configuration de la pointe de leur profil est particulièrement importante pour les ailes opérant à proximité de la surface libre. En figue. 16 montre les profils d'hydroptères qui ont reçu la plus grande diffusion, et le tableau. La figure 1 montre les ordonnées de leur construction.
Le profil à grande vitesse Walchner avec un nez arrondi présente de bonnes caractéristiques hydrodynamiques et une vitesse d'apparition de cavitation élevée, cependant, l'utilisation de ce profil est limitée aux éléments des dispositifs d'aile situés à des immersions importantes (plus de la moitié de la corde de l'aile) depuis l'eau. surface.
Pour les éléments à faible charge, des profils à arêtes vives sont utilisés, qui ont des caractéristiques légèrement moins bonnes, mais offrent un régime d'écoulement plus stable.
Pour les éléments profondément immergés, ainsi que pour les stabilisateurs d'ailes, en plus d'un segment plat-convexe, un segment « lune » convexe-concave peut être utilisé. Un profil de type « trou » présente une qualité hydrodynamique supérieure à un segment plat, mais est plus difficile à fabriquer.
Dans certains cas, pour améliorer la qualité hydrodynamique, les profils segmentaires sont modifiés, en déplaçant la position de l'épaisseur maximale du milieu du profil vers le nez (en la situant à 35-40 % de la corde) ou simplement en remplissant légèrement le nez de Le profil.
L'épaisseur maximale du profilé est choisie en fonction des conditions permettant d'assurer de bonnes caractéristiques hydrodynamiques, de résistance structurelle et d'absence de cavitation. Généralement e = 0,04÷0,07 ; concavité de la face inférieure du profil « lune » f n - 0,02.
Pour les poteaux de support, des profils segmentaires biconvexes à faibles coefficients de résistance sont utilisés ; généralement leur e = 0,05.
Le principal inconvénient des dispositifs à ailes faiblement immergées est leur faible navigabilité : les ailes sont souvent exposées, perdant ainsi leur portance. Les vibrations du bateau qui en résultent peuvent être si importantes que le mouvement des ailes devient impossible en raison de très forts impacts sur l'eau ; la vitesse de déplacement diminue fortement.
La navigabilité d'un bateau doté d'ailes à faible immersion peut être améliorée en utilisant des éléments supplémentaires situés en dessous ou au-dessus du plan principal.
Dans le premier cas (Fig. 17, a), un élément supplémentaire profondément immergé, peu affecté par les vagues et créant une force de levage constante, a un effet stabilisant sur le bateau, réduisant ainsi les risques de chute du toit. La charge sur ces éléments peut atteindre 50 % de la charge sur l'ensemble de l'appareil. Pour les bateaux de petit déplacement, les dimensions de l'avion profondément immergé sont si petites qu'en naviguant le long de chenaux obstrués, un tel avion peut être facilement endommagé, il est donc conseillé d'utiliser des éléments en forme de mouette (Fig. 17.6). Le dispositif « mouette » dans la partie médiane de l'aile basse immergée, sans réduire les caractéristiques de stabilité, permet d'améliorer la navigabilité du bateau. L'angle de montée de la mouette est sélectionné entre 25 et 35° ; pour des raisons de stabilité, l'envergure ne dépasse pas 0,4 à 0,5 de l'envergure totale de l'avion. L'efficacité légèrement inférieure de la « mouette » (par rapport à un élément plat profondément immergé) est justifiée par la simplicité et la fiabilité de la conception.
L'installation d'avions supplémentaires au-dessus du principal (Fig. 17, c) n'élimine pas la défaillance de l'aile, cependant, leur entrée dans l'eau réduit l'amplitude du tangage et adoucit les impacts de la coque sur l'eau. Ce schéma a une résistance légèrement supérieure à pleine vitesse que les schémas avec un élément profondément immergé (en raison de la possibilité de laver des avions supplémentaires), cependant, avec le placement et la sélection corrects de la zone de ces avions supplémentaires, il il est possible de réduire la résistance du bateau en mode transition, lorsqu'ils fonctionnent simultanément comme avions de départ, accélérant le lancement du bateau sur les ailes.
Une certaine amélioration de la navigabilité du bateau peut être obtenue grâce aux ailes en flèche. Dans ce cas, la surface de l'aile est répartie sur le front d'onde, ce qui réduit la possibilité d'exposition simultanée de l'ensemble du plan de l'aile. De plus, la navigabilité en eau agitée s'améliore lorsque l'angle d'attaque de l'aile augmente de 1 à 1,5° par rapport à l'angle d'attaque en eau calme. Il est donc souhaitable de disposer d'un système de fixation du dispositif d'aile au corps qui permettrait de modifier facilement l'angle d'attaque de l'aile en fonction de l'état d'excitation ; De plus, un tel système facilite grandement le processus de sélection des angles d'attaque optimaux des ailes pendant la période d'essai du bateau.
La navigabilité d'un bateau dépend en grande partie de la répartition du poids du bateau entre les dispositifs alaires. Pour les bateaux à deux ailes (proue et poupe) actuellement les plus courants, on peut distinguer grossièrement trois options de répartition du poids du bateau :
1)
la majeure partie du poids (plus de 70 à 75 %) repose sur le dispositif nasal ;
2)
le poids du bateau est réparti à peu près également entre les dispositifs de proue et de poupe ;
3)
la majeure partie du poids tombe sur le dispositif d'alimentation.
Dans les projets de bateaux étrangers, les trois méthodes de répartition du poids sont également souvent utilisées ; dans la pratique de la construction de bateaux nationaux, la deuxième option est le plus souvent utilisée. Comme l'a montré la pratique, une telle répartition des charges confère au bateau la meilleure navigabilité.
La première étape dans la conception d'un bateau à hydroptère consiste à déterminer la vitesse atteignable pour une puissance moteur donnée (ou à résoudre le problème inverse).
La vitesse du bateau peut être déterminée à partir de la formule :
N e - consommation électrique du moteur existant, l. Avec.;
η est le rendement propulsif global de l'installation mécanique, prenant en compte les pertes lors du fonctionnement de la ligne d'arbre et de l'hélice ;
R est la résistance totale du bateau (kg) lorsqu'il se déplace à une vitesse υ (m/sec).
La résistance totale peut être exprimée à travers la valeur de la qualité hydrodynamique K :
Alors les formules (1), (2) prennent la forme :
Un calcul suffisamment précis de la résistance de l’eau au mouvement d’un hydroptère est extrêmement difficile. Actuellement, à cette fin, les résultats des tests de modèles remorqués dans des piscines expérimentales ou des plans d'eau libres sont utilisés. Le modèle est réalisé exactement selon la nature, mais à une échelle réduite. Lors du recalcul de la résistance sur la base des résultats d'essais sur modèle in situ, on suppose généralement que les valeurs de la qualité hydrodynamique du modèle et du bateau conçu à la même vitesse relative (si les nombres Froude du modèle et du bateau réel sont égaux) dans tous les modes de mouvement sont égaux.
Une conversion similaire de qualité hydrodynamique peut être effectuée à partir de n'importe quel prototype accepté vers le bateau conçu.
La valeur du rendement propulsif global est définie comme :
Pour les bateaux à transmission directe moteur-hélice, η m = 0,9÷0,95. Lorsqu'une boîte de vitesses est incluse dans la ligne d'arbre η m = (0,9÷0,95) ; ηηréduction = 0,8÷0,9. Pour les bateaux à moteur à colonne angulaire (engrenage en Z sur l'hélice), η m est de l'ordre de 0,8÷0,95, selon la qualité de l'engrenage.
Une détermination précise de η p n'est possible qu'en calculant les courbes d'action de l'hélice. Cette valeur dépend de nombreux facteurs : vitesse ; nombre de tours ; dimensions d'hélice acceptées ; la position relative des ailes, des parties saillantes et de l'hélice, etc. A noter que le choix et la fabrication d'une hélice sont une affaire complexe et très responsable.
Pour des hélices bien sélectionnées et soigneusement fabriquées, η р = 0,6÷0,75 à des vitesses de 30 à 50 km/h (à grande vitesse, η р diminue légèrement).
Fabriquer un modèle et déterminer sa résistance au remorquage est difficile et coûteux, cette méthode est donc inacceptable pour une construction individuelle. Généralement, dans de tels cas, une méthode approximative est utilisée, basée sur l'utilisation de données statistiques provenant d'essais de bateaux existants.
Puisqu'il peut n'y avoir aucune donnée sur les valeurs de K et η p même pour les bateaux construits, lors de la détermination de la puissance requise ou de la vitesse réalisable selon (3) et (4), il est nécessaire d'utiliser le coefficient de qualité de propulsion K η dont la valeur peut être calculée si la puissance, la vitesse et la cylindrée :
Lors de l'utilisation du coefficient de qualité de propulsion ainsi obtenu, il doit être ajusté en tenant compte des différences entre le bateau conçu et le bateau prototype.
Avec une augmentation de la vitesse de déplacement jusqu'à une vitesse correspondant à l'apparition de la cavitation sur les ailes, une diminution de la qualité hydrodynamique se produit principalement en raison d'une augmentation de la traînée des parties saillantes, des projections et de la traînée aérodynamique (c'est-à-dire la résistance de l'air) . L'ampleur de ces composantes de résistance dépend du carré de la vitesse de mouvement et de la surface à la fois des parties saillantes et du corps lui-même, mouillé avec de l'eau ou dans l'air.
Pour les bateaux à hydroptères existants, la traînée des parties saillantes, des projections et de la traînée aérodynamique à une vitesse de 60 à 70 km/h est de 20 à 25 %, et pour les petits bateaux, jusqu'à 40 % de la traînée totale.
L'enjeu principal dans la conception d'un bateau hydroptère doté d'une haute qualité hydrodynamique, d'une bonne propulsion et d'une bonne navigabilité est le choix des éléments hydroptères.
La valeur initiale pour choisir les dimensions de l'aile est la surface de sa partie immergée, qui est déterminée à partir du rapport :
Le coefficient de portance est sélectionné dans la plage de 0,1 à 0,3 ; dans le cas général, C y dépend de la vitesse de conception. La valeur du coefficient de portance de l'aile arrière pour augmenter la stabilité du mouvement est considérée comme supérieure de 20 à 50 % à celle de l'aile avant.
Les dimensions de l'aile (envergure l et corde b) sont attribuées après détermination de la surface de l'aile, en tenant compte de la nécessité d'assurer une qualité hydrodynamique, une stabilité latérale du navire et une résistance de l'aile suffisamment élevées.
Comme déjà noté, l'allongement détermine la valeur de la qualité hydrodynamique. Habituellement, ils prennent λ = l/b > 5. Il convient de garder à l'esprit que l'augmentation de l'envergure des ailes augmente considérablement la stabilité latérale du navire en cours de route.
Pour les petits bateaux, assurer la stabilité latérale en route est particulièrement important. Comme le montre l'expérience d'exploitation, l'envergure totale ne doit pas être inférieure à la largeur de la coque du bateau et inférieure à 1,3 à 1,5 m.
Pour les bateaux à faible vitesse relative, le respect de ces exigences n'entraîne pas de complications pour assurer la résistance des ailes. Il est possible d'utiliser des ailes à deux ou trois entretoises en acier, en alliages aluminium-magnésium ou même en bois. L'utilisation d'une aile avec stabilisateurs inclinés (trapézoïdaux) permet de réduire le nombre de jambes de force à une ou deux. Cependant, à mesure que la vitesse relative augmente, la résistance des ailes devient un facteur décisif. Pour assurer la solidité des ailes, il est nécessaire d'installer un grand nombre d'entretoises, ce qui est extrêmement indésirable en raison de l'augmentation de la résistance et de la possibilité supplémentaire de pénétration d'air jusqu'à l'extrados de l'aile ; il est nécessaire de réaliser des avions de largeur variable ou d'utiliser des schémas avec des ailes autoportantes.
En figue. La figure 18 montre des courbes montrant l'évolution des contraintes effectives dans l'aile en fonction de la vitesse de conception du bateau. Ces courbes sont tracées pour l'aile avant d'un bateau d'un déplacement de 500 kg, qui comporte deux ailes plates à faible charge, dont la charge est également répartie.
Le graphique montre les dépendances pour deux cas :
- l'aile, en fonction des conditions permettant d'assurer la stabilité latérale, présente un seul plan (courbes pointillées) ;
- l'aile est constituée de deux ailes autoportantes ayant un rapport d'aspect donné (courbes représentées en traits pleins).
Comme le montre le graphique, à une vitesse supérieure à 10-12 m/sec, pour assurer la solidité de l'aile de la première option, il faut soit installer une troisième jambe de force, ce qui réduira légèrement la qualité hydrodynamique , ou utiliser un matériau aux propriétés mécaniques accrues. Dans le même temps, pour les ailes autoportantes, lors de l'installation d'une entretoise à la fois, les mêmes contraintes apparaissent à une vitesse beaucoup plus élevée (20-25 m/sec).
Le graphique donné peut être utilisé pour sélectionner le matériau des ailes lors de la conception de bateaux de déplacement similaire. Dans chaque cas particulier, il est nécessaire d'effectuer des calculs plus détaillés et précis de la résistance des ailes, en considérant l'aile comme un cadre constitué de tiges et d'entretoises planes.
Comme l'a montré l'expérience de l'exploitation de navires et des tests d'hydroptères, lors du déplacement dans les vagues, l'aile est soumise à des charges qui dépassent de loin la charge statique V. Les surcharges qui en résultent sont causées par des défaillances lorsque l'aile traverse les vagues, des changements dans l'angle d'attaque. de l'aile en raison de l'apparition de tangages longitudinaux et verticaux et de la présence de vitesses orbitales des particules d'eau lors des vagues, ainsi que des modifications de l'immersion des ailes. À cet égard, lors du calcul de la résistance des ailes, il est nécessaire d'introduire des marges de sécurité accrues :
Habituellement, pour les éléments légèrement immergés, on prend n = 3. Considérant qu'avec l'immersion croissante de l'aile, la modification de la force de portance sur celle-ci, provoquée par l'influence de la surface libre, diminue, pour les avions profondément immergés, le facteur de sécurité peut être légèrement réduit.
Lors du calcul de la résistance des éléments d'aile sortant de l'eau pendant le mouvement, il est nécessaire de spécifier une certaine charge conditionnelle qui peut survenir sur eux lors d'un déplacement dans les vagues, avec un roulis, etc. Dans ce cas, on suppose que cette charge est aléatoire et la marge de sécurité est réduite à n=1,25÷1,5.
En plus de déterminer les dimensions principales des plans porteurs, lors de la conception, il est nécessaire de déterminer la hauteur des racks. Dans le même temps, le concepteur est confronté à des exigences qui se contredisent. D'une part, l'augmentation de la hauteur des jambes de force améliore la navigabilité du navire et réduit la résistance lors de la navigation en eaux agitées et en eaux calmes. En revanche, une augmentation de la hauteur des haubans peut entraîner une détérioration de la stabilité longitudinale et latérale du bateau, et surtout, elle provoque une augmentation de la résistance du bateau dans les modes précédant la navigation sur les ailes ( en raison d'une augmentation de la surface mouillée des jambes de force, de supports d'arbre d'hélice supplémentaires, etc.) .
Généralement, lors de la détermination de la hauteur des racks, les considérations suivantes sont prises en compte. Le facteur le plus important est la distance maximale entre l'axe de l'hélice et la coque, déterminée par l'emplacement général de l'installation mécanique (moteur, moteur hors-bord) sur le bateau et les conditions de fonctionnement de l'hélice. Par exemple, avec un moteur hors-bord Moscou, cette distance ne dépasse pas 230-250 mm (ce qui correspond à une hauteur de tableau arrière de 290-300 mm) ; Un approfondissement (abaissement) supplémentaire du moteur n'est pas pratique, car cela peut provoquer un mauvais démarrage, de l'eau pénétrant dans les cylindres et sur les bougies d'allumage, etc.
Lors de l'utilisation de moteurs stationnaires, il convient de partir du principe de placer le moteur sur toute la longueur du bateau et de garantir un angle d'arbre normal (pas plus de 10-12°). L'utilisation d'un engrenage en forme de Z (colonne angulaire) permet d'augmenter la distance entre l'hélice et le carter, même lors de l'installation d'un moteur à l'arrêt.
La hauteur des jambes de force arrière hk doit être telle que lors du déplacement sur les ailes, l'hélice ne soit pas exposée et n'aspire pas l'air atmosphérique. Il est conseillé de placer l'hélice sous le plan de l'aile, en laissant un espace entre l'aile et la pale égal à 10-15 % du diamètre de l'hélice.
Lors de l'installation de moteurs hors-bord, l'aile est généralement installée au niveau de la plaque dite anti-cavitation.
La hauteur des jambes de force de l'aile d'étrave h p est déterminée en fonction de la valeur d'assiette du bateau lors du déplacement sur les ailes et peut être calculée à l'aide de la formule :
Cette formule est approximative, car elle ne prend pas en compte la déformation de la surface de l'eau derrière l'aile avant, qui affecte l'angle d'assiette en marche.
Pour les bateaux à moteur et bateaux existants ψ = 1÷3°. Pour les bateaux avec des vitesses relativement élevées, l'angle d'assiette est choisi légèrement inférieur, car dans ce cas, le mode d'atteinte des ailes passe à des vitesses plus basses et la résistance sur la « bosse » diminue.
L’une des principales problématiques à résoudre lors de la conception d’un bateau à foils est la sortie vers les foils. Pour les bateaux ayant des vitesses relatives élevées, ce problème peut devenir un problème majeur.
Lors de l'accélération, lorsque la force de portance des ailes est encore faible, le bateau bouge sur la coque. Avec l'augmentation de la vitesse, la force de portance des ailes augmente et le bateau commence à se déplacer d'abord sur l'aile avant et la coque, et avec une nouvelle augmentation de la vitesse - sur les deux ailes. Au moment où le bateau atteint l'aile avant, la résistance de l'eau au mouvement atteint sa plus grande valeur ; sur la courbe de résistance, ce moment correspond à une « bosse » caractéristique (voir Fig. 1). À mesure que le corps sort de l’eau, sa surface mouillée diminue et la résistance diminue. À une certaine vitesse - ce qu'on appelle la vitesse des ailes - la coque est complètement soulevée de l'eau. Lors du choix des surfaces des ailes, le calcul porte non seulement sur la vitesse maximale, mais également sur la vitesse de décollage depuis l'eau.
La force de portance des ailes à toutes les vitesses du bateau équilibre son poids. Par conséquent, si à la vitesse maximale v la surface de l'aile immergée S et le coefficient de portance C y, et à la vitesse de décollage υ o la surface de l'aile S o et le coefficient de portance C y0, alors la condition suivante doit être satisfaite :
En raison du fait qu'à vitesse maximale, l'aile plate est peu immergée et qu'à la vitesse de décollage, sa submersion est beaucoup plus grande, la valeur de C y0 est généralement 1,5 à 2 fois supérieure à C y. De plus, au début de la course sur les ailes, l'assiette du bateau est généralement plus grande qu'à la vitesse maximale, ce qui entraîne également une augmentation de C y0 (environ 1,2 à 1,5 fois) en raison d'une augmentation de l'angle de attaque de l'aile α.
Considérant que la surface immergée d'une aile plate reste constante, de l'égalité ci-dessus (7) on peut déduire que pour un bateau à aile plate légèrement immergée, la vitesse de décollage est :
L'expérience montre que surmonter la bosse de résistance avec un tel rapport de vitesse n'est possible qu'à de faibles vitesses relatives. En figue. La figure 19 montre l'évolution de la résistance de bateaux de même déplacement, mais ayant des vitesses maximales de conception différentes. Comme le montre le graphique ci-dessus, alors qu'à vitesse maximale, la traînée reste presque constante, en mode sortie d'aile, elle augmente considérablement avec l'augmentation de la vitesse de décollage.
Pour surmonter la bosse de traînée à des vitesses relatives élevées, les bateaux à ailes plates doivent avoir des surfaces planantes auxiliaires ou des ailes supplémentaires, ou être capables de modifier l'angle d'attaque des plans principaux des ailes pendant le déplacement. Pour réduire le taux de séparation de la coque de l'eau, il est nécessaire d'augmenter considérablement la surface totale des surfaces portantes. Des surfaces portantes supplémentaires doivent être positionnées de manière à ce qu'à mesure que la vitesse augmente et que les plans principaux s'élèvent, elles émergent progressivement de l'eau et ne créent pas de résistance supplémentaire ; Pour ce faire, il est recommandé de les faire monter en hauteur (angle de montée en régime 20-30°) et de ne pas les rapprocher du corps et des avions principaux à une distance inférieure à la corde de l'aile.
Pour augmenter l'efficacité des éléments de départ, il est conseillé d'installer les éléments supérieurs avec un angle d'attaque plus grand que les éléments inférieurs. L'installation d'avions auxiliaires situés (lors d'un déplacement à vitesse maximale) au-dessus de la surface de l'eau, comme déjà indiqué, augmente la navigabilité et la stabilité du navire.
Comme on peut le voir sur la Fig. 19, aux vitesses auxquelles le navire atteint les ailes, la partie principale de la résistance est la résistance de la coque. Conformément à cela, pour faciliter l'accélération, la coque du navire doit avoir des contours bien profilés, similaires à ceux des navires conventionnels conçus pour se déplacer à des vitesses correspondant au mode sortie des ailes.
Dans le tableau 2 montre les éléments principaux et comparatifs ! caractéristiques de cinq bateaux à moteur hydroptères nationaux et d'un bateau ailé à six places "Volga" (Fig. 20), qui illustrent bien les points énoncés ci-dessus.
Calcul du dispositif d'aile pour le bateau à moteur en plastique "L-3"
A titre d'exemple, est donné le calcul des ailes effectué pour un bateau à moteur en plastique « L-3 » (« MK-31 »), dont les principaux éléments sont indiqués dans le tableau. 2. Son corps est en fibre de verre à base de résines polyester, renforcée de fibre de verre. Poids du boîtier 120 kg. Un bateau sans ailes, avec quatre personnes à bord, développe (avec un moteur Moskva) une vitesse d'environ 18 km/h seulement, c'est pourquoi pour augmenter la vitesse, il a été décidé d'installer des hydroptères (Fig. 21, 22).Lors de la conception des ailes, en plus des exigences de base pour assurer la stabilité du bateau, les tâches suivantes ont été définies :
- assurer les performances à grande vitesse d'un bateau à moteur d'un déplacement total de 480 kg (quatre personnes à bord) lors de l'installation du même moteur hors-bord « Moscou » ;
- assurer une navigabilité satisfaisante lors du fonctionnement des ailes de ria à pleine charge à une hauteur de vague de 300 mm.
Les surfaces des ailes ont été calculées dans l’ordre suivant.
Détermination de la vitesse estimée du bateau. Étant donné que la conception des ailes sélectionnées du bateau est similaire à celle utilisée sur le bateau de P. Korotkov et que leurs vitesses de déplacement sont proches, la valeur de la qualité de propulsion du bateau « L-3 » a été considérée comme la même que celle du bateau P. Le bateau de Korotkov, soit K η = 5 ,45.
A cette valeur de K η la vitesse du bateau à moteur est :
Dimensionnement des ailes. En fonction de la position du centre de gravité du bateau et de l'emplacement de l'aile arrière, la position en longueur de l'aile avant a été déterminée. Puisqu'on suppose que la charge sur les ailes est répartie également :
Pour éliminer l'influence négative de l'aile avant sur la distance arrière entre eux, il doit y avoir au moins 12 à 15 cordes de l'aile avant et pour ce bateau, L k = 2,75 m.
Pour obtenir une vitesse et une navigabilité élevées et réduire la traînée lors de l'approche des ailes, la valeur moyenne du coefficient de portance sur l'aile avant a été prise égale à C yn = 0,21. Dans le même temps, la valeur du coefficient de portance des parties légèrement immergées de l'aile est légèrement inférieure à cette valeur, ce qui assure une stabilité accrue de l'aile lors du déplacement ; la valeur moyenne Su de l'élément profondément enfoui est un peu plus grande en raison de son immersion importante. Le coefficient de portance de l'aile arrière, compte tenu de la faible vitesse du bateau, a été pris égal à Сук = 0,3.
Pour les valeurs sélectionnées de C y, l'aire des ailes (c'est-à-dire l'aire de projection de l'aile sur le plan horizontal) est égale à :
Pour assurer une stabilité latérale suffisante, l'envergure de l'aile avant est supposée être de l n = 1,5 m ; d'où la corde de l'aile :
Il a été décidé de réaliser l'aile arrière dans les dimensions du bateau ; dans cette condition, sa portée s'est avérée être l n = 1350 mm, et sa corde :
Avec les tailles d'ailes sélectionnées, les grands allongements plans λ n = 7,5 et λ k = 8,5 assurent une haute qualité hydrodynamique du bateau.
Pour le cas considéré, l'envergure de la « mouette » a été initialement estimée à 500 mm. Cependant, afin d'augmenter la profondeur absolue et relative de l'élément profondément immergé et ainsi augmenter la navigabilité de l'aile, il a été décidé, tout en conservant la surface de l'élément profondément immergé et son angle de soulevé de terre, d'augmenter son envergure à 600 mm en réduisant la valeur moyenne de la corde à 170 mm. Pour garantir que la zone des avions à faible immersion ne change pas, l'envergure totale des ailes a été augmentée à 1550 mm.
Comme l'a montré le calcul de la résistance des ailes, lors de déplacements sur eau calme, les contraintes dans les ailes atteignent des valeurs de ο = 340 kg/cm 2 . Avec un facteur de sécurité de n = 3, la solidité des ailes peut être assurée en utilisant un matériau ο T = 1200 kg/cm 2.
Pour réduire le poids du dispositif d'aile, un alliage aluminium-magnésium anticorrosion bien soudable de la marque AMg-5V, ayant ο T = 1200 kg/cm 2, a été choisi comme matériau.
La conception de la structure de l'aile du bateau est illustrée à la Fig. 23.
Détermination des hauteurs des jambes de force. Selon les conditions de placement du moteur sur le tableau arrière du bateau, la hauteur du support d'aile arrière hk = 140 mm a été choisie (la hauteur de la découpe pour la pince moteur sur le tableau arrière était de 300 mm).
Après avoir fixé la valeur de l'assiette de roulement ψ = 1°20", nous obtenons la hauteur du mât de l'aile avant :
Les valeurs acceptées des coefficients de portance sont légèrement supérieures à celles du bateau de P. Korotkov, cependant, il ne faut pas avoir peur d'une augmentation de la traînée en mode « bosse », puisque la vitesse relative du bateau L-3 est significativement moins que le bateau prototype. De plus, la grande largeur du fond du bateau et les ondulations longitudinales réduisent quelque peu la résistance de la coque du bateau en mode sortie des ailes.
Pour améliorer les performances et les performances du bateau, les caractéristiques de conception suivantes ont été données au dispositif d'aile :
- les extrémités libres de l'aile d'étrave sont légèrement arrondies, ce qui réduit les pertes d'extrémité dues à la formation de vortex et augmente ainsi la qualité hydrodynamique et la stabilité du mouvement ;
- le bord entrant des parties légèrement immergées des ailes est replié de 1 mm, ce qui, en réduisant l'angle d'entrée de l'aile dans l'eau, réduit les éclaboussures lors de la navigation dans les vagues, lorsque l'aile saute périodiquement hors de l'eau, traverser la vague;
- Les entretoises de l'aile d'étrave sont constituées de section variable : les parties des entretoises qui sont dans l'eau lors du mouvement sont plus fines, et à la jonction avec la coque elles sont plus épaisses. Cela réduit la résistance des jambes de force lors du déplacement sans réduire la résistance de l'aile ;
- les jambes de force au-dessus de la ligne de flottaison à la vitesse de conception sont inclinées vers l'avant, ce qui réduit les éclaboussures lorsque les jambes de force traversent la surface de l'eau ;
- les ailes de proue et de poupe ont des fixations qui permettent de changer facilement les angles des ailes pour sélectionner les angles d'attaque optimaux pour différentes charges du bateau et en fonction des vagues ;
- La conception de la fixation de l'aile avant prévoit la possibilité d'installer un mécanisme permettant de sélectionner les angles d'attaque de l'aile à la volée.
Le schéma donné pour calculer le dispositif d'aile du bateau à moteur L-3 peut essentiellement être utilisé pour calculer les ailes de tous les bateaux à moteur et bateaux à moteur. Cependant, dans chaque cas spécifique, des caractéristiques spécifiques peuvent survenir qui entraîneront une modification de la séquence ou la nécessité de calculs et de clarifications plus détaillés.
Fabrication, installation et tests du dispositif d'aile
Pour la fabrication des ailes, divers matériaux sont pratiquement utilisés, mais le plus souvent les ailes sont en acier soudé ou en alliages aluminium-magnésium (et, pour plus de simplicité, solides).Le processus le plus laborieux consiste à traiter les ailes le long du profil. Il existe plusieurs manières connues d'obtenir un profil d'aile donné, mais deux d'entre elles sont les plus courantes (Fig. 24) :
1) les plans des ailes sont réalisés à partir d'ébauches découpées dans un tuyau. Le diamètre du tube vierge pour un profil ayant la forme d'un segment circulaire peut être déterminé à l'aide d'un nomogramme (Fig. 25). La surface intérieure du tuyau est fraisée sur un plan et la surface extérieure est limée jusqu'au profil souhaité ;
2) les plans des ailes sont en tôle. Pour obtenir le profil souhaité, la surface supérieure est rabotée ou fraisée selon des ordonnées spécifiées, et les « marches » résultantes sont limées manuellement.
S'il est nécessaire d'obtenir un profil convexe-concave, le plan de l'aile est plié ou le matériau est sélectionné mécaniquement.
Les ailes de petites tailles, si le traitement mécanique est impossible, peuvent être réalisées à la main.
Pendant le processus de traitement et pour vérifier les profils des ailes et des entretoises finies, on utilise généralement des gabarits fabriqués selon les ordonnées données avec une précision de ±0,1 mm. Les écarts du profil par rapport au gabarit ne doivent pas dépasser ± 1°/o par rapport à l'épaisseur maximale de l'aile.
Après avoir traité les avions et les jambes de force, les ailes sont assemblées. Pour garantir la précision de l'assemblage et éviter les déformations lors du soudage, il est recommandé d'assembler et de souder les ailes dans un gabarit, qui peut être en métal ou même en bois. Les cordons de soudure doivent être limés.
Pour réduire la possibilité que l'air traverse les entretoises jusqu'à la surface supérieure de l'aile, les endroits où les entretoises butent contre les avions doivent avoir des transitions douces le long des rayons, et le rayon de transition dans la plus grande section de l'entretoise ne doit pas dépasser 5 % de sa corde et le plus grand rayon de transition au niveau des nez doit être de 2 à 3 mm.
L'aile assemblée ne doit pas présenter d'écarts dépassant les valeurs suivantes :
- envergure et corde ±1 % de la corde de l'aile ;
- corde de jambe de force ±1 % de la corde de jambe de force ;
- écart entre les angles d'installation sur les côtés droit et gauche (« torsion ») ±10" ;
- l'inclinaison des plans sur la longueur du bateau et les hauteurs des supports est de ± 2-3 mm.
Si une peinture est prévue pour protéger les ailes de la corrosion, une fois le limage terminé, la surface est peinte puis polie. Pour peindre les ailes, divers émaux et vernis, résines polyester et époxy et autres revêtements imperméables sont généralement utilisés. Pendant le fonctionnement, les revêtements de peinture et de vernis doivent être renouvelés fréquemment, car l'eau s'écoulant à grande vitesse autour de l'aile provoque leur destruction rapide.
L'aile finie est installée sur le bateau. La position des ailes par rapport au corps doit être maintenue conformément au calcul. L'horizontalité des plans est vérifiée par un niveau et les angles d'installation sont vérifiés par des rapporteurs avec une précision de ±5".
Les fixations des ailes au corps doivent être suffisamment rigides et solides pour garantir que les angles d'attaque soient fixes lors du mouvement lorsque des surcharges importantes sont appliquées à l'aile. De plus, les fixations doivent permettre des modifications faciles (dans une plage de ±2÷3°) des angles d'installation des plans principaux des ailes. Pour les bateaux qui diffèrent considérablement du prototype par la conception de l'aile choisie, la vitesse relative ou d'autres caractéristiques.
Il est conseillé de prévoir la possibilité de réorganiser les ailes en hauteur (pour sélectionner la position optimale).
Comme l'a montré la pratique, le respect des exigences spécifiées pour la précision de la fabrication et de l'installation des hydroptères est une condition nécessaire ; souvent, même de petits écarts par rapport aux dimensions spécifiées peuvent entraîner une défaillance complète ou une dépense inutile de temps et d'argent pour corriger les erreurs et affiner le dispositif de l'aile. Habituellement, un bateau doté de défenses correctement fabriquées sortira facilement de l'eau et se déplacera sur les défenses dès le début ; seul un petit réglage est nécessaire - sélection des angles d'attaque optimaux pour obtenir un mouvement stable sur toute la plage de vitesse et garantir la meilleure navigation et la meilleure navigabilité.
Les angles d'installation initiaux des ailes sont généralement considérés comme ceux auxquels les angles d'attaque des ailes par rapport à la ligne reliant les bords sortants des ailes sont égaux : sur l'aile avant 2-2,5°, et sur l'aile arrière aile 1,5-2°. Lors des essais finaux du bateau, en plus de préciser les angles d'installation des ailes, il est nécessaire de tester de manière approfondie le bateau : pour établir sa vitesse, sa navigabilité et sa maniabilité : pour s'assurer qu'il est en toute sécurité de naviguer dessus .
Avant d'effectuer des tests de développement, le déplacement du bateau doit être ramené à la valeur de conception. Il est recommandé de peser le bateau et de déterminer la position de son centre de gravité sur toute sa longueur. De plus, il est nécessaire de vérifier au préalable l'état de fonctionnement du moteur.
Lors des tests du bateau, les règles suivantes doivent être respectées :
1) les tests doivent être effectués par temps calme et sans vagues ;
2) il ne devrait y avoir aucune personne supplémentaire sur le bateau ; tous les participants au test doivent savoir nager et disposer d'un vêtement de flottaison individuel ;
3) le bateau ne doit pas avoir un roulis initial supérieur à 1° ;
4) la montée en vitesse doit se faire progressivement : avant chaque nouvelle montée en vitesse, il faut s'assurer du bon fonctionnement du dispositif de direction et que le bateau a une stabilité latérale suffisante aussi bien en ligne droite que lors des manœuvres. En cas de phénomènes dangereux - augmentation significative des roulis, enfouissement de la coque dans l'eau, perte de stabilité latérale et de contrôlabilité - il faut réduire la vitesse et rechercher les causes de ces phénomènes ;
5) Avant de commencer à accélérer le bateau, vous devez vous assurer que le chemin est dégagé et qu'il n'y a aucun danger que des navires, des bateaux, des personnes flottantes et des objets apparaissent soudainement sur le parcours. Les tests ne doivent pas être effectués dans des zones où d'autres navires et bouées sont bondés ou à proximité immédiate des plages ;
6) Il est nécessaire de respecter strictement toutes les règles de conduite des bateaux et des bateaux à moteur.
Les cas suivants peuvent survenir lors des tests :
1. Le bateau n’atteint pas l’aile avant. Les raisons peuvent être un petit angle d'attaque de l'aile avant ou le centre du bateau trop en avant. Pour que le bateau atteigne l'aile d'étrave, il est nécessaire de modifier le centrage du bateau ou, si cela ne donne pas de résultats, d'augmenter progressivement l'angle d'installation de l'aile d'étrave (20" chacune); dans ce cas, vous pouvez réduire légèrement l'angle d'installation de l'aile arrière (de 10 à 20"). L'angle d'attaque de l'aile avant doit être choisi de manière à ce que le bateau puisse facilement sortir et se déplacer régulièrement sur l'aile avant. En atteignant l'aile avant, la vitesse de déplacement devrait augmenter.
2. Le bateau n'atteint pas l'aile arrière. Les raisons peuvent être un petit angle d'attaque de l'aile arrière ou un centrage trop arrière. Ceci peut être éliminé des deux mêmes manières : en modifiant le centrage du bateau ou en augmentant progressivement l'angle d'installation de l'aile arrière (20/ chacun) ; Si en même temps le bateau cesse d'atteindre l'aile avant, son angle d'attaque doit également être augmenté (de 10").
3. Après avoir atteint l'aile arrière, le bateau tombe en douceur sur l'aile avant ; dans ce cas, il n'y a pas de perturbations depuis le plan de l'aile nasale. Ce phénomène est provoqué par une diminution de l'angle d'attaque de l'aile avant due à une diminution de l'angle d'assiette lors du coup sur les ailes. Il est nécessaire d'augmenter l'angle d'installation de l'aile avant de 10 à 20".
4. Après avoir atteint l'aile arrière, le bateau retombe brusquement sur l'aile avant ; Dans le même temps, des perturbations d’écoulement et une exposition de l’aile peuvent être observées sur l’aile avant. L'angle d'attaque de l'aile avant est élevé et devrait être réduit de 5 à 10".
5. Lorsque le bateau bouge sur les ailes, l'aile arrière tombe en panne ; dans ce cas, l'aile arrière descend à faible profondeur et des pannes sont observées. L'angle d'attaque de l'aile arrière est élevé et devrait être réduit de 10 à 20".
6. Le bateau sort sur les ailes avec un grand roulis ; Dans le même temps, le roulis augmente avec l'augmentation de la vitesse. Vérifiez la coïncidence des angles d'installation des ailes sur les côtés droit et gauche et éliminez la « torsion » des avions. Si le roulis diminue à mesure que la vitesse augmente, cela indique que la stabilité latérale est faible lorsque le bateau atteint les foils. Pour augmenter la stabilité du bateau lors de l'accélération, les mesures suivantes peuvent être préconisées : augmenter les angles d'attaque de l'aile d'étrave pour réduire son piqué en sortie ; réduisez le charbon! attaques de l'aile arrière pour « resserrer » (ce qui se traduit par des vitesses élevées) la sortie vers l'aile arrière ; installer des éléments stabilisateurs supplémentaires sur l'aile avant.
7. Le bateau a une stabilité latérale insuffisante lors des manœuvres sur les ailes. Ce phénomène peut être éliminé en utilisant les mêmes mesures qu'au paragraphe 6.
8. Le bateau a une mauvaise contrôlabilité lorsqu'il se déplace sur les ailes. Les raisons en sont peut-être une efficacité insuffisante du gouvernail, un rapport indésirable entre les surfaces des entretoises des ailes de proue et de poupe, etc. La maniabilité peut être quelque peu améliorée en installant un sprat supplémentaire sur l'aile de proue.
En cas de phénomène inverse - mauvaise stabilité du cap - le sprat doit être installé sur l'aile arrière. La zone du sprat est sélectionnée expérimentalement.
Bien entendu, dans certains cas, ces mesures peuvent ne pas conduire au résultat souhaité. Les raisons des pannes peuvent être très différentes : rapport de charges incorrect, surfaces, coefficients de portance, hauteurs des jambes de force, etc. Pour déterminer la raison dans chaque cas particulier, il est nécessaire de comparer plusieurs phénomènes, d'analyser les mesures de vitesse de déplacement, de course garnitures et autres quantités.
Une fois que le mouvement stable des ailes a été obtenu sur toute la plage de vitesse, vous pouvez commencer à sélectionner les angles d'installation optimaux des ailes. Lors du réglage final, vous devez modifier très légèrement les angles d'attaque des ailes (environ 5") et surveiller en permanence la progression du réglage en mesurant la vitesse dans différents modes de conduite, le temps d'accélération et d'autres caractéristiques.
Lorsque les angles d'installation des ailes sont finalement choisis, des tests de navigabilité peuvent être effectués, dont le but est de déterminer la hauteur maximale des vagues à laquelle le bateau peut se déplacer sur les ailes, et en même temps de mesurer la vitesse. Les tests doivent être effectués à différents angles de cap par rapport au trajet des vagues.
Si la conception de la fixation de l'aile avant vous permet de modifier facilement les angles d'attaque de l'aile, vous pouvez effectuer des tests de navigabilité du bateau avec des angles d'installation accrus de l'aile avant.
Les essais en mer sont aussi un test de la solidité des ailes. Après les essais en mer, le bateau et les défenses doivent être minutieusement inspectés. Si des ruptures, des fissures et des déformations sont détectées, les raisons de leur apparition doivent être déterminées et ces structures doivent être renforcées.
Ce n'est qu'après des tests approfondis que le bateau peut être considéré comme adapté à un usage quotidien. Cependant, nous ne devons pas oublier que tout hydroptère reste encore expérimental à bien des égards et qu'il est donc nécessaire d'accorder une attention accrue à la sécurité de la navigation.
Avant d’examiner ce qu’est la portance d’une aile d’avion et comment la calculer, imaginons qu’un avion de ligne est un point matériel qui se déplace le long d’une certaine trajectoire. Pour changer cette direction ou cette force de mouvement, une accélération est nécessaire. Il existe deux types : normal et tangentiel. Le premier tend à changer la direction du mouvement et le second affecte la vitesse de déplacement du point. Si nous parlons d'un avion, son accélération est créée grâce à la force de levage de la grue. Examinons de plus près ce concept.
La force de portance fait partie de la force aérodynamique. Il augmente fortement lorsque l'angle d'attaque change. Ainsi, la maniabilité d’un avion réside directement dans la force de portance.
La force de portance d'une aile d'avion est calculée à l'aide d'une formule spéciale : Y= 0,5 ∙ Cy ∙ p ∙ V ∙ 2∙ S.
- Cy est le coefficient de portance d'une aile d'avion.
- S – zone de l’aile.
- P – densité de l'air.
- V – vitesse d'écoulement.
L'aérodynamique d'une aile d'avion, qui l'influence pendant le vol, est calculée par l'expression suivante :
F= c ∙ q ∙ S, où :
- C est le facteur de forme ;
- S – zone ;
- q – pression de vitesse.
Il convient de noter qu'en plus de l'aile, la force de portance est créée à l'aide d'autres composants, à savoir l'empennage horizontal.
Ceux qui s'intéressent à l'aviation, en particulier à son histoire, savent que l'avion a décollé pour la première fois en 1903. Beaucoup de gens s'intéressent à la question : pourquoi cela s'est-il produit si tard ? Pour quelles raisons cela ne s’est-il pas produit plus tôt ? Le fait est que les scientifiques se demandent depuis longtemps comment calculer la force de portance et déterminer la taille et la forme d'une aile d'avion.
Si l'on prend la loi de Newton, alors la force de portance est proportionnelle à l'angle d'attaque à la puissance seconde. Pour cette raison, de nombreux scientifiques pensaient qu’il était impossible d’inventer une aile d’avion de petite envergure mais offrant de bonnes performances. Ce n'est qu'à la fin du XIXe siècle que les frères Wright décidèrent de créer une structure de petite taille avec une force de levage normale.
Alignement de l'avion
Qu’est-ce qui influence la montée en l’air d’un avion ?
Beaucoup de gens ont peur de voler en avion parce qu’ils ne savent pas comment il vole, ce qui détermine sa vitesse, à quelle altitude il monte, et bien plus encore. Après avoir étudié cela, certains changent d’avis. Comment un avion s'élève-t-il ? Voyons cela.
En regardant de plus près l’aile de l’avion, vous remarquerez qu’elle n’est pas plate. La partie inférieure est lisse et la partie supérieure est convexe. De ce fait, lorsque la vitesse de l'avion augmente, la pression de l'air sur son aile change. Comme la vitesse d'écoulement est faible en dessous, la pression augmente. Et à mesure que la vitesse augmente au sommet, la pression diminue. En raison de ces changements, l’avion est tiré vers le haut. Cette différence s’appelle la portance d’une aile d’avion. Ce principe a été formulé par Nikolaï Joukovski au début du XXe siècle. Lors des premières tentatives pour envoyer le navire dans les airs, ce principe de Joukovski a été appliqué. Les navires actuels volent à une vitesse de 180 à 250 km/h.
Vitesse de l'avion au décollage
Lorsque l’avion de ligne prend de la vitesse, il monte directement. La vitesse de décollage varie et dépend de la taille de l'avion. Une autre influence importante est la configuration de ses ailes. Par exemple, le célèbre Le TU-154 vole à une vitesse de 215 km/h et le Boeing 747 à 270 km/h. L'Airbus A a une vitesse de vol légèrement inférieure de 380 à 267 km/h.
Si nous prenons des données moyennes, les avions de ligne actuels volent à une vitesse de 230 à 240 km/h. Cependant, la vitesse peut varier en raison de l'accélération du vent, du poids de l'avion, des conditions météorologiques, de la piste et d'autres facteurs.
Vitesse d'atterrissage
A noter que la vitesse d’atterrissage est également variable, tout comme la vitesse de décollage. Cela peut varier en fonction du modèle d'avion de ligne, de la zone dans laquelle il se trouve, de la direction du vent, etc. Mais si nous prenons des données moyennes, alors l'avion atterrit à une vitesse moyenne. 220-240 km/h. Il est à noter que la vitesse de l’air est calculée par rapport à l’air et non au sol.
Altitude de l'avion
Beaucoup de gens s'intéressent à la question : quelle est l'altitude de vol des avions de ligne ? Il faut dire que dans ce cas il n'y a pas de données précises. La hauteur peut varier. Si nous prenons des indicateurs moyens, les avions de ligne volent à une altitude de 5 000 à 10 000 mètres. Les gros avions de ligne volent à des altitudes plus élevées - 9 à 13 000 mètres. Si l'avion prend de l'altitude au-dessus de 12 000 mètres, il commence alors à tomber en panne. En raison de la rareté de l’air, il n’y a pas de force de levage normale et il y a un manque d’oxygène. C'est pourquoi vous ne devriez pas voler si haut, car il existe un risque d'accident d'avion. Les avions ne volent souvent pas au-dessus de 9 000 mètres. Il est à noter qu’une altitude trop basse a un effet négatif sur le vol. Par exemple, vous ne pouvez pas voler en dessous de 5 000 mètres, car il existe un risque de manque d'oxygène, ce qui entraînerait une réduction de la puissance du moteur.
Qu’est-ce qui peut provoquer l’annulation d’un vol en avion ?
- faible visibilité, lorsqu'il n'y a aucune garantie que le pilote pourra faire atterrir l'avion au bon endroit. Dans ce cas, l'avion de ligne peut tout simplement ne pas voir la piste, ce qui peut entraîner un accident ;
- état technique de l'aéroport. Il arrive que certains équipements de l'aéroport cessent de fonctionner ou qu'il y ait des dysfonctionnements dans le fonctionnement de l'un ou l'autre système, à cause desquels le vol peut être reprogrammé ;
- l'état du pilote lui-même. Il est arrivé plus d'une fois que le pilote ne puisse pas contrôler le vol au bon moment et qu'il soit nécessaire de le remplacer. Ce n’est un secret pour personne : il y a toujours deux pilotes dans un avion. C'est pourquoi il faut un certain temps pour trouver un copilote. Le vol peut donc être légèrement retardé.
Ce n'est qu'avec une préparation complète et dans des conditions météorologiques favorables qu'un avion peut prendre son envol. La décision d'envoi est prise par le commandant de bord de l'avion. Il assume l'entière responsabilité de garantir que l'avion effectue son vol en toute sécurité.
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Malheureusement, je n'ai pas trouvé un seul article sur l'aérodynamique « pour le modéliste ». Ni sur les forums, ni dans les journaux, ni dans les blogs, ni nulle part il n'y a le « pressage » nécessaire sur ce sujet. Et beaucoup de questions se posent, surtout pour les débutants, et ceux qui se considèrent « plus débutants » ne prennent souvent pas la peine d'étudier la théorie. Mais nous allons le réparer !)))
Je dirai tout de suite que je n'approfondirai pas ce sujet, sinon cela s'avérera être au moins un ouvrage scientifique, avec un tas de formules incompréhensibles ! De plus, je ne vais pas vous effrayer avec des termes tels que « nombre de Reynolds » - si cela vous intéresse, vous pouvez le lire à votre guise.
Nous avons donc convenu - seulement le plus nécessaire pour nous, modélistes.)))
Forces agissant sur un avion en vol.
En vol, un avion est soumis à de nombreuses forces aériennes, mais elles peuvent toutes être considérées comme quatre forces principales : la gravité, la portance, la poussée de l'hélice et la résistance de l'air (traînée). La force de gravité reste toujours constante, sauf qu’elle diminue à mesure que le carburant est consommé. La portance s'oppose au poids de l'avion et peut être supérieure ou inférieure au poids, en fonction de la quantité d'énergie dépensée pour le mouvement vers l'avant. La force de poussée de l’hélice est contrebalancée par la force de résistance de l’air (autrement appelée traînée).
En vol droit et horizontal, ces forces s'équilibrent mutuellement : la force de poussée de l'hélice est égale à la force de résistance de l'air, la force de portance est égale au poids de l'avion. Sans autre rapport entre ces quatre forces principales, le vol rectiligne et horizontal est impossible.
Tout changement dans l’une de ces forces affectera le comportement en vol de l’avion. Si la portance produite par les ailes était augmentée par rapport à la force de gravité, le résultat serait une portance ascendante de l'avion. Au contraire, une diminution de la portance par rapport à la gravité entraînerait une descente de l'avion, c'est-à-dire une perte d'altitude.
Si l’équilibre des forces n’est pas maintenu, l’avion pliera sa trajectoire de vol dans la direction de la force dominante.
A propos de l'aile.
Envergure- la distance entre les plans parallèles au plan de symétrie de l'aile et touchant ses points extrêmes. R.K. est une caractéristique géométrique importante d'un avion, influençant ses caractéristiques aérodynamiques et de performances de vol, et constitue également l'une des principales dimensions globales de l'avion.
Extension d'aile- le rapport de l'envergure de l'aile à sa corde aérodynamique moyenne. Pour une aile non rectangulaire, rapport d'aspect = (envergure au carré)/surface. Cela peut être compris si l'on prend comme base une aile rectangulaire, la formule sera plus simple : allongement = envergure/corde. Ceux. si l'aile a une envergure de 10 mètres et une corde = 1 mètre, alors le rapport d'aspect sera = 10.
Plus le rapport d'aspect est grand, plus la traînée induite de l'aile est faible, associée au flux d'air de l'intrados de l'aile vers l'extrados en passant par la pointe avec formation de tourbillons de pointe. En première approximation, nous pouvons supposer que la taille caractéristique d'un tel vortex est égale à la corde ; et avec l'augmentation de l'envergure, le vortex devient de plus en plus petit par rapport à l'envergure de l'aile. Naturellement, plus la traînée inductive est faible, plus la résistance globale du système est faible, plus la qualité aérodynamique est élevée. Naturellement, les concepteurs sont tentés de rendre l'allongement aussi grand que possible. Et c'est ici que commencent les problèmes : parallèlement à l'utilisation de rapports d'aspect élevés, les concepteurs doivent augmenter la résistance et la rigidité de l'aile, ce qui entraîne une augmentation disproportionnée de la masse de l'aile.
D'un point de vue aérodynamique, le plus avantageux serait une aile capable de créer la plus grande portance possible avec la traînée la plus faible possible. Pour évaluer la perfection aérodynamique de l'aile, la notion de qualité aérodynamique de l'aile est introduite.
Qualité aérodynamique de l'aile appelé le rapport entre la portance et la traînée d’une aile.
La meilleure forme aérodynamique est la forme elliptique, mais une telle aile est difficile à fabriquer et est donc rarement utilisée. Une aile rectangulaire est moins avantageuse d'un point de vue aérodynamique, mais est beaucoup plus simple à fabriquer. Une aile trapézoïdale a de meilleures caractéristiques aérodynamiques qu'une aile rectangulaire, mais est un peu plus difficile à fabriquer.
Les ailes en flèche et triangulaires sont aérodynamiquement inférieures aux ailes trapézoïdales et rectangulaires aux vitesses subsoniques, mais aux vitesses transsoniques et supersoniques, elles présentent des avantages significatifs. Par conséquent, de telles ailes sont utilisées sur des avions volant à des vitesses transsoniques et supersoniques.
Aile elliptique en plan, il a la qualité aérodynamique la plus élevée - la traînée minimale possible avec une portance maximale. Malheureusement, une aile de cette forme n'est pas souvent utilisée en raison de la complexité de la conception, de la faible fabricabilité et des mauvaises caractéristiques de décrochage. Cependant, la traînée aux angles d'attaque élevés des ailes d'autres formes de plan est toujours évaluée par rapport à l'aile elliptique. Le meilleur exemple d’utilisation d’une aile de ce type est le chasseur anglais Spitfire.
L'aile est de plan rectangulaire a la traînée la plus élevée aux angles d'attaque élevés. Cependant, une telle aile a généralement une conception simple, est technologiquement avancée et présente de très bonnes caractéristiques de décrochage.
L'aile est de plan trapézoïdal L'ampleur de la résistance de l'air est proche de l'elliptique. Largement utilisé dans la conception d'avions de production. La fabricabilité est inférieure à celle d'une aile rectangulaire. L’obtention de caractéristiques de décrochage acceptables nécessite également quelques ajustements de conception. Cependant, une aile de forme trapézoïdale et de conception correcte assure une masse minimale de l'aile, toutes choses étant égales par ailleurs. Les chasseurs Bf-109 de la première série avaient une aile trapézoïdale avec des pointes droites :
L'aile a une forme de plan combinée. En règle générale, la forme d'une telle aile en plan est formée de plusieurs trapèzes. La conception efficace d'une telle aile implique de nombreuses purges ; le gain de performances est de plusieurs pour cent par rapport à une aile trapézoïdale.
Balayage des ailes— l'angle de déviation de l'aile par rapport à la normale à l'axe de symétrie de l'avion, en projection sur le plan de base de l'avion. Dans ce cas, la direction vers l'empennage est considérée comme positive : il y a un balayage le long du bord d'attaque de l'aile, le long du bord de fuite et le long de la ligne de quart de corde.
Aile en flèche vers l'avant (KSW)— aile à balayage négatif.
Avantages :
Améliore la contrôlabilité à basse vitesse de vol.
-Améliore l'efficacité aérodynamique dans tous les domaines des conditions de vol.
-La disposition avec une aile en flèche vers l'avant optimise la répartition de la pression sur l'aile et l'empennage horizontal avant
Défauts:
-KOS est particulièrement sensible à la divergence aérodynamique (perte de stabilité statique) lorsqu'il atteint certaines vitesses et angles d'attaque.
-Nécessite des matériaux structurels et des technologies offrant une rigidité structurelle suffisante.
Su-47 "Berkut" avec balayage avant :
Planeur tchécoslovaque LET L-13 avec aile en flèche vers l'avant :
En termes simples, plus la charge est faible, plus la vitesse requise pour le vol est faible, et donc moins la puissance moteur est nécessaire.
Corde aérodynamique moyenne de l'aile (MAC) est appelée la corde d'une telle aile rectangulaire, qui a la même superficie que l'aile donnée, l'ampleur de la force aérodynamique totale et la position du centre de pression (CP) à des angles d'attaque égaux. Ou plus simplement, une corde est un segment de droite reliant les deux points d'un profil les plus éloignés l'un de l'autre.
L'ampleur et les coordonnées du MAR pour chaque avion sont déterminées lors du processus de conception et sont indiquées dans la description technique.
Si l'ampleur et la position du MAR d'un avion donné sont inconnues, elles peuvent alors être déterminées.
Pour une aile à plan rectangulaire, le MAR est égal à la corde de l'aile.
Pour une aile trapézoïdale, le MAR est déterminé par construction géométrique. Pour ce faire, l'aile de l'avion est dessinée en plan (et à une certaine échelle). Sur la continuation de la corde fondamentale, un segment de taille égale à la corde terminale est posé, et sur la continuation de la corde terminale (vers l'avant), un segment égal à la corde fondamentale est posé. Les extrémités des segments sont reliées par une ligne droite. Dessinez ensuite la ligne médiane de l’aile, reliant le milieu droit des cordes racine et terminale. La corde aérodynamique moyenne (MAC) passera par le point d'intersection de ces deux lignes.
Forme de la section transversale de l'aile appelé le profil de l'aile. Le profil de l'aile a une forte influence sur toutes les caractéristiques aérodynamiques de l'aile dans tous les modes de vol. En conséquence, la sélection d'un profil d'aile est une tâche importante et responsable. Cependant, à notre époque, seuls les bricoleurs s'occupent de sélectionner un profil d'aile parmi ceux existants.
Le profil de l'aile est l'un des principaux éléments qui façonnent un avion et un avion en particulier, puisque l'aile en fait toujours partie intégrante. La combinaison d'un certain nombre de profils constitue une aile entière, et ils peuvent être différents sur toute l'envergure de l'aile. Et le but de l'avion et la façon dont il volera dépendent de ce qu'il est. Il existe de nombreux types de profilés, mais leur forme est fondamentalement toujours en forme de larme. Sorte de goutte horizontale fortement allongée. Cependant, cette chute est généralement loin d'être parfaite, car la courbure des surfaces supérieure et inférieure est différente selon les types, tout comme l'épaisseur du profil lui-même. Classique, c'est lorsque le bas est proche du plan et que le haut est convexe selon une certaine loi. C'est ce qu'on appelle le profil asymétrique, mais il existe aussi des profils symétriques, lorsque le haut et le bas ont la même courbure.
Le développement des profils aérodynamiques a été réalisé presque depuis le début de l'histoire de l'aviation, et il est encore réalisé aujourd'hui, dans des institutions spécialisées. Le représentant le plus brillant de ce type d'institutions en Russie est le TsAGI - Institut central d'aérohydrodynamique, du nom du professeur N.E. Joukovski. Aux États-Unis, ces fonctions sont assurées par le Langley Research Center (une division de la NASA).
LA FIN?
À suivre.....
Calcul des caractéristiques aérodynamiques d'une aile à l'aide du progiciel ANSYS CFX
La création d'un avion de nouvelle génération est impossible sans analyser ses caractéristiques aérodynamiques dès les premières étapes de la conception. Les caractéristiques de performances de vol de l'avion en cours de développement dépendent directement de la profondeur de l'étude de la forme des surfaces portantes et des contours de la cellule. L'élaboration des fondements théoriques des méthodes numériques de calcul des caractéristiques aérodynamiques des avions peut être divisée en plusieurs étapes :
- théorie linéaire (années 60) ;
- théorie non linéaire du potentiel de vitesse total (années 70) ;
- les équations d'Euler (années 80) ;
- Équations de Navier-Stokes moyennées par Reynolds (années 90).
La physique du processus d'écoulement du gaz autour d'un corps de forme arbitraire est mieux reflétée par des méthodes basées sur les solutions des équations de Navier-Stokes. Avec l'avènement de logiciels basés sur des solutions numériques des équations de Navier-Stokes, il est devenu possible d'obtenir par calcul un certain nombre de caractéristiques aérodynamiques importantes de l'avion, notamment pour calculer la valeur maximale du coefficient de portance C. ouimaximum. Lors du calcul des caractéristiques aérodynamiques d'objets de configuration spatiale complexe à l'aide de cette approche, de grandes quantités de RAM d'ordinateur sont nécessaires, car les dimensions autorisées du maillage de calcul sont proportionnelles à la quantité de RAM d'ordinateur. La croissance des capacités informatiques observée ces dernières années permet d'utiliser des programmes basés sur des solutions numériques des équations de Navier-Stokes pour calculer les caractéristiques de l'écoulement autour d'objets comme un avion. L'un des programmes commerciaux populaires dans ce domaine est ANSYS CFX (licence TsAGI n° 501024).
L'utilisation de CFX dans l'industrie aéronautique est rationnelle, puisque le package ANSYS, en plus du module aérodynamique CFX, contient un certain nombre d'autres modules de calcul (STRUCTURAL, FATIQUE, etc.), qui offrent la possibilité de résoudre conjointement des problèmes d'aérodynamique. , aéroélasticité et résistance.
Considérons les caractéristiques du calcul de l'écoulement autour d'une aile droite d'envergure infinie avec un profil GA(W)-1. Ce profil a été créé par le célèbre aérodynamicien américain Whitcomb pour être utilisé à des vitesses de vol subsoniques.
Le complexe ANSYS est équipé d'interfaces intégrées pour un certain nombre de programmes de CAO majeurs. Le modèle géométrique créé dans un programme de modélisation graphique tridimensionnel peut être lu par n'importe lequel des programmes complexes. Le modèle géométrique solide du compartiment de l'aile, enregistré au format Parasolid, a été importé dans le générateur de maillage professionnel ANSYS ICEM, où un maillage informatique non structuré composé de 3 millions d'éléments tétraédriques volumétriques a été construit à l'aide de la méthode Octree (Fig. 1). Près de la surface de l’aile, les paramètres Tetra Size Ratio et Height Ratio étaient égaux à 1,2. La taille maximale des éléments sur le bord d'attaque de l'aile était de 1 mm. Pour garantir la précision requise de la solution et la convergence des calculs, les éléments du maillage informatique avaient un rapport d'aspect supérieur à 0,3 et un angle minimum supérieur à 20°. De plus, il est nécessaire que les dimensions globales du domaine de calcul soient plusieurs fois supérieures à la taille caractéristique de l'objet étudié. Dans ce cas, un domaine de calcul rectangulaire d'une longueur de 35 m et d'une hauteur de 30 m a été utilisé. L'envergure est de 4 m et la corde de l'aile est de 3,3 m. La modélisation d'une aile d'envergure infinie a été réalisée en spécifiant conditions aux limites de type Symmetry dans le préprocesseur CFX-PRE à droite et à gauche de l'aile . Les types de conditions aux limites utilisées dans ce problème sont présentés dans la Fig. 2.
Dans les régions proches des parois, lors de la construction d'un maillage informatique, des couches d'éléments prismatiques ont été formées pour une meilleure modélisation de la couche limite (voir Fig. 1). Lors de la résolution du problème de l'écoulement autour d'une aile (où l'une des grandeurs calculées est la contrainte de cisaillement), il est très important de contrôler la valeur O+. Signification O+ caractérise la hauteur relative de la première cellule de la couche limite, qui est spécifiée dans l'ICEM lors de la construction d'éléments prismatiques. Après avoir effectué les calculs dans l'environnement de postprocesseur CFX-POST, vous pouvez visualiser O+ sur le modèle de calcul (Fig. 3).
Lorsqu'on utilise des techniques basées sur des solutions numériques des équations de Navier-Stokes, la qualité du résultat obtenu dépend en grande partie du choix du modèle de turbulence. Le progiciel ANSYS CFX implémente un assez grand nombre de modèles de turbulence. Cependant, aucun d’entre eux n’est universel pour toutes les catégories de problèmes existantes. De la variété des modèles de turbulence utilisés dans le calcul des caractéristiques aérodynamiques, on peut distinguer les modèles de turbulence bien connus k-ε et k-ω. Il s'agit de modèles de turbulence à deux paramètres, basés sur la prise en compte de l'énergie cinétique des pulsations turbulentes. k. Comme deuxième équation, l'équation du taux de transfert de dissipation d'énergie turbulente ε ou du taux spécifique de dissipation d'énergie ω est utilisée. Le modèle de transport de contrainte de cisaillement SST (Menter à deux couches) utilise le modèle k-ω dans la région proche du mur et le modèle transformé k-ε loin du mur. Les nouvelles versions du programme CFX incluent une version bêta du modèle de turbulence Spalart-Allmaras (S-A). Ce modèle est à un paramètre, utilisant une équation de transport différentielle.
Les calculs à l'aide du progiciel ANSYS CFX ont été effectués sur un serveur doté d'un processeur Intel Xeon 8 cœurs 2,83 GHz et de 16 Go de RAM. Pour obtenir une solution stationnaire, selon le type de modèle de turbulence et l'angle d'attaque de l'aile, il a fallu effectuer 40 à 60 itérations.
Les calculs ont été effectués avec un nombre de Mach de 0,2 et un nombre de Reynolds de 2,2S106. Le préprocesseur ANSYS CFX n'a pas la capacité de définir directement le nombre de Reynolds. A cet égard, le nombre de Reynolds a été calculé dans CFX-PRE à partir de la valeur de la pression statique correspondant à un certain coefficient de viscosité cinématique.
À la suite des calculs, les valeurs des forces et des moments agissant sur la section de l'aile à des angles d'attaque donnés ont été obtenues. Relation du coefficient de portance Oui sur l'angle d'attaque a été comparé à des données expérimentales similaires obtenues par les spécialistes américains de la NASA Wentz et Sitharam (SAE Paper 740365). Dans la section linéaire, tous les modèles de turbulence considérés ont démontré un accord satisfaisant entre les données calculées et expérimentales. Dans la zone Cy max Le meilleur accord avec les données expérimentales a été montré par le modèle de turbulence SST (Fig. 4). Grâce au postprocesseur CFX-POST, le fichier contenant les résultats du calcul permet de visualiser le schéma d'écoulement autour de l'aile. Les lignes de courant et le champ de vitesse illustrent bien l'écoulement séparé correspondant à l'angle d'attaque auquel Cymax aile (Fig. 5).
Ainsi, à la suite des travaux effectués, il a été montré que lors du calcul des caractéristiques de l'écoulement autour des surfaces aérodynamiques, l'utilisation du modèle de turbulence SST conduit à un meilleur résultat.
En raison du biseau d'écoulement, une aile de portée finie présente une résistance inductive supplémentaire par rapport au profil. Sur la base de la relation (8.13), nous obtenons une formule pour déterminer le coefficient de portance de l'aile en tenant compte de la pente d'écoulement. Depuis , alors , ou .
La dérivée est donc égale à
On voit bien que la valeur, du fait de la taille finie de l'envergure, devient plus petite que pour le profil (aile d'envergure infinie). À mesure que le coefficient de portance de l'aile diminue, il diminue (Fig. 8.24). Toutes choses égales par ailleurs, pour obtenir la même force de portance, une aile d'envergure finie doit avoir un angle d'attaque plus grand qu'une aile d'envergure infinie.
Une résistance inductive supplémentaire entraîne une modification de la forme de la polaire de l'aile, par rapport à la polaire de profil, et son déplacement dans le sens d'une résistance croissante. Graphiquement, le coefficient de réactance inductive représente la parabole de réactance inductive en coordonnées (Fig. 8.25). A terme, cela conduit à une diminution de la qualité de l'aile par rapport à la qualité du profil de cette aile.
La formule (8.14) a été obtenue par rapport à une aile dont la forme plane assure une répartition uniforme de la vitesse induite et de l'angle d'écoulement le long de l'envergure de l'aile. Ces exigences sont satisfaites par une aile de forme elliptique en vue en plan (la corde de profil change en fonction de la dépendance, où est la corde d'emplanture), qui assure une répartition elliptique de la circulation de la vitesse le long de l'envergure et la moindre traînée inductive. En ce qui concerne les ailes de forme en plan arbitraire, la détermination peut être effectuée à l'aide d'une relation qui prend en compte l'influence de la forme en plan de l'aile :
Aux faibles angles d'attaque, toute la surface de l'aile s'écoule sans séparation. Aux angles d'attaque modérés et élevés, les dépendances deviennent non linéaires en raison de la séparation des flux sur la surface supérieure de l'aile, qui se produit près de l'extrémité arrière de l'aile. Avec la croissance, l'endroit où le flux se sépare se déplace à contre-courant vers l'avant. Aux angles d'attaque élevés, on observe une séparation générale du flux de la surface de l'aile, ce qui entraîne une forte baisse de la portance de l'aile.
La séparation des flux dans les ailes en flèche avec des arêtes vives se produit déjà au niveau des bords latéraux et d'attaque à des angles d'attaque modérés. Les tourbillons formés à la suite de la séparation des flux à partir des bords d'attaque créent une raréfaction supplémentaire sur l'extrados, ce qui provoque une redistribution de la charge aérodynamique le long de l'aile. En conséquence, la force de portance de l'aile augmente et les dépendances deviennent non linéaires (Fig. 8.26).
Le coefficient de portance peut être déterminé approximativement en tenant compte de la force supplémentaire due à la séparation des flux au bord d'attaque à l'aide de la formule suivante : .
Coefficient UN dépend de l'angle de balayage du bord d'attaque, de l'extension de l'aile et de la conicité.
Les données expérimentales ont montré que pour des ailes ayant des paramètres géométriques différents, mais les mêmes valeurs, le coefficient UN presque la même.
À mesure que la valeur augmente, c'est-à-dire avec une augmentation ou une diminution, la composante non linéaire du coefficient de portance diminue.
Ainsi, les principales caractéristiques des éléments de l'avion qui créent la portance ont été prises en compte et les valeurs du coefficient de force pour les profils aérodynamiques et les ailes ont été calculées dans une large plage de vitesses.
Questions de test et devoirs
1. Définir la qualité aérodynamique K. La qualité aérodynamique de quel objet est la plus grande : une voilure isolée ou une aile d'envergure finie et pourquoi ?
2. L'aile principale est située à une certaine distance du nez de l'avion. Qu'est-ce qui détermine son emplacement ? Sa portée ?
3. Quel angle d'attaque de la voilure (aile) est dit critique et pourquoi ?
4. Quels composants composent la traînée du profil aérodynamique à des vitesses de vol supercritiques ?
5. Sur la base de quelles considérations, pour calculer l'allongement d'une aile de n'importe quelle forme en plan, la formule est proposée, où l est l'envergure de l'aile et S est son aire en forme de plan ?
6. Qu'est-ce qui cause la traînée induite d'une aile d'envergure finie ? Qu'arrive-t-il au flux de gaz à proximité d'une aile d'envergure finie ? Quelle aile est caractérisée par une distribution uniforme de la vitesse induite et de l'angle d'écoulement le long de son envergure ?
7. Pour un avion d'une masse en vol de 60 tonnes, volant à vitesse constante à une altitude h égale à 10 km, la portance est créée par une aile dont l'envergure l est de 35 m et son allongement est de 6. Calculez la vitesse de vol de l'avion et force de poussée développée par l'avion propulseur, si le coefficient de portance de l'aile est » 1, et le coefficient de force de traînée de l'avion est de 0,2.
8. Sur les avions, différents types de dispositifs sont utilisés pour augmenter la capacité portante de l'aile avec la même masse au décollage de l'avion et réduire sa vitesse de vol minimale. De tels dispositifs reposent soit sur une modification de la courbure de l'axe du profil, soit sur une modification de la surface portante de l'aile, soit sur le soufflage (aspiration) de la couche limite de la surface supérieure de l'aile ou de son volet. Sur la base de l'analyse de la dépendance et de l'image physique de l'écoulement sur la surface supérieure de l'aile, montrez quelle est la raison de l'augmentation de la capacité portante de l'aile (c'est-à-dire) lorsque la couche limite est arrachée (aspirée ).
9. À quelle aile se rapporte le concept de bord d'attaque (de fuite) sous-critique (critique, supercritique) ?
10. Comment réduire à zéro l'influence des bouts d'aile sur ses caractéristiques aérodynamiques à des vitesses de vol supersoniques ?
11. Pourquoi la séparation des flux sur l'extrados d'une aile conventionnelle réduit-elle la force de portance qu'elle crée, alors que sur les ailes en flèche avec un bord d'attaque pointu, elle l'augmente ?
