Как насекомые снижают летно-технические характеристики самолета?

Вы правы, насекомые очень маленькие, поэтому они влияют на то, что происходит в их масштабе. Одним важным явлением на авиалайнере, имеющем чешуйку насекомых, является пограничный слой , слой воздуха вокруг всех смачиваемых поверхностей, где скорость воздуха изменяется от нуля (относительно самолета) до скорости, которую он имеет на некотором расстоянии. Это называется пограничным слоем. Его толщина изменяется от нуля в критической точке до нескольких сантиметров в конце длинного фюзеляжа.

Как выглядит пограничный слой?

На передней кромке пограничный слой начинается с нулевой толщины. Теперь трение о крыло вызовет замедление некоторых молекул воздуха, и вскоре вы получите слой воздуха, в котором ближайшие к обшивке самолета молекулы будут двигаться вместе с обшивкой, и чем больше вы будете удаляться от обшивки, тем меньше они замедлены. Первоначально в слоях воздуха внутри пограничного слоя нет перекрестного движения молекул. Сравните это с многополосной дорогой с движением от бампера к бамперу, где ни один автомобиль не меняет полосу движения. Поскольку все молекулы движутся по своему воздушному слою, это называется ламинарным течением (лат. lamina = слой).

В какой-то момент разовьются колебания вниз по потоку , и как только они станут неустойчивыми, молекулы начнут двигаться между слоями воздуха. Теперь у вас есть более быстрые из более дальних слоев, которые приближаются к коже и толкают медленные вперед, а более медленные из близких к коже удаляются, замедляя более дальние слои. Теперь машины на вашей многополосной дороге пересекаются, и в результате все полосы, кроме самой правой, будут двигаться с одинаковой скоростью. Поскольку поперечное течение является результатом турбулентности, такой пограничный слой называется турбулентным.

Профили скорости ламинарного (слева) и турбулентного (справа) пограничных слоев. Источник изображения .

Последствия перетаскивания

Поперечный поток приводит к тому, что турбулентный пограничный слой имеет гораздо более крутой градиент скорости на обшивке самолета, вызывая гораздо большее сопротивление трения. При этом из потока за счет трения отбирается больше энергии, поэтому весь пограничный слой становится толще. Если вы посмотрите на местное сопротивление трения, графики параметров, которые стали возможными благодаря XFOIL , весьма показательны.

Сопротивление трения по хорде аэродинамического профиля E502mod при угле атаки 3°. Синий: верхняя поверхность, красный: нижняя поверхность.

На графике показано трение по хорде для аэродинамического профиля при угле атаки 3°. Весь поток присоединен (за исключением одного маленького разделительного пузырька на дне рядом с точкой перехода). Можете ли вы определить точки перехода от ламинарного к турбулентному потоку? Да, именно здесь сопротивление трения подскакивает вверх и остается раздражающе высоким ниже по течению. Обратите внимание, что обтекание крыла авиалайнера происходит при гораздо большем числе Рейнольдса , поэтому точки перехода находятся ближе к передней кромке, чем на графике выше. Я выбрал низкое число Рейнольдса на графике выше, потому что оно более четко показывает явление.

Но вы также видите шип трения на носу! Это вызвано очень малой толщиной молодого пограничного слоя. Несмотря на то, что он ламинарный, он показывает высокий коэффициент трения просто потому, что он все еще очень тонкий. Теперь представьте, что у вас есть оба эффекта, тонкий пограничный слой и большее трение турбулентного пограничного слоя, сложенные вместе. Вот что вам дадут жуки на передней кромке крыла! Они делают поверхность крыла шероховатой и увеличивают потери на трение из-за раннего перехода пограничного слоя в турбулентное течение.

Последствия для максимального подъема

Но есть и второй эффект: чем дольше развивается пограничный слой, тем больше поток теряет способность замедляться и увеличивать давление по направлению к задней кромке. Энергия потока — это либо скорость, либо давление, но если энергия потока истощается трением, ни того, ни другого не остается, когда это необходимо, чтобы преодолеть последнюю половину формы крыла. Поток отделится раньше , если он изначально был турбулентным, и крыло свалится при меньшем угле атаки. Это второе негативное последствие жуков на крыле. Его можно смягчить тщательной конструкцией аэродинамического профиля, но тогда этот аэродинамический профиль будет демонстрировать более низкую производительность без ошибок.

Планеристы это прекрасно знают, особенно те, кто летал на самолетах с профилем Wortmann FX 67-170 . У него был отличный L/D без жуков, но и дождь, и жуки превратили самолет в нечто, напоминающее кирпич. Однажды я залетел на Janus B в душ, и минимальная скорость увеличилась с 80 км/ч до 110 км/ч. Несколько секунд полета на большей скорости почистили крыло, но затем пришло время приземляться, потому что я потерял так много высоты.

Проблема здесь не в дополнительной массе или весе, а в нарушении воздушного потока над крыльями. Ключевыми терминами здесь являются ламинарный поток и турбулентный поток.

На рисунке ниже показаны нормальный ламинарный и турбулентный потоки над крылом. С насекомыми или другой грязью на передней кромке переход произойдет ближе к передней части, что приведет к снижению производительности.

^{(Источник изображения: www.allstar.fiu.edu)}

НАСА тоже провело некоторые исследования :

Любой, кто проезжал через облако насекомых, знает, как быстро внутренности жуков накапливаются в автомобиле, вызывая проблемы с обзорностью, забивая воздухозаборник и радиатор и портя внешний вид автомобиля.

Проблема самолета заключается в том, что его аэродинамическая конструкция предназначена для очень плавного движения воздуха по поверхности корпуса и крыльев, что называется ламинарным потоком. Когда в этом ламинарном потоке происходит нарушение, например, из-за скопления мертвых частей насекомых, вы вызываете противоположность ламинарного потока, то есть турбулентность.

[...]

Поиск способов поддержания ламинарного потока на всех этапах полета имеет большое значение для авиационного сообщества, поскольку это может сэкономить миллионы на стоимости топлива, а также уменьшить количество вредных выбросов, выбрасываемых в атмосферу.