Увеличивают ли боковые окна фюзеляжа лобовое сопротивление?

Большая длина фюзеляжа авиалайнера обеспечивает турбулентное течение в местах расположения иллюминаторов кабины, поэтому единственный их вклад в сопротивление трения — зазоры между металлом и поликарбонатом. Переход от ламинарного к турбулентному пограничному слою происходит до появления окон. В классической книге Сигарда Хёрнера «Динамическое сопротивление жидкости» мы находим в главе V следующие цифры сопротивления несовершенств поверхности:

Размер зазоров и динамическое давление в месте их расположения определяют их сопротивление. Предположим, что окна имеют высоту 0,4 м, канавки шириной 2,5 мм (0,1 дюйма) и достаточно мелкие, чтобы иметь коэффициент аэродинамического сопротивления 0,008. Далее предположим, что мы говорим о Боинге 747-200 со 100 такими окнами с каждой стороны и ограничиваем сопротивление расчет на переток по вертикальной части зазоров.Площадь полного раскрытия всех зазоров составляет$2\cdot100\cdot2\cdot0.4\cdot0.0025$= 0,4 м² или 0,078% опорной площади Боинга 747. В Википедии коэффициент паразитного лобового сопротивления Боинга 747 равен 0,022, поэтому на окна приходится одна три тысячи пятьсот этого сопротивления. Другими словами, ничтожно мало.

Но есть еще один источник лобового сопротивления: окна тяжелее металла, который они заменяют , и перенос их с собой увеличивает индуктивное сопротивление. Если опять же считать 200 окон для Боинга 747-200 по 7 кг каждое (это еще с дополикарбонатных времен!), то в сумме они весят 1,4 тонны. Это 0,8% от его пустой массы и эквивалентно 12-14 пассажирам . Чтобы найти влияние этой массы на дальний полет более 6000 морских миль, мы можем использовать уравнение Бреге ; один раз с 1,4 тоннами дополнительной массы и один раз без нее. Масса пустого Боинга 747-200 плюс 50 тонн полезной нагрузки составляет 228 100 кг, его L/D - 16, удельный расход топлива его двигателей JT-9D-7 составляет$b_f$= 0,0000184 кг/Нс, а крейсерская скорость равна 0,84 Маха, что соответствует$v$= 250 м/с на эшелоне полета 350:

Когда мы используем$R$ = 11 112 км и один раз пробежать с посадочными массами$m_2$ = 228 100 кг и снова с$m_2$ = 226 700 кг, разница в$m_1$больше в 1,65 раза (взлетная масса$m_1$составляют 376 584 кг с окнами и 374 237 кг без них), поэтому переноска окон обходится Боингу 747-200 в 911 кг топлива или 0,61% от общей массы топлива за полет. Это сто шестьдесят треть полного сопротивления - все же немного, но в сорок раз больше абсолютного вклада окон в сопротивление трения (если считать, что 747-й летит в полярной точке для оптимальной дальности ).

Это объясняет, почему при переоборудовании авиалайнеров в грузовые почти всегда окна заменяются металлическими пластинами, но не так сильно заботятся о щелях, которые они оставляют. В случае 747-го, изображенного ниже, они, безусловно, достаточно велики, чтобы их можно было увидеть издалека.

Переделка Boeing 747 Japan Airlines из пассажирского в грузовой с алюминиевыми оконными заглушками. (Фото предоставлено Flickr)

Простой ответ - да, но не материал имеет значение в производстве тормозных колодок. Разница между окрашенными алюминиевыми или композитными поверхностями и стеклом незначительна.

Там, где есть окна, вероятны швы, переходы и другие вариации обшивки самолета. Эти изменения могут вызвать турбулентность воздуха, обтекающего кожу, что может привести к сопротивлению.

Вот почему планеры имеют такие гладкие поверхности и контуры. Воздушный поток остается прикрепленным к поверхности ламинарным потоком, что сводит к минимуму сопротивление. Даже жуки, прилипшие к передней кромке крыла, могут снизить производительность.