Почему/когда тупой нос лучше?

В дозвуковом потоке воздух может реагировать на приближающееся транспортное средство, поскольку поле давления вокруг него также распространяется вперед. Это означает, что область всасывания на одной стороне фюзеляжа или крыла уже начнет втягивать молекулы еще до того, как они достигнут самого транспортного средства, вызывающего всасывание. Круглый нос позволяет потоку поступать под разными углами, не создавая слишком большого сопротивления. С точки зрения аэродинамики критическая точка перемещается без проблем.

В сверхзвуковом потоке воздух не имеет признаков приближающегося транспортного средства. Первый контакт вызовет внезапное изменение направления, называемое шоком. Для уменьшения лобового сопротивления важно сделать удар как можно более слабым, а это значит, что изменение направления должно быть как можно меньшим. Лучше всего этого можно добиться с помощью тонкого заостренного кончика.

Обратите внимание на положение вниз впускного конуса гондолы двигателя СР-71 на рисунке ниже: он расположен под таким углом, что при скорости 3,2 Маха конус симметричен набегающему потоку (что дает вам довольно хорошее представление об угле атаки двигателя СР-71). весь самолет).

SR-71 во время взлета ( источник фото ). Конус не только наклонен вниз, но и наклонен внутрь, потому что поток прижимается вбок носовой частью самолета при сверхзвуковом полете.

В гиперзвуковом потоке (Mach> 5) тупой нос снова может быть предпочтительнее, если материалы носа накладывают верхний предел на аэродинамический нагрев. Заостренный наконечник создаст присоединенный удар, который нагреет наконечник до температуры, близкой к температуре торможения потока. Однако тупой нос вызовет раздельный удар. Это создает большее сопротивление и большее количество тепла в целом, но позволяет распределять это тепло по большей площади и выбрасывать большую его часть в воздух, создавая более низкие пиковые нагрузки . У космического корабля "Шаттл" был такой тупой нос, так как минимизация лобового сопротивления не является приоритетом для возвращаемого аппарата.

Конструкция самолета полна компромиссов. В случае конструкции носовой части самолета основным фактором является снижение лобового сопротивления. Как вы сами заметили, основное отличие в режиме течения, т.е. дозвуковом и сверхзвуковом. Существуют различные типы поверхностного сопротивления (или сопротивления трения), сопротивления формы и волнового сопротивления (которое становится важным только на сверхзвуковых скоростях).

Для дозвукового течения основными составляющими сопротивления являются первое двухоболочное трение и сопротивление формы. Здесь, если рассматривать фюзеляж как цилиндр с носовой частью впереди (что является довольно хорошим приближением), конфигурация с тупым носом дает меньший коэффициент сопротивления (безразмерное сопротивление) по сравнению с коническим или остроносым. Это означает, что при прочих равных тупой носик имеет меньшее сопротивление по сравнению с острым в дозвуковом потоке. В частности, тупой нос имеет меньшую площадь поверхности по сравнению с острым и длинным носом и, следовательно, меньшее сопротивление трения кожи.

Изображение из Fluid Dynamic Drag от Hoerner

Из приведенного выше рисунка видно, что тупой нос на самом деле лучше, чем острый, с точки зрения сопротивления.

Изображение из Fluid Dynamic Drag от Hoerner

Однако по мере того, как самолет переходит на сверхзвуковой поток, основной проблемой становится волновое сопротивление. Здесь острый нос удерживает ударную волну от самолета.

Изображение с сайта wotzup.com

Другое дело, что в остром сечении площадь поперечного сечения меняется постепенно, что помогает предотвратить локальное ускорение (которое может привести к локальным звуковым условиям). По этой причине вы видите, что самолеты, летающие на дозвуковых скоростях на большей части своего режима полета, имеют тупые носы, а те, которые летают на сверхзвуковых скоростях на большей части своей траектории полета, имеют острые носы.

Конечно, есть и другие моменты, которые следует учитывать:

• Стоимость изготовления острого носа обычно выше, чем у тупого (у него большая площадь, например).

• Длинный острый нос будет сказываться на обзорности при посадке (из-за этого у Конкорда был опущенный вниз нос). Кроме того, будет сложно парковаться на пандусах в аэропортах.

• Острый нос будет иметь меньший объем (например, для установки радара). В результате большинство сверхзвуковых самолетов фактически имеют несколько видоизмененную носовую часть (например, эллиптическую или оживальную), особенно истребители.

Изображение с сайта spaceflightsystems.grc.nasa.gov

Как видно, эллиптическое сечение при тех же диаметре основания и высоте имеет вдвое больший объем, чем коническое. В некоторых случаях, когда носовая стойка шасси убирается в нос (например, A350), это может быть важно.