Aluesääntö on lentokoneiden suunnittelussa käytettävä sääntö, jonka avulla voit vähentää aallonvastusta lähes- ja yliäänenopeuksilla (Mach-luvut M = 0,75 - M = 1,2). Tämä nopeusalue on eniten käytetty nykyaikaisen siviili- ja sotilasilmailun lentokoneissa.
Lentonopeuksilla, jotka ovat lähellä ääntä , ilmavirran paikallinen nopeus voi saavuttaa äänen nopeuden paikoissa, joissa virtaus kiertää lentokoneen rakenneosia. Nopeuden arvo, jolla tämä käyttäytyminen havaitaan, vaihtelee lentokoneen suunnittelusta riippuen ja sitä kutsutaan kriittiseksi Mach-luvuksi . Tällaisissa paikoissa syntyvillä iskuaalloilla on äkillisesti voimakas, nopeasti kasvava vastus, jota kutsutaan aaltoresistanssiksi. Iskuaaltojen tehon vähentämiseksi lentokoneen poikkileikkauksen tulee muuttua mahdollisimman tasaisesti lentokoneen runkoa pitkin.
Aluesäännön mukaan kahdella lentokoneella, joilla on sama pituussuuntainen poikkileikkausalajakauma, on sama aallonvastus, riippumatta tämän alueen jakautumisesta rungon poikkisuunnassa (eli itse rungossa tai siipien päällä). Lisäksi voimakkaiden iskuaaltojen esiintymisen välttämiseksi tämän jakautumisen on oltava tasainen. Esimerkki tämän säännön soveltamisesta on lentokoneen rungon kaventaminen siipien risteyksissä siten, että poikkipinta-ala ei muutu.
Tämä sääntö pätee myös äänen nopeutta suuremmilla nopeuksilla, mutta sen soveltaminen on tässä tapauksessa hieman monimutkaisempaa: poikkileikkausalan sijaan käytetään Mach-kartion tangenttitasojen poikkileikkausalueita. Aaltoresistanssin arvo on yhtä suuri kuin osille kaikkiin suuntiin laskettujen vastusarvojen summa. [1] Yliäänikoneiden suunnittelussa on otettu huomioon Mach-kartio aiotussa nopeudessa. Esimerkiksi nopeudella M=1.3 tuloksena olevan Mach-kartion kulma on suunnilleen μ = arcsin(1/1.3) = 50.3°. Tässä tapauksessa lentokoneen "ihanteellinen muoto" "vedetään" takaisin. Klassisia esimerkkejä tästä mallista ovat Concorde ja Tu-144 .
Aluesäännön löysi Otto Frenzel vuonna 1943 tutkiessaan ilman virtausta pyyhkäisyn siiven ja W-muotoisen siiven ympärillä, jolla oli erittäin korkea aaltovastus. [2] Tämä vertaileva tutkimus suoritettiin Junkersin tehtaalla tuulitunnelissa , joka tarjoaa transonisen ilmavirran. Frenzel kuvasi 17. joulukuuta 1943 päivättyyn tutkimukseensa Arrangement of Displacement Bodies in High Speed Flight, jonka perusteella hän sai patentin vuonna 1944. [3] Frenzelin tutkimuksen tulokset esiteltiin suurelle yleisölle maaliskuussa 1944 Saksan ilmailututkimuksen akatemiassa ( Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung) Theodor Zobelin luennossa "Laadullisesti uusia tapoja parantaa nopeiden lentokoneiden suorituskykyä" (Periaatteessa uusia tapoja lisätä nopeiden lentokoneiden suorituskykyä). [neljä]
Saksalaisten lentokoneiden jatkosuunnittelua sotavuosina tehtiin tämän löydön perusteella, mistä ovat osoituksena esimerkiksi Messerschmitt P.1112 -hävittäjien kaltaisten lentokoneiden keskiosassa kaventuneet rungot (kehitystä käytettiin luomaan Amerikkalainen lentotukihävittäjä F7U ) [5] [6] , Messerschmitt P.1106 ja Focke-Wulf Fw 239 pommikone, joka tunnetaan myös nimellä Focke-Wulf 1000x1000x1000 (1000 kg pommikuorma, 1000 km kantama, 1000 km/h ). Lisäksi aluesäännön käyttöön viittaavat myös deltasiipiset mallit, kuten Henschel Hs 135. Jotkut muutkin tutkijat olivat lähellä samaa löytöä, erityisesti Dietrich Küchemann , joka suunnitteli kartion muotoisen hävittäjän . amerikkalaiset nimesivät hänen vuonna 1946 löydetyn "Küchemann Coke Bottle" -pullon (noin - pullo Coca-Colaa Küchemannilta). Küchemann pääsi lähelle aluesäännön löytämistä tutkimalla ilman liikettä pyyhkäisyn siiven yli sen jännevälillä. Siivenpyyhkäisy on sellaisenaan tämän säännön epäsuora sovellus.
Wallace Hayes - yksi yliäänilennon pioneereista - tuli muotoilemaan aluesäännön julkaisuissaan, joista ensimmäinen oli hänen väitöskirjansa, joka puolustettiin Kalifornian teknologiainstituutissa vuonna 1947. [7]
Richard Whitcomb , jonka mukaan Whitcomb-aluesääntöä lännessä kutsutaan, löysi sen itsenäisesti vuonna 1952 työskennellessään NASAn tutkimuskeskuksessa ilmavoimien tukikohdassa. Langley . Suorittaessaan tutkimusta tuulitunnelissa, jonka virtausnopeus oli 0,95 M , hän teki vaikutuksen aerodynaamisen vastuksen lisääntymisestä, joka johtuu shokkiaaltojen muodostumisesta. Whitcomb tuli siihen tulokseen, että poikkileikkauksen epäsäännöllisyyksien poistaminen auttaisi estämään vastuksen jyrkkää kasvua, jota varten lentokoneen rungon tulisi - ainakin teoriassa - olla lähellä virtaviivaista pyörimisrunkoa, jolla on suurin venymä. [8] Shokkiaallot näkyivät selvästi ns. schlieren-menetelmällä, mutta syy niiden esiintymiseen nopeuksilla, jotka ovat paljon pienempiä kuin äänen nopeus, joskus enintään 0,70 M, jäi tuntemattomaksi.
Vuoden 1951 lopulla Adolf Busemann , kuuluisa saksalainen aerodynamiikka, joka muutti sodan jälkeen Yhdysvaltoihin, piti luennon NASAn tutkimuskeskuksessa . Luennon aiheena oli ilma-aluksen ympärillä kriittistä Mach-lukua lähestyvillä nopeuksilla virtaavan ilmavirran käyttäytyminen, kun ilma lakkaa toimimasta kokoonpuristumattomana nesteenä. Insinöörit ovat tottuneet ajattelemaan, että ilma virtaa tasaisesti lentokoneen rungon ympärillä, mutta suurilla nopeuksilla ilma "ei ehtinyt" virrata sujuvasti ympäriinsä, ja siksi ilma liikkui putkista koostuvana virtana ( voit myös käytä analogiaa jatkuvan tukkivirran kanssa joen varrella ). Pääpiirteittäin käsitteensä nopeasta ilmaliikkeestä lentokoneen ympärillä, Busemann ei puhunut yleisesti hyväksytyistä "virtauslinjoista", vaan "lentoputkista" ja ehdotti leikkimielisesti, että insinöörit pitävät itseään putkistojen rakentajina.
Muutama päivä tämän luennon jälkeen Whitcomb sai käsityksen - suuren aerodynaamisen vastuksen syynä oli ilma "putkien" keskinäinen häiriö kolmiulotteisessa avaruudessa. Toisin kuin aikaisemmin hyväksyttiin ilmavirran käsite lentokoneen kaksiulotteisen poikkileikkauksen ympärillä, nyt oli tarpeen ottaa huomioon jollain etäisyydellä lentokoneesta oleva ilma, joka myös on vuorovaikutuksessa näiden "putkien" kanssa. Whitcomb tajusi, että nyt tärkeäksi ei tullut niinkään rungon muoto, vaan koko lentokoneen muoto kokonaisuudessaan. Tämä tarkoitti sitä, että lentokoneen yleismuotoa kehitettäessä oli otettava huomioon siipien ja hännän ylimääräinen poikkileikkaus ja että jotta se vastaisi parhaiten ihanteellista muotoa, rungossa tulisi olla kapeneminen telakointikohdassa. niitä.
Välittömästi sen löytämisen jälkeen aluesääntöä sovellettiin tuolloin kehitettävän lentokoneen suunnitteluun. Yksi tunnetuimmista tapauksista oli Whitcombin henkilökohtainen uudelleensuunnittelu amerikkalaiseen F-102- hävittäjään , jonka suorituskyky oli huomattavasti odotettua huonompi. [9] Sen jälkeen, kun rungon "painaminen" siipien takana ja ilmeisestä paradoksista huolimatta koneen takaosan tilavuuden lisääminen, aerodynaaminen vastus pieneni huomattavasti transonisilla nopeuksilla ja saavutettiin 1,2 M:n suunnittelunopeus. aluesääntö otettiin täysin huomioon suunniteltaessa F-106- lentokonetta , joka oli useiden vuosien ajan Yhdysvaltain ilmavoimien tärkein jokasään sieppaaja. [kymmenen]
Monet aikakauden lentokoneet suunniteltiin samalla tavalla uudelleen joko lisäämällä ylimääräisiä polttoainetankkeja tai suurentamalla pyrstön kokoa tasaisemman kantosiiven aikaansaamiseksi. Neuvostoliiton Tu-95 pommikone sai molempien sisäisten moottoreiden taakse ulkonevat laskutelinesuojukset, mikä lisäsi lentokoneen kokonaispoikkileikkausta siipien juurien takana. Tämän lentokoneen siviiliversio on ollut maailman nopein potkurikäyttöinen lentokone vuodesta 1960 lähtien. Samanlaista ratkaisua käytettiin myös Convair 990 -lentokoneen suunnittelussa , jossa siiven takareunaan lisättiin pullistumia estämään shokkiaaltojen muodostumista. Tämä lentokone, jonka matkanopeus on jopa 0,89 Machia, on edelleen nopein amerikkalainen matkustajakone. " Armstrong-Whitworthin " insinöörit ehdottivat tämän konseptin jatkokehitystä M-muotoisen siiven muodossa, jonka juuressa oli käänteinen pyyhkäisy. Tällainen siipi mahdollisti rungon kaventamisen siiven juuren molemmilta puolilta, eikä vain sen jälkeen, mikä antoi virtaviivaisemman ja samalla keskimäärin leveämmän rungon verrattuna klassiseen pyyhkäisevään siipiin.
Mielenkiintoinen esimerkki aluesäännön soveltamisesta on Boeing 747 -koneen ylärungon muoto . [11] Tämä lentokone oli suunniteltu kuljettamaan tavallisia laivakontteja pääkannella kahdessa pinossa kahden rinnalla, mikä onnettomuudessa voisi aiheuttaa vakavan vaaran miehistölle, kun ne yleensä sijaitsivat lentäjän hytissä etummaisessa rungossa. Tästä syystä ohjaamo siirrettiin kannen yläpuolelle pieneen "kolhoon", jonka koko - senhetkisen virtaviivaistuksen ensisijaisuuden perusteella - alun perin minimoitiin. Myöhemmin kuitenkin huomattiin, että tämän "kuorman" pidentäminen vähentää aerodynaamista vastusta paljon enemmän kuin sen minimointi, koska pitkänomaisen ohjaamon aaltovastus "neutralisoi" hännän stabilisaattorin aaltovastusta. Tässä koneessa on 747-300-sarjasta lähtien käytetty uudenlaista ohjaamoa, joka on lisännyt matkalentonopeutta ja vähentänyt aerodynaamista vastusta sekä lisännyt hieman lentokoneen matkustajaversion kapasiteettia.
Aluesääntöä ajatellen suunnitellut lentokoneet (kuten Blackburn Buccaneer ja Northrop F-5 ) näyttivät oudolta, kun niitä testattiin ensimmäisen kerran, ja niitä kutsuttiin "lentäviksi koksipulloiksi". Aluesääntö osoittautui kuitenkin tehokkaaksi, ja myöhemmin - kun sitä ei niinkään otettu suunnittelussa huomioon kuin alun perin määrättiin lentokoneiden suunnittelussa - niiden rungot alkoivat saada taas tutumpaa muotoa. Huolimatta tämän säännön jatkuvasta soveltamisesta vain muutamilla lentokoneilla on selkeä "vyötärö", kuten B-1B Lancer , Learjet 60 ja Tu-160 . Tällä hetkellä sama vaikutus saavutetaan layout-ratkaisuilla: kantorakettien ja kantorakettien muodon ja suhteellisen sijainnin yhdistelmällä; moottoreiden sijainti Airbus A-380 :n siiven edessä , ei suoraan sen alapuolella; moottoreiden sijainti Cessna Citation X :n rungon takana , ei sen sivuilla; ohjaamon kuomun muoto ja sijainti F-22 :ssa jne.