Pravidlo oblasti je pravidlem v konstrukci letadel, které umožňuje snížit odpor vln při blízkých a nadzvukových rychlostech (Machova čísla M = 0,75 - M = 1,2). Tento rozsah rychlostí je nejpoužívanější mezi letadly moderního civilního a vojenského letectví.
Při rychlostech letu blízkých zvuku může místní rychlost proudění vzduchu dosáhnout rychlosti zvuku v místech, kde proudění obtéká konstrukční prvky letadla. Hodnota rychlosti, při které je toto chování pozorováno, se mění v závislosti na konstrukci letadla a nazývá se kritické Machovo číslo . Rázové vlny vznikající v takových místech mají náhle silný, rychle rostoucí odpor, nazývaný vlnový odpor. Aby se snížila síla rázových vln, musí se plocha průřezu letadla měnit podél těla letadla co nejplynuleji.
Pravidlo plochy říká, že dvě letadla se stejným podélným rozložením plochy příčného průřezu mají stejný odpor vlny, nezávisle na rozložení této plochy ve směru příčném k trupu (tj. na samotném trupu nebo na křídlech). Navíc, aby se zabránilo vzniku silných rázových vln, musí být toto rozložení plynulé. Příkladem aplikace tohoto pravidla je zúžení trupu letadla v místech spojů s křídly tak, aby se neměnila plocha průřezu.
Toto pravidlo platí i při rychlostech větších než je rychlost zvuku, ale jeho aplikace je v tomto případě poněkud složitější: místo plochy průřezu se používají plochy průřezu tečných rovin Machova kužele. Hodnota odporu vlny se bude rovnat součtu hodnot odporu vypočtených pro sekce ve všech směrech. [1] Konstrukce nadzvukových letadel je navržena tak, aby zohledňovala Machův kužel pro zamýšlenou rychlost. Například pro rychlost M=1,3 bude úhel výsledného Machova kužele přibližně μ = arcsin(1/1,3) = 50,3°. V tomto případě bude „ideální tvar“ letadla „stažen“ zpět. Klasickými příklady této konstrukce jsou Concorde a Tu-144 .
Plošné pravidlo objevil Otto Frenzel v roce 1943 při studiu proudění vzduchu kolem zameteného křídla a křídla ve tvaru W, které mělo extrémně vysoký odpor vln. [2] Tato srovnávací studie byla provedena v závodě Junkers v aerodynamickém tunelu poskytujícím transsonické proudění vzduchu. Frenzel popsal svůj výzkum v Uspořádání vysídlených těles ve vysokorychlostním letu ze 17. prosince 1943, na jehož základě získal v roce 1944 patent. [3] Výsledky Frenzelova výzkumu byly široké veřejnosti představeny v březnu 1944 v Německé akademii pro letecký výzkum ( Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung) na přednášce Theodora Zobela „Kvalitativně nové cesty ke zlepšení výkonu vysokorychlostních letadel“ (Zásadně nové způsoby, jak zvýšit výkon vysokorychlostních letadel). [čtyři]
Další konstrukce německých letadel během válečných let byla prováděna s přihlédnutím k tomuto objevu, o čemž svědčí například trupy zúžené ve střední části takových letadel, jako jsou stíhačky Messerschmitt P.1112 (vývoj byl použit k vytvoření tzv. Americký stíhací letoun F7U ) [5] [6] , Messerschmitt P.1106 a bombardér Focke-Wulf Fw 239, známý také jako Focke-Wulf 1000x1000x1000 (rychlostní bomba 1000 kg, dolet 1000 km/h, 1000 km/h ). Kromě toho na použití plošného pravidla poukazují i konstrukce delta-křídla, jako je Henschel Hs 135. Ke stejnému objevu se přiblížili i někteří další badatelé, zejména Dietrich Küchemann , který navrhl stíhačku s kuželovitým trup, pojmenované Američany po jeho objevu v roce 1946 "Küchemann Coke Bottle" (cca - láhev Coca-Coly od Küchemanna). Küchemann se přiblížil objevu plošného pravidla studiem pohybu vzduchu nad zameteným křídlem podél jeho rozpětí. Sweep jako takový je nepřímou aplikací tohoto pravidla.
Wallace Hayes - jeden z průkopníků nadzvukových letů - přišel formulovat oblastní pravidlo ve svých publikacích, z nichž první byla jeho disertační práce obhájená na California Institute of Technology v roce 1947. [7]
Richard Whitcomb , po kterém se na Západě nazývá Whitcombovo oblastní pravidlo, jej nezávisle objevil v roce 1952, když pracoval ve výzkumném středisku NASA na letecké základně. Langley . Při výzkumu v aerodynamickém tunelu s rychlostí proudění 0,95 M na něj zapůsobilo zvýšení aerodynamického odporu v důsledku tvorby rázových vln. Whitcomb dospěl k závěru, že odstranění nerovností v průřezu by pomohlo zabránit prudkému nárůstu odporu, pro který by se trup letadla – alespoň teoreticky – měl blížit proudnicovému rotačnímu tělesu maximálního protažení. [8] Rázové vlny byly dobře patrné na fotografiích pořízených tzv. schlierenovou metodou, ale příčina jejich výskytu při rychlostech mnohem nižších než je rychlost zvuku, někdy ne více než 0,70 M, zůstala neznámá.
Koncem roku 1951 měl ve Výzkumném centru NASA přednášku Adolf Busemann , slavný německý aerodynamik, který se po válce přestěhoval do Spojených států . Tématem přednášky bylo chování proudu vzduchu obtékajícího letadlo rychlostí blížící se kritickému Machovu číslu, kdy se vzduch přestává chovat jako nestlačitelná tekutina. Inženýři jsou zvyklí uvažovat o hladkém proudění vzduchu kolem těla letadla, nicméně při vysokých rychlostech vzduch „nestihl“ plynule obtékat, a proto se vzduch pohyboval jako proud složený z trubek ( můžete také použijte analogii s nepřetržitým proudem klád splavovaných podél řeky ). Když Busemann nastínil svůj koncept vysokorychlostního pohybu vzduchu kolem letadla, nemluvil o obecně přijímaných „průtokových liniích“, ale o „létacích trubicích“, a vtipně navrhl, aby se inženýři považovali za potrubní vedení.
Pár dní po této přednášce měl Whitcomb náhled – příčinou vysokého aerodynamického odporu bylo vzájemné rušení vzduchových „potrubí“ v trojrozměrném prostoru. Na rozdíl od dříve přijímané koncepce proudění vzduchu kolem dvourozměrného průřezu letadla bylo nyní nutné vzít v úvahu vzduch v určité vzdálenosti od letadla, který také interaguje s těmito „trubkami“. Whitcomb si uvědomil, že nyní není důležitý ani tak tvar trupu, ale tvar celého letadla jako celku. To znamenalo, že při vývoji celkového tvaru letadla bylo třeba vzít v úvahu přídavný průřez křídel a ocasních ploch , a aby trup co nejlépe odpovídal ideálnímu tvaru, měl by mít v dokovacím bodě zúžení. jim.
Ihned po jeho objevení bylo plošné pravidlo aplikováno na konstrukci tehdy vyvíjeného letounu. Jedním z nejznámějších případů bylo Whitcombovo osobní přepracování americké stíhačky F-102 , jejíž výkon byl výrazně horší, než se očekávalo. [9] Po „zatlačení“ trupu za křídla a přes zdánlivý paradox zvětšení objemu zadní části letounu se výrazně snížil aerodynamický odpor při transsonických rychlostech a bylo dosaženo konstrukční rychlosti 1,2 M. oblastní pravidlo bylo plně zohledněno při navrhování letounu F-106 , který po mnoho let zůstal hlavním stíhačem amerického letectva za každého počasí. [deset]
Mnoho letadel té doby bylo podobně přepracováno, a to buď přidáním dalších palivových nádrží nebo zvětšením ocasu, aby bylo dosaženo hladšího profilu. Sovětský bombardér Tu-95 dostal za oba vnitřní motory více vyčnívající aerodynamické kryty podvozku, což zvětšilo celkový průřez letounu za kořeny křídla. Civilní verze tohoto letounu je od roku 1960 nejrychlejším vrtulovým letounem na světě. Obdobné řešení bylo použito při konstrukci letounu Convair 990 , kde byly na odtokové hraně křídla přidány vybouleniny, aby se zabránilo vzniku rázových vln. Toto letadlo s cestovní rychlostí až Mach 0,89 je stále nejrychlejším americkým dopravním letadlem. Inženýři z " Armstrong-Whitworth " navrhli další vývoj tohoto konceptu v podobě křídla ve tvaru M, které mělo v kořeni reverzní zametání. Takové křídlo umožnilo zúžit trup na obou stranách kořene křídla, a nejen za ním, což ve srovnání s klasickým šikmým křídlem poskytlo proudnicovější a zároveň v průměru širší trup.
Zajímavým příkladem aplikace plošného pravidla je tvar horní části trupu Boeingu 747 . [11] Toto letadlo bylo navrženo pro přepravu standardních přepravních kontejnerů na hlavní palubě ve dvou hromadách po dvou, které by při nehodě mohly představovat vážné nebezpečí pro posádku, když byly obvykle umístěny v pilotní kabině v přední části trupu. Kokpit byl proto přemístěn na malou „bouli“ nad palubou, jejíž velikost – na základě tehdejšího tehdejšího primátu proudění – byla zpočátku minimalizována. Později se však zjistilo, že prodloužení tohoto „hrbolu“ přinese mnohem větší snížení aerodynamického odporu než jeho minimalizace, protože vlnový odpor prodloužené pilotní kabiny „neutralizoval“ vlnový odpor ocasního stabilizátoru. Na tomto letounu je od řady 747-300 použita nová podoba kokpitu, která zvýšila cestovní rychlost a snížila aerodynamický odpor a také mírně zvýšila kapacitu osobní verze letadla.
Letadla navržená s ohledem na oblastní pravidlo (jako Blackburn Buccaneer a Northrop F-5 ) vypadala zvláštně v době, kdy byla poprvé testována a byla nazývána „létajícími lahvemi od koly“. Plošné pravidlo se však ukázalo jako účinné a později - když se s ním při návrhu nepočítalo tolik, jak bylo původně stanoveno při návrhu letadel - začaly jejich trupy opět získávat známější tvar. Navzdory pokračující aplikaci tohoto pravidla má pouze několik letadel zřetelný „pas“, jako B-1B Lancer , Learjet 60 a Tu-160 . V současnosti stejného efektu dosahují dispoziční řešení: kombinace tvaru a vzájemné polohy boosterů a nákladového prostoru na nosných raketách; umístění motorů před křídlem Airbusu A-380 a ne přímo pod ním; umístění motorů za trupem Cessny Citation X , a nikoli po jeho stranách; tvar a umístění překrytu kokpitu na F-22 atd.