Кое что о вихревой аэродинмике
взято у bulkin_s
На этом снимке очень хорошо видны вихревые "колбаски", генерируемые корневым наплывом крыла. При оценке движения воздушных масс следует помнить, что туман визуализирует не весь вихрь, а только его центральную часть. То есть, реальный диаметр вихрей раза в полтора больше, и нижняя часть вихря плотно прилипает к поверхности центроплана.
Визуализировано и разрежение над верхней плоскостью крыла - а по интенсивности тумана можно судить о глубине достигаемого разрежения. То есть, густой туман в вихревых колбасках против легкого затуманивания над поверхностью крыла означает, что разрежение в вихрях намного больше, а значит, значительна и подъемная сила, формируемая вихрями.
Именно этим и объясняются пресловутые "40% подъемной силы, создаваемой фюзеляжем", которыми характеризуется аэродинамическая компоновка МиГ-29/Су-27.
Вихревая аэродинамика - это аэродинамика нового поколения, отличающаяся от классической аэродинамики, в которой подъемная сила вычисляется через циркуляционный вихрь, оборачивающийся вокруг крыла (по формуле Жуковского). В вихревой аэродинамике ф-ла Жуковского неприменима - продольный вихрь существует в трехмерии и потому требуется интегрирование по другому контуру.
Кроме того, вихрь целиком располагается над несущей поверхностью и потому совершенно не имеет значения ни профиль этой поверхности, ни то, что находится под поверхностью - важна лишь "поляна" над которой гуляет вихрь. И потому с одинаковым успехом работает и крыло в варианте бесхвостки (Ту-144/конкорд, а так же МФИ 1.44), и уплощенный фюзеляж с разнесенными мотогондолами - в варианте МиГ-29/Су-27.
Следует обратить внимание на то, что при всей внешней схожести, аэродинамика F-15 в значительно меньшей степени обусловлена вихревым компонентом - для получения существенного эффекта от вихревой аэродинамике необходимо закрутить вихрь, как можно более сильно. Для этого требуется развитой наплыв с определенной конфигурацией (толщиной профиля и т.п).
В мощном вихре за счет центробежных сил формируется большое разрежение - в результате вихрь становится заметно легче окружающего воздуха и пытается всплыть, подсасывая вслед за собой любую поверхность, над которой он проносится. Потому вторым важным атрибутом вихревой аэродинамики являются "штаны" - так на профессинальном жаргоне именуют соответствующие аэродинамические элементы. по которым скользит вихрь. Например, в отличие от Ф-15, одномоторный Ф-16 имеет "правильный" наплыв, а так же и "штаны". Но у Ф-16 проблемы с поперечной устойчивостью на закритических углах атаки - его единственный киль попадает в затенение и машина валится на крыло. На МиГ-29/Су-27 эта проблема решена за счет установки широко разнесенного двухкилевого оперения.
Еще один важный момент, который следует обязательно отметить в исторической перспективе - изобретение вихревой аэродинамики ошибочно приписывается фирме Сухого. Хотя на самом деле первый вариант Су-27 не обладал элементами вихревой аэродинамики - достаточно взглянуть на первый прототип Т-10-1:
Мы видим тонкий оживальный наплыв, который малоэффективен в качестве вихрегенератора - его назначение другое: препятствовать перебалансировке на сверхзвуковой скорости, происходящей вследствие смещения аэродинамического фокуса крыла назад.
Для эффективной вихрегенерации форма наплыва в плане должна быть такой:
Это МиГ-21И - самолет-аналог, на которой изучалась аэродинамика будущего Ту-144. Микояновцы располагали всей полнотой информации по наплыву и потому применили его в проекте 9-12, несколько усовершенствовав (увеличив толщину профиля наплыва, что дало стабильную вихрегенерацию в более широком диапазоне углов атаки, а так же, изменило закон перемещения аэродинамического фокуса, позволив впоследствии реализовать "кобру", основанную на автоматическом возвращении машины из закритических углов атаки. Соавтором этой концепции вместе с микояновскими аэродинамичками является аэродинамик ЦАГИ Георгий Сергеевич Бюшгенс.
Таким образом, МиГ-29 начиная с прототипа 9-12 полностью соответствовал концепции сверхманевренного самолета, реализующего принципы вихревой аэродинамики. Су-27 в первой своей инкарнации этому совершенно не соответствовал и был не сверхманевренным аппаратом. Лишь после полной переработки проекта в вариант Т-10С, он стал этим принципам соответствовать.
Еще одним позитивным свойством корневого вихря является то, что он препятствует скосу потока, характерному для стреловидного крыла - если рассмотреть схему перемещения потоков воздуха, то можно обнаружить, что в зоне сопряжения центроплана с консолью вихрь направлен вверх от плоскости крыла. В результате, он отсасывает воздух с плоскости и порождает силу, препятствующую скосу потока. Это уменьшает индуктивный вихрь на конце крыла (визуализируемый дымовыми трассерами на исходном снимке) и в конечном итоге увеличивает аэродинамическое качество.
Если взглянуть на снимок Т-10-1, то можно увидеть на крыле вертикальные перегородки, традиционно используемые отечественной аэродинамической школой в качестве средства против скоса потока на стреловидном крыле. Этот факт подтверждает отсутствие корневого вихря - то есть, неиспользование принципов вихревой генерации.
Еще один снимок, позволяющий с другого ракурса взглянуть на конфигурацию вихрей:
Изъято у russos
Там же, у russos можно посмотреть другие отличные фотографии, включая картину потоков на крыле F-15 и убедиться в отсутствии вихревых жгутов...
UPD: пара снимков от bulkin_s на которых вихревая структура видна ещё более детально - благодаря погодным условиям (высокой влажности на МАКС-2009) можно даже посчитать число витков вихревого жгута и убедиться, что вихрь МиГа крутится быстрей чем Сушки - что даёт более высокую степень разрежения. Более высокие обороты приводят к большей устойчивости жгута - на Су он рассасывается раньше.
Такая разница вихревых структур обусловлена конфигурацией наплыва - на Сушке зона перед крылом имеет участок с уменьшенной стреловидностью, а на МиГе этот же участок напротив, сделан с увеличением стреловидности.
В результате вариант Су приводит к размазыванию энергии по всей кромке наплыва, а в варианте МиГа энергия концентрируется в малой зоне непосредственно перед крылом.
