Regula zonei este o regulă în proiectarea aeronavelor care vă permite să reduceți rezistența valurilor la viteze apropiate și supersonice (numerele Mach M = 0,75 - M = 1,2). Acest interval de viteză este cel mai utilizat dintre aeronavele aviației civile și militare moderne.
La viteze de zbor apropiate de cele sonice , viteza locală a fluxului de aer poate atinge viteza sunetului în locurile în care fluxul ocolește elementele structurale ale aeronavei. Valoarea vitezei la care se observă acest comportament variază în funcție de proiectarea aeronavei și se numește număr Mach critic . Undele de șoc care apar în astfel de locuri au o rezistență bruscă puternică, în creștere rapidă, numită rezistență la val. Pentru a reduce puterea undelor de șoc, aria secțiunii transversale a aeronavei trebuie să se schimbe de-a lungul corpului aeronavei cât mai ușor posibil.
Regula zonei prevede că două aeronave cu aceeași distribuție longitudinală a suprafeței secțiunii transversale au aceeași rezistență la undă, independent de distribuția acestei zone în direcția transversală față de fuselaj (adică pe fuselaj în sine sau pe aripi). Mai mult, pentru a evita apariția undelor de șoc puternice, această distribuție trebuie să fie lină. Un exemplu de aplicare a acestei reguli este îngustarea fuselajului unei aeronave la joncțiunile cu aripile, astfel încât zona secțiunii transversale să nu se modifice.
Această regulă se aplică și la viteze mai mari decât viteza sunetului, dar aplicarea sa în acest caz este ceva mai complicată: în locul ariei secțiunii transversale se folosesc zonele secțiunii transversale ale planurilor tangente ale conului Mach. Valoarea rezistenței undei va fi egală cu suma valorilor rezistenței calculate pentru secțiunile din toate direcțiile. [1] Designul aeronavelor supersonice este conceput pentru a ține cont de conul Mach pentru viteza prevăzută. De exemplu, pentru o viteză de M=1,3, unghiul conului Mach rezultat va fi aproximativ μ = arcsin(1/1,3) = 50,3°. În acest caz, „forma ideală” a aeronavei va fi „trasă” înapoi. Exemple clasice ale acestui design sunt Concorde și Tu-144 .
Regula zonei a fost descoperită de Otto Frenzel în 1943 în timp ce studia fluxul de aer în jurul unei aripi înclinate și a unei aripi în formă de W, care avea o rezistență extrem de mare a valurilor. [2] Acest studiu comparativ a fost realizat la uzina Junkers într-un tunel de vânt care oferă flux de aer transonic. Frenzel și-a descris cercetările în Arrangement of Displacement Bodies in High-Speed Flight, din 17 decembrie 1943, pe baza cărora a primit un brevet în 1944. [3] Rezultatele cercetării lui Frenzel au fost prezentate publicului larg în martie 1944 la Academia Germană de Cercetări Aeronautice ( Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung ) în cadrul unei prelegeri susținute de Theodor Zobel „Modalități noi calitative de îmbunătățire a performanței aeronavelor de mare viteză” (Moduri fundamental noi de a crește performanța aeronavelor de mare viteză). [patru]
Proiectarea ulterioară a aeronavelor germane în anii de război a fost realizată ținând cont de această descoperire, așa cum demonstrează, de exemplu, fuzelajele îngustate în partea de mijloc a unor avioane precum avioanele de luptă Messerschmitt P.1112 (dezvoltarile au fost utilizate pentru a crea Avionul american de luptă F7U ) [5] [6] , Messerschmitt P.1106 și bombardierul Focke-Wulf Fw 239, cunoscut și sub numele de Focke-Wulf 1000x1000x1000 (încărcare bombe de 1000 kg, rază de acțiune de 1000 km, viteză 1000 km/h). ). În plus, modelele cu aripi delta, cum ar fi Henschel Hs 135, indică, de asemenea, utilizarea regulii zonei. Alți cercetători s-au apropiat de aceeași descoperire, în special Dietrich Küchemann , care a proiectat un avion de luptă cu o formă de con. fuselaj, numit de americani după descoperirea sa în 1946 a „Sticlei de Coca Cola Küchemann” (aprox. - o sticlă de Coca-Cola de la Küchemann). Küchemann a fost aproape de a descoperi regula zonei studiind mișcarea aerului pe o aripă înclinată de-a lungul anvergurului său. Măturarea aripilor, ca atare, este o aplicare indirectă a acestei reguli.
Wallace Hayes - unul dintre pionierii zborului supersonic - a venit să formuleze regula zonei în publicațiile sale, prima dintre acestea fiind disertația sa susținută la Institutul de Tehnologie din California în 1947. [7]
Richard Whitcomb , după care se numește regula zonei Whitcomb în Occident, a descoperit-o independent în 1952, în timp ce lucra la centrul de cercetare NASA de la Baza Forțelor Aeriene. Langley . În timp ce efectua cercetări într-un tunel de vânt cu o viteză de curgere de 0,95 M , a fost impresionat de creșterea rezistenței aerodinamice datorită formării undelor de șoc. Whitcomb a ajuns la concluzia că eliminarea neregulilor în secțiunea transversală ar ajuta la prevenirea unei creșteri accentuate a rezistenței, pentru care fuselajul aeronavei - cel puțin în teorie - ar trebui să fie aproape de un corp de rotație raționalizat de alungire maximă. [8] Undele de șoc erau clar vizibile în fotografiile făcute de așa-numitul. prin metoda schlieren, dar cauza apariției lor la viteze mult mai mici decât viteza sunetului, uneori nu mai mult de 0,70 M, a rămas necunoscută.
La sfârșitul anului 1951, Adolf Busemann , un celebru aerodinamist german care s-a mutat în Statele Unite după război, a ținut o prelegere la Centrul de Cercetare NASA . Subiectul prelegerii a fost comportamentul unui curent de aer care curge în jurul unei aeronave la viteze apropiate de numărul critic Mach, atunci când aerul încetează să se comporte ca un fluid incompresibil. Inginerii sunt obișnuiți să se gândească la aerul care curge lin în jurul corpului unei aeronave, cu toate acestea, la viteze mari, aerul „nu a avut timp” să curgă lin și, prin urmare, aerul s-a mișcat ca un flux format din țevi ( puteți, de asemenea, utilizați analogia cu un flux continuu de bușteni de-a lungul râului ). Subliniind conceptul său de mișcare a aerului de mare viteză în jurul unei aeronave, Busemann nu a vorbit despre „liniile de curgere”, în general acceptate, ci despre „tuburi de zbor”, și a sugerat în glumă că inginerii se consideră transportatori de conducte.
La câteva zile după această prelegere, Whitcomb a avut o perspectivă - cauza rezistenței aerodinamice mari a fost interferența reciprocă a „țevilor” de aer în spațiul tridimensional. Spre deosebire de conceptul acceptat anterior de flux de aer în jurul unei secțiuni transversale bidimensionale a unei aeronave, acum a fost necesar să se ia în considerare aerul la o oarecare distanță de aeronavă, care interacționează și cu aceste „țevi”. Whitcomb și-a dat seama că acum nu atât forma fuselajului a devenit importantă, ci forma întregului avion în ansamblu. Aceasta a însemnat că la dezvoltarea formei generale a aeronavei trebuia să se țină cont de secțiunea transversală suplimentară a aripilor și a cozii și că, pentru a se potrivi cel mai bine cu forma ideală, fuzelajul ar trebui să aibă o îngustare la punctul de andocare cu lor.
Imediat după descoperirea sa, regula zonei a fost aplicată în proiectarea aeronavei aflate în curs de dezvoltare la acel moment. Unul dintre cele mai cunoscute cazuri a fost reproiectarea personală de către Whitcomb a avionului de luptă american F-102 , a cărui performanță a fost semnificativ mai slabă decât se aștepta. [9] După „apăsarea” fuselajului din spatele aripilor și, în ciuda paradoxului aparent, creșterea volumului spatelui aeronavei, rezistența aerodinamică la viteze transonice a fost redusă semnificativ și a fost atinsă viteza de proiectare de 1,2 M. regula zonei a fost luată în considerare pe deplin la proiectarea aeronavei F-106 , care a rămas timp de mulți ani principalul interceptor pentru orice vreme al forțelor aeriene americane. [zece]
Multe aeronave ale vremii au fost reproiectate în mod similar, fie adăugând rezervoare suplimentare de combustibil, fie mărind dimensiunea cozii pentru a oferi o suprafață aerodinamică mai netedă. Bombardierul sovietic Tu-95 a primit mai multe carene proeminente ale trenului de aterizare în spatele ambelor motoare interne, ceea ce a mărit secțiunea transversală generală a aeronavei în spatele rădăcinilor aripilor. Versiunea civilă a acestei aeronave a fost cea mai rapidă aeronavă cu elice din lume din 1960. O soluție similară a fost utilizată în proiectarea aeronavei Convair 990 , unde s-au adăugat umflături la marginea de fugă a aripii pentru a preveni formarea undelor de șoc. Această aeronavă, cu o viteză de croazieră de până la Mach 0,89, este încă cel mai rapid avion de linie american. Inginerii de la „ Armstrong-Whitworth ” au propus o dezvoltare ulterioară a acestui concept sub forma unei aripi în formă de M, care avea o mișcare inversă la rădăcină. O astfel de aripă a făcut posibilă îngustarea fuzelajului pe ambele părți ale rădăcinii aripii, și nu doar după acesta, ceea ce a oferit un fuzelaj mai rațional și, în același timp, mai larg, în medie, în comparație cu aripa clasică înclinată.
Un exemplu interesant de aplicare a regulii zonei este forma fuselajului superior al Boeing 747 . [11] Această aeronavă a fost concepută pentru a transporta containere maritime standard pe puntea principală, în două stive câte două, care într-un accident ar putea prezenta un pericol grav pentru echipaj atunci când erau de obicei amplasate în cabina pilotului din fuzelajul din față. Prin urmare, cabina de pilotaj a fost mutată într-o mică „denivelare” deasupra punții, a cărei dimensiune - pe baza primatului actual al raționalizării la acel moment - a fost inițial redusă la minimum. Cu toate acestea, mai târziu s-a realizat că prelungirea acestei „denivelări” va da o reducere mult mai mare a rezistenței aerodinamice decât minimizarea acesteia, deoarece rezistența la val a cockpitului alungit al pilotului a „neutralizat” rezistența la undă a stabilizatorului de coadă. O nouă formă de cockpit a fost folosită pe această aeronavă încă din seria 747-300, care a crescut viteza de croazieră și a redus rezistența aerodinamică, precum și a crescut ușor capacitatea versiunii pentru pasageri a aeronavei.
Avioanele proiectate ținând cont de regula zonei (cum ar fi Blackburn Buccaneer și Northrop F-5 ) arătau ciudat în momentul în care au fost testate pentru prima dată și au fost numite „sticle de Cola zburătoare”. Cu toate acestea, regula zonei s-a dovedit a fi eficientă, iar mai târziu - când nu a fost luată în considerare atât de mult în proiectare, cât a fost prevăzută inițial în proiectarea aeronavelor - fuzelajele lor au început să capete din nou o formă mai familiară. În ciuda aplicării continue a acestei reguli, doar câteva aeronave au o „talie” distinctă, cum ar fi B-1B Lancer , Learjet 60 și Tu-160 . În prezent, același efect este obținut prin soluțiile de amenajare: o combinație între forma și poziția relativă a propulsoarelor și compartimentul de marfă pe vehiculele de lansare; poziția motoarelor în fața aripii Airbus A-380 și nu direct sub aceasta; poziția motoarelor în spatele fuselajului Cessna Citation X și nu pe părțile laterale ale acestuia; forma și locația copertinei cabinei pe F-22 etc.