A területszabály egy olyan szabály a repülőgépek tervezésében, amely lehetővé teszi a hullámellenállás csökkentését közeli és szuperszonikus sebességeknél (Mach-számok M = 0,75 - M = 1,2). Ez a sebességtartomány a leggyakrabban használt a modern polgári és katonai repülés repülőgépei között.
A szonikushoz közeli repülési sebességeknél a légáramlás helyi sebessége elérheti a hangsebességet olyan helyeken, ahol az áramlás a repülőgép szerkezeti elemei körül halad. A sebesség értéke, amelynél ez a viselkedés megfigyelhető, a repülőgép kialakításától függően változik, és kritikus Mach-számnak nevezik . Az ilyen helyeken fellépő lökéshullámok hirtelen erős, gyorsan növekvő ellenállással rendelkeznek, amelyet hullámellenállásnak neveznek. A lökéshullámok erejének csökkentése érdekében a repülőgép keresztmetszeti területének a lehető legsimábban kell változnia a repülőgép teste mentén.
A területszabály kimondja, hogy két azonos keresztmetszeti terület hosszirányú eloszlású repülőgépnek azonos a hullámellenállása, függetlenül attól, hogy ez a terület eloszlik a törzsre keresztirányban (azaz magán a törzsön vagy a szárnyakon). Ezenkívül az erős lökéshullámok előfordulásának elkerülése érdekében ennek az eloszlásnak egyenletesnek kell lennie. E szabály alkalmazására példa a repülőgép törzsének szűkítése a szárnyak találkozásánál, hogy a keresztmetszeti terület ne változzon.
Ez a szabály a hangsebességnél nagyobb sebességeknél is érvényes, de alkalmazása ebben az esetben valamivel bonyolultabb: a keresztmetszeti terület helyett a Mach-kúp érintősíkjainak keresztmetszeti területeit használják. A hullámellenállás értéke egyenlő lesz a szakaszokra kiszámított ellenállásértékek összegével minden irányban. [1] A szuperszonikus repülőgépek tervezése során figyelembe vették a Mach-kúpot a tervezett sebességhez. Például M=1,3 sebesség esetén a kapott Mach-kúp szöge megközelítőleg μ = arcsin(1/1,3) = 50,3°. Ebben az esetben a repülőgép "ideális formája" "visszahúzódik". Klasszikus példái ennek a kialakításnak a Concorde és a Tu-144 .
A területszabályt Otto Frenzel fedezte fel 1943-ban, miközben tanulmányozta a levegő áramlását egy elsodort szárny és egy W alakú szárny körül, amelyeknek rendkívül nagy hullámellenállása volt. [2] Ezt az összehasonlító vizsgálatot a Junkers üzemben végezték egy transzonikus légáramlást biztosító szélcsatornában . Frenzel az Arrangement of Displacement Bodies in High-Speed Flight című 1943. december 17-i kutatását írta le, amely alapján 1944-ben szabadalmat kapott. [3] Frenzel kutatásának eredményeit 1944 márciusában mutatták be a nagyközönségnek a Német Repülési Kutatási Akadémián ( Deutsche Akademie der Luftfahrtforschung) Theodor Zobel „Minőségileg új módszerek a nagysebességű repülőgépek teljesítményének javítására” című előadásán. (Alapvetően új módszerek a nagy sebességű repülőgépek teljesítményének növelésére). [négy]
A háború éveiben a német repülőgépek további tervezése ennek a felfedezésnek a figyelembevételével történt, amit például a Messerschmitt P.1112 típusú repülőgépek középső részén szűkített törzsek is bizonyítanak (a fejlesztéseket felhasználták a Amerikai hordozó alapú vadászgép F7U ) [5] [6] , Messerschmitt P.1106 és a Focke-Wulf Fw 239 bombázó, más néven Focke-Wulf 1000x1000x1000 (1000 kg bombaterhelés, 1000 km hatótáv, 1000 km/óra) ). Emellett a deltaszárnyú tervek, például a Henschel Hs 135 is a területszabály használatára utalnak. Néhány más kutató is közel állt ugyanahhoz a felfedezéshez, különösen Dietrich Küchemann , aki egy kúp alakú vadászgépet tervezett törzs, amelyet az amerikaiak neveztek el, miután 1946-ban felfedezték a "Küchemann Coke Bottle"-t (kb. - egy üveg Coca-Cola a Küchemanntól). Küchemann közel került a területszabály felfedezéséhez azáltal, hogy tanulmányozta a levegő mozgását egy elsodort szárnyon annak fesztávolsága mentén. A szárnyseprés, mint olyan, ennek a szabálynak a közvetett alkalmazása.
Wallace Hayes - a szuperszonikus repülés egyik úttörője - publikációiban fogalmazta meg a területszabályt, ezek közül az első a California Institute of Technology -n 1947-ben megvédett disszertációja volt. [7]
Richard Whitcomb , akiről nyugaton a Whitcomb területszabályt nevezik, 1952-ben, a NASA kutatóközpontjában , a légitámaszponton önállóan fedezte fel. Langley . Amikor egy 0,95 M áramlási sebességű szélcsatornában végzett kutatásokat,lenyűgözte alökéshullámok képződése következtében megnövekedett aerodinamikai ellenállás . Whitcomb arra a következtetésre jutott, hogy a keresztmetszet szabálytalanságainak kiküszöbölése segít megelőzni az ellenállás meredek növekedését, amelyhez a repülőgép törzsének - legalábbis elméletben - közel kell lenniemaximális megnyúlású , áramvonalas forgástesthez . [8] A lökéshullámok jól láthatóak voltak a fényképeken, amelyeket az ún. a schlieren-módszerrel, de a hangsebességnél jóval alacsonyabb, esetenként 0,70 M-nél nem nagyobb sebességeknél bekövetkezett előfordulásuk oka ismeretlen maradt.
1951 végén Adolf Busemann , a híres német aerodinamikus, aki a háború után az Egyesült Államokba költözött, előadást tartott a NASA Kutatóközpontjában . Az előadás témája a repülőgép körül a kritikus Mach-számot megközelítő sebességgel áramló légáram viselkedése volt, amikor a levegő már nem összenyomhatatlan folyadékként viselkedik. A mérnökök megszokták, hogy a levegő egyenletesen áramlik a repülőgép teste körül, azonban nagy sebességnél a levegőnek "nem volt ideje" simán körbefolyni, ezért a levegő csövekből álló patakként mozgott ( ezt is használja az analógiát a folyó mentén tutajozott, folyamatos rönkfolyammal ). A repülőgép körüli nagysebességű légmozgás koncepcióját felvázolva Busemann nem az általánosan elfogadott "áramlási vonalakról", hanem a "repülőcsövekről" beszélt, és viccesen azt javasolta, hogy a mérnökök tekintsék magukat csővezetékesnek.
Néhány nappal az előadás után Whitcomb rálátást kapott - a nagy aerodinamikai ellenállás oka a levegő "csövek" kölcsönös interferenciája volt a háromdimenziós térben. Ellentétben a repülőgép kétdimenziós keresztmetszete körüli légáramlás korábban elfogadott koncepciójával, most a repülőgéptől bizonyos távolságra kellett figyelembe venni a levegőt, amely szintén kölcsönhatásba lép ezekkel a „csövekkel”. Whitcomb rájött, hogy most nem annyira a törzs formája lett a fontos, hanem az egész repülőgép formája, mint egész. Ez azt jelentette, hogy a repülőgép összformájának kialakításakor figyelembe kellett venni a szárnyak és a farok további keresztmetszetét , és az ideális alakhoz való legjobb illeszkedés érdekében a törzset a dokkolópontnál szűkíteni kell. őket.
Felfedezése után azonnal alkalmazták a területszabályt az akkori fejlesztés alatt álló repülőgép tervezésénél. Az egyik leghíresebb eset az volt, hogy Whitcomb személyesen áttervezte az amerikai F-102-es vadászgépet , amelynek teljesítménye a vártnál lényegesen rosszabb volt. [9] A szárnyak mögötti törzs „benyomása” és a látszólagos paradoxon ellenére a repülőgép hátsó részének térfogatának növelése után az aerodinamikai légellenállás transzonikus sebességeknél jelentősen lecsökkent, és elérte az 1,2 M-es tervezési sebességet. A területszabályt teljes mértékben figyelembe vették az F-106-os repülőgép tervezésekor , amely sok éven át az Egyesült Államok légierejének fő minden időjárási elfogója maradt. [tíz]
Sok korabeli repülőgépet hasonlóan alakítottak át, vagy extra üzemanyagtartályt adtak hozzá, vagy megnövelték a farok méretét, hogy simább szárnyszárnyat biztosítsanak. A szovjet Tu-95 bombázó mindkét belső hajtómű mögött több kiálló futómű-burkolatot kapott, ami megnövelte a repülőgép teljes keresztmetszetét a szárnygyökerek mögött. Ennek a repülőgépnek a polgári változata 1960 óta a világ leggyorsabb légcsavaros repülőgépe. Hasonló megoldást alkalmaztak a Convair 990 repülőgép tervezésénél is , ahol a szárny kifutó éléhez dudorokat adtak, hogy megakadályozzák a lökéshullámok kialakulását. Ez a repülőgép 0,89 Mach utazósebességgel még mindig a leggyorsabb amerikai utasszállító. Az " Armstrong-Whitworth " mérnökei ennek a koncepciónak a továbbfejlesztését javasolták M-alakú szárny formájában, amelynek gyökerében fordított söprés volt. Egy ilyen szárny lehetővé tette a törzs szűkítését a szárnygyökér mindkét oldalán, és nem csak utána, ami a klasszikus söpört szárnyhoz képest áramvonalasabb és egyben átlagosan szélesebb törzset adott.
A területszabály alkalmazásának érdekes példája a Boeing 747 -es felső törzsének formája . [11] Ezt a repülőgépet úgy tervezték, hogy szabványos szállítókonténereket szállítson a főfedélzeten, két egymás melletti halomban, amelyek baleset esetén komoly veszélyt jelenthetnek a személyzetre, amikor általában a pilótakabinban helyezkedtek el az elülső törzsben. Ezért a pilótafülkét a fedélzet feletti kis "dudorba" helyezték át, amelynek mérete - az akkori áramvonalasítás jelenlegi elsődlegessége alapján - kezdetben minimálisra csökkent. Később azonban rájöttek, hogy ennek a "dudornak" a meghosszabbítása sokkal nagyobb aerodinamikai légellenállás-csökkenést eredményez, mint annak minimalizálása, mivel a hosszúkás pilótafülke hullámellenállása "semlegesítette" a farok stabilizátorának hullámellenállását. Ezen a repülőgépen a 747-300-as sorozat óta új pilótafülke-formát alkalmaznak, ami növelte az utazósebességet és csökkentette az aerodinamikai ellenállást, valamint kismértékben növelte a repülőgép utasszállító változatának kapacitását.
A területszabályt szem előtt tartva tervezett repülőgépek (mint például a Blackburn Buccaneer és a Northrop F-5 ) furcsán néztek ki, amikor először tesztelték őket, és "repülő kólásüvegnek" nevezték őket. A területszabály azonban hatásosnak bizonyult, és később - amikor már nem annyira vették figyelembe a tervezésnél, mint a repülőgépek tervezésénél eleinte lefektették - törzsük ismét ismerősebb formát öltött. A szabály folyamatos alkalmazása ellenére csak néhány repülőgépnek van külön "dereka", mint például a B-1B Lancer , a Learjet 60 és a Tu-160 . Jelenleg ugyanazt a hatást érik el az elrendezési megoldások: a hordozórakétákon a nyomásfokozók és a raktér alakjának és egymáshoz viszonyított helyzetének kombinációja; a hajtóművek helyzete az Airbus A-380 szárnya előtt , és nem közvetlenül alatta; a hajtóművek helyzete a Cessna Citation X törzse mögött , és nem annak oldalain; a pilótafülke ernyőjének alakja és elhelyezkedése az F-22 -n stb.