Αεροτομή

Μια αεροτομή είναι μορφή πτέρυγας, λεπίδας (ενός έλικα, ενός στροφείου ή ενός στροβίλου) ή ιστίου.
Ένα σώμα σχήματος αεροτομής που κινείται μέσα σε ένα ρευστό παράγει αεροδυναμική δύναμη. Η συνιστώσα αυτής της δύναμης η κάθετη προς την κατεύθυνση της κίνησης ονομάζεται άντωση. Η συνιστώσα η παράλληλη προς την κατεύθυνση της κίνησης ονομάζεται οπισθέλκουσα. Οι αεροτομές που χρησιμοποιούνται σε αεροσκάφη υποηχητικής πτήσης έχουν χαρακτηριστικό σχήμα με στρογγυλεμένο πρόσθιο άκρο, και οξεία άκρη, και συχνά διαθέτουν συμμετρική καμπυλότητα των άνω και κάτω επιφανειών. Φύλλα παρόμοιας λειτουργίας σχεδιασμένα για το νερό ονομάζονται υδροτομές.
Η άντωση μιας αεροτομής είναι κατά κύριο λόγο αποτέλεσμα της γωνίας προσβολής και του σχήματος της. Όταν στρέφεται υπό κατάλληλη γωνία, η αεροτομή αποκλίνει τον εισερχόμενο αέρα (για αεροσκάφη σταθερής πτέρυγας, μια κινούμενη προς τα κάτω δύναμη), με αποτέλεσμα να ασκείται δύναμη στην αεροτομή προς την αντίθετη κατεύθυνση της απόκλισης. Αυτή η δύναμη είναι γνωστή ως αεροδυναμική δύναμη και μπορεί να αναλυθεί σε δύο συνιστώσες: άντωση και οπισθέλκουσα. Τα περισσότερα σχήματα αεροτομών χρειάζονται θετική γωνία προσβολής για να δημιουργήσουν άντωση, αλλά οι καμπύλες αεροτομές μπορούν να δημιουργήσουν άντωση με μηδενική γωνία προσβολής. Αυτή η «περιστροφή» του αέρα στην περιοχή της αεροτομής δημιουργεί καμπύλες ροές, με αποτέλεσμα τη χαμηλότερη πίεση στη μία πλευρά και την υψηλότερη πίεση στην άλλη. Αυτή η διαφορά πίεσης συνοδεύεται από διαφορά ταχύτητας, μέσω του Νόμου του Μπερνούλι, έτσι ώστε το προκύπτον πεδίο ροής γύρω από την αεροτομή να έχει υψηλότερη μέση ταχύτητα στην άνω επιφάνεια από ότι στην κάτω επιφάνεια. Η δύναμη άντωσης μπορεί να σχετίζεται άμεσα με τη μέση διαφορά ταχύτητας άνω/κάτω μέρους χωρίς υπολογισμό της πίεσης χρησιμοποιώντας την έννοια της κυκλοφορίας και το θεώρημα Κούτα-Γιουκόφσκι.

Επισκόπηση

Τα πτερύγια ενός αεροσκάφους σταθερών πτερύγων, οριζόντιοι και κάθετοι σταθεροποιητές κατασκευάζονται με διατομές σε σχήμα αεροτομής, όπως και τα πτερύγια του στροφείου του ελικοπτέρου. Οι αεροτομές βρίσκονται επίσης σε έλικες, ανεμιστήρες, συμπιεστές και στροβίλους. Τα ιστία είναι επίσης αεροτομές και οι υποθαλάσσιες επιφάνειες των πλοίων, όπως η καρίνα, είναι παρόμοιες σε διατομή και λειτουργούν σύμφωνα με τις ίδιες αρχές με τις αεροτομές. Τα υδρόβια και πτηνά όντα και ακόμη και πολλά φυτά και άμισχοι οργανισμοί χρησιμοποιούν αεροτομές/υδροτομές: συνηθισμένα παραδείγματα είναι τα φτερά των πουλιών και τα σώματα των ψαριών. Μια πτέρυγα σχήματος αεροτομής μπορεί να δημιουργήσει καθοδική δύναμη σε αυτοκίνητο ή άλλο μηχανοκίνητο όχημα, βελτιώνοντας την πρόσφυση.
Οποιοδήποτε αντικείμενο με γωνία προσβολής μέσα σε κινούμενο ρευστό, όπως μία επίπεδη πλάκα, ένα κτίριο ή ένα κατάστρωμα γέφυρας, θα παράγει αεροδυναμική δύναμη (η οποία ονομάζεται άντωση) κάθετη προς τη ροή. Οι αεροτομές είναι πιο αποτελεσματικά ανυψωτικά σχήματα, ικανά να παράγουν περισσότερη άντωση (μέχρι ένα σημείο) και να παράγουν άντωση με λιγότερη οπισθέλκουσα.
Στα δεξιά παρουσιάζεται μια καμπύλη άντωσης και οπισθέλκουσας που λαμβάνεται από δοκιμή σε αεροδυναμική σήραγγα. Η καμπύλη αντιπροσωπεύει μια αεροτομή με θετική καμπύλη, ώστε να δημιουργείται άντωση υπό μηδενική γωνία προσβολής. Με μεγαλύτερη γωνία προσβολής, η άντωση αυξάνεται με μία σχεδόν γραμμική σχέση, που ονομάζεται κλίση της καμπύλης ανύψωσης. Στις περίπου 18 μοίρες αυτή αεροτομή σταματά, και η άντωση μειώνεται τάχιστα πέρα από αυτό. Η πτώση της άντωσης μπορεί να εξηγηθεί από τη δράση της οριακής στρώσης της ανώτερης επιφάνειας, η οποία διαχωρίζει και πυκνώνει σε μεγάλο βαθμό πάνω από την ανώτερη επιφάνεια κατά και πέρα από τη γωνία διακοπής. Η μετατόπιση του πυκνού οριακού στρώματος αλλάζει το αποτελεσματικό τμήμα της αεροτομής, μειώνοντας ιδίως την αποτελεσματική καμπύλη του, η οποία τροποποιεί το συνολικό πεδίο ροής έτσι ώστε να μειώνεται η κυκλοφορία και η άντωση. Το παχύτερο οριακό στρώμα προκαλεί επίσης μεγάλη αύξηση της οπισθέλκουσας πίεσης, έτσι ώστε η συνολική οπισθέλκουσα να αυξάνεται απότομα κοντά στο σημείο απώλειας της ισορροπίας.
Ο σχεδιασμός αεροτομών είναι μια σημαντική πτυχή της αεροδυναμικής. Διαφορετικές αεροτομές εξυπηρετούν διαφορετικές καταστάσεις πτήσης. Οι ασύμμετρες αεροτομές μπορούν να δημιουργήσουν άντωση με μηδενική γωνία προσβολής, ενώ μια συμμετρική αεροτομή ταιριάζει καλύτερα σε πτήσεις συχνής αντιστροφής όπως σε ένα αεροβατικό αεροπλάνο. Στην περιοχή των πηδαλίων κλίσης και κοντά σε ένα ακροπτερύγιο μπορεί να χρησιμοποιηθεί μια συμμετρική αεροτομή για να αυξήσει το εύρος των γωνιών προσβολής για να αποφευχθεί η περιστροφή. Έτσι μπορεί να χρησιμοποιηθεί ένα μεγάλο εύρος γωνιών χωρίς διαχωρισμό οριακών στρωμάτων. Οι υποηχητικές αεροτομές έχουν μια κυρτή αιχμή, η οποία σε φυσικές καταστάσεις δεν είναι ευαίσθητη στη γωνία προσβολής. Ωστόσο, η διατομή δεν είναι αυστηρά κυκλική: η ακτίνα καμπυλότητας αυξάνεται πριν επιτευχθεί το μέγιστο πάχος ώστε να ελαχιστοποιηθεί η πιθανότητα διαχωρισμού οριακών στρωμάτων. Αυτό επιμηκύνει το πτερύγιο και μετακινεί το σημείο μέγιστου πάχους πίσω από την πρόσθια άκρη.
Οι υπερηχητικές αεροτομές είναι πολύ πιο γωνιακές σε σχήμα και μπορούν να έχουν μια πολύ αιχμηρή αιχμή, η οποία είναι πολύ ευαίσθητη στη γωνία προσβολής. Μια υπερκρίσιμη αεροτομή έχει το μέγιστο πάχος της κοντά στην αιχμή που έχει μεγάλο μήκος για να προσβάλει αργά την υπερηχητική ροή στις υποηχητικές ταχύτητες. Γενικά, τέτοιες διηχητικές αεροτομές καθώς και οι υπερηχητικές αεροτομές έχουν μικρή καμπύλη για να μειωθεί η απόκλιση οπισθέλκουσας. Οι σύγχρονες πτέρυγες αεροσκαφών μπορεί να έχουν διαφορετικά τμήματα αεροτομής κατά μήκος του εύρους των πτερύγων, με τη καθεμία βελτιστοποιημένη για τις συνθήκες σε κάθε τμήμα της πτέρυγας.
Οι κινητές συσκευές μεγάλης άντωσης και τα πτερύγια τοποθετούνται σε αεροτομές σχεδόν σε κάθε αεροσκάφος. Ένα πτερύγιο της ακμής λειτουργεί παρόμοια με ένα πηδάλιο κλίσης. Ωστόσο, σε αντίθεση με ένα πηδάλιο κλίσης, μπορεί να αποσπαστεί εν μέρει στην πτέρυγα αν δεν χρησιμοποιηθεί.
Μια πτέρυγα ελασματώδους ροής έχει μέγιστο πάχος στη μέση γραμμή καμπύλης. Η ανάλυση των εξισώσεων Νάβιερ-Στόουκς σε γραμμική κατάσταση δείχνει ότι μια αρνητική κλίση πίεσης κατά μήκος της ροής έχει το ίδιο αποτέλεσμα με τη μείωση της ταχύτητας. Έτσι με τη μέγιστη καμπύλη στη μέση, είναι δυνατή η διατήρηση μιας ελασματοειδούς ροής πάνω από το μεγαλύτερο μέρος της πτέρυγας σε υψηλότερη ταχύτητα πλεύσης. Ωστόσο, οποιαδήποτε επιφανειακή μόλυνση θα διαταράξει τη ελασματώδη ροή, καθιστώντας την τυρβώδη. Για παράδειγμα, με σταγόνες βροχής στην πτέρυγα, η ροή θα είναι τυρβώδης. Υπό ορισμένες συνθήκες, τα υπολείμματα των εντόμων σε κάποια πτέρυγα θα προκαλέσουν επίσης απώλεια μικρών περιοχών ελασματώδους ροής. Πριν από την έρευνα της NASA στη δεκαετία του 1970 και του 1980, η κοινότητα του αεροναυπηγικού σχεδιασμού αντιλήφθηκε μέσα από τις προσπάθειες εφαρμογής στην εποχή του Β΄ Παγκοσμίου Πολέμου ότι τα σχέδια της πτέρυγας με ελασματώδη ροή δεν ήταν πρακτικά χρησιμοποιώντας κοινές κατασκευαστικές ανεκτικότητες και επιφανειακές ατέλειες. Αυτή η πεποίθηση άλλαξε αφού αναπτύχθηκαν νέες μέθοδοι κατασκευής με σύνθετα υλικά (π.χ. ίνες γραφίτη) και εισήχθησαν μηχανικές μέθοδοι. Η έρευνα της NASA τη δεκαετία του 1980 αποκάλυψε την πρακτικότητα και τη χρησιμότητα του σχεδιασμού πτερύγων με ελασματώδη ροή και άνοιξε το δρόμο για εφαρμογές ελασματώδους ροής σε σύγχρονες πρακτικές επιφάνειες αεροσκαφών, από υποηχητικά αεροσκάφη γενικής αεροπορίας έως μεγάλα μεταγωγικά υπερηχητικά αεροσκάφη.
Έχουν δημιουργηθεί σχεδιαγράμματα για τον καθορισμό των αεροτομών - ένα παράδειγμα είναι το σύστημα NACA. Χρησιμοποιούνται επίσης διάφορα συστήματα δημιουργίας αεροτομών. Ένα παράδειγμα αεροτομής γενικού σκοπού που βρίσκει ευρεία εφαρμογή και προηγήθηκε του συστήματος NACA είναι το Clark-Y. Σήμερα, οι αεροτομές μπορούν να σχεδιαστούν για συγκεκριμένες λειτουργίες χρησιμοποιώντας αντίστροφα προγράμματα σχεδιασμού όπως τα PROFOIL, XFOIL και AeroFoil.