Передмова

Є багато чудових підручників, які охоплюють тему продуктивності літаків, а також пов'язані з ними аеродинамічної теорії. До них відносяться тексти, перераховані нижче:
• Андерсон, Джон Д., молодший, продуктивність та дизайн літаків, Макгроу Хілл, Нью-Йорк, 1999 та пізніші видання.
• Houghton, E.L. і Carruthers, N.B., аеродинаміка для студентів-інженерів, Арнольд, Лондон, 1982 і пізніші видання
• Ешелбі, Мартін Е. продуктивність літаків, теорія і практика, Арнольд, Лондон, 2000
• Мейр, Остін і Бердсолл, David L. продуктивність літаків, Кембриджська аерокосмічна серія 5, Кембриджський університетський прес

Я особливо рекомендую текст мого давнього друга Джона Андерсона, який надихнув мій зростаючий інтерес до історії авіації історичними вставками, знайденими у всіх його чудових книгах та завдяки своїм видатним розмовам про історію як авіації, так і аеродинаміки. Я лише хотів би, щоб видавці цих текстів могли зробити їх доступними для студентів за розумною ціною.

Великі видавництва люблять говорити нам, що високі ціни, які вони стягують за інженерно-технічні тексти, є результатом публікації відносно невеликої кількості книг (у порівнянні з основною літературою). Правда полягає в тому, що можна піти в будь-яку професійну поліграфічну компанію в країні і отримати 1000 примірників професійно пов'язаної, 200 сторінок, м'якою обкладинкою книги, надрукованої вартістю менше 10 доларів за копію. Я знаю це, тому що я зробив це з іншою книгою, яку я написав і опублікував самостійно. Я також знаю, що галузь підручників часто заохочує авторів робити непотрібні ревізії своїх книг кожні п'ять або близько того років з єдиною метою зробити використані копії своїх минулих видань «застарілими», і що звичайною практикою є підвищення ціни підручника приблизно $5 щороку, навіть якщо витрати не піднялися ні копійки.

Отже, як згадувалося в першому пункті вище, одна мотивація створення цього тексту полягає в тому, щоб дозволити моїм студентам отримати публікацію, яка буде обслуговувати їх потреби при економії 100 доларів або більше. Інший мотив - дати їм лише той матеріал, який їм дійсно потрібен для свого курсу, і дозволити їм знайти висвітлення, необхідне в інших курсах, у текстах, необхідних для цих курсів. Занадто багато авторів сьогодні, часто заохочуються їх видавцями, здається, хочуть створити підручники, які охоплюють кілька предметів. Результатом є те, що студентам в кінцевому підсумку доводиться купувати три-чотири різні тексти, які охоплюють однаковий широкий спектр предметів, таких як дозвукова аеродинаміка, надзвукова аеродинаміка, продуктивність літаків та теорія прикордонного шару в одному томі, коли професори, які викладають ці чотири окремі курси, всі віддають перевагу книги різних авторів.

Цей текст призначений для курсу з авіаційної продуктивності, який викладається до того, як студенти мали будь-який курс з механіки рідини, динаміки рідини або аеродинаміки. Текст покликаний надати важливу інформацію з цих типів курсів, яка необхідна для викладання основних дозвукових характеристик літальних апаратів, і передбачається, що студенти дізнаються повну історію аеродинаміки в інших, пізніших курсах. Текст передбачає, що студенти матимуть послідовність фізики університетського рівня, в якій вони будуть ознайомлені з найбільш фундаментальними поняттями статики, динаміки, механіки рідини та основних законів збереження, які необхідні для розуміння покриття, яке слід. Окремі курси з інженерної статики та динаміки корисні, але не потрібні. Передбачається також, що студенти пройдуть перший рік університетського рівня обчислення послідовності плюс курс з багатозмінним численням. Будь-який студент, який проходить курс, використовуючи цей текст після закінчення курсів з аеродинаміки або динаміки рідини, повинен знайти глави цієї книги, що охоплюють ці предмети, цікавий огляд матеріалу, можливо, з іншим акцентом, ніж раніше бачили.

Я намагався представити більшу частину матеріалу в цьому тексті з точки зору пілота, оскільки важливо, щоб інженер з виконання літаків міг стосуватися пілотів та їх потреб та словникового запасу. У той час як аерокосмічний інженер або навіть фахівець з продуктивності має мало спільного з фактично літаком, можна легко стверджувати, що реальний світовий досвід при управлінні літаком дає цінну перспективу в навчанні або аеродинаміки, або продуктивності літака. Я зобов'язаний своїм власним «практичним» досвідом польоту двом людям, моєму батькові, який почав літати в ранньому підлітковому віці і продовжував пілотувати свій власний літак майже до тих пір, поки він не помер у віці 80 років, і колишньому студенту бакалаврату та магістратурі, Девід Манор, який кинув виклик мені нарешті отримати ліцензію мого пілота та надав безкоштовний політ інструкція. Я ніколи не виправдаю бажання мого батька, щоб я поділяв його інтенсивну любов бути в літаку, коли це можливо, або до бажання доктора Манор, щоб всі ці студенти польоту стали пілотами-пілотами; однак, навіть відносно мирський досвід польоту по прямій лінії від точки А до точки Б має свій задовольняють моменти, якщо хтось готовий миритися з клопотами, накладеними FAA та погодою та обурливими витратами на втечу, які, здається, є наслідком насамперед урядового регулювання та необмеженої жадібності американських юристів. Кілька років тому я став жертвою тих високих витрат і розчарувань польоту і власності літака і продав свій літак. Тим не менш, досвід бути пілотом завжди буде смак, як я викладаю будь-який курс аерокосмічної техніки.

Щодо акцентів цього тексту, читач виявить, що, на відміну від багатьох технічних книг, цей витрачає менше часу та простору, ніж зазвичай, на суворі висновки теорії та більше часу, підкреслюючи практичне використання та обмеження отриманих теорій. Я також намагався підкреслити необхідність оцінки практичності своїх відповідей та суворого відстеження підрозділів за допомогою вирішення проблем. Це був мій досвід, що середньостатистичний студент сьогодні, як і широке населення, має дуже мало «відчувати» фізичну реальність і ще менше вдячності за реальність, виражену в незнайомих одиничних системах. На жаль, стрес на використання системи одиниць СІ в кожному курсі, взятому з дитячого садка через коледж, значно посилив цю відсутність вдячності за фізичну реальність.

Крім деякого розуміння фізичного розміру літра (або це літр?) що походить від покупки всього, від коксу до пива в літрових контейнерах, типовий американський студент абсолютно не відчуває фізичного розміру будь-якої одиниці СІ. Винятком може бути деяке підвищення фізичної довжини метра (або це метр?) серед людей, які брали участь у певній формі доріжки або плавання, або тих, кого навчили, що метр на кілька дюймів довше, ніж двір. Незважаючи на те, що американські студенти були завалені одиницями СІ в школі з п'ятого дня народження, мало хто мав би якесь уявлення про власну вагу в Ньютонах (або масу в кілограмах) або їх зріст у метрах. Не дивно, що коли студент в Aircraft Performance обчислює, що швидкість польоту Cessna 152 становить 750 метрів в секунду, він або вона йде весело на своєму шляху, не ставлячи під сумнів фізичну реальність цієї відповіді.

І проблема полягає не тільки в системі СІ. Оскільки більшість студентів викладали більшість курсів, використовуючи одиниці СІ замість більш звичних повсякденних «англійських» одиниць (англійці називають ці «американські» одиниці), їм також часто не вистачає будь-якої здатності думати про технічні проблеми та фізичну реальність їх рішень з точки зору «англійських» одиниць відповідей. Чи буде 1000 футів в секунду прийнятною швидкістю для цієї Cessna 152? Киньте кілька тисків у паскалі або фунтах на квадратний фут і змішайте кілька щільностей в кілограмах на кубічний метр або слимаків на кубічний фут, і сьогоднішній студент абсолютно не має уявлення, якщо величина будь-якого числа є правильною чи неправильною. Сьогодні навіть рідко можна знайти американського студента, який має якесь уявлення про те, скільки футів у милі.

Всупереч переконанням тих, хто наполегливо виступає за перетворення американського суспільства в одиниці СІ, це точно не американська проблема. Я працював зі студентами з усього світу і ще не знайшов того, хто може дати власну вагу тіла в Ньютоні або має будь-яке відчуття того, скільки Паскалів може представляти більш високий, ніж стандартний тиск повітря. І хто-небудь бачив рекламу автомобіля, який хвалився тим, скільки Ватт може виробляти поршневий двигун?

Було б також непогано, якби інженер з виконання літаків міг би ставитися до пілота літака, який використовується для вимірювання висот у футах, швидкості у вузлах та тиску повітря в мілібарі або дюймах ртутного стовпа, незалежно від його країни походження. Для того, щоб розібратися з усіма цими проблемами, сильний акцент буде зроблений на необхідності завжди носити належні одиниці з кожним числом (крім, звичайно, тих, які безроздільні) повністю через будь-яку проблему і переконатися, що кінцеві одиниці, пов'язані з будь-якою відповіддю, є правильними. У задачі, де студента просять обчислити максимальну швидкість літака, якщо відповідь виходить з одиницями метрів в квадраті в секунду, повинно бути очевидно, що десь була допущена помилка. Такий же сильний акцент буде зроблений на оцінці фізичної реальності величин всіх відповідей. Чи може Cessna 152, один двигун з поршневим приводом літака, літати зі швидкістю 600 футів/сек або 300 метрів в секунду або 100 вузлів? (Один з них є розумним).

На додаток до використання змішаних одиниць (з перевагою «англійська мова») я надав графічний папір з домашніми завданнями в кінці тексту, і я наполягаю на тому, що мої власні учні будують результати своєї роботи на цьому папері вручну, а не за допомогою комп'ютерних графіків.

Це, як і моє наполягання на перенесенні одиниць через рішення з усіма цифрами, є те, що я твердо вірю, спонукає студентів насправді витратити час, щоб подумати про свою роботу. Існує занадто велика тенденція для студентів, щоб просто підключити числа в рівняння і дозволити комп'ютеру робити математику і побудова, а потім припустити, що це неможливо для комп'ютера, щоб зробити щось неправильне. Надані графіки вже мають свої осі визначені та перераховані, таким чином надаючи студенту деяке уявлення про діапазон значень, які повинні вийти з його розрахунків.

У цьому третьому виданні цієї роботи я повністю переписав перші три глави тексту і додав дев'яту главу, присвячену темі «аналізу обмежень». У перших трьох розділах я намагався краще організувати презентацію основних аеродинамічних і текучих динамічних концепцій, які знадобляться для подальшого розвитку відносин продуктивності літаків. Я усунув деякі більш суворі похідні теорії динаміки рідини і спробував замість цього представити ті результуючі рівняння і поняття, такі як рівняння Бернуллі і збереження маси і імпульсу, в їх найбільш придатних формах і підкреслити припущення, пов'язані з цими формами і обмеження, які вони ставлять на використання цих понять і рівнянь. Я завжди відчував, що основна цінність у фактичному прийомі студентів через повне виведення рівнянь, які вони врешті-решт використовуватимуть, полягає в тому, щоб показати, звідки беруться важливі припущення і чому вони були зроблені. Однак, це був мій досвід, що більшість студентів просто налаштовуються під час таких деривацій або, якщо вони думають, що їм доведеться повернути похідні на тесті, вони вдаються до безглуздого запам'ятовування задіяних кроків і повністю втрачають з уваги важливі аспекти похідних, тобто вплив часто чисто математично обґрунтованих припущень про подальшу корисність кінцевих рівнянь.

Я повністю замінив третю главу попередніх видань, главу, яка спочатку була написана з іншою метою і написана в іншому стилі та формі від решти тексту. Багато концепцій, представлених в цьому розділі, були просто не актуальні для першого курсу з виконання літаків. Важливі частини цього матеріалу були об'єднані в перші дві глави цього видання таким чином, щоб слідувати кращому прогресу, ніж раніше, і краще ставитися до подальшого напрямку тексту.

Третя глава тепер містить деякі необов'язкові (для вступного курсу продуктивності літаків) охоплення двовимірних (аерокрил) і тривимірних (крило) теорії основ. Вони повинні допомогти задовольнити цікавість тих студентів, які хотіли б деякі дуже основні інструменти, які дозволять їм виконувати свої власні елементарні оцінки того, як фактори геометрії, такі як аеродинамічний розвал і співвідношення сторін крила може вплинути як на аеродинамічні, так і на продуктивність літаків.

Глава дев'ята охоплює новий матеріал, який я вперше представив у своєму другому курсі продуктивності літаків навесні 2003 року. Розділ охоплює концепцію «аналізу обмежень», широко використовуваний метод одночасної оцінки декількох параметрів продуктивності, таким чином, що літак може бути розроблений для досягнення цих цілей оптимальним чином, навіть якщо результати можуть бути не оптимальними, якщо розглядати окремо. Іншими словами, незважаючи на те, що попередні глави обговорювали, як отримати найкращу дальність або найкращу витривалість у круїзі або мінімальну відстань зльоту або максимальну швидкість повороту, не було жодної реальної дискусії про те, як зібрати їх разом в одній конструкції літака. Найкраща тяга або площа крила для оптимального діапазону може сильно відрізнятися від тих, для найкращої швидкості повороту або підйому. Аналіз обмежень - це метод оцінки продуктивності літака в різних його режимах з точки зору двох співвідношень, відношення тяги до ваги і навантаження на крило (відношення ваги до площинної площі).

Хоча деякі тексти аерокосмічної техніки вступного рівня обговорюють форму аналізу обмежень, вони зазвичай роблять це в дуже обмеженому контексті або спрямовані на один конкретний тип літаків (винищувачі, наприклад). Глава 9 намагається представити цей метод загальним чином, який може бути застосований до будь-якого типу літаків. Багато підручників з проектування літаків також дивляться на методи аналізу обмежень, але вони зазвичай роблять це занадто коротко, що передбачає, що студент може читати між рядками, щоб з'ясувати основу для різних сюжетів, представлених. Освітлення в дев'ятій главі базується на матеріалі, який я представляю в моєму власному курсі проектування літаків старшого рівня, і який представлений у тексті дизайну, який я написав у співавторстві з Ллойдом Дженкінсоном (Проекти дизайну літаків для студентів-інженерів, AIAA, 2002).

Джеймс Федорович Мархман, III
літо 2004 року