Flugzeugflügellift: Formel

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Flugzeugflügellift: Formel
Flugzeugflügellift: Formel
Anonim

In jedem Luftfahrtdesignbüro gibt es eine Geschichte über eine Aussage des Chefdesigners. Nur der Verfasser der Aussage ändert sich. Und es klingt so: „Ich habe mich mein Leben lang mit Flugzeugen beschäftigt, aber ich verstehe immer noch nicht, wie dieses Stück Eisen fliegt!“. Immerhin ist Newtons erstes Gesetz noch nicht aufgehoben, und das Flugzeug ist eindeutig schwerer als Luft. Es ist notwendig herauszufinden, welche Kraft es nicht zulässt, dass eine Multi-Tonnen-Maschine zu Boden fällt.

Flugmethoden

Es gibt drei Arten zu reisen:

  1. Aerostatisch, wenn das Abheben vom Boden mit Hilfe eines Körpers erfolgt, dessen spezifisches Gewicht geringer ist als die Dichte der atmosphärischen Luft. Dies sind Ballons, Luftschiffe, Sonden und andere ähnliche Strukturen.
  2. Reaktiv, das ist die rohe Kraft eines Düsenstrahls aus brennbarem Brennstoff, der es ermöglicht, die Schwerkraft zu überwinden.
  3. Und schließlich die aerodynamische Methode der Auftriebserzeugung, wenn die Erdatmosphäre als Stützsubstanz für Fahrzeuge genutzt wird, die schwerer als Luft sind. Flugzeuge, Helikopter, Tragschrauber, Segelflugzeuge und übrigens auch Vögel bewegen sich mit dieser besonderen Methode.
planenFlugzeugflügelströmung
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Aerodynamische Kräfte

Ein Flugzeug, das sich durch die Luft bewegt, wird von vier multidirektionalen Hauptkräften beeinflusst. Herkömmlicherweise sind die Vektoren dieser Kräfte nach vorne, nach hinten, nach unten und nach oben gerichtet. Das ist fast ein Schwan, Krebs und Hecht. Die Kraft, die das Flugzeug vorwärts treibt, wird vom Motor erzeugt, rückwärts ist die natürliche Kraft des Luftwiderstands und nach unten ist die Schwerkraft. Nun, anstatt das Flugzeug fallen zu lassen - der Auftrieb, der durch den Luftstrom erzeugt wird, aufgrund der Umströmung des Flügels.

Kräfte, die auf den Flügel wirken
Kräfte, die auf den Flügel wirken

Standardatmosphäre

Der Zustand der Luft, ihre Temperatur und ihr Druck können in verschiedenen Teilen der Erdoberfläche erheblich variieren. Dementsprechend unterscheiden sich auch alle Eigenschaften von Flugzeugen, wenn sie an dem einen oder anderen Ort fliegen. Aus praktischen Gründen und um alle Eigenschaften und Berechnungen auf einen gemeinsamen Nenner zu bringen, haben wir uns daher darauf geeinigt, die sogenannte Standardatmosphäre mit den folgenden Hauptparametern zu definieren: Druck 760 mm Hg über dem Meeresspiegel, Luftdichte 1,188 kg pro Kubikmeter, Geschwindigkeit von Ton 340,17 Meter pro Sekunde, Temperatur +15 ℃. Mit zunehmender Höhe ändern sich diese Parameter. Es gibt spezielle Tabellen, die die Werte der Parameter für verschiedene Höhen offenbaren. Alle aerodynamischen Berechnungen sowie die Bestimmung der Leistungsmerkmale des Flugzeugs werden anhand dieser Indikatoren durchgeführt.

Segelflugzeug im Flug
Segelflugzeug im Flug

Das einfachste Prinzip, Auftrieb zu erzeugen

Wenn im entgegenkommenden LuftstromB. einen flachen Gegenstand zu platzieren, indem man die Handfläche aus dem Fenster eines fahrenden Autos streckt, spürt man diese Kraft, wie man so schön sagt, „an den Fingern“. Wenn Sie die Handfläche in einem kleinen Winkel relativ zum Luftstrom drehen, ist sofort zu spüren, dass zusätzlich zum Luftwiderstand eine weitere Kraft aufgetreten ist, die je nach Richtung des Drehwinkels nach oben oder unten zieht. Der Winkel zwischen der Körperebene (in diesem Fall die Handflächen) und der Richtung des Luftstroms wird als Anstellwinkel bezeichnet. Indem Sie den Anstellwinkel steuern, können Sie den Auftrieb steuern. Es ist leicht zu erkennen, dass mit zunehmendem Anstellwinkel die Kraft, die die Handfläche nach oben drückt, zunimmt, jedoch bis zu einem bestimmten Punkt. Und wenn es einen Winkel von fast 70-90 Grad erreicht, verschwindet es vollständig.

Flugzeugflügel

Die Hauptlagerfläche, die Auftrieb erzeugt, ist die Tragfläche des Flugzeugs. Das Flügelprofil ist normalerweise wie abgebildet tropfenförmig gebogen.

Flügelprofil
Flügelprofil

Wenn die Luft um den Flügel strömt, übersteigt die Geschwindigkeit der Luft, die am oberen Teil des Flügels vorbeiströmt, die Geschwindigkeit der unteren Strömung. In diesem Fall wird der statische Luftdruck oben niedriger als unter dem Flügel. Der Druckunterschied drückt den Flügel nach oben und erzeugt Auftrieb. Um den Druckunterschied zu gewährleisten, sind daher alle Flügelprofile asymmetrisch ausgeführt. Bei einem Flügel mit symmetrischem Profil bei Anstellwinkel Null ist der Auftrieb im Horizontalflug Null. Bei einem solchen Flügel besteht die einzige Möglichkeit, ihn zu erzeugen, darin, den Anstellwinkel zu ändern. Es gibt eine weitere Komponente der Hubkraft - induktiv. Sie istwird durch die nach unten gerichtete Neigung des Luftstroms durch die gekrümmte Unterseite des Flügels gebildet, was natürlich zu einer nach oben gerichteten Gegenkraft führt, die auf den Flügel wirkt.

Flugzeugreinigung
Flugzeugreinigung

Berechnung

Die Formel zur Berechnung der Auftriebskraft eines Flugzeugflügels lautet wie folgt:

Y=CyS(PV 2)/2

Wo:

  • Cy - Auftriebskoeffizient.
  • S - Flügelbereich.
  • V - freie Strömungsgeschwindigkeit.
  • P - Luftdichte.

Wenn mit Luftdichte, Flügelfläche und Geschwindigkeit alles klar ist, dann ist der Auftriebsbeiwert ein experimentell ermittelter Wert und keine Konstante. Sie variiert je nach Flügelprofil, Streckung, Anstellwinkel und anderen Werten. Wie Sie sehen können, sind die Abhängigkeiten bis auf die Geschwindigkeit größtenteils linear.

Dieser mysteriöse Koeffizient

Der Flügelauftriebskoeffizient ist ein mehrdeutiger Wert. Aufwändige mehrstufige Berechnungen werden noch experimentell verifiziert. Dies geschieht normalerweise in einem Windkanal. Für jedes Flügelprofil und für jeden Anstellwinkel ist sein Wert unterschiedlich. Und da der Flügel selbst nicht fliegt, sondern Teil des Flugzeugs ist, werden solche Tests an den entsprechenden verkleinerten Kopien von Flugzeugmodellen durchgeführt. Flügel werden selten separat getestet. Nach den Ergebnissen zahlreicher Messungen jedes einzelnen Flügels ist es möglich, die Abhängigkeit des Koeffizienten vom Anstellwinkel sowie verschiedene Diagramme, die die Abhängigkeit widerspiegeln, darzustellenAuftrieb von der Geschwindigkeit und dem Profil eines bestimmten Flügels sowie von der freigegebenen Mechanisierung des Flügels. Unten sehen Sie ein Beispieldiagramm.

Abhängigkeit vom Anstellwinkel
Abhängigkeit vom Anstellwinkel

Tatsächlich charakterisiert dieser Koeffizient die Fähigkeit des Flügels, den Druck der einströmenden Luft in Auftrieb umzuwandeln. Sein üblicher Wert liegt zwischen 0 und 2. Der Rekord liegt bei 6. Bisher ist eine Person sehr weit von natürlicher Perfektion entfernt. Beispielsweise erreicht dieser Koeffizient für einen Adler, wenn er sich mit einem gefangenen Gopher vom Boden erhebt, einen Wert von 14. Aus dem obigen Diagramm ist ersichtlich, dass eine Erhöhung des Anstellwinkels eine Erhöhung des Auftriebs auf bestimmte Winkelwerte bewirkt. Danach geht die Wirkung verloren und geht sogar in die entgegengesetzte Richtung.

Stallflow

Wie sagt man so schön, in Maßen ist alles gut. Jeder Flügel hat seine eigene Grenze in Bezug auf den Anstellwinkel. Der sogenannte überkritische Anstellwinkel führt zu einem Strömungsabriss an der Flügeloberseite, wodurch dieser den Auftrieb verliert. Der Strömungsabriss erfolgt ungleichmäßig über die gesamte Fläche des Flügels und wird von entsprechenden, äußerst unangenehmen Phänomenen wie Ruckeln und Kontrollverlust begleitet. Seltsamerweise hängt dieses Phänomen nicht sehr von der Geschwindigkeit ab, obwohl es sich auch auswirkt, aber der Hauptgrund für das Auftreten von Stall ist intensives Manövrieren, begleitet von überkritischen Anstellwinkeln. Aus diesem Grund ereignete sich der einzige Absturz des Flugzeugs Il-86, als der Pilot, der in einem leeren Flugzeug ohne Passagiere "angeben" wollte, abrupt zu steigen begann, was tragisch endete.

Widerstand

Hand in Hand mit Lift kommt Drag,verhindern, dass sich das Flugzeug vorwärts bewegt. Es besteht aus drei Elementen. Dies sind die Reibungskraft aufgrund der Lufteinwirkung auf das Flugzeug, die Kraft aufgrund der Druckdifferenz in den Bereichen vor dem Flügel und hinter dem Flügel und die oben diskutierte induktive Komponente, da der Vektor ihrer Wirkung gerichtet ist nicht nur nach oben, was zu einer Erhöhung des Auftriebs beiträgt, sondern auch zurück, um ein Verbündeter des Widerstands zu sein. Darüber hinaus ist eine der Komponenten des induktiven Widerstands die Kraft, die aufgrund des Luftstroms durch die Enden des Flügels auftritt und Wirbelströmungen verursacht, die die Abschrägung der Richtung der Luftbewegung erhöhen. Die Luftwiderstandsformel ist bis auf den Beiwert Su absolut identisch mit der Auftriebskraftformel. Er ändert sich zum Cx-Koeffizienten und wird ebenfalls experimentell bestimmt. Sein Wert übersteigt selten ein Zehntel von einem.

Drop-to-Drag-Verhältnis

Das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand wird aerodynamische Qualität genannt. Hierbei ist ein Merkmal zu beachten. Da die Formeln für die Auftriebskraft und die Widerstandskraft bis auf die Koeffizienten gleich sind, kann davon ausgegangen werden, dass die aerodynamische Qualität des Flugzeugs durch das Verhältnis der Koeffizienten Cy und Cx bestimmt wird. Der Graph dieses Verhältnisses für bestimmte Anstellwinkel wird Flügelpolar genannt. Ein Beispiel für ein solches Diagramm ist unten abgebildet.

Flügel polar
Flügel polar

Moderne Flugzeuge haben einen aerodynamischen Qualitätswert von etwa 17-21 und Segelflugzeuge - bis zu 50. Dies bedeutet, dass bei Flugzeugen der Flügelauftrieb optimale Bedingungen hat17-21 mal größer als die Widerstandskraft. Im Vergleich zum Flugzeug der Gebrüder Wright, das mit 6,5 Punkten bewertet wird, ist der Designfortschritt offensichtlich, aber der Adler mit dem unglücklichen Gopher in den Pranken ist noch weit entfernt.

Flugmodi

Verschiedene Flugmodi erfordern unterschiedliche Verhältnisse von Auftrieb zu Widerstand. Im Reiseflug ist die Geschwindigkeit des Flugzeugs ziemlich hoch, und der Auftriebskoeffizient, proportional zum Quadrat der Geschwindigkeit, hat hohe Werte. Die Hauptsache hier ist, den Widerstand zu minimieren. Beim Start und insbesondere bei der Landung spielt der Auftriebsbeiwert eine entscheidende Rolle. Die Geschwindigkeit des Flugzeugs ist gering, aber seine stabile Position in der Luft ist erforderlich. Eine ideale Lösung für dieses Problem wäre die Schaffung eines sogenannten adaptiven Flügels, der je nach Flugbedingungen seine Krümmung und sogar seine Fläche ändert, ungefähr so wie Vögel es tun. Bis die Konstrukteure erfolgreich waren, wird die Änderung des Auftriebskoeffizienten durch die Verwendung einer Flügelmechanisierung erreicht, die sowohl die Fläche als auch die Krümmung des Profils vergrößert, was durch Erhöhung des Widerstands den Auftrieb erheblich erhöht. Bei Kampfflugzeugen wurde eine Änderung des Schwungs des Flügels verwendet. Die Innovation ermöglichte es, den Luftwiderstand bei hohen Geschwindigkeiten zu reduzieren und den Auftrieb bei niedrigen Geschwindigkeiten zu erhöhen. Dieses Design erwies sich jedoch als unzuverlässig, und kürzlich wurden Frontflugzeuge mit einem festen Flügel hergestellt. Eine andere Möglichkeit, die Auftriebskraft eines Flugzeugflügels zu erhöhen, besteht darin, den Flügel zusätzlich mit einer Strömung von den Triebwerken anzublasen. Dies wurde im Militär implementiertTransportflugzeuge An-70 und A-400M, die sich aufgrund dieser Eigenschaft durch verkürzte Start- und Landestrecken auszeichnen.

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