Diese Widerstandskraft tritt in Flugzeugen aufgrund von Flügeln oder einem Auftriebskörper auf, die Luft umleiten, um Auftrieb zu verursachen, und in Autos mit Tragflächen, die Luft umleiten, um Abtrieb zu verursachen. Samuel Langley bemerkte, dass flachere Platten mit höherem Seitenverhältnis einen höheren Auftrieb und einen geringeren Luftwiderstand hatten und 1902 eingeführt wurden. Ohne die Erfindung der aerodynamischen Qualität des Flugzeugs wäre modernes Flugzeugdesign unmöglich.
Heben und Bewegen
Die aerodynamische Gesamtkraft, die auf einen Körper wirkt, setzt sich üblicherweise aus zwei Komponenten zusammen: Auftrieb und Verdrängung. Definitionsgemäß wird die Kraftkomponente parallel zur Gegenströmung als Weg bezeichnet, während die Komponente senkrecht zur Gegenströmung als Auftrieb bezeichnet wird.
Diese aerodynamischen Grundlagen sind für die Analyse der aerodynamischen Qualität des Flügels von großer Bedeutung. Der Auftrieb wird durch Änderung der Strömungsrichtung um den Flügel herum erzeugt. ÄndernRichtung führt zu einer Geschwindigkeitsänderung (auch wenn es keine Geschwindigkeitsänderung gibt, wie bei einer gleichförmigen Kreisbewegung zu sehen ist), die Beschleunigung ist. Um die Strömungsrichtung zu ändern, muss daher eine Kraft auf das Fluid ausgeübt werden. Dies ist an jedem Flugzeug deutlich sichtbar, sehen Sie sich nur die schematische Darstellung der aerodynamischen Qualität der An-2 an.
Aber nicht alles ist so einfach. Um das Thema der aerodynamischen Qualität eines Flügels fortzusetzen, ist es erwähnenswert, dass die Erzeugung des Luftauftriebs darunter bei einem höheren Druck erfolgt als der Luftdruck darüber. Bei einem Flügel mit endlicher Spannweite bewirkt dieser Druckunterschied, dass Luft von der Wurzel des Flügels mit der unteren Oberfläche zur Basis seiner oberen Oberfläche strömt. Dieser fliegende Luftstrom verbindet sich mit strömender Luft, um eine Geschwindigkeits- und Richtungsänderung zu bewirken, die den Luftstrom verdreht und Wirbel entlang der Hinterkante des Flügels erzeugt. Die entstehenden Wirbel sind instabil, sie verbinden sich schnell zu Flügelwirbeln. Die entstehenden Wirbel verändern die Geschwindigkeit und Richtung des Luftstroms hinter der Hinterkante, lenken ihn nach unten ab und verursachen dadurch einen Schlag hinter dem Flügel. Aus dieser Sicht hat beispielsweise das MS-21-Flugzeug ein hohes Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand.
Luftstromregelung
Die Wirbel wiederum verändern den Luftstrom um den Flügel herum und verringern die Fähigkeit des Flügels, Auftrieb zu erzeugen, sodass für denselben Auftrieb ein höherer Anstellwinkel erforderlich ist, wodurch die gesamte aerodynamische Kraft nach hinten geneigt und die Widerstandskomponente von erhöht wird diese Kraft. Die Winkelabweichung ist vernachlässigbarwirkt sich auf den Auftrieb aus. Es gibt jedoch eine Erhöhung des Luftwiderstands gleich dem Produkt aus dem Auftrieb und dem Winkel, aufgrund dessen er abweicht. Da die Auslenkung selbst eine Funktion des Auftriebs ist, ist der zusätzliche Luftwiderstand proportional zum Steigwinkel, was deutlich in der Aerodynamik des A320 zu sehen ist.
Historische Beispiele
Ein rechteckiger Planetenflügel erzeugt mehr Wirbelschwingungen als ein konischer oder elliptischer Flügel, weshalb viele moderne Flügel konisch zulaufen, um das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand zu verbessern. Die elliptische Flugzeugzelle ist jedoch effizienter, da der induzierte Wind (und damit der effektive Anstellwinkel) über die gesamte Spannweite der Flügel konstant ist. Aufgrund von Herstellungskomplikationen haben nur wenige Flugzeuge diese Planform, die berühmtesten Beispiele sind die Spitfire aus dem Zweiten Weltkrieg und die Thunderbolt. Sich verjüngende Flügel mit geraden Vorder- und Hinterkanten können sich einer elliptischen Auftriebsverteilung annähern. Als allgemeine Regel gilt, dass gerade, nicht verjüngte Flügel 5 % und verjüngte Flügel 1-2 % mehr induzierten Widerstand erzeugen als ein elliptischer Flügel. Daher haben sie eine bessere aerodynamische Qualität.
Verhältnismäßigkeit
Ein Flügel mit hoher Streckung erzeugt weniger induzierten Luftwiderstand als ein Flügel mit niedriger Streckung, da an der Spitze eines längeren, dünneren Flügels weniger Luftverwirbelungen auftreten. Daher die induzierteWiderstand kann umgekehrt proportional zur Proportionalität sein, egal wie paradox es klingen mag. Die Auftriebsverteilung kann auch durch Auswaschen, Verdrehen des Flügels, um den Abfall zu den Flügeln zu verringern, und durch Ändern des Profils in der Nähe der Flügel geändert werden. Dadurch bekommt man mehr Auftrieb näher an die Flügelwurzel und weniger an den Flügel, was zu einer Abnahme der Stärke der Flügelwirbel und dementsprechend zu einer Verbesserung der aerodynamischen Qualität des Flugzeugs führt.
In der Geschichte des Flugzeugbaus
Bei einigen frühen Flugzeugen waren die Leitwerke an den Spitzen der Leitwerke angebracht. Spätere Flugzeuge haben eine andere Flügelform, um die Intensität der Wirbel zu reduzieren und ein maximales Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand zu erreichen.
Treibstofftanks mit Laufrad auf dem Dach können auch einige Vorteile bieten, indem sie einen chaotischen Luftstrom um den Flügel herum verhindern. Heute werden sie in vielen Flugzeugen eingesetzt. Die aerodynamische Qualität der DC-10 wurde in dieser Hinsicht zu Recht als revolutionär angesehen. Der moderne Luftfahrtmarkt wird jedoch seit langem mit viel fortschrittlicheren Modellen aufgefüllt.
Drag-to-Drag-Formel: einfach erklärt
Zur Berechnung des Gesamtwiderstandes muss der sogenannte parasitäre Widerstand berücksichtigt werden. Da der induzierte Luftwiderstand umgekehrt proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit (bei einem bestimmten Auftrieb) ist, während der parasitäre Luftwiderstand direkt proportional dazu ist, zeigt die Gesamtwiderstandskurve die Mindestgeschwindigkeit. Flugzeug,fliegt mit einer solchen Geschwindigkeit, arbeitet mit optimalen aerodynamischen Eigenschaften. Gemäß den obigen Gleichungen tritt die Geschwindigkeit des minimalen Widerstands bei einer Geschwindigkeit auf, bei der der induzierte Widerstand gleich dem parasitären Widerstand ist. Dies ist die Geschwindigkeit, bei der der optimale Schräglaufwinkel für im Leerlauf befindliche Flugzeuge erreicht wird. Um nicht unbegründet zu sein, betrachten Sie die Formel am Beispiel eines Flugzeugs:
Die Fortsetzung der Formel ist auch ziemlich merkwürdig (Bild unten): Höher zu fliegen, wo die Luft dünner ist, erhöht die Geschwindigkeit, bei der der minimale Luftwiderstand auftritt, und ermöglicht somit eine schnellere Fortbewegung bei gleicher Menge an Luft Kraftstoff.
Wenn ein Flugzeug mit seiner maximal zulässigen Geschwindigkeit fliegt, dann die Höhe, in der ihm die Luftdichte die beste aerodynamische Qualität verleiht. Die optimale Höhe bei maximaler Geschwindigkeit und die optimale Geschwindigkeit bei maximaler Höhe können sich während des Fluges ändern.
Ausdauer
Geschwindigkeit für maximale Ausdauer (d.h. Zeit in der Luft) ist die Geschwindigkeit für minimalen Kraftstoffverbrauch und weniger Geschwindigkeit für maximale Reichweite. Der Kraftstoffverbrauch errechnet sich als Produkt aus der geforderten Leistung und dem spezifischen Kraftstoffverbrauch pro Motor (Kraftstoffverbrauch pro Leistungseinheit). Die benötigte Leistung ist gleich der Schleppzeit.
Geschichte
Die Entwicklung der modernen Aerodynamik begann erst im XVIIJahrhunderte, aber aerodynamische Kräfte werden von Menschen seit Tausenden von Jahren in Segelbooten und Windmühlen genutzt, und Bilder und Geschichten des Fliegens erscheinen in allen historischen Dokumenten und Kunstwerken, wie der antiken griechischen Legende von Ikarus und Dädalus. Die grundlegenden Konzepte von Kontinuum, Widerstand und Druckgradienten tauchen in den Arbeiten von Aristoteles und Archimedes auf.
Im Jahr 1726 entwickelte Sir Isaac Newton als Erster die Theorie des Luftwiderstands und machte sie zu einem der ersten Argumente über aerodynamische Eigenschaften. Der niederländisch-schweizerische Mathematiker Daniel Bernoulli schrieb 1738 eine Abhandlung mit dem Titel Hydrodynamica, in der er die grundlegende Beziehung zwischen Druck, Dichte und Strömungsgeschwindigkeit für inkompressible Strömungen beschrieb, die heute als Bernoulli-Prinzip bekannt ist und eine Methode zur Berechnung des aerodynamischen Auftriebs bietet. 1757 veröffentlichte Leonhard Euler die allgemeineren Euler-Gleichungen, die sowohl auf kompressible als auch auf inkompressible Strömungen angewendet werden können. Die Euler-Gleichungen wurden in der ersten Hälfte des 18. Jahrhunderts um die Auswirkungen der Viskosität erweitert, was zu den Navier-Stokes-Gleichungen führte. Etwa zur gleichen Zeit wurde die aerodynamische Leistung/aerodynamische Qualität des Polar entdeckt.
Basierend auf diesen Ereignissen sowie der Forschung in ihrem eigenen Windkanal flogen die Gebrüder Wright am 17. Dezember 1903 das erste Flugzeug.
Arten der Aerodynamik
Aerodynamische Probleme werden nach Strömungsbedingungen oder Strömungseigenschaften klassifiziert, einschließlich Eigenschaften wie Geschwindigkeit, Kompressibilität und Viskosität. Sie werden am häufigsten in zwei Typen unterteilt:
- Externe Aerodynamik ist die Untersuchung der Strömung um feste Objekte verschiedener Formen herum. Beispiele für externe Aerodynamik sind die Bewertung von Auftrieb und Luftwiderstand eines Flugzeugs oder die Stoßwellen, die sich vor der Nase einer Rakete bilden.
- Innere Aerodynamik ist die Untersuchung der Strömung durch Passagen in festen Objekten. Zum Beispiel umfasst die interne Aerodynamik die Untersuchung des Luftstroms durch ein Strahltriebwerk oder durch den Schornstein einer Klimaanlage.
Aerodynamische Probleme können auch nach Strömungsgeschwindigkeiten unterhalb oder nahe der Schallgeschwindigkeit klassifiziert werden.
Das Problem heißt:
- Unterschall, wenn alle Geschwindigkeiten im Problem kleiner als die Schallgeschwindigkeit sind;
- transsonisch, wenn es Geschwindigkeiten sowohl unter als auch über der Schallgeschwindigkeit gibt (normalerweise, wenn die charakteristische Geschwindigkeit ungefähr gleich der Schallgeschwindigkeit ist);
- Überschall, wenn die charakteristische Strömungsgeschwindigkeit größer als die Schallgeschwindigkeit ist;
- Hyperschall, wenn die Strömungsgeschwindigkeit viel größer ist als die Schallgeschwindigkeit.
Aerodynamiker sind sich über die genaue Definition der Hyperschallströmung nicht einig.
Der Einfluss der Viskosität auf den Durchfluss erfordert eine dritte Klassifizierung. Einige Probleme haben möglicherweise nur sehr geringe viskose Auswirkungen, in diesem Fall kann die Viskosität als vernachlässigbar angesehen werden. Annäherungen an diese Probleme werden als inviszid bezeichnetStrömungen. Strömungen, bei denen die Viskosität nicht vernachlässigt werden kann, nennt man viskose Strömungen.
Kompressibilität
Eine inkompressible Strömung ist eine Strömung, bei der die Dichte sowohl zeitlich als auch räumlich konstant ist. Obwohl alle realen Flüssigkeiten kompressibel sind, wird die Strömung oft als inkompressibel angenähert, wenn der Effekt einer Dichteänderung nur kleine Änderungen in den berechneten Ergebnissen verursacht. Dies ist wahrscheinlicher, wenn die Strömungsgeschwindigkeit deutlich unter der Schallgeschwindigkeit liegt. Die Auswirkungen der Kompressibilität sind bei Geschwindigkeiten nahe oder höher als der Schallgeschwindigkeit signifikanter. Die Mach-Zahl wird verwendet, um die Möglichkeit einer Inkompressibilität zu bewerten, ansonsten müssen Kompressibilitätseffekte einbezogen werden.
Nach der Theorie der Aerodynamik gilt die Strömung als komprimierbar, wenn sich die Dichte entlang der Stromlinie ändert. Das bedeutet, dass im Gegensatz zu einer inkompressiblen Strömung Dichteänderungen berücksichtigt werden. Im Allgemeinen ist dies der Fall, wenn die Machzahl eines Teils oder der gesamten Strömung 0,3 übersteigt. Der Machwert von 0,3 ist eher willkürlich, wird aber verwendet, weil eine Gasströmungunter diesem Wert weniger als 5 % Dichteänderungen aufweist. Außerdem tritt die maximale Dichteänderung von 5 % am Staupunkt auf (dem Punkt auf dem Objekt, an dem die Strömungsgeschwindigkeit Null ist), während die Dichte um den Rest des Objekts herum viel geringer ist. Transsonische, Überschall- und Hyperschallströmungen sind alle komprimierbar.
Schlussfolgerung
Aerodynamik ist heute eine der wichtigsten Wissenschaften der Welt. Sie versorgt unshochwertige Flugzeuge, Schiffe, Autos und Comic-Shuttles zu bauen. Es spielt eine große Rolle bei der Entwicklung moderner Waffentypen - ballistische Raketen, Booster, Torpedos und Drohnen. All dies wäre unmöglich, wenn es nicht moderne fortschrittliche Konzepte aerodynamischer Qualität gäbe.
So wandelten sich die Vorstellungen über das Thema des Artikels von schönen, aber naiven Fantasien über Ikarus zu funktionalen und wirklich funktionierenden Flugzeugen, die zu Beginn des letzten Jahrhunderts aufkamen. Heutzutage können wir uns unser Leben ohne Autos, Schiffe und Flugzeuge nicht mehr vorstellen, und diese Fahrzeuge werden durch neue Durchbrüche in der Aerodynamik immer besser.
Die aerodynamischen Eigenschaften von Segelflugzeugen waren zu ihrer Zeit ein echter Durchbruch. Alle Entdeckungen auf diesem Gebiet wurden zunächst durch abstrakte, manchmal realitätsferne, theoretische Berechnungen gemacht, die von französischen und deutschen Mathematikern in ihren Labors durchgeführt wurden. Später wurden alle ihre Formeln für andere, fantastischere (nach den Maßstäben des 18. Jahrhunderts) Zwecke verwendet, wie zum Beispiel die Berechnung der idealen Form und Geschwindigkeit zukünftiger Flugzeuge. Im 19. Jahrhundert wurden diese Geräte in großen Stückzahlen gebaut, angefangen mit Segelflugzeugen und Luftschiffen wechselten die Europäer nach und nach zum Bau von Flugzeugen. Letztere wurden zunächst ausschließlich für militärische Zwecke genutzt. Die Asse des Ersten Weltkriegs zeigten, wie wichtig die Frage der Vorherrschaft in der Luft für jedes Land ist, und die Ingenieure der Zwischenkriegszeit entdeckten, dass solche Flugzeuge nicht nur für das Militär, sondern auch für Zivilisten effektiv sind. Tore. Im Laufe der Zeit ist die Zivilluftfahrt fest in unser Leben getreten, und heute kann kein einziger Staat mehr darauf verzichten.
