Format obrazu (lotnictwo) - Aspect ratio (aeronautics)

Popiół 31 szybowca o bardzo dużym wydłużeniu (AR = 33,5) i doskonałość aerodynamiczna (L / D = 56)

W aeronautyki The proporcje z skrzydła jest stosunek jego rozpiętości do swojej średniej cięciwy . Jest równy kwadratowi rozpiętości skrzydeł podzielonemu przez powierzchnię skrzydła. Tak więc długie, wąskie skrzydło ma wysoki wydłużenie, podczas gdy krótkie, szerokie skrzydło ma niski wydłużenie.

Współczynnik kształtu i inne cechy planu są często wykorzystywane do przewidywania wydajności aerodynamicznej skrzydła, ponieważ współczynnik siły nośnej do oporu wzrasta wraz z wydłużeniem, poprawiając oszczędność paliwa w samolotach z napędem i kąt szybowania szybowców.

Definicja

Współczynnik kształtu to stosunek kwadratu rozpiętości skrzydeł do rzutu powierzchni skrzydeł , który jest równy stosunkowi rozpiętości skrzydeł do standardowej średniej cięciwy :

Mechanizm

W uproszczeniu można sobie wyobrazić, że samolot w locie oddziałuje na okrągły cylinder powietrza o średnicy równej rozpiętości skrzydeł. Duża rozpiętość skrzydeł wpływa na duży cylinder powietrza, a mała ma wpływ na mały cylinder powietrza. Mały cylinder powietrzny musi być dociskany z większą siłą (zmiana energii na jednostkę czasu) niż duży cylinder, aby wytworzyć równą siłę skierowaną do góry (zmiana pędu na jednostkę czasu). Dzieje się tak, ponieważ nadanie tej samej zmiany pędu mniejszej masie powietrza wymaga nadania mu większej zmiany prędkości i znacznie większej zmiany energii, ponieważ energia jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, podczas gdy pęd jest tylko liniowo proporcjonalny do prędkości. Składowa odchylenia do tyłu tej zmiany prędkości jest proporcjonalna do indukowanego oporu , który jest siłą potrzebną do przyjęcia tej mocy przy tej prędkości.

Interakcja pomiędzy niezakłóconym powietrzem na zewnątrz cylindra powietrza a poruszającym się w dół cylindrem powietrza zachodzi na końcach skrzydeł i może być postrzegana jako wiry na końcach skrzydeł .

Należy pamiętać, że jest to drastyczne uproszczenie, a skrzydło samolotu wpływa na bardzo duży obszar wokół siebie.

Skrzydło o wyjątkowo wysokim wydłużeniu (AR=51,33) motoszybowca Eta zapewniające stosunek L/D 70

W samolocie

Skrzydło o umiarkowanych proporcjach (AR=5,6) Piper PA-28 Cherokee
Skrzydło o wysokim wydłużeniu (AR=12,8) Bombardier Dash 8 Q400
Skrzydło o bardzo niskim współczynniku kształtu (AR=1,55) Concorde

Chociaż długie, wąskie skrzydło o wysokim wydłużeniu ma zalety aerodynamiczne, takie jak lepszy stosunek siły nośnej do oporu (patrz również szczegóły poniżej), istnieje kilka powodów, dla których nie wszystkie samoloty mają skrzydła o wysokim wydłużeniu:

  • Konstrukcyjne : Długie skrzydło ma większe naprężenie zginające dla danego obciążenia niż krótkie i dlatego wymaga wyższych specyfikacji konstrukcyjnych (architektonicznych i/lub materiałowych). Również dłuższe skrzydła mogą mieć pewne skręcanie przy danym obciążeniu, aw niektórych zastosowaniach skręcanie to jest niepożądane (np. jeśli wypaczone skrzydło zakłóca działanie lotki ).
  • Zwrotność : skrzydło o niskim wydłużeniu będzie miało większe przyspieszenie kątowe przechyłu niż skrzydło o wysokim wydłużeniu, ponieważ skrzydło o wysokim wydłużeniu ma wyższy moment bezwładności do pokonania. Przy stałym kołysaniu dłuższe skrzydło daje większy moment kołysania z powodu dłuższego momentu ramienia lotki. Skrzydła o niskim współczynniku kształtu są zwykle używane w samolotach myśliwskich , nie tylko w przypadku wyższych prędkości przechyłu, ale zwłaszcza w przypadku dłuższych cięciw i cieńszych płatów biorących udział w locie naddźwiękowym.
  • Opór pasożytniczy : podczas gdy skrzydła o wysokich wymiarach wytwarzają mniejszy opór indukowany, mają większy opór pasożytniczy (opór wynikający z kształtu, powierzchni czołowej i tarcia powierzchniowego). Dzieje się tak dlatego, że dla równej powierzchni skrzydła średnia cięciwa (długość w kierunku przemieszczania się wiatru nad skrzydłem) jest mniejsza. Ze względu na wpływ liczby Reynoldsa wartość współczynnika oporu przekroju jest odwrotną funkcją logarytmiczną charakterystycznej długości powierzchni, co oznacza, że ​​nawet jeśli dwa skrzydła o tej samej powierzchni lecą z jednakowymi prędkościami i równymi kątami natarcia , współczynnik oporu przekroju jest nieco wyższy na skrzydle z mniejszą cięciwą. Jednak ta zmienność jest bardzo mała w porównaniu ze zmiennością indukowanego oporu przy zmieniającej się rozpiętości skrzydeł.
    Na przykład, współczynnik przeciągania odcinek o NACA 23012 płata (w typowych współczynnikach) jest odwrotnie proporcjonalna do długości cięciwy do zasilania 0,129:
     
20% wzrost długości cięciwy zmniejszyłby współczynnik oporu przekroju o 2,38%.
  • Praktyczność : niskie współczynniki kształtu mają większą użyteczną objętość wewnętrzną, ponieważ maksymalna grubość jest większa, co można wykorzystać do przechowywania zbiorników paliwa, chowanego podwozia i innych systemów.
  • Rozmiar lotniska : Lotniska, hangary i inne urządzenia naziemne określają maksymalną rozpiętość skrzydeł, której nie można przekroczyć. Aby wygenerować wystarczającą siłę nośną przy danej rozpiętości skrzydeł, projektant samolotu musi zwiększyć powierzchnię skrzydła poprzez wydłużenie cięciwy, a tym samym obniżenie współczynnika kształtu. Ogranicza to szerokość Airbusa A380 do 80 m szerokości przy wydłużeniu 7,8, podczas gdy Boeing 787 lub Airbus A350 mają wydłużenie 9,5, co wpływa na ekonomikę lotu.

Zmienny współczynnik proporcji

Samoloty, które zbliżają się do prędkości dźwięku lub ją przekraczają, czasami zawierają skrzydła o zmiennym skoku . Skrzydła te zapewniają wysoki współczynnik kształtu, gdy nie są przesunięte, i niski współczynnik kształtu przy maksymalnym przemiataniu.

W przepływie poddźwiękowym stromo skośne i wąskie skrzydła są nieefektywne w porównaniu ze skrzydłem o wysokim współczynniku wydłużenia. Jednakże, gdy przepływ staje się transsoniczny, a następnie naddźwiękowy, fala uderzeniowa wytworzona najpierw wzdłuż górnej powierzchni skrzydła powoduje opór fali na samolot, a opór ten jest proporcjonalny do rozpiętości skrzydła. Tak więc duża rozpiętość, cenna przy niskich prędkościach, powoduje nadmierny opór przy prędkościach transsonicznych i naddźwiękowych.

Zmieniając zasięg, skrzydło można zoptymalizować do aktualnej prędkości lotu. Jednak dodatkowa waga i złożoność ruchomego skrzydła oznaczają, że taki system nie jest stosowany w wielu projektach.

Ptaki i nietoperze

Proporcje skrzydeł ptaków i nietoperzy znacznie się różnią. Ptaki, które latają na duże odległości lub spędzają długie okresy szybowania, takie jak albatrosy i orły, często mają skrzydła o wysokim współczynniku kształtu. Natomiast ptaki wymagające dobrej zwrotności, takie jak krogulec zwyczajny , mają skrzydła o niskim wydłużeniu.

Detale

Dla skrzydła o stałym cięciwie o cięciwie c i rozpiętości b , współczynnik kształtu jest określony wzorem:

Jeśli skrzydło jest skośne, c mierzy się równolegle do kierunku lotu do przodu.

W przypadku większości skrzydeł długość cięciwy nie jest stała, ale zmienia się wzdłuż skrzydła, więc współczynnik kształtu AR jest zdefiniowany jako kwadrat rozpiętości skrzydeł b podzielony przez powierzchnię skrzydła S . W symbolach,

.

Dla takiego skrzydła o zmiennym cięciwie, standardową średnią cięciwę SMC definiuje się jako

Wydajność współczynnika wydłużenia AR w odniesieniu do współczynnika siły nośnej do oporu i wirów końcówek skrzydeł jest zilustrowana wzorem używanym do obliczania współczynnika oporu samolotu

gdzie

to współczynnik oporu samolotu
  jest współczynnikiem oporu aerodynamicznego samolotu ,
to współczynnik nośności samolotu ,
jest stosunkiem obwodu do średnicy koła, pi ,
to liczba sprawności Oswalda
to proporcje.

Zwilżone proporcje

Zwilżone proporcje uważa cały zwilżonej powierzchni kadłuba, a nie tylko skrzydła. Jest to lepsza miara efektywności aerodynamicznej samolotu niż wydłużenie skrzydła . Definiuje się go jako:

gdzie jest rozpiętość i jest zwilżoną powierzchnią .

Ilustrujące przykłady dostarczają Boeing B-47 i Avro Vulcan . Oba samoloty mają bardzo podobne osiągi, chociaż są radykalnie różne. B-47 ma skrzydło o wysokim wydłużeniu, podczas gdy Avro Vulcan ma skrzydło o niskim wydłużeniu. Mają jednak bardzo podobny współczynnik kształtu na mokro.

Zobacz też

Uwagi

Bibliografia