Аэродинамика и расход топлива моторного планера

Я могу рассказать о паре из них...

3) Оптимальная крейсерская скорость на дальние расстояния достигается при максимальном аэродинамическом отношении и подъемной силе, равной весу самолета, при условии, что двигатель и воздушный винт также оптимизированы для этого. Другими словами, скорость, на которой он сидит стабильно в воздухе без какого-либо контроля.

Ну, есть две скорости, о которых вы говорите:

• Самая эффективная крейсерская скорость, которая также является скоростью, которая максимизирует L/D, что также является лучшей скоростью планирования.
• «Скорость балансировки», то есть скорость, при которой самолет стремится поддерживать постоянный шаг («устойчиво сидеть в воздухе»), когда пилот не прикладывает никаких усилий к управлению.

Для полноразмерных самолетов скорость балансировки обычно может быть изменена пилотом в полете с помощью триммера (или любого другого элемента управления дифферентом, который есть на этом самолете). Таким образом, триммерная скорость обычно не равна наилучшей скорости планирования.

Тем не менее, вы, безусловно, можете (и это, вероятно, хорошая идея) спроектировать свой моторный планер так, чтобы его скорость балансировки была постоянной и равнялась наилучшей скорости планирования.

Я могу найти эту скорость для моей модели планера, управляя им с нулевым углом атаки и с нейтральными поверхностями управления, а затем постепенно увеличивая газ, пока самолет не перестанет тонуть.

Да, вы можете найти скорость балансировки (но не лучшую скорость планирования) вашей модели планера, управляя дроссельной заслонкой так, чтобы высота оставалась постоянной. Если органы управления нейтральны и ваш самолет не качает, то он летит с балансировочной скоростью.

(Я не уверен, что вы подразумеваете под «полетом с нулевым углом атаки», поскольку вы не можете явно контролировать угол атаки, не перемещая управляющие поверхности. Для установившегося полета угол атаки определяется скоростью и угол крена.)

7) Скорость удвоилась, что означает, что сопротивление увеличилось примерно в четыре раза, поэтому необходимо установить новый двигатель и воздушный винт с четырехкратной мощностью и оптимизированными для удвоенной скорости.

Это почти правильно. Если скорость удваивается, то лобовое сопротивление увеличивается вчетверо. Но мощность равна силе, умноженной на скорость, поэтому, если скорость удвоится, а сопротивление увеличится вчетверо, тогда необходимая мощность возрастет в восемь , а не в четыре раза.

Ответы на ваши комментарии:

Однако, насколько я понимаю, "триммер" - это всего лишь небольшая корректировка руля высоты, верно? Таким образом, на самом деле мы подталкиваем угол атаки, поэтому подъемная сила идеально соответствует весу, и самолет может сидеть устойчиво, но на самом деле мы не летим с оптимальным L / D?

Я бы не назвал это «просто незначительной корректировкой». В Cessna 172 дифферент - это то, что определяет, летит ли самолет со скоростью 55 узлов или 155 узлов. Другие самолеты и планеры работают так же: есть одна конкретная скорость, при которой самолет будет лететь устойчиво без какого-либо усилия на ручку управления, и для определения этой скорости используется триммер.

Обрезка не используется для того, чтобы подъемник соответствовал весу. Если подъемная сила слишком велика, то самолет начнет набор высоты (или перестанет снижаться), а если подъемная сила слишком мала, то самолет начнет снижаться (или прекратит набор высоты). Вы контролируете это с помощью ручки и газа.

Самолет может «устойчиво сидеть» с триммером в любом положении, но для каждого положения триммера есть только одна соответствующая скорость, при которой самолет будет лететь устойчиво без усилия на ручке.

(Есть исключение из вышеизложенного: для некоторых самолетов в некоторых обстоятельствах, если дифферент слишком далеко назад, требуется постоянное давление вперед на ручку или штурвал, чтобы предотвратить сваливание самолета.)

Если вы сидите в самолете и хотите лететь с оптимальным L/D, вы обычно делаете это, зная, какая воздушная скорость соответствует оптимальному L/D, и устанавливая триммер для этой воздушной скорости. (Процесс правильной настройки триммера таков: используйте джойстик, чтобы лететь с этой воздушной скоростью, держите джойстик на месте, а затем используйте регулятор триммера, чтобы ослабить усилие, которое стик оказывает на вашу руку.)

Я просто предполагаю, что аэродинамические поверхности спроектированы таким образом, чтобы иметь наилучшее значение L/D при нулевом угле атаки, так ли это на самом деле?

Я сомневаюсь в этом. В частности, некоторые самолеты имеют симметричные аэродинамические поверхности, у которых отношение L/D равно нулю при нулевом угле атаки.

Когда я сказал "летит с нулевым углом атаки", я имел в виду, что самолет сидит в воздухе абсолютно горизонтально, и делает это без какой-либо компенсации со стороны рулей.

Если самолет полностью горизонтален, это нулевой шаг, а не нулевой угол атаки. Нулевой угол атаки - это когда нос направлен точно на встречный воздух, а не выше или ниже.

Шаг, на котором садится самолет, зависит как от дифферента, так и от настройки мощности.

Последняя часть не кажется мне правильной. Если посмотреть на это с точки зрения двигателя, он создает поступательную силу. Эта сила постоянна независимо от скорости самолета (не считая того факта, что пропеллер не может быть одинаково эффективен на всех скоростях). Однако лобовое сопротивление связано со скоростью, а лобовое сопротивление в четыре раза сильнее. Так что мне кажется, что необходимая мощность всего в четыре раза больше, а не в восемь.

Дело в том, что двигатель на самом деле не создает постоянную силу. В частности, вам нужно приложить достаточную силу, чтобы противодействовать сопротивлению. Если ваш самолет испытывает в четыре раза большее сопротивление, то ваш двигатель также должен производить в четыре раза большую тягу, чтобы лететь так же.

Таким образом, чтобы летать в два раза быстрее, вам нужно заставить двигатель производить в четыре раза больше силы (либо за счет большего открытия дроссельной заслонки, либо за счет использования более мощного двигателя). Двигатель также должен работать на удвоенной воздушной скорости. Мощность равна силе, умноженной на скорость, поэтому вместе эти два факта означают, что двигатель должен производить в восемь раз больше мощности.

Дальнейшие ответы на ваши комментарии:

Что касается угла атаки и тангажа, я, возможно, просто перепутал термины. Насколько я понимаю, термин «угол атаки» относится к углу набегающего воздуха относительно хорды аэродинамического профиля, поэтому он относится только к крыльям. Тангаж — это угол набегающего воздуха относительно самого самолета. Так что, если хорда крыла установлена ​​строго горизонтально, угол атаки и тангаж идентичны.

Шаг не имеет ничего общего с углом встречного воздуха; это определяется исключительно тем, как самолет ориентирован в пространстве относительно горизонта. В частности, шаг — это угол, под которым нос направлен выше или ниже горизонта. Если он указывает на 10 градусов над горизонтом, шаг равен 10 градусам; если он указывает на 20 градусов ниже горизонта, угол наклона составляет -20 градусов. Это не зависит от того, как движется самолет и воздух.

Для меня это имеет больше смысла, когда я представляю себе размещение поршневого двигателя с пропеллером в аэродинамической трубе. Будет ли сильно изменяться сила тяги этого двигателя/гребного винта в зависимости от набегающей воздушной скорости при работе двигателя на постоянной мощности? Я не могу представить, почему это могло бы быть. По мере увеличения скорости воздуха двигатель будет увеличивать обороты в минуту, чтобы воздействовать на воздух той же мощностью, а эффективность воздушного винта будет немного меняться, но мощность двигателя останется прежней. И в целом сила тяги будет примерно одинаковой. Или я тут неправильно мыслю?

Ну, лучший способ, который я знаю, как выразиться, это "это физика". Если вы хотите толкать что-то в том же направлении, в котором оно уже движется (как это делает пропеллер самолета — он толкает воздух назад, хотя воздух уже движется назад), и вы хотите толкать это с постоянной силой, то чем быстрее движется эта штука, тем больше энергии требуется, чтобы ее толкнуть. Я не думаю, что легко понять, почему это так, но на самом деле это так.

Может быть, было бы полезно представить самолет, летящий прямо вверх . Представьте, что этот самолет тяжелый, но обтекаемый, так что лобовое сопротивление очень мало по сравнению с весом. Тогда для того, чтобы этот самолет мог лететь прямо вверх на любой скорости, его двигатель просто должен создавать тягу, равную весу самолета. (Единственный случай, когда двигателю нужно будет создавать больше тяги, чем вес самолета, — это когда он заставляет самолет ускоряться.) И все же, если бы этот самолет должен был лететь в два раза быстрее, двигатель, безусловно, должен был бы генерировать больше мощности, верно? ?

Мораль этой истории в том, что сила зависит как от силы, так и от скорости. Это физика; нет никакого способа обойти это. Если бы у вас был двигатель, который генерировал бы постоянную тягу, потребляя постоянную мощность, независимо от скорости, то вы могли бы сделать из него вечный двигатель.