Какова подъемная сила на единицу пролета?

Понятие подъемной силы на единицу пролета исходит из теории потенциального потока . Потребуется некоторая справочная информация, чтобы объяснить, что это значит, так что потерпите меня.

В первые годы полетов электричество было чем-то новым и захватывающим, и так уж вышло, что уравнения, с помощью которых можно было рассчитать напряженность электромагнитного поля, одинаково хорошо работали при расчете локального изменения потока, вызываемого крылом. Электрический ток в проводе стал завихрением в вихре, а сила и ориентация индуцированного магнитного поля были эквивалентны изменениям индуцированного потока. Таким образом, словарь электричества был скопирован в аэродинамику, точно так же, как исследования мозга использовали словарь информатики, когда это было горячей темой.

Теперь у нас остались абстрактные понятия, такие как индуцированное сопротивление или подъемная сила на единицу пролета. Было бы гораздо нагляднее использовать имена собственные, но авторы технических книг усвоили это таким образом и слишком ленивы, чтобы лучше объяснять аэродинамику.

В теории потенциального потока у вас есть источники, стоки и вихри. Источники и стоки используются для создания эффекта смещения физического тела, движущегося в воздухе, а вихри используются для объяснения того, почему крылья изгибают поток и создают подъемную силу. Для расчета подъемной силы$L$одиночного вихря в двумерном потоке сила циркуляции$\Gamma$вихря умножается на скорость полета$u_{\infty}$и плотность воздуха$\rho$. Вы найдете уравнение вида$L = -\Gamma\cdot u_{\infty}\cdot\rho$во многих трактатах о численной аэродинамике.

Чтобы расширить это в третье измерение (и, следовательно, в реальность), вам нужно добавить что-то, измеренное в направлении по размаху - но у вас уже есть подъемная сила, и добавление третьего измерения даст момент (подъемная сила, умноженная на расстояние), где только подъемная сила будет имеет смысл. Таким образом, этот двумерный подъем теперь называется «подъем на единицу пролета», так что еще есть место для третьего измерения, где двумерный поток уже создавал подъемную силу (вопреки любой здравой интуиции).

И нет, это никогда не бывает постоянным по промежутку времени. Во всех случаях завихренность постепенно уменьшается по направлению к законцовкам или, что лучше объясняется, всасывающая сила, действующая на крыло, постепенно уменьшается по мере приближения к законцовкам, потому что, когда крыло заканчивается, ничто не может помешать потоку воздуха из верхней части. -область давления снизу к области пониженного давления на верхней поверхности крыла.

В то время как потенциальный поток, упомянутый выше, является математическим взглядом на самолет, коэффициенты подъемной силы - это инженерный способ выражения вещей. Из испытаний вскоре стало ясно, что подъемная сила крыла зависит от динамического давления.$q$потока, то есть произведение плотности воздуха на квадрат воздушной скорости:$q = \frac{\rho}{2}\cdot v^2$.

Следующее наблюдение инженеров заключалось в том, что подъемная сила также зависит от площади крыла.$S$. Чтобы сделать подъемную силу независимой от размера крыла и динамического давления, они исключили из подъемной силы (физическую единицу килопонда, ньютона или фунт-силы) и получили безразмерную цифру, которую назвали коэффициентом подъемной силы.$c_L$. Это значительно упростило сравнение измерений или масштабирование известных проектов для следующего, лучшего проекта. Уравнение подъемной силы теперь становится$L = c_L\cdot S\cdot\frac{\rho}{2}\cdot v^2$

Представьте, что крыло — это морковка, и нарежьте ее так, как вы нарезали бы морковку дисками. Подъемная сила (сила), создаваемая срезом толщиной 1, представляет собой подъемную силу (силу) на единицу пролета этого среза. («Толщина 1» может выражаться в любых выбранных вами единицах, поэтому еще один способ посмотреть на это — разделить подъемную силу на толщину среза.)

Для однородного (прямого, не скошенного, стреловидного или скрученного) крыла каждый срез создает одинаковую подъемную силу, поэтому, как указывает Риккати, подъемная сила на единицу размаха - это просто общая подъемная сила, деленная на размах крыла. Однако на крыле, форма которого варьируется от фюзеляжа до законцовки, каждый срез немного отличается. Коническое крыло может немного напоминать очень коническую морковь, и подъемная сила на единицу длины плавно уменьшается от корня к кончику, точно так же, как диаметр каждого диска уменьшается по мере приближения к кончику моркови. (Я не говорю, что форма моркови вообще связана: это просто способ думать о том, чтобы рассматривать каждый ломтик отдельно.)

Хотя вы можете использовать общую подъемную силу для сравнения различных крыльев, вы можете использовать подъемную силу на единицу размаха для сравнения крыльев таким образом, который не зависит от их размаха. Крыло в два раза длиннее будет производить в два раза большую подъемную силу (без учета реальных эффектов, таких как изгиб и размытие винта), но оно будет иметь такую ​​же подъемную силу на единицу размаха, потому что оно имеет ту же толщину и форму, что и более короткое крыло. С большей пользой вы можете использовать его, чтобы посмотреть на разные части одного и того же крыла: сравнить корень и кончик. Далее в книге вы увидите диаграммы, показывающие, как подъемная сила на единицу размаха изменяется по длине для различных форм/конструкций крыла.

Рассмотрим конечное (трехмерное) крыло, создающее подъемную силу. Нам было бы трудно рассчитать полную подъемную силу и точное распределение подъемной силы крыла, если это не совсем просто.

Один из способов справиться с этим - «разрезать» крыло на несколько сегментов, для которых можно найти подъемную силу, и принять во внимание влияние изменения различных параметров крыла, таких как:

• Аккорд

• Геометрический поворот

• Аэродинамическая крутка (форма аэродинамического профиля).

Подъемная сила на единицу размаха крыла может быть найдена из коэффициента подъемной силы аэродинамического профиля - в основном мы предполагаем, что поток над конечным крылом можно рассматривать как локально двумерный и находим силы на крыле, используя это.

В качестве примера возьмем трехмерное крыло, а затем разрежем его на мелкие части так, чтобы подъемная сила внутри каждого из них была практически постоянной (т. е. сечение аэродинамического профиля и угол атаки были постоянными). Для каждого из срезов можно найти подъемную силу (по характеристикам профиля и потока). Это дает подъемную силу на единицу пролета (здесь единица пролета означает размер, удовлетворяющий вышеуказанным условиям).

Теперь общий подъем можно найти, просто сложив подъемы из разных секций. Другое дело, что изменение подъемной силы по размаху на единицу размаха дает распределение подъемной силы крыла, что помогает нам сравнивать различные формы крыла в плане, такие как эллиптическая и прямоугольная и т. д.