Почему самолеты с меньшим двигателем не имеют лучшего аэродинамического качества?

Многие авиалайнеры имеют LDR около 20, и похоже, что электрический Eviation Alice может иметь LDR 24 при скорости 240 узлов, но многие небольшие самолеты обычно имеют LDR всего 8-10. Кажется, что они могли бы легко увеличить передаточное отношение, например, за счет большего размаха крыла с более высоким удлинением и сэкономить много топлива - почему бы им этого не сделать? Каковы компромиссы? Существуют ли коммерчески успешные самолеты 4-20 PAX с LDR более 20?

Ответы (3)

Есть много самолетов меньшей мощности, которые достигают этих показателей; мотопланеры. А мотопланеры с L/D в подростковом и младше 20-х годов являются довольно эффективными круизерами.

Итак, настоящий вопрос; почему не все легкие самолеты делаются как мотопланы?

Что ж, у мотопланеров есть свои недостатки. Большой размах крыльев создает проблемы при установке на земле. Длинные крылья тяжелые, что ограничивает полезную нагрузку. Длинные крылья приводят к низкой скорости крена и общим проблемам с управляемостью. Так что, если вы собираетесь жить с хлопотами длинных крыльев, это действительно стоит того.

И, вероятно, самый большой; длинные крылья перестают быть аэродинамическим преимуществом и становятся помехой, когда вы хотите лететь со значительным запасом скорости для лучшего L/D. Это относится к самолетам, летящим на малых высотах, если вы хотите эффективно летать со скоростью, в 2-3 раза превышающей максимальную L/D. В этом случае <span = лучше. У истребителей Второй мировой войны, модифицированных для ведения боя на малых высотах, был уменьшен размах крыла .

Авиалайнеры больше похожи на мотопланер и извлекают выгоду из преимуществ L / D за счет высокого удлинения из-за условий эксплуатации. Они летают на очень больших высотах, где указанная скорость полета мала из-за разреженного воздуха. На эшелоне FL400 авиалайнер может лететь в разреженном воздухе со скоростью всего 280 узлов, может быть, только в 2 раза больше скорости сваливания закрылков (верно, 500+, но важна указанная скорость полета - если бы вы могли высунуть руку из окна, вы бы почувствовали порыв ветра мощностью 280 узлов, а не порыв ветра мощностью 500 узлов).

Его крейсерская скорость намного ближе к максимальной скорости L/D, чем у маловысотного самолета, который летит со скоростью, в 3-4 раза превышающей скорость сваливания, и поэтому он выигрывает от размаха и площади, как у мотопланера. Чтобы довести это до крайности, у вас есть Lockheed U2, которому нужен весь этот размах и площадь, чтобы подняться до 75000 футов (где указанная воздушная скорость составляет всего около 80 узлов, скажем, 200 узлов или что-то еще) .

Вы видите некоторые самолеты, такие как легкие близнецы Diamond , с довольно длинным соотношением сторон. Это делается в основном для скороподъемности. потому что в легком близнеце характеристики набора высоты с одним двигателем имеют решающее значение, и большое удлинение действительно помогает (подъем, близкий к максимальной скорости L / D), и это учитывается в процессе балансировки, чтобы решить, насколько длинными должны быть крылья для хорошего одиночного двигателя. производительность двигателя без потери управляемости, увеличения веса (в этом помогают композиты) или слишком много места на рампе.

Я не понимаю, почему больший AR является препятствием на скоростях, намного превышающих максимальное L/D. Вы думаете о трансзвуковых эффектах?
Я имел в виду в основном эффекты увеличенной лобовой площади крыла с высоким AR по сравнению с крылом с низким AR той же общей площади.
Я хотел бы увидеть ссылку на это утверждение. Я думаю, что причина, по которой у истребителей низкая AR, заключается в маневренности и весе. Высокоскоростные самолеты имеют околозвуковые эффекты.
@JZYL, более высокое соотношение сторон снижает индуктивное сопротивление за счет некоторого увеличения сопротивления формы. Индуктивное сопротивление уменьшается пропорционально квадрату скорости, а сопротивление формы увеличивается пропорционально квадрату скорости. Таким образом, высокое соотношение сторон дает лучшее максимальное значение L / D, но на более низкой скорости, а на более высокой скорости общее сопротивление увеличивается из-за более высокого сопротивления формы. Тем не менее, у A320 есть AR 10.3 и В у около 250 KIAS (в зависимости от веса), в то время как C172 имеет AR всего 7,32 (чем ниже AR, тем выше В у ), но это В у составляет всего 78 KIAS. Так что в игре гораздо больше, чем просто AR.
Что касается лобовой площади самого крыла, то, если ваше крыло с высокой бронебойностью имело ту же толщину, что и крыло с низкой бронебойностью, они должны иметь примерно одинаковую эквивалентную площадь плоской пластины. Проблема в том, что вы обычно не можете сделать это по соображениям структурной эффективности и вынуждены использовать более толстую секцию, по крайней мере, в корне, поэтому с практической точки зрения вы застряли с большим сопротивлением формы на крыле с высоким AR по сравнению с крылом с низким AR. с той же площадью, потому что высокий AR должен быть более или менее почти таким же толстым, как низкий AR, по крайней мере, у корня. ИЛИ сделать все это существенно тяжелее.
@Jan Почему вы говорите, что AR увеличивает сопротивление формы? В полностью несжимаемой среде увеличение AR уменьшает число Рейнольдса, что снижает сопротивление формы.
@JZYL, сравнивая крылья, которые должны генерировать одинаковую подъемную силу, увеличение AR означает увеличение размаха, что означает увеличение поперечного сечения, и поперечное сечение имеет здесь наибольшее влияние.
@Jan Опять же, было бы здорово увидеть ссылку на это. Иначе зачем бы турбовинтам такое большое удлинение
@JZYL, турбовинтовые двигатели имеют большее удлинение, потому что они рассчитаны на более низкую скорость; это соответствует тому, что я сказал.
В общем, вам нужно достаточное количество крыльев, чтобы поднять свой вес на заданной скорости с оптимальным соотношением L/D. Использование крыла с меньшей площадью и большим удлинением должно быть более эффективным в крейсерском режиме, не говоря уже о проблемах с прочностью. Это тенденция для авиалайнеров, но крыло большего удлинения (без предкрылков и закрылков) имеет более высокую скорость сваливания. Вот почему орлы и стервятники имеют широкие нижние крылья для медленного полета с поворотами, а альбатросы имеют тонкие большие крылья для крейсерского полета. Зависит от того, что вы делаете.

Прежде всего: законы масштабирования . Отношение сил инерции к силам вязкости при обтекании самолета тем больше, чем больше размер. Этому также способствует более высокая нагрузка на крыло больших самолетов, что приводит к более высоким скоростям полета. Это отношение выражается числом Рейнольдса Re:

р е "=" в ⋅ л ν
Проще говоря: трение относительно меньше для более крупных и быстрых самолетов.

Во-вторых, реактивные самолеты более аэродинамически чисты, чем винтовые. Пока реактивные двигатели не будут использоваться для самолетов авиации общего назначения, они все еще будут иметь поршневые двигатели с радиаторами и воздушными винтами. Один только радиатор (или воздуховод вокруг двигателей с воздушным охлаждением) может увеличить сопротивление, так что до 10% установленной мощности поглощается этим дополнительным сопротивлением. Кроме того, умное исследование выявило дополнительное сопротивление, вызванное встречным потоком винта на Luscombe 8b: в этом случае оно составляло 30% сопротивления при нулевой подъемной силе!

Наконец, в то время как авиалайнеры предназначены для полета в их оптимальной полярной точке L / D, самолеты GA обычно летают немного быстрее, что снижает индуктивное сопротивление. Для обеспечения высокой крейсерской скорости крыло имеет меньшее удлинение, чем у большинства авиалайнеров. Постоянно растущая эффективность турбовентиляторных двигателей позволила оснастить авиалайнеры крыльями с более высоким удлинением, так что Боинг 787 теперь имеет соотношение удлинения, аналогичное винтовым самолетам большой дальности, таким как P-2 Neptune , Breguet Atlantique или B. -24 . Старым авиалайнерам требовался больший внутренний объем крыла для хранения топлива, а их более низкое удлинение также снижало их оптимальное значение L / D (которое, например, составляет всего 16 в случае Boeing 747-200).

Хорошо сконструированный самолет общего назначения не обязательно должен сильно уступать авиалайнерам: в то время как самолет-амфибия DHC-2 Beaver имеет L/D только 9, Glasair III достигает очень респектабельных 19,7 .

Более низкое удлинение при той же площади поверхности увеличивает число Рейнольдса и увеличивает индуктивное сопротивление. Я не понимаю, почему он более аэродинамически эффективен. Самолеты АОН не летают вблизи режима Маха, чтобы дозвуковой эффект не имел значения.
@JZYL нравится, как вы там держитесь, и вы правы, для данной области более высокий AR более эффективен в круизе. Жаль, что мы перепутали, просто делая крыло меньше, оно также укорачивается, с тем же AR (просто посмотрите на крылатые ракеты с реактивным двигателем) и снижением AR, где преимущества в прочности и повороте больше. Обратите внимание, что конструкции бомбардировщиков, как правило, имеют более высокую AR, чем истребители, еще в «старые времена».
@JZYL FAR в прошлом устанавливал минимальную скорость 61 узел для легких самолетов общего назначения. Для этого требуется некоторая площадь крыла, которая создает большое вязкое сопротивление в крейсерском режиме. Индуктивное сопротивление в крейсерском режиме почти незначительно, поэтому предпочтительно обменять небольшое сопротивление вязкости (за счет увеличения хорды для той же площади) на небольшое увеличение индуктивного сопротивления. Кроме того, конструкция становится легче с более низким AR, что снова помогает достичь тех же 61 узлов.

Алиса — очень многообещающий дизайн, отличающийся следующими улучшениями эффективности:

  1. Вихревые опоры законцовок крыла
  2. 2 оперения вместо 3
  3. Кормовая опора основного гребного винта
  4. Обтекаемость фюзеляжа
  5. Прямое крыло большого удлинения
  6. Легкая композитная конструкция

На протяжении многих миль, как и в случае с авиалайнерами, эти усовершенствования обеспечивают значительную экономию энергии, что приводит к снижению затрат. Но такие суда дороги и должны работать в течение определенного времени с определенным количеством пассажиров, чтобы окупить себя.

Это другие проблемы, чем самолеты GA, которые держатся со своими толстыми аэродинамическими профилями Clarke Y или Gottingen по одной очень веской причине: безопасность . Эти крылья имеют очень мягкие характеристики сваливания, которые в сочетании с сильной нижней формой «Hershey bar» и более низкой скоростью полета обеспечивают гораздо более надежный и простой полет для пилотов-любителей.

Полярные диаграммы в Airfoil Tools показывают различия в характеристиках подъемной силы, лобового сопротивления и угла наклона сваливания для многих типов аэродинамических профилей, а также позволяют лучше понять компромиссы между эффективностью планирования и безопасностью.

Почему самолеты с меньшим двигателем не имеют лучшего аэродинамического качества?
СпросиСетьПолитика конфиденциальности1y, 0v