Почему внешние части крыльев создают меньшую подъемную силу?

Внешняя секция крыла создает меньшую подъемную силу, потому что обтекание законцовок крыла уменьшает разницу давлений между обеими сторонами. Этот эффект быстро исчезает при перемещении внутрь, но все же несколько уменьшает подъемную силу в корневой части крыла.

Скриншот страницы Stanford Aero wingcalc . Это страница Java, для которой вам нужно добавить http://aero.stanford.edu/wingcalc.htmlв список исключений в Java. Затем вы можете изменить удлинение, стреловидность крыла, коэффициент конусности и крутку. Здесь показано распределение подъемной силы для незакрученного прямоугольного крыла без стреловидности, которое имеет локальный коэффициент подъемной силы почти 1 в центре. Из-за малого удлинения эффективность крыла по-прежнему составляет 99%.

Прямоугольное крыло может быть оптимальным, если в него включены характеристики сваливания и простота конструкции:

• Меньший коэффициент подъемной силы на конце гарантирует, что сваливание начинается с корня крыла, что приводит к послушному сваливанию без внезапного качения.
• Постоянная хорда позволяет использовать один шаблон для сборки всех нервюр деревянного крыла .
• Более короткая корневая хорда прямоугольного крыла требует более тяжелого лонжерона, но когда крылья раскреплены и изгибающий момент корня низкий, влияние веса незначительно.

Если цель состоит в том, чтобы просто построить самолет с устойчивыми характеристиками сваливания, прямоугольное крыло будет эффективным выбором, особенно при использовании раскосов. Только когда характеристики наиболее важны, прямоугольное крыло будет менее эффективным, чем трапециевидное крыло.

Из источников страницы Википедии следует, что аэродинамика является основной причиной того, что внешние части создают меньшую подъемную силу.

http://www.flyingmag.com/rectangular-wings

Второе очевидное преимущество — аэродинамическое, и оно связано со снижением аэродинамического сопротивления, связанного с подъемной силой, так называемым индуктивным сопротивлением. Индуктивное сопротивление нельзя устранить, но оно минимально, когда подъемная сила по размаху распределяется по эллипсу . Приравнивая распределение площади к распределению подъемной силы (большой концептуальный скачок, но пока давайте сделаем это), аргумент продолжает утверждать, что прямоугольное крыло сильно отклоняется от идеального эллиптического , особенно вблизи законцовок, тогда как умеренно скошенное крыло или двухконусный, с прямым внутренним участком и сужающимся внешним участком, гораздо больше приближается к эллипсу.

На этой вики-странице, посвященной сопротивлению, вызванному подъемной силой, описывается, как прямоугольные крылья создают более сильные вихри на законцовках крыла, что, в свою очередь, приводит к менее эффективному созданию подъемной силы.

https://en.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag

При создании подъемной силы воздух под крылом обычно находится под более высоким давлением, чем давление воздуха над крылом, а воздух над крылом обычно находится под более низким давлением, чем атмосферное. На крыле конечного размаха эта разность давлений заставляет воздух течь от нижней поверхности корня крыла, вокруг законцовки крыла , к верхней поверхности корня крыла. Этот поток воздуха по размаху сочетается с потоком воздуха по хорде, вызывая изменение скорости и направления, что закручивает воздушный поток и создает вихри вдоль задней кромки крыла. Создаваемые вихри нестабильны и быстро объединяются, образуя вихри на законцовках крыльев.

Вихри на кончиках крыльев изменяют воздушный поток вокруг крыла. По сравнению с крылом бесконечного размаха вихри снижают эффективность крыла для создания подъемной силы , поэтому для компенсации требуется более высокий угол атаки, который отклоняет общую аэродинамическую силу назад.

--

Прямоугольное крыло создает более сильные вихри на законцовках крыла , чем коническое или эллиптическое крыло, поэтому многие современные крылья имеют коническую форму.

Точно так же для данной площади крыла крыло с большим удлинением будет создавать меньшее индуктивное сопротивление, чем крыло с малым удлинением, потому что на конце более длинного и тонкого крыла меньше возмущение воздуха . Таким образом, можно сказать, что индуктивное сопротивление обратно пропорционально соотношению сторон.

Это исследование НАСА подробно описывает математически и объясняет, почему распределение подъемной силы по размаху должно быть эллиптическим, чтобы минимизировать сопротивление.

https://ntrs.nasa.gov/archive/nasa/casi.ntrs.nasa.gov/19760012005.pdf