Почему взлетные закрылки не используются до крейсерской высоты?

На изображении ниже из этого ответа показаны характеристики аэродинамических поверхностей с закрылками.

Как вы правильно сделали вывод, поднимите($C_{L_{max}}$) поднимается с выпуском закрылков, но лобовое сопротивление тоже растет и даже быстрее, чем подъемная сила. Увеличение подъемной силы — это хорошо, но если это происходит за счет большего сопротивления, для поддержания этой более высокой подъемной силы потребуется больше тяги (следовательно, и топлива).

Таким образом, значение, которое мы должны максимизировать, является отношением подъемной силы и сопротивления. Соотношение двух$\frac{L}{D}_{@C_{L_{max}}}$также показан ниже, и он показывает, что базовый аэродинамический профиль работает лучше, чем крылья с закрылками.

Это хороший вопрос, и я не чувствую, что другие ответы затрагивают основную часть, а именно:

Оптимально ли подниматься с выпущенными закрылками?

Как и в случае с любым оптимальным вопросом, ответ зависит от того, что именно мы хотим оптимизировать. Стоит изучить два состояния цели:

1. Как можно быстрее и эффективнее подняться на высоту. Например:
   • ветер наверху настолько хорош, что пилот хочет свести к минимуму время, проведенное внизу
   • пилоту нужна высота для высшего пилотажа
   • пилот хотел бы провести высотные испытания
2. Чтобы добраться из пункта А в пункт Б, применяя передовые методы обеспечения безопасности и разумно минимизируя затраты времени и/или топлива.

Зачем вообще использовать закрылки?

В общем, оторваться от земли и преодолеть любые препятствия, оставаясь рядом с аэропортом, обычно считается лучшей практикой, даже если это означает сжигание немного больше бензина. В зависимости от ряда конструктивных решений угол набора высоты с закрылками может быть значительно улучшен, а это означает, что пролет над препятствиями лучше, и в случае аварийной ситуации при взлете перед самолетом будет намного больше взлетно-посадочной полосы или не так далеко. из аэропорта.

Преимущества взлета с выпущенными закрылками:

• Колеса отрываются от земли с меньшей скоростью, что устраняет сопротивление качению. (Удивительно, какое сопротивление создают эти шины, особенно на траве и мягких полях.)
• Угол подъема лучше
  • Из руководства DA40 , стр. 5-14 и 5-16, скороподъемность STP с закрылками составляет 9,7 град (1160 фут/мин при 67 уз), без 7,8 град (1050 фут/мин при 76 уз).
• Скороподъемность может быть лучше

Итак, каковы недостатки?

Увеличенное сопротивление на более высоких скоростях полета

Как показывает @ROIMaison в этом ответе , для аэродинамического профиля Clark Y отношение L/D с выпущенными закрылками даже отдаленно не близко к нормальному аэродинамическому профилю. На более высоких скоростях эта потеря эффективности ощущается остро.

Конечно, у DA40 гораздо более совершенный аэродинамический профиль, поэтому разброс может быть гораздо ближе. Крылья Даймонда взяты из планеров, а планеры используют закрылки в полете на низкой скорости, чтобы быстрее поворачивать. Как вы можете себе представить, планеры оптимизированы для эффективности, поэтому будет справедливо предположить, что соотношение L/D закрылков для аэродинамического профиля DA40 потенциально намного лучше, чем у почтенного Clark Y.

В случае, если связь между сопротивлением и скороподъемностью сразу не очевидна, чем больше сопротивление, тем меньше избыточной энергии доступно для увеличения потенциальной энергии самолета, т.е. для набора высоты.

Охлаждение двигателя

Капот двигателя предназначен для обеспечения надлежащего охлаждения при относительно высоких скоростях полета. Существует определенная тепловая инерция, которая защищает двигатель в течение минуты или около того, но после этого температура начинает достигать критических значений. Важно наклониться и набрать скорость, чтобы улучшить охлаждение.

Неэффективность гребного винта на низких скоростях[*]

Для маршевого винта с фиксированным шагом эффективность значительно снижается при более низких скоростях полета. Увеличение скорости позволит получить дополнительные характеристики пропеллера и двигателя.

[*] Обратите внимание, что это не относится к пропеллерам с постоянной скоростью.

Заключение

Имея в виду вышеизложенное, мы можем видеть, что передовые методы быстрого отрыва от земли, с большим запасом взлетно-посадочной полосы и увеличенным расстоянием между препятствиями - это хорошая вещь (TM). Эти цели в значительной степени достигаются 500', так что это возможность переоценить наш оптимальный процесс . Мы все еще хотим карабкаться или тоже хотим куда-то идти?

К сожалению, у меня нет элементарного представления о том, оптимально ли вообще продолжать набор высоты с выпущенными закрылками. Это может даже зависеть от конкретной модели самолета, будет ли абсолютная скороподъемность лучше с поднятыми или опущенными закрылками. Если скороподъемность хуже с выпущенными закрылками, то ответ однозначно состоит в том, чтобы поднять их как можно скорее.

Если предположить, что скороподъемность лучше с выпущенными закрылками, то ситуация не совсем ясна. Если наверху дует благоприятный ветер, важно быстро набрать высоту. Но что важнее правильного охлаждения двигателя? Хм...

Потому что это было бы неэффективно. Закрылки увеличивают лобовое сопротивление (и подъемную силу), так что вы сожжете больше топлива, поднимаясь на крейсерскую высоту с выпущенными закрылками, чем если бы вы их убрали.

Большинство людей летают, чтобы куда-то добраться, поэтому крейсерский набор высоты используется, поскольку он охватывает больше земли при наборе высоты.

Вот таблица скорости полета DA40, которую было бы неплохо включить в ваш вопрос. В зависимости от веса крейсерская скорость набора высоты на 6-9 узлов выше взлетной скорости набора высоты. Если вашей целью было просто набрать высоту, то для наблюдения за местностью вы могли бы использовать взлетные закрылки, если хотите. В некоторых самолетах вам нужно следить за температурой двигателя, если вы летите медленно на большой мощности.

Лучшей иллюстрацией являются транспортные самолеты, где разница скоростей намного выше. Вот последовательность взлета BaE146 . Существуют ограничения скорости для выпущенных закрылков, поэтому уборка конструктивно требуется по мере увеличения скорости. Пребывание в пределах 135 узлов для взлета тратит впустую много времени, когда доступен крейсерский набор высоты 220 узлов, а целью является 250 узлов.

Закрылки дают вам больше подъемной силы, но и большее сопротивление. Сопротивление означает, что ваша горизонтальная скорость ниже.

Обычные этапы полета, на которых низкая скорость является преимуществом:

1. При взлете с ВПП. Вы не хотите выезжать за пределы взлетно-посадочной полосы и хотите покончить с лобовым сопротивлением как можно скорее.

2. При попытке преодолеть препятствия. Вам нужно как можно больше времени, чтобы набрать высоту, прежде чем вы доберетесь до них.

3. Когда на малых высотах. Вы не хотите уходить слишком далеко от аэропорта, когда ваша дальность планирования мала.

4. При приближении к посадке. Вам нужно сбросить высоту, но и снизить скорость.

5. При посадке. Вы хотите стать как можно медленнее, прежде чем коснетесь земли.

Закрылки делают компромисс между подъемной силой и сопротивлением хуже для вас. Это разумно только тогда, когда лобовое сопротивление является хорошей вещью или дополнительная подъемная сила абсолютно необходима.

Как только лобовое сопротивление становится недостатком, а не преимуществом, и вы получаете достаточную подъемную силу без закрылков, логика закрылков перестает применяться. Вам нужна наиболее эффективная конфигурация крыла с как можно меньшим сопротивлением для создаваемой подъемной силы. Это конфигурация, для которой было создано ваше крыло.

Закрылки обеспечивают дополнительную подъемную силу на более низких скоростях полета, но за счет огромного сопротивления.

В какой-то момент сопротивление останавливает ускорение самолета, и он не может набирать высоту быстрее.

Обратите внимание, что авиакомпании хотят как можно быстрее добраться от выхода A (XYZ) до выхода B (HKL). Аэропорты хотят иметь как можно более короткие взлетно-посадочные полосы. Правительство хочет, чтобы шумовые зоны были как можно меньше.

Короткая взлетно-посадочная полоса значительно ограничивает взлетно-посадочную скорость, поэтому установка крыла должна обеспечивать подъемную силу на низких скоростях даже за счет сопротивления.

Правительство требует как можно более быстрого набора высоты, и с некоторых высот шум распространяется настолько широко, что предельная скорость набора высоты не является обязательной, и авиакомпании могут свободно оптимизировать самый важный параметр - стоимость.

Здесь сопротивление является противником, поэтому закрылки убраны. Самолет может лететь быстрее для меньшей необходимой тяги, а резервы тяги можно использовать и для набора высоты.