Снижение на заданной глиссаде (например, ILS) с заданной воздушной скоростью — отличается ли размер вектора подъемной силы при встречном и попутном ветре?

РЕДАКТИРОВАТЬ: этот вопрос на самом деле не о векторах подъема. Он спрашивает об общей сумме или общей стоимости подъемной силы, необходимой при различных встречных ветрах.

Кажется, что все слишком усложняют этот очень простой вопрос, который касается двух одинаковых самолетов, летящих по одинаковой глиссаде ILS с одинаковой указанной воздушной скоростью. Разница только в количестве встречного ветра.

Это так просто. Скорость снижения является прямым результатом производимой подъемной силы.

Это ФАКТ, что самолету с меньшим встречным ветром потребуется создавать МЕНЬШУЮ подъемную силу, чем самолету с большим встречным ветром, чтобы поддерживать ту же указанную скорость полета и следовать по глиссаде.

Скорость снижения при встречном ветре может составлять -500 футов/мин, а при попутном ветре -1000 футов/мин.

Самолету, поддерживающему снижение -1000 футов/мин из-за попутного ветра, потребуется производить МЕНЬШУЮ подъемную силу, чем самолету, поддерживающему скорость -500 футов/мин при встречном ветре.

В этом ответе мы начнем с упрощающего предположения, что вектор тяги параллелен вектору сопротивления и направлению траектории полета по отношению к окружающей воздушной массе.

См. векторные треугольники Веса, Подъемной силы и Сопротивления для планирующего полета, показанные в этих связанных ответах ( №1 , №2 ). (Схема во второй ссылке теперь также воспроизводится в верхней части настоящего ответа.)

Мы можем адаптировать эти вопросы к механизированному спуску, просто заменив вектор с надписью «Сопротивление» вектором «Сопротивление минус тяга». У нас по-прежнему будет замкнутый векторный треугольник.

Как только мы сделаем эту простую замену, угол, обозначенный буквой «K» на диаграмме в верхней части этого ответа, будет углом снижения самолета при определенном угле атаки, соотношении L / D и выходной тяге в неподвижном воздухе . Это также угол снижения самолета по отношению к окружающей воздушной массе .

Обратите внимание, что Подъем = Вес * косинус (К).

Это означает, что Подъемная сила меньше, чем Вес, и чем круче угол планирования в неподвижном воздухе «K», тем больше разница между Подъемной силой и Весом.

Чтобы достичь такой же траектории снижения относительно земли при встречном ветре, мы должны перейти на более пологую траекторию снижения по отношению к окружающей воздушной массе. Независимо от того, увеличиваем ли мы Thrust, уменьшаем Drag или и то, и другое, мы должны уменьшить вектор, который мы переименовали в «Drag минус Thrust». Это уменьшит размер угла K. Это увеличит размер вектора подъемной силы.

Чтобы достичь такой же траектории снижения относительно земли при попутном ветре, мы должны перейти на более крутую траекторию снижения по отношению к окружающей воздушной массе. Независимо от того, уменьшаем ли мы Thrust, увеличиваем Drag или и то, и другое, мы должны увеличить вектор, который мы переименовали в «Drag минус Thrust». Это увеличит размер угла K. Это уменьшит размер вектора подъемной силы.

Поскольку подъемная сила = вес * косинус (K), вектор подъемной силы должен быть больше, когда мы снижаемся при встречном ветре, чем при снижении при попутном ветре, если мы достигаем той же глиссады относительно земли.

Обратите внимание, что это верно независимо от того, ограничиваем ли мы угол атаки одинаковым в обоих случаях, или воздушную скорость, чтобы она была одинаковой в обоих случаях, или ни то, ни другое. Это также верно независимо от того, спускаемся ли мы по «передней стороне» кривой мощности или по «обратной стороне» кривой мощности. Ничто из этого не меняет того факта, что для того, чтобы оставаться на фиксированной глиссаде относительно земли, угол «К» должен быть больше при снижении при попутном ветре, чем при снижении при встречном ветре. Следовательно, вектор подъемной силы должен быть больше при снижении при встречном ветре, чем при снижении при попутном ветре.

Конечно, когда мы изменяем угол K, изменение размера вектора подъемной силы будет настолько малым, что им можно будет пренебречь в реальном мире. Например, при планировании с коэффициентом планирования в неподвижном воздухе 7:1, что соответствует углу планирования в неподвижном воздухе около 8 градусов, вектор подъемной силы составляет около 0,99 * вес. Если бы мы изменили нашу траекторию по отношению к воздушной массе с качества планирования 7:1 на качество планирования бесконечности (т.е. горизонтальный полет), размер вектора подъемной силы увеличился бы только примерно в 1,01 раза. Тем не менее, с технической точки зрения, чем меньше угол нашего планирования по отношению к окружающей воздушной массе (т. е. чем больше коэффициент планирования в неподвижном воздухе), тем больше должен быть вектор подъемной силы.

Таким образом, основной ответ на вопрос заключается в том, что вектор подъемной силы всегда немного меньше, когда самолет снижается с попутным ветром, чем когда самолет снижается с встречным ветром , потому что он остается на той же глиссаде по отношению к земле. , угол планирования в неподвижном воздухе должен быть больше (т. е. качество планирования в неподвижном воздухе должно быть хуже) в первом случае.

Давайте рассмотрим одну конкретную идею в исходном вопросе:

Я утверждал, что если у вас есть попутный ветер, вам придется увеличить угол атаки, что означает, что паразитное сопротивление увеличится, поэтому значение подъемной силы должно будет увеличиться.

Это ошибочный тезис. Чтобы лететь с той же воздушной скоростью, зачем вам нужен больший угол атаки при попутном ветре? Мы видели, что, если не принимать во внимание любые эффекты наклона линии тяги относительно направления траектории полета, вектор подъемной силы фактически должен быть немного меньше , когда глиссада в неподвижном воздухе круче , что описывает случай попутного ветра. Чтобы поддерживать постоянную воздушную скорость, самолет должен лететь под немного меньшим углом атаки при снижении по более крутой глиссаде в неподвижном воздухе (т.е. при попутном ветре), чем при снижении по более пологой глиссаде случай встречного ветра).

А теперь еще один поворот...

Если мы усложним картину, признав, что линия Тяги может быть наклонена так, чтобы указывать несколько вверх или вниз по направлению вектора Сопротивления и траектории полета через воздушную массу, это может затмить эффекты, описанные выше. Исходный вопрос ограничивает воздушную скорость одинаковой скоростью при встречном ветре и при попутном ветре, поэтому самолет должен лететь почти со скоростьюодинаковый угол атаки в каждом случае. Представьте себе случай, когда мы летим на подходе «на обратной стороне кривой мощности», под большим углом атаки, с двигателем, направленным значительно вверх по отношению к направлению траектории полета через воздушную массу. Компонент вектора тяги двигателя, который действует перпендикулярно траектории полета, фактически считается частью вектора «Подъемной силы» на нашей векторной диаграмме, а это означает, что фактический вектор подъемной силы крыла должен быть меньше, чем Вес * косинус (K). В подобном случае уменьшение мощности, чтобы сделать глиссаду круче, может привести к увеличению подъемной силы крыла.. С другой стороны, если мы летим на заходе на посадку с малым углом атаки, то есть на «передней стороне» кривой мощности, что является обычной практикой на легком самолете, уже не так очевидно, в каком направлении направлена ​​тяга. вектор указывает относительно направления траектории полета через воздушную массу. Поскольку многие легкие самолеты имеют некоторую встроенную направленную вниз тягу, вектор тяги вполне может указывать немного вниз по отношению к направлению траектории полета, так что крыло должно создавать большую подъемную силу при увеличении мощности двигателя. Это усилит эффект, который мы обсуждали ранее в этом ответе, - тенденция к тому, что вектор подъемной силы будет больше, когда угол скольжения в неподвижном воздухе более плоский, из-за отношения подъемной силы = вес * косинус (K).

В конце концов, все эти эффекты настолько малы, что маловероятно, что пилот сможет обнаружить изменение величины вектора подъемной силы крыла для заданной воздушной скорости при различных настройках мощности и углах планирования в неподвижном воздухе. Но теоретически есть некоторые изменения в размере вектора подъемной силы при изменении настроек мощности и угла планирования в неподвижном воздухе. А для простого случая, когда мы предполагаем, что линия тяги действует параллельно вектору сопротивления, характер изменения таков, что вектор подъемной силы немного больше .когда глиссада в неподвижном воздухе более пологая (т. е. при более высоких настройках мощности, например, при попытке остаться на глиссаде при встречном ветре), чем когда глиссада в неподвижном воздухе круче (т. е. при более низких настройках мощности, например, при попытке оставаться на глиссаде при попутном ветре).

Смотрите также эти связанные ответы на связанные вопросы:

Можем ли мы показать с помощью простой геометрии, а не формул или графиков, что наилучшее аэродинамическое качество достигается при максимальном отношении подъемной силы к сопротивлению? -- краткий ответ с четкими диаграммами

Можем ли мы показать с помощью простой геометрии, а не формул или графиков, что наилучшее аэродинамическое качество достигается при максимальном отношении подъемной силы к сопротивлению? - более длинный ответ, в котором подчеркиваются многие концепции, важные для настоящего ответа

Почему отношение L/D численно равно качеству планирования? -- аналогично ссылке выше

«Гравитационная» мощность по сравнению с мощностью двигателя - здесь играет роль изменение размера вектора подъемной силы по мере изменения коэффициента планирования в неподвижном воздухе, точно так же, как и в настоящем ответе.

Поднимает ли одинаковый вес в подъеме?

О: Подъемная сила, создаваемая двумя самолетами, должна быть одинаковой.

Как известно, вертикальная и горизонтальная скорости постоянны. Это требует, чтобы все ускорения, включая вертикальное ускорение, были равны нулю. Поэтому вертикальная составляющая подъемной силы должна равняться весу. Это утверждение одинаково относится к обоим самолетам в их конкретных сценариях.

Однако знание того, что вертикальная составляющая подъемной силы одинакова, не делает очевидным, что общая подъемная сила также равна. Один из аргументов состоит в том, что АОА указывает на взаимосвязь между вертикальной составляющей подъемной силы и общей подъемной силой. Поскольку оба самолета движутся по прямой траектории и имеют одинаковую скорость полета, они имеют одинаковый угол атаки. Поскольку оба самолета имеют одинаковый угол атаки и одинаковую вертикальную составляющую подъемной силы, их общая подъемная сила также одинакова.

Если оба самолета поддерживают постоянную скорость снижения, оба самолета будут создавать одинаковую подъемную силу, так как в обоих случаях движение является устойчивым, т. е. без ускорения, и, следовательно, подъемная сила будет равна силе тяжести. Самолет, снижающийся при попутном ветре, будет делать это с большей скоростью снижения из-за более высокой путевой скорости, и ему потребуется меньшая тяга для поддержания этого состояния, чем самолету, приземляющемуся при встречном ветре или в штиль, поскольку больше потенциальной энергии может быть преобразована в кинетическую энергию при снижении, чем в случае снижения самолета при встречном ветре по такой же глиссаде.