Существуют ли ситуации, когда было бы полезно иметь большую подъемную силу, но низкое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению?

Фаза приземления выиграет от большой подъемной силы, но низкого аэродинамического качества. На большинстве фаз полета вам потребуется примерно одинаковая подъемная сила, чтобы удержать самолет в воздухе. Однако во время приземления вам нужно снизить скорость до посадочной. Следовательно, вы снижаете отношение подъемной силы к сопротивлению, сохраняя ту же подъемную силу, но увеличивая сопротивление. Обычно это достигается путем выбора большого количества лоскутов.

В крейсерском режиме: Нет. Меньшее сопротивление означает меньшую тягу, что всегда полезно для практической эксплуатации самолета.

Есть только одно условие, кроме захода на посадку и приземления, где помогает большое сопротивление, и это также не во время крейсерского полета: в пилотажных самолетах при вертикальных маневрах.

Если, например, фигура высшего пилотажа включает в себя вертикальное пикирование, высокое сопротивление снизит скорость пикирования, которую может развить самолет, поэтому инерционные нагрузки в конце пикирования будут ниже. Кроме того, более низкие скорости означают, что маневры можно выполнять более плотно в интересах зрителей.

В остальном: нет, меньшее сопротивление всегда лучше.

Большая подъемная сила за счет еще большего сопротивления означает, что самолет не сможет лететь очень быстро, так как сопротивление резко возрастает со скоростью. Но дополнительная подъемная сила по-прежнему полезна в некоторых ситуациях и часто обеспечивается устройствами большой подъемной силы, создающими сопротивление. Некоторые из этих ситуаций включают в себя:

• STOL (укороченный взлет и посадка) и летные характеристики на малых скоростях, где критической способностью является большая подъемная сила на малой скорости. Устройства большой подъемной силы, такие как большие предкрылки и / или большие закрылки, раскрываются, а затем часто убираются для полета.

• Быстрая скорость набора высоты, когда необходима избыточная подъемная сила, но меньше скорость движения вперед. Некоторые самолеты частично выпустят закрылки, чтобы улучшить скороподъемность.

• Экстремальные высотные самолеты. Все самолеты ограничены по высоте, потому что скорость сваливания увеличивается с высотой и в конечном итоге достигает максимальной скорости самолета. Снижение скорости сваливания, обычно за счет увеличения площади крыла, позволяет самолету лететь выше. На более низких высотах эти огромные крылья будут тянуться, хотя подъемная сила одинакова на всех высотах.

Вопрос показывает некоторую путаницу в отношении разницы между силами и их коэффициентами .

Сначала обратимся к силам .

Ключевым моментом в силах является то, что в неускоренном состоянии (которое исключает полет с разворотом) мы должны иметь возможность преобразовать векторы сил в замкнутый треугольник, квадрат или другую замкнутую фигуру.

Как и на векторных диаграммах, показанных в этих ответах ASE:

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?

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?

Поднимает ли одинаковый вес в подъеме?

Требуется ли избыточная подъемная сила или избыточная мощность для набора высоты?

Вы можете видеть, что в простом случае, когда вектор Тяги параллелен траектории полета (или равен нулю), Подъемная сила = Вес * (косинус угла скольжения или набора высоты), поэтому Подъемная сила меньше, чем Вес, если мы снижаемся или набираем высоту . Подъемная сила равна Весу только тогда, когда мы летим ровно.

Мы продолжим упрощать ситуацию, предполагая, что вектор тяги действует параллельно траектории полета и, следовательно, прямо противоположен вектору сопротивления на протяжении всей оставшейся части этого ответа. (См. последнюю ссылку выше для более подробного рассмотрения случая, когда на самом деле присутствует значительная восходящая или нисходящая тяга по отношению к направлению траектории полета. )

При малых углах подъема или планирования уменьшение вектора подъемной силы небольшое, но не равно нулю.

Поскольку сила пропорциональна своему коэффициенту * квадрату воздушной скорости, нет никаких проблем с тем, что коэффициент подъемной силы выше при медленном наборе высоты, чем при быстром крейсерском полете. Коэффициенты подъемной силы и сопротивления коррелируют с углом атаки . Если мы увеличили угол атаки, мы знаем, что увеличили коэффициент подъемной силы. Но не Подъемная сила . Избыточная тяга, то есть больше тяги, чем сопротивления, а не избыточная подъемная сила, является ключевым признаком подъема.

Отличным местом для начала изучения коэффициентов подъемной силы и аэродинамического сопротивления является раздел 4.5 онлайн-книги Джона Денкера «See How It Fly» .

См. особенно зеленую линию на рис. 4.14 , коэффициент подъемной силы в зависимости от альфа, рис. 4.16 , коэффициент подъемной силы в зависимости от воздушной скорости и рисунок 4.17 , подъемная сила в зависимости от воздушной скорости. Вы можете видеть, как в горизонтальном полете Подъемная сила остается равной Весу, хотя коэффициент подъемной силы меняется при изменении угла атаки и воздушной скорости.

После прочтения этого ответа читатель может иметь хорошее представление о том, как изменить эти графики для полета с набором высоты при некотором заданном угле набора высоты. Ключевые изменения: общая подъемная сила уменьшена на коэффициент, равный косинусу угла набора высоты, а воздушная скорость для любого заданного угла атаки уменьшена на коэффициент, равный квадратному корню из косинуса угла набора высоты. угол. Все потому, что часть веса приходится на вектор тяги, а не на вектор подъемной силы.

Многие люди считают, что идея о том, что Подъемная сила меньше, чем Вес в подъеме, очень нелогична. Что происходит, когда мы переходим от высокоскоростного крейсерского полета к набору высоты, оттягивая ручку управления или штурвал, чтобы снизить скорость и приблизиться к Vx без изменения тяги?

Ключевым признаком подъема является избыточная тяга по сравнению с сопротивлением. Если Thrust постоянен, мы должны уменьшить Drag, если хотим подняться на ¹ . Как мы можем сделать это? Путем улучшения отношения L/D. Увеличиваем угол атаки, чтобы повышался коэффициент подъемной силы. Коэффициент лобового сопротивления тоже увеличивается, но не так сильно, поэтому отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления улучшается. Отношение L/D арифметически равно отношению коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления, поэтому отношение L/D также улучшается. Когда воздушная скорость закончит регулировку (уменьшение) таким образом, что вектор подъемной силы не превысит вектор веса и, более конкретно, станет равным подъемной силе * косинусу (угол набора высоты), мы обнаружим, что сопротивление теперь меньше, чем тяга, и мы поднимаемся вверх. идти. ²

Мы можем видеть из векторных диаграмм в Поднимает ли одинаковый вес при подъеме? что наш угол подъема будет равен арктангенсу ((Тяга-Сопротивление) / Подъемная сила)), который также равен арксинусу ((Тяга-Сопротивление) / Вес)). Обратите внимание на последнее выражение — важно понимать, что угол набора высоты может быть выражен формулой, которая вообще не ссылается на вектор подъемной силы. Оптимизация угла набора высоты заключается в максимизации значения (Тяга-Сопротивление).

Ключевым моментом является то, что увеличение угла атаки на самом деле не улучшает коэффициент лобового сопротивления . Так как же уменьшить силу сопротивления ? Поскольку увеличенный коэффициент подъемной силы вызывает уменьшение воздушной скорости , что приводит к чистому уменьшению силы сопротивления .

Конечно, есть небольшой интервал сразу после того, как мы переместили ручку или штурвал назад, но до того, как воздушная скорость успеет существенно уменьшиться, когда подъемная сила на самом деле больше , чем вес. В это время траектория полета изгибается вверх в набор высоты. Это ускоренное состояние. Кривая может быть настолько пологой, что пилот даже не чувствует дополнительной перегрузки, но некоторая дополнительная перегрузка действительно присутствует во время перехода. Во время этого перехода мы также увеличили сопротивление. Увеличенная сила сопротивления, а также тот факт, что по мере того, как траектория полета начинает изгибаться вверх, вектор веса начинает приобретать составляющую, действующую против направления вектора воздушной скорости, ответственны за потерю воздушной скорости во время этого перехода в набор высоты.

Имея за плечами эту предысторию, давайте обратим внимание на некоторые конкретные аспекты исходного вопроса.

Насколько я понимаю, высокое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению может сделать самолет эффективным в крейсерских условиях. Это когда самолет находится в равновесии, подъемная сила равна весу, а тяга равна сопротивлению, а поскольку сопротивление меньше, требуется меньшая тяга. Это верно

Да!

Например, если бы создаваемая подъемная сила составляла около 10 000 Н при лобовом сопротивлении 700 Н (14,29 л/сут) по сравнению с меньшей подъемной силой и сопротивлением, то подъемная сила 8 000 Н при лобовом сопротивлении 600 Н (13,33 л/сут) была бы меньше сопротивления за счет меньшего сопротивления. подъемная сила того стоит в контексте крейсерских условий (где тяга должна быть равна сопротивлению для поддержания постоянной скорости)?

Вот ироничный ответ:

Абсолютно! Вы уменьшили вес на 2000 ньютонов, поэтому вам потребуется меньше тяги. Ваша сила сопротивления теперь составляет всего 600 ньютонов, так что именно столько тяги вам понадобится. Уменьшение веса всегда полезно, если цель состоит в том, чтобы минимизировать тягу, необходимую в крейсерском полете.

Но если намерение состояло в том, чтобы Вес на самом деле оставался постоянным, что ж, надеюсь, теперь читатель поймет, что здесь действует ошибочная парадигма. Если Вес постоянен, то независимо от того, что мы делаем с отношением L/D , мы не можем свободно изменять размер вектора подъемной силы в крейсерском полете. Подъем ограничен равным весом. Но мы можем оптимизировать отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту лобового сопротивления, т. е. отношение подъемной силы к сопротивлению, так что лобовое сопротивление будет минимальным и, следовательно, требование к тяге также будет минимальным.

С другой стороны, как отмечалось в других ответах, низкое отношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту сопротивления и, следовательно, низкое отношение подъемной силы к сопротивлению полезно для того, чтобы сделать глиссаду более крутой во время захода на посадку. Но нам также нужна низкая скорость полета и, следовательно, высокий коэффициент подъемной силы по мере приближения к посадке. Эти цели не противоречат друг другу — закрылки прекрасно их доставят. Закрылки увеличивают коэффициент подъемной силы, но еще больше увеличивают коэффициент лобового сопротивления.

Оглядываясь назад, идея уменьшения подъемной силы (без уменьшения веса) в крейсерском полете может показаться немного глупой. Но правда в том, что пилоты очень часто предполагают, что Подъемная сила больше, чем Вес при наборе высоты, что является столь же ошибочной концепцией. ³ Так что путаница понятна. То, что мы на самом деле часто увеличиваем для входа в набор высоты, это не подъемная сила, а коэффициент подъемной силы . И фундаментальная причина , по которой мы это делаем, заключается не в том, что нам нужно больше подъемной силы, а скорее в том, что мы хотим получить лучшее соотношение коэффициента подъемной силы к коэффициенту сопротивления и, следовательно, лучшее отношение подъемной силы к сопротивлению. Все потому, что нам нужно уменьшить сопротивление, чтобы максимизировать наш угол подъема для заданной величины тяги.

Точно так же пилоты часто говорят о «крыле большой подъемной силы». Было бы более ясно и могло бы помочь избежать некоторой путаницы, содержащейся в исходном вопросе, говорить о крыле с высоким максимальным коэффициентом подъемной силы .

Связанный с этим вопрос - что происходит с кустовым самолетом STOL с предкрылками, большим изгибом крыла и т. д. - если набор высоты заключается в минимизации сопротивления, а не в увеличении подъемной силы, то как все это сопротивление может помочь угол набора высоты?

Ответ: основная цель этих конструктивных особенностей — увеличить коэффициент подъемной силы и помочь самолету медленно садиться и взлетать . Если тяга постоянна, то максимальный угол набора высоты самолета достигается при максимальном соотношении Cl/Cd и L/D, где сопротивление минимально, а (тяга-сопротивление) максимально. Многие из этих конструктивных особенностей увеличивают коэффициент аэродинамического сопротивления настолько, что уменьшают максимальное соотношение Cl/Cd и L/D. Однако в реальном мире для поршневых и турбовинтовых двигателей значительно большая тяга доступна при более низкой воздушной скорости, чем при более высокой воздушной скорости, поэтому некоторые из этих функций могут, в конце концов, обеспечить чистое улучшение максимального угла набора высоты. ⁴Учтите также, что пролет над препятствиями имеет преимущество, если максимальный угол набора высоты достигается вскоре после взлета, а не после длительного периода ускорения. Но фундаментальная причина, по которой эти функции существуют, заключается в возможности медленных, то есть коротких, взлетов и посадок.

Сноски--

1. Конечно, на самом деле тяга на самом деле не остается постоянной, когда мы увеличиваем угол атаки и замедляемся до более низкой воздушной скорости, особенно в самолете с поршневым двигателем, который имеет тенденцию производить примерно постоянное количество энергии . Больше тяги обычно становится доступным, когда мы уменьшаем скорость полета, что является еще одной причиной, почему угол набора высоты улучшается, когда мы замедляемся, чтобы приблизиться к скорости полета Vx.

2. См. сноску 3 для совершенно другого - и ошибочного - описания того, что происходит, когда мы перемещаем ручку или штурвал назад, чтобы начать набор высоты, взятое из материалов FAA по летной подготовке.

3. Например, на странице 3-16 «Справочника по полетам на самолетах» FAA (2016 г.) мы читаем: « Когда самолет входит в набор высоты, необходимо развивать избыточную подъемную силу, чтобы преодолеть вес или гравитацию. Это требование развивать большую подъемную силу приводит к большее индуктивное сопротивление, что либо приводит к уменьшению воздушной скорости и/или увеличению мощности для поддержания минимальной воздушной скорости при наборе высоты. Самолет может поддерживать набор высоты только тогда, когда имеется достаточная тяга, чтобы компенсировать повышенное сопротивление..." Как обсуждалось в этом ответ, это просто неправда. Если мы перейдем от горизонтального полета к набору высоты, не делая ничего (например, замедления до Vy или Vx), чтобы уменьшить силу сопротивления до более низкойзначение, чем у нас был горизонтальный полет, нам, безусловно, придется увеличить тягу, но эта избыточная тяга используется для поддержки веса самолета, а не для противодействия увеличению сопротивления из-за увеличения подъемной силы. Учебные материалы FAA наземной школы такого рода часто оказываются плохими источниками фактической информации о реальных силах, присутствующих в различных сценариях полета. См., например, плохое описание сил при планирующем полете в «Справочнике по полетам на планерах» (2013 г.), как обсуждалось в конце этого соответствующего ответа ASE , и плохое описание сил при проскальзывании или заносе в полете в «Справочнике пилота». аэронавигационных знаний» (2016 г.) фигурирует в этом связанном вопросе ASE .

4. Иногда доступно так много мощности, что максимально доступный угол набора высоты просто не вызывает беспокойства — посмотрите на стероидный самолет «Драко» в этом видео на You Tube — но все же обратите внимание на разницу в конфигурации между заходом на посадку, посадкой , взлетом и восхождение .)