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

Как уже объяснили ответы на ваш первоначальный вопрос, вам нужна дополнительная подъемная сила, чтобы ускориться вверх. Однако, как только крыло приведено в вертикальное движение, подъемная сила снова точно равна весу, чтобы поддерживать постоянную вертикальную скорость крыла (если на мгновение пренебречь тягой и сопротивлением). Для поддержания этой вертикальной скорости не требуется дополнительной подъемной силы. Только когда вы хотите ускориться еще больше, необходима дополнительная подъемная сила.

Увеличение потенциальной энергии действительно исходит от винта, потому что вектор подъемной силы подъемного крыла наклонен назад, добавляя горизонтальную составляющую, которую необходимо компенсировать дополнительной тягой винта.

Теперь давайте подробно рассмотрим ваш эксперимент: я предполагаю, что крыло имеет некоторую массу, заблокировано при вращении и скользит вверх и вниз по шесту без трения. Если вы разгоните автомобиль, в какой-то момент его скорость будет достаточной для того, чтобы крыло создавало подъемную силу, компенсирующую собственный вес. На этой скорости крыло будет устойчивым в любом положении вдоль полюса. Если он немного соскользнет вниз, его угол атаки$\alpha$увеличится и создаст большую подъемную силу, остановив движение вниз. Обратное верно для любого восходящего движения. См. ниже иллюстрацию принципа. Голубой вектор представляет собой векторную сумму потока из-за поступательного движения (синий) и вертикального движения (красный), и это то, что крыло «заметит».

При дальнейшем ускорении автомобиля подъемная сила будет увеличиваться и теперь станет больше, чем вес. Крыло будет ускоряться вверх до тех пор, пока его вертикальная скорость не уменьшит угол атаки настолько, чтобы уменьшить вертикальные аэродинамические силы до точно равного его весу. Теперь у вас та же ситуация, что и раньше, но не с нулевой вертикальной скоростью, а с положительной вертикальной скоростью, которая гарантирует, что крыло выскочит в верхней части шеста, если только не будет какого-либо упора. При попадании крыла в упор вертикальное движение прекращается, угол атаки увеличивается и крыло поднимет не только себя, но и часть веса автомобиля.

Заметьте, я сейчас говорил о вертикальных составляющих аэродинамических сил, а не о подъемной силе. При добавлении сопротивления добавляется вертикальный компонент, когда крыло находится в движении. Подъемная сила определяется как сумма аэродинамических сил, перпендикулярных направлению потока на бесконечности, и сопротивления, параллельного ему. Это громоздкое определение гарантирует, что локальные искажения в поле потока не влияют на направление подъемной силы и сопротивления. Направление подъемной силы подъемного крыла будет указывать немного назад, а направление лобового сопротивления — немного вниз. Это добавит некоторую составляющую сопротивления к сумме вертикальных аэродинамических сил, и подъемная сила должна увеличиться, чтобы компенсировать это. Горизонтальная составляющая подъемной силы теперь добавит к сопротивлению и силам на шесте, поэтому требуется больше силы от винта, чтобы толкать поднимающееся крыло по воздуху. Эта дополнительная сила необходима для увеличения потенциальной энергии крыла на пути вверх. Для опускающегося крыла верно обратное: теперь сопротивление добавит некоторую вертикальную составляющую, и подъемная сила будет немного медленнее. Передняя составляющая подъемной силы теперь будет давить на шест, уменьшая силу, которую должен обеспечить винт. Уменьшение потенциальной энергии теперь уменьшает горизонтальные аэродинамические силы.

Самолет немного отличается, потому что он может свободно наклоняться вверх или вниз, и угол тяги будет изменяться вместе с ним. Это позволит пилоту выбрать траекторию полета и величину подъемной силы, создаваемой крылом, но опять же, вертикальное движение гарантирует, что любая избыточная подъемная сила преобразуется в увеличение вертикальной скорости и меньший угол атаки, поэтому избыточная подъемная сила исчезает. При наборе высоты тяга должна быть больше, чем сопротивление, чтобы увеличить потенциальную энергию самолета, и теперь вертикальная составляющая наклонного вектора тяги будет поддерживать некоторый вес, уменьшая подъемную силу, необходимую для удержания веса.

Когда ты сказал,

Никакая мощность, вложенная винтом, не переходит в потенциальную энергию крыла; набор высоты крыла осуществляется исключительно за счет подъемной силы.

вы упускаете, откуда берется энергия крыла. Подъемная сила — это не магическая сила, создающая потенциальную энергию из ничего: она просто превращает скорость полета (кинетическую энергию) в высоту (потенциальную энергию). В вашем примере мощность, вложенная винтом, превращается в кинетическую энергию всей тележки, включая крыло. Так энергия винта (или его топлива) переходит в потенциальную энергию крыла. Вам нужно использовать больше тяги, чтобы вести тележку с прикрепленным крылом, чем если бы вы убрали крыло.

Есть два способа взглянуть на силы, создаваемые во время подъема. Помните, что поскольку крыло создает большую подъемную силу, оно также создает большее индуктивное сопротивление . Вот почему вам нужна избыточная тяга, чтобы создать избыточную подъемную силу.

При определенной настройке мощности вы можете летать ровно с определенной скоростью. Если вы наклоните вверх, крылья создадут избыточную подъемную силу, но также и большее сопротивление. Несмотря на то, что часть вашей тяги действует вертикально, избыточной тяги нет, потому что сопротивление больше. Вы замедлитесь, подъемная сила уменьшится, и вы перестанете подниматься.

Вместо этого вы можете удерживать самолет на одном уровне и добавлять больше тяги. Это увеличит вашу скорость, что также увеличит подъемную силу крыльев. Это, в свою очередь, увеличивает индуктивное сопротивление, которое в конечном итоге уравновешивает избыточную тягу при новой, более высокой воздушной скорости. Поскольку вы увеличили подъемную силу, сделав это, вы будете подниматься, даже если ваши крылья выровнены. Вы можете сделать это только потому, что в первую очередь добавили мощности.

(Я чувствую себя обязанным указать, что вы обычно не будете набирать высоту таким образом: чтобы получить лучшую скорость набора высоты, вы обычно добавляете мощность, а также увеличиваете тангаж, позволяя вашей воздушной скорости уменьшаться до скорости, при которой крылья создают наибольшую подъемную силу. для наименьшего сопротивления.)

Я как бы чувствую, что остальные ответы излишне сложны, учитывая, насколько просты основы здесь:

Импульс

Вопрос: Необходимо ли, чтобы L>mg (или, как вы выразились, избыток подъемной силы) для набора высоты?

Ответ: Нет, по крайней мере не устойчивый избыток подъемной силы. Законы Ньютона гласят, что движущийся объект останется в этом состоянии, если на него не действует сила. Чтобы перевести самолет в набор высоты, требуется дисбаланс сил, но как только это будет достигнуто, силы можно уравновесить, и самолет продолжит набор высоты. Таким образом, избыток подъемной силы не является условием, необходимым для того, чтобы самолет мог выдержать набор высоты.

Энергия

Вопрос: Нужно ли нам добавлять энергию в систему (в виде увеличения выходной мощности), чтобы карабкаться?

Ответ: Да, если энергия сохраняется, то для того, чтобы набрать высоту (и, соответственно, гравитационную потенциальную энергию), мы должны добавить энергию. Мы могли бы не добавлять энергию, не увеличивать выходную мощность наших двигателей, а просто подтягиваться, увеличивая угол атаки, но также и сопротивление, и мы могли бы набирать высоту в течение короткого времени, обменивая кинетическую энергию на потенциальную гравитационную энергию, однако мы обнаружили бы, что наша Самолет быстро замедляется, и нам необходимо нырнуть ниже нашей первоначальной высоты, чтобы вернуться к устойчивому горизонтальному полету.

Следовательно, для набора высоты необходим избыток мощности, а не постоянный избыток подъемной силы.

Простой ответ легко продемонстрировать. Начните с самолета, ОБРЕЗАННОГО для прямого и горизонтального полета. Например, 1000 футов, 100 миль/ч, 1500 об/мин винт с фиксированным шагом.

Подъемная сила = вес самолета, а тяга = сопротивление самолета.

Теперь увеличьте обороты двигателя на 150 об/мин (на 10% больше тяги), что увеличит тягу. Самолет на мгновение ускорится, увеличенный воздушный поток над крылом и стабилизатором увеличит подъемную силу, и самолет наберет высоту. Через несколько секунд система снова отбалансируется, скорость вернется к урезанным 100 милям в час, а избыточная тяга отобразится как скороподъемность. Теперь самолет будет немного задран, но угол атаки останется постоянным, так как он контролируется настройкой триммера стабилизатора, которую мы не трогали.

Затем поверните триммер руля высоты вперед, что немного опустит нос. Скорость полета немного увеличится, а скороподъемность уменьшится. При выравнивании еще раз до прямолинейного и горизонтального полета скороподъемность самолета будет равна 0, воздушная скорость будет выше 100 миль в час. Теперь дополнительная тяга проявляется как увеличение скорости.

Чтобы продолжить пример, уменьшите обороты до исходных 1500 об/мин. оставь обшивку в покое. Теперь самолет должен показывать приличную скорость при новой чуть более высокой скорости полета.

Все это было сделано без участия ручки управления.

Каждый раз, когда пилот маневрирует основными органами управления полетом, происходит почти мгновенный обмен между углом атаки, скоростью, подъемной силой, сопротивлением, инерцией, скороподъемностью или приземлением. Джерри С.

Приведенные выше ответы прекрасно объясняют теоретическое решение вашей проблемы, но, поскольку вы не приняли ни один из них на данный момент, я бы проиллюстрировал решение численно.

Lets assume that your cart is moving with a constant velocity of 'v'

Then, K.E. = 1/2 (mv^2)
D = 1/2((density)(v^2)S(Cd))
and total energy E = K.E. + D*distance (Assuming frictionless interaction of surfaces everywhere)

now, Cd = Cd0 + K(Cl)^2
distance = v*t
so T.E. = 1/2(v^2)(m + (density)SVt(Cd0 + K(Cl)^2))

Здесь видно, что полная энергия расходуется на

1. Часть кинетической энергии тележки
2. Коэффициент подъемной части крыла тележки

Следовательно, часть коэффициента подъемной силы отвечает за потребление энергии при подъеме крыла вверх, и, следовательно, вся система подчиняется закону сохранения энергии.

Интересный пример.

МОЯ ИНТЕРПРЕТАЦИЯ ВОПРОСА [НОВОЕ]

Вот изображение с GlobalSecurity.org , которое я изменил, чтобы проиллюстрировать мою интерпретацию вопроса. На исходном изображении преувеличен угол атаки крыла.

Моя интерпретация заключается в том, что вопрос касается только вертикального движения крыла - например, вдоль вертикальных красных линий от нижнего изображения к верхнему изображению. В вопросе отмечалось, что «вектор тяги всегда горизонтален». И, как показано на изображении выше, направление относительного ветра по отношению к крылу не меняется, когда крыло движется вверх и вниз.

МОИ ВЫВОДЫ

Да, я верю, что вы могли бы заставить крыло двигаться вверх по шесту. Вы должны убедиться, что крыло имеет положительный угол атаки (AoA), так как это необходимо для создания положительной подъемной силы. Угол атаки может быть создан формой крыла или наклоном крыла назад. И двигатель должен быть в состоянии толкать тележку достаточно быстро, чтобы использовать угол атаки для создания подъемной силы, необходимой для преодоления веса крыла.

Стандартное уравнение для расчета подъемной силы: подъемная сила (фунты) = коэффициент подъемной силы X динамическое давление (фунт/фут^2) X площадь крыла (фт^2).

Как показано выше, обычно используемая оценка заключается в том, что коэффициент подъемной силы составляет 1/10 от AoA. Обычно используемая оценка максимального угла атаки составляет около 16 градусов, но это зависит от каждого крыла.

Динамическое давление составляет 1/2 pv^2, где p — плотность воздуха (0,00239 порций на уровне моря), а v — скорость (фут/сек). Таким образом, чем быстрее вы едете и чем больше угол атаки, тем больше подъемная сила. Таким образом, например, если площадь крыла составляет 6 футов ^ 2, тележка движется со скоростью 30 миль в час (44 фута в секунду), плотность воздуха составляет 0,00239 порций, а коэффициент подъемной силы составляет 0,25 (2,5 градуса угла атаки), крыло будет генерировать подъемную силу 3,45 фунта.

Должен отметить, что также возможно принудительно поднять крыло вверх, даже если вы превысите максимальный угол атаки - так же, как вы можете поднять руку вверх, высунув ее из окна движущегося автомобиля и откинув назад. Но это не пример истинной Подъемной силы, вы просто отклоняете ветер вниз, который толкает вашу руку вверх. Результирующее сопротивление будет чрезвычайно высоким.

True Lift является результатом перепада давления воздуха. В пределах ограниченного диапазона AoA это развивает огромную подъемную силу и гораздо меньшее сопротивление. Братья Райт смогли летать, потому что они понимали силу подъемной силы и потому что они создали двигатель с достаточной мощностью, чтобы генерировать скорость, необходимую для создания достаточной подъемной силы, чтобы превысить вес их самолета.

(РЕДАКТИРОВАТЬ. Интересный пример этой разницы можно увидеть на парусниках, некоторые из которых используют крылья для увеличения подъемной силы.)

Название вашего вопроса может создать некоторую путаницу, потому что можно утверждать, что вам нужна «избыточная мощность» для создания скорости, необходимой для создания «избыточной подъемной силы». В литературе термин «избыточная мощность» используется для описания доступной мощности, превышающей мощность, необходимую для горизонтального полета с постоянной скоростью. Эта избыточная мощность может быть использована либо для увеличения скорости, либо для увеличения подъемной силы на этой скорости.

Тем не менее, я ограничиваю свой ответ точным вопросом, который вы задали в своей дискуссии.

ДОПОЛНИТЕЛЬНОЕ ПРИМЕЧАНИЕ [НОВОЕ]

Одна из проблем с конструкцией транспортного средства в этом примере заключается в том, что будет трудно предотвратить отлет крыла или удар по верхней части балки. Как только транспортное средство достигает скорости, необходимой для того, чтобы крыло создавало избыточную подъемную силу и поддерживало эту скорость, ничто не мешает крылу продолжать подъем. Но я не считаю это проблемой, потому что цель вопроса заключалась только в том, чтобы определить, начнет ли крыло подниматься вертикально.

Обновленная симуляция без вертикальной силы сопротивления.

В этой ситуации только для крыла подъемная сила при наборе высоты больше, чем вес. Вертикальная сила стабилизируется, чтобы равняться весу, но, поскольку вектор подъемной силы слегка наклонен назад из-за восходящей скорости, аэродинамическая подъемная сила увеличивается.

Ответ Питера Кемпфа описывает, что происходит с крылом в этой ситуации, но чего у нас не было, так это количественной оценки. Я провел моделирование в реальном времени сил на крыле на чертеже OP в зависимости от скорости полета.$V_{air}$и вертикальная скорость крыла$\dot{z}$. Силы на крыле показаны ниже, я взял профиль NACA 0012 с$\alpha_0$2 степени:

$$L = lift = C_L \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot {V}^2 \cdot A \tag{1}$$

$$D = C_D \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot {V}^2 \cdot \tag{2}A$$

Для НАКА 0012,$C_L$пропорциональна$\alpha$:$C_L$= 1 в$\alpha$= 10 градусов, следовательно

$$C_L = k_L \cdot \alpha \tag{3}$$

При подъеме крыла угол атаки изменяется:

$$\Delta \alpha = arctan(\frac{\dot{z}}{V_{air}}) \tag{4}$$

Теперь объединим все константы вместе:$K_L = k_L \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot A$,$K_D = 0.01 \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot A$($C_D$для стандартной шероховатости при Re = 6 x$10^6$= 0,01 для углов до 4 градусов)

Подъемная сила этого угла атаки находится путем объединения (1), (3) и (4):

$$L = K_L \cdot (\alpha_0 - \Delta \alpha) \cdot V^2 \tag{5}$$

результирующая сила$F$делится на массу, чтобы получить ускорение крыла, которое затем интегрируется с цифровым интегратором Эйлера, чтобы получить$\dot{z}$

L и D выровнены с вектором свободного потока V, в то время как вес всегда выровнен по вертикали. Берем косинус вектора L минус синус вектора D

$$F_{up} = L \cdot cos(\Delta \alpha) - D \cdot sin(\Delta \alpha) \tag{6}$$ Теперь для:

• м = 1 кг
• А = 1$m^2$
• $\alpha_0 = 2 deg$
• $k_L$= 0,1

Получаем L = 9,81 Н при$V_{air}$= 8,949 м/с. Если мы затем увеличим$V_{air}$с 8,949 до 10,5 м/с за 1,5 секунды крыло получает начальное ускорение вверх. Через 2,4 секунды ускорение равно нулю, крыло поднимается с постоянной скоростью.$\dot{z}$= 0,1 м/с. Затем угол атаки уменьшился с 2 градусов до 1,45 градуса.

Значения, напечатанные для начала теста до 3 секунд:

В отклике есть некоторые эффекты 2-го порядка, которые могут быть вызваны цифровой нестабильностью из-за большого временного шага интегратора Эйлера. Времени проверить это сейчас нет.

Таким образом, в конечном итоге L составляет 9,82 Н, что больше, чем вес при наборе высоты из-за увеличения воздушной скорости. Ненамного - вектор подъемной силы наклонен назад на небольшой угол, определяемый отношением$\dot{z}$и V, который равен 0,01. Суммарная вертикальная сила$L \cdot cos\alpha - D \cdot sin\alpha - W$

При установившемся наборе высоты в самолете основная формула для величины вектора подъемной силы: подъемная сила = вес * косинус (угол набора высоты). Чтобы узнать больше об этом, см. векторные диаграммы и расчеты в соответствующем ответе ASE . Пока линия Тяги выровнена с траекторией полета, а не наклонена вверх или вниз, соотношение Подъемная сила = косинус (Вес) «запекается в физике» стационарного набора высоты, даже когда мы летим на скорости. большой угол атаки, обеспечивающий высокий коэффициент подъемной силы и высокое отношение L/D . Пока Тяга совпадает с траекторией полета, Подъемная сила меньше Веса при установившемся наборе высоты.

Если относительно направления траектории полета присутствует какая-либо тяга вниз или вверх , то ситуация усложняется. Тяга вниз увеличивает вектор подъемной силы, а направленная вверх тяга уменьшает вектор подъемной силы. В предельном случае, когда сопротивление равно нулю, подъемная сила = вес * косинус (угол набора высоты) + тяга * синус (угол тяги вниз), где угол тяги вниз определяется относительно направления траектории полета.. (Рассматривайте аптраст как отрицательный нисходящий траст.) Когда сопротивление не равно нулю, эта формула больше не применяется. Когда сопротивление не равно нулю, если есть тяга вниз, вектор подъемной силы будет больше, чем значение, заданное приведенной выше формулой, а если есть тяга вверх, вектор подъемной силы будет меньше значения, заданного приведенной выше формулой. В таких случаях точные значения векторов подъемной силы, сопротивления и тяги можно найти с помощью векторной диаграммы, если известны отношение L/D, угол набора высоты и угол тяги вниз или вверх.

Если присутствует достаточная тяга вниз, Подъемная сила будет больше , чем Вес при установившемся наборе высоты. Мы можем показать, что в предельном случае, когда сопротивление равно нулю, всякий раз, когда угол направленной вниз тяги относительно направления траектории полета превышает половину угла набора высоты, подъемная сила будет превышать вес. Когда сопротивление не равно нулю, угол тяги вниз, который делает подъемную силу равной весу, становится меньше половины угла подъема.

Тележка «винтового поезда» может толкаться только горизонтально вперед на крыле. Таким образом, в случае «винтового поезда», как только крыло начинает подниматься , направление мгновенной траектории полета крыла больше не параллельно линии тяги, поэтому существует тяга вниз. На самом деле угол тяги вниз всегда точно равен мгновенному углу набора высоты крыла. Таким образом, всякий раз, когда крыло «винтового поезда» поднимается, Подъемная сила должна быть больше, чем Вес, даже в стационарном случае, когда ускорение равно нулю.

На векторных диаграммах выше показаны силы при установившемся наборе высоты для крыла «винтового поезда» слева и для обычного самолета (где угол тяги вниз при заданном угле атаки оказывается равным нулю). справа.

Для простоты отношение подъемной силы к сопротивлению составляет 3:1 во всех случаях. Углы набора высоты 10 и 30 градусов относительно горизонта показаны как для «винтового поезда», так и для обычного самолета. Диаграммы нарисованы в одном масштабе — вектор весов на каждой диаграмме идентичен. Величины векторов воздушной скорости масштабируются пропорционально квадратному корню из величин векторов подъемной силы и сопротивления.

Правая диаграмма может выглядеть немного странно с «неприкрепленными» векторами сопротивления, но присмотритесь и вы увидите два замкнутых прямоугольных треугольника, каждый из которых состоит из веса, подъемной силы и (тяги минус сопротивления), где подъемная сила = вес * косинус (угол подъема) и (тяга минус сопротивление) = вес * синус (угол подъема).

(Кроме того, правую диаграмму можно легко изменить для любого отношения L/D, удалив или удлинив правые концы векторов Drag и Thrust, сохранив значение (Thrust-Drag) одним и тем же. Это не так. просто изменить левую диаграмму для различных соотношений L/D — диаграмма должна быть полностью перерисована.)

Вот таблица задействованных сил, где L/D зафиксировано как 3:1, вес произвольно установлен на 100, а воздушная скорость ("A") в произвольных единицах. Мы также включили требуемую мощность (P). Поскольку мощность = сила * составляющая скорости вдоль направления, в котором действует сила , мощность вычисляется путем умножения тяги на скорость полета на косинус угла тяги вниз.

(3/1 L/D)
             "Propeller Train"              "Conventional" Airplane       
Climb angle  L    D    T    A    P          L     D   D-T   T    A    P
      0      100  33   33   100  3300       100  33   0     33   100  3300
     10      115  38   69   107  7260       98   33   17    50   98   4920
     30      145  48   114  120  11900      87   29   50    79   93   7300

Понятно, что к крылу «винтового поезда» нужно приложить больше мощности, когда крыло поднимается вверх, чем когда оно не поднимается, как и в случае с «обычным самолетом».

Только для сравнения, здесь приведены усилия и требования к мощности, возникающие при соотношении L/D, равном 10/1, а не 3/1 (векторные диаграммы, соответствующие этим случаям, здесь не воспроизводятся).

(10/1 L/D)
             "Propeller Train"             "Conventional" Airplane       
Climb angle  L    D    T    A    P          L     D   D-T   T    A    P
      0      100  10   10   100  1000       100  10   0     10   100  1000
     10      104  10   29   102  2890       98   9.8  17    27   99   2700
     30      125  12   75   112  7280       87   8.7  50    59   93   5460

Предупреждение - мы не должны предполагать, что таблица L/D 3/1 и таблица L/D 10/1 могут отражать один и тот же самолет или крыло с двумя разными углами атаки. Если мы хотим использовать таблицы таким образом, мы должны игнорировать столбцы «Воздушная скорость» и «Мощность». Причина этого в том, что столбцы «Воздушная скорость» и «Мощность» произвольно устанавливаются для каждой таблицы, так что вектор подъемной силы, равный 100, соответствует воздушной скорости, равной 100. атаки и отношения L/D, мы также уменьшаем коэффициент подъемной силы, что приводит к значительному увеличению воздушной скорости, что не отражено в таблицах. «Скорость полета» и «Мощность»Отношение L/D или для сравнения случаев «винтовой передачи» и «обычного самолета» при одном и том же отношении L/D и угле набора высоты, предполагая, что коэффициент подъемной силы одинаков в каждом случае.

Обратите внимание, что в действительности, если только крыло «винтового поезда» не может свободно поворачиваться по тангажу, угол атаки крыла «винтового поезда» не может фактически оставаться постоянным независимо от скорости набора высоты — чем выше набор высоты. угол, тем больше «относительный ветер» дует сверху, по отношению к горизонту. Это уменьшает угол атаки аэродинамического профиля. Следовательно, отношение L/D не может фактически оставаться постоянным при увеличении угла набора высоты. Если крыло не зафиксировано в положении с очень высоким тангажем носа, так что оно по существу глохнет, когда не поднимается, более высокие углы набора высоты будут коррелировать с более низкими коэффициентами подъемной силы и, следовательно, с более высокими воздушными скоростями. И пока мы находимся на «передней стороне» кривой сопротивления,более низкие отношения L/D. С «гребным винтом» в установившемся режиме уменьшение отношения L/D отражается не как уменьшение подъемной силы, а скорее как увеличение сопротивления, тяги и подъемной силы. Это лучше всего визуализировать, взглянув на левую векторную диаграмму и увидев, что еще изменится, когда мы увеличим длину вектора сопротивления, сохраняя при этом угол набора высоты постоянным.

По сути, приведенные выше векторные диаграммы и таблицы дают некоторое представление о том, как угол тяги вниз влияет на силы, действующие на крыло «винтового поезда», и они также ясно показывают, что крыло «винтового поезда» требует большей тяги и мощности. когда он поднимается, чем когда нет, но они наиболее непосредственно относятся к крылу, свободному для поворота, чтобы поддерживать постоянный угол атаки и отношение L / D независимо от положения фюзеляжа по тангажу по линиям «свободного крыла». концепция ( ссылка на PDF ) (нужна лучшая ссылка).

Другим интересным вариантом концепции «винтового поезда» может быть вращающееся цилиндрическое крыло, использующее эффект «Магнуса» ( ссылка в Википедии ), и в этом случае величина векторов подъемной силы и сопротивления будет нечувствительна к направлению относительного ветра.

Какие сведения о полете на обычном самолете дает нам «винтовой поезд»? Это говорит нам о том, что можно войти в набор высоты вообще без тангажа, так что тангаж самолета останется таким же, как и в горизонтальном полете, но в большинстве случаев это крайне неэффективно. Еслимы изначально летим очень медленно, на «обратной стороне кривой лобового сопротивления», с очень большим углом атаки и высоким тангажем, добавление мощности при сохранении постоянного тангажа действительно заставит нас набрать воздушную скорость. и начать восхождение. В этой части диапазона полетов эта стратегия прекрасно работает. Однако, если мы находимся в каком-либо обычном крейсерском полете, мы обнаружим, что добавление мощности при сохранении постоянного положения по тангажу может дать только очень скромную скорость набора высоты и угол набора высоты. Когда мы входим в набор высоты, чтобы предотвратить тангаж самолета для сохранения того же угла атаки, который он имел в горизонтальном полете, мы будем удерживать переднее давление на ручке управления или штурвале, чтобы уменьшить угол атаки. или мы переделаем самолет, чтобы добиться того же. Если мы не на "тяги относительно траектории полета, когда он летел горизонтально, любой положительный угол набора высоты вызовет тягу вниз относительно направления траектории полета. Если мы начинаем с нормального крейсерского полета на «передней стороне» кривой лобового сопротивления, все эти взаимосвязи работают против нас, и мы обнаружим, что требуется очень большое увеличение воздушной скорости, тяги и мощности, чтобы достичь очень скромная скороподъемность и угол набора высоты.

Мысленный эксперимент с «винтовым поездом» проясняет, почему мы обычно входим в набор высоты, позволяя самолету увеличивать тангаж таким образом, чтобы угол атаки не уменьшался из-за восходящей траектории самолета, а линия тяги не была направлена ​​вниз . относительно траектории полета, независимо от того, действительно ли мы выбираем увеличение угла атаки при наборе высоты.

Никакая мощность, вложенная винтом, не переходит в потенциальную энергию крыла; набор высоты крыла осуществляется исключительно за счет подъемной силы. Я что-то пропустил?

Да-- с "винтовым поездом", когда крыло поднимается, тяга конечно совершает работу по направлению траектории полета через воздушные массы, которая никогда не бывает чисто вертикальной. Вот аналогичная ситуация: представьте себе воздушного змея, летящего в ветреный день, с тетивой под углом 45 градусов. Представьте, что у нас есть легкий мяч, который может висеть на крючке, который мы можем зацепить за веревку воздушного змея. Чисто горизонтальная сила ветра заставит мяч бежать вверх по струне воздушного змея. Ветер совершает работу , увеличивающую потенциальную энергию шара, а пропеллер «винтового поезда» совершает работу, увеличивающую потенциальную энергию крыла.

Ссылки по теме:

Поднимает ли одинаковый вес в подъеме? -- включает векторные диаграммы

Существуют ли ситуации, когда было бы полезно иметь большую подъемную силу, но низкое отношение подъемной силы к лобовому сопротивлению? - включает в себя акцент на коэффициентах подъемной силы и сопротивления , а также фактических векторах силы в полете с набором высоты.

Требуется ли избыточная подъемная сила или избыточная мощность для набора высоты? - исследует настоящий вопрос в исчерпывающих деталях, не ограничиваясь стационарным условием постоянной скорости набора высоты, и включает модифицированную версию задачи, в которой крыло «винтового поезда» может свободно поворачиваться для поддержания постоянного угла наклона. атака

Другой ответ (и основная предпосылка) вводят в заблуждение. Авиация — это тщательный баланс почти всего, и вы редко получаете больше одного, не теряя при этом другого.

Рассмотрим ракету. Нет крыльев, а значит и подъемной силы. Уровень моря, 0 м/с, выход на орбиту за 8 минут. Все сделано с довольно смехотворным количеством энергии.

Теперь рассмотрим дирижабль. Тоже без крыльев, но с избыточной подъемной силой. Поднимается все само. Двигатели предназначены исключительно для маневрирования, если их убрать, мы обычно называем это воздушным шаром.

Одна из самых нелепых вещей, которые я когда-либо слышал, была, когда летный инструктор утверждал, что дроссельная заслонка управляет высотой, а руль высоты управляет скоростью. Я назвал это заявление полной чушью и спросил, если он обнаружит, что летит к каким-то кучево-гранитным облакам, предпочтет ли он добавить мощности или довольно резко дернуть рычаги управления?

Что он пытался донести, так это то, что в чрезвычайно узком режиме прямолинейного и горизонтального полета* регулировка мощности будет влиять на скорость, которая влияет на подъемную силу, и в конечном итоге после регулировки мощности самолет стабилизируется на другой высоте. Регулировка шага почти сразу изменит вашу скорость, но также изменится и высота. Вы могли бы устроить демонстрацию одновременной регулировки мощности и высоты тона без каких-либо других изменений, но это в основном подтверждает мою точку зрения. Если вы хотите замедлиться (например, приземлиться), вы оставляете газ полностью и тянете стик до упора назад? Конечно нет. Это очень тонкий баланс, и пилоты тратят много времени на его изучение. Или, если вы работаете в некоторых азиатских авиакомпаниях, у вас просто есть очень дорогие компьютеры, которые справляются с этим за вас.

• Да, мы проводим там много времени, но подумайте, насколько точны вы должны быть. Некорректная доля градуса по любой оси приведет к тому, что вы разобьетесь до того, как у вас кончится топливо.