Страдают ли коробчатые крылья от индуктивного сопротивления так же, как и обычные крылья?

Коробчатое крыло лучше только тогда, когда вы сравниваете крылья с одинаковым размахом. Два крыла коробчатого крыла работают в разных плоскостях Treffz, поэтому струя вниз распространяется вертикально. Разница в индуктивном сопротивлении с одинарным крылом невелика, всего несколько процентов. Сопротивление трения выше (см. ниже), как и масса конструкции, поэтому крыло коробчатого сечения должно создавать большую подъемную силу. Это делает индуктивное сопротивление коробчатого крыла значительно выше, чем у одинарного крыла.

Что такое индуктивное сопротивление ? Это следствие создания подъемной силы в ограниченном диапазоне. Крыло создает подъемную силу, отклоняя воздух вниз. Это происходит постепенно по хорде крыла и создает силу реакции, ортогональную местной скорости воздуха. Это означает, что сила реакции направлена ​​вверх и немного назад. Эта обратная составляющая является индуцированным сопротивлением! Законцовки крыла не задействованы и не вызывают индуктивного сопротивления. Создание лифта есть.

Если вы летите быстро, то в единицу времени мимо крыла проходит много воздушных масс, поэтому вам нужно лишь слегка отклонять воздух. Ваше индуцированное сопротивление мало. То же самое относится к большому пролету: больше воздуха, который можно отклонить, поэтому индуктивное сопротивление мало.

Коробчатому крылу требуется по два тонких крыла на каждую сторону, у которых будет меньшая хорда, чем у одиночного крыла той же площади поверхности. Поэтому их число Рейнольдса меньше, а сопротивление трения выше. Кроме того, лонжерон крыла менее толстый и должен быть тяжелее, чтобы нести ту же подъемную силу!

Если вы отбросите ограничение по сохранению одинакового размаха, оптимальное одиночное крыло может позволить себе иметь больший размах (из-за его лучшей структурной эффективности), и преимущество коробчатого крыла пропадет. И если вы посмотрите на полную картину и добавите конструкционную массу, у коробчатого крыла никогда не было этого преимущества.

Да, а как же Синергия?

Синергия — умная конструкция с некоторыми преимуществами, но она не может обмануть физику. Это преимущества:

• Толкающая опора защищает планер от турбулентности в спутном следе, поэтому большую площадь можно сохранить в ламинарном потоке.
• Толкающая опора всасывает воздух из хвостовой части фюзеляжа, эффективно избегая разделения.
• Две короткие хвостовые балки и плавники обеспечивают отличную защиту области винта на земле.
• Благодаря компактной компоновке стабилизирующий эффект винта остается небольшим, поэтому маневренность не сильно страдает.
• Использование композитов и технологий планера планера снижает сопротивление трения.
• Дизельный двигатель потребляет более дешевое реактивное топливо и более экономичен, чем бензиновый двигатель.

Обратите внимание, что я не упомянул конструкцию коробчатого крыла?

Вот недостатки:

• Стреловидность крыла винтового самолета выглядит круто, но увеличивает сопротивление, потому что крыло должно быть больше, чтобы создать такую ​​же подъемную силу.
• Всего эта конфигурация имеет четыре вертикальных оперения, каждое из которых имеет собственное интерференционное сопротивление и короткую хорду, которая, опять же, увеличивает сопротивление по сравнению с сопоставимым одиночным вертикальным оперением.
• Вытянутое горизонтальное оперение также менее эффективно, чем одиночная поверхность меньшего размера с большей хордой и большим расстоянием от центра тяжести.
• Компактная компоновка обеспечивает небольшое демпфирование тангажа или рыскания. Интересно, какие ходовые качества в порывистую погоду.

Я ожидаю, что более традиционная компоновка по образцу фс-28 будет еще эффективнее.

Akaflieg Stuttgart fs-28 в полете ( источник фото )

В: Страдают ли коробчатые крылья от индуктивного сопротивления так же, как и обычные крылья?

О: Да и нет.Самолеты с коробчатым крылом будут страдать от индуктивного сопротивления так же, как и любой другой самолет, если они являются транспортными средствами тяжелее воздуха и используют свои крылья для полета. Индуктивное сопротивление является функцией нагрузки конечного пролета и регулируется различными способами повышения эффективности конструкции при заданной нагрузке пролета. Таким образом, величина лобового сопротивления, а также способ его создания и предотвращения различаются для коробчатого крыла и моноплана с одинаковым размахом. Сегодня эта тема индуктивного сопротивления включает в себя совершенно другие определения, чем то, что было дано в оригинальных справочниках по этому вопросу. Даже если говорить об одном и том же, в теме будут слышны аргументы из двух разных лагерей: тех, кто придерживается репрезентативной математики, и тех, кто ориентируется на недекартовскую, нехрестоматийную актуальную физику от случая к случаю. . Это'

Задача крыла состоит в том, чтобы эффективно толкать и тянуть воздух вниз по мере его движения вперед. Это действие вызывает как ньютоновскую реакцию, так и перепад давления Бернулли, что приводит к подъемной силе.

Создание подъемной силы таким образом приводит к тому, что близлежащий воздух также подвергается воздействию, что является вторичным результатом, зависящим от времени. Он должен «упасть в нисходящий жёлоб воздуха», который крылья сместили вниз.

Это вторичное движение вызывает (совершенно неизбежные) вращательные движения в зоне «следа» между воздухом, непосредственно перемещаемым крыльями, и близлежащим неподвижным воздухом, тем самым вовлекая больше воздушной массы, чем самолет должен был двигаться только для того, чтобы получить необходимую подъемную силу. (Разница в импульсе — это в буквальном смысле индуктивное сопротивление, хотя мы обычно обучаем этому более близко к тому, как индуктивное сопротивление визуализируется и вычисляется в 2D. Другие ответы, опубликованные здесь, иллюстрируют это в обычных терминах.)

Индуктивное сопротивление и вихревой след НЕ МОЖЕТ быть устранено для системы подъемного крыла любого типа. Тем не менее, большинство конструкций крыльев самолетов допускают кое-что еще, что значительно увеличивает стоимость создания подъемной силы с конечным размахом крыла: они позволяют высокому давлению под крылом быть «слишком близким» к низкому давлению над крылом для такой разницы давлений . развивался в полете. Если на конце крыла существует высокий перепад давления, там образуется сильный торнадоподобный вихрь.

Допущение образования любого сильного градиента между низким давлением и высоким давлением заставит воздух двигаться к низкому давлению с высокой скоростью, если это возможно. Сопротивление увеличивается экспоненциально с увеличением скорости, сообщаемой воздуху, поэтому разработчики используют различные подходы, чтобы это выравнивание не происходило быстро. Чем медленнее это происходит, тем меньше кинетической энергии сообщает самолет воздуху.

Именно здесь у Boxwings есть совершенно другой способ снижения индуктивного сопротивления по сравнению с обычным крылом: они возводят стену между низким давлением над крылом и более высоким давлением повсюду. «Стена» может быть выше крылышка, потому что над ней есть крыло, помогающее сопротивляться силам, воздействующим на нее сбоку. В этом верхнем соединении крыла вертикальная поверхность коробчатого крыла, похожая на стену, также находится между более высоким давлением под крылом и более низким давлением повсюду.

Если конструктор хорошо справится с этой идеей (многие этого не делают), то и поверхности крыла биплана, и вертикальные поверхности системы крыла-бокса будут снижать скорость градиентно-индуцированных воздушных потоков, действуя против нежелательных потоков в трехмерном пространстве. Они становятся более эффективными в этом с большим вертикальным интервалом.

Более простой и эффективный способ уменьшить индуктивное сопротивление — просто увеличить размах крыла или уменьшить вес машины. По мере того, как крыло становится длиннее, часть подъемной силы, которую должна сделать каждая единица крыла, уменьшается, а это означает, что у него будет меньший перепад давления между верхней и нижней поверхностями. В соответствии с передовой практикой этот дифференциал должен быть минимизирован на конце, поэтому градиент ослабляется. В результате более слабый градиент давления и большее расстояние между низким и высоким давлением будут снижать скорость выравнивания.

Однако по мере того, как самолет становится тяжелее или летит быстрее, этот подход становится сначала очень дорогим, а затем невозможным. Ограничения прочности материалов накладывают определенные ограничения на размах крыльев обычных самолетов.

Удивительно, но с коробчатыми крыльями дела обстоят не лучше... а может и хуже. То, что кажется конструкционным преимуществом, на самом деле просто концентрирует изгибающие силы, создаваемые каждым крылом, в углах коробки. Делать их достаточно сильными быстро становится чрезмерно тяжело. Следовательно, самолет с коробчатым крылом должен, как и биплан, иметь меньший размах, чем моноплан с эквивалентным индуктивным сопротивлением. Его эффективность размаха приносит больше пользы в конструкциях с коротким размахом, чем там, где можно увеличить размах крыла.

Можно было бы подумать, что тогда это преимущество принесло бы свои плоды опосредованно, через скорость. Чем быстрее летит самолет при заданной нагрузке на пролет, тем меньше индуктивное сопротивление он будет создавать. Фактически, при высоких указанных воздушных скоростях индуктивное сопротивление становится небольшой составляющей полного сопротивления. Однако другие аспекты конструкции коробчатого крыла, похоже, препятствуют созданию высокоскоростных решений коробчатого крыла; особенно стабильность; и «интерференционное сопротивление».

В конструкции коробчатого крыла имеется передний набор подъемных крыльев и задний набор подъемных крыльев . В высокоскоростном полете эта конфигурация не может так же стабильно или быстро реагировать на определенные условия, как крыло с хвостовым оперением (поднимающимся вниз).

При настройке тандемного подъемного крыла без такого стабилизатора, как это типично для современных версий, самолеты-коробочки должны балансировать в их объединенном центре восходящей подъемной силы , а не впереди него, как это делают обычные самолеты, благодаря стабилизирующему влиянию. хвост, толкающий в противоположном направлении. Это ограничение и поведение сваливания тандемного крыла предъявляют неотъемлемые требования к конструкции коробчатого крыла, которые ограничивают их успех на более высоких скоростях полета.

Как отмечалось выше, они также создают интерференционное сопротивление. Этот тип лобового сопротивления трудно предсказать, а также многие понимают его неправильно. На практике присущее конструкции самолета с коробчатым крылом трехмерное интерференционное сопротивление значительно снижает теоретическое двухмерное преимущество конфигурации в отношении получения преимуществ индуктивного сопротивления. Именно поэтому они совсем не похожи на «обычные крылья».

Как упоминалось в оригинальном посте, существует новая конфигурация самолета, которую часто ошибочно принимают за коробчатое крыло. Однако это не похоже на них. Это называется конфигурацией с коробчатым хвостом или двойным коробчатым хвостом. Я являюсь конструктором самолета Synergy с двойным хвостовиком, который является первым подобным самолетом, который будет разработан.

Эти несколько разочаровывающие атрибуты логичной в остальном конфигурации с коробчатым крылом были в центре внимания в течение длительного периода разработки Synergy. Я хотел использовать высокую эффективность размаха и ламинарный поток в конструкции высокоскоростного самолета, избегая при этом высокоскоростных посадок и непредсказуемого, нестабильного поведения на низких скоростях. Видео модели в масштабе 25% в полете и общий обзор можно посмотреть на сайте synergyaircraft.com . Там же можно найти пост на тему коробчатых крыльев.

Для получения дополнительной информации об эффективности пролетов и неплоских конфигурациях Илан Кроо опубликовал очень подробные обзоры по этому вопросу. Рисунок ниже адаптирован из одного из его статей. Он показывает, как можно бороться с индуктивным сопротивлением в трехмерном пространстве, перемещаясь от плоского плоского крыла в вертикальное измерение. Синергия расширяет это понимание в продольном и временном измерениях в соответствии с концепциями, впервые выдвинутыми Джорджем К. Грином во время работы в НАСА в Лэнгли.

Они не свободны от индуцированного сопротивления, но индуктивное сопротивление значительно уменьшено, как показано в статье Прандтля NACA от 1924 года и описано в этой книге (см. главу 11).

Авторы этой книги применили результаты к конструкции этого самолета .

Основная причина индуктивного сопротивления заключается в том, что крыло ускоряет воздух над и под собой вниз, увеличивая его кинетическую энергию, и из-за закона сохранения энергии оно должно куда-то брать эту энергию, и единственный способ - совершить отрицательную работу над крылом. самолета, т.е. вызывающее сопротивление.

Количество воздуха, ускоряемого в единицу времени, пропорционально размаху крыла и скорости самолета. Приложение той же силы к большему количеству воздуха ускоряет его до более низкой скорости, а поскольку кинетическая энергия пропорциональна квадрату скорости, это вызывает меньшее сопротивление. Вот почему крылья с большим удлинением (большим размахом) более эффективны, а индуктивное сопротивление уменьшается со скоростью.

Вихри на законцовках крыльев являются просто границами этой области нисходящего воздуха. И поскольку вы не можете создать подъемную силу, не ускоряя воздух вниз (по закону действия и противодействия), это индуктивное сопротивление является основным, и любое крыло с конечным размахом будет вызывать его. И это будет зависеть только от генерируемой подъемной силы, размаха крыльев и скорости и больше ничего .

См. также Как это летает, раздел 3.13 (рисунок оттуда).

Теперь есть некоторое дополнительное индуктивное сопротивление, вызванное обтеканием законцовки крыла воздухом с более высоким давлением, которое не способствует подъемной силе (или даже немного отрицательно), но способствует сопротивлению. Это может быть несколько десятков процентов или что-то в этом роде. Несколько процентов, которые можно сэкономить с помощью различных мер, достаточно значительны, чтобы окупить усилия, но они все же составляют несколько процентов. Чудеса невозможны.

Кстати, у коробчатого крыла еще есть законцовки. Воздух не может течь между крыльями или между ними, но он может течь из-под нижней горизонтальной поверхности над верхней. Плюс у крыла относительно маленькое удлинение.

Здесь много хороших моментов о снижении лобового сопротивления.

Да, индуктивное сопротивление можно уменьшить на несколько процентов с помощью коробчатого крыла за счет рассеивания вихря на конце крыла. Разница в несколько процентов, что немаловажно. Примерно так же, как биплан.

НАСТОЯЩЕЕ неоспоримое преимущество коробчатых крыльев — структурное. С крыльями, соединенными на концах, можно и практично спроектировать заданную прочность и жесткость с меньшим количеством материала. Крылья могут поддерживать друг друга и гасить естественный резонанс друг друга, покупая некоторый запас против трепетания и отказа.

Рик Жендро, дизайнер Halcyon boxwing.

Закрытые системы (коробчатое крыло - это только частный тип закрытого крыла), С-образные крылья и двукрылые фактически связаны в том, что касается минимизации индуктивного сопротивления.

Если вас интересуют технические ответы, касающиеся минимизации индуктивного сопротивления/характеристик коробчатых крыльев, закрытых систем, двухкрылых систем и многокрыльев , вы можете найти все подробности в следующих публикациях (я также могу выслать вам документы, если вы напишите мне по адресу luciano.deasiATgmail.com ):

=====Статья 1 =====

Демаси Лучано, Монегато Джованни, Дипас Антонио и Кавалларо Рауно « Теоремы о минимальном индуцированном сопротивлении для соединенных крыльев, закрытых систем и общих бикрылов: теория », Журнал теории и приложений оптимизации, 2015 г., страницы 1-36, DOI: 10.1007 / s10957- 015-0849-й, ISSN:0022-3239

=====Статья 2 =====

Демаси Лучано, Монегато Джованни, Риццо Эмануэле, Кавалларо Рауно и Дипас Антонио « Теоремы о минимальном индуцированном сопротивлении для соединенных крыльев, закрытых систем и общих бикрылов: приложения » Журнал теории и приложений оптимизации, 2015 г., страницы 1–25, Doi: 10.1007/ s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

=====Статья 3 =====

Демаси Лучано, Монегато Джованни, Кавалларо Рауно « Теоремы о минимальном индуцированном сопротивлении для многокрылых систем », 4–8 января 2016 г., SciTech2016, Сан-Диего, Калифорния, AIAA 2016-0236

=====Статья 4 =====

Демаси Лучано, Дипас Антонио, Монегато Джованни, Кавалларо Рауно « Инвариантная формула для условий минимального индуктивного сопротивления неплоских систем крыла », журнал AIAA, 2014 г., октябрь, 10, 2223–2240, 52, Doi: 10.2514/1.J052837 Url: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837

Искренне,

Лучано Демаси