Les box-wings souffrent-elles de la traînée induite de la même manière que les ailes normales?

Laile rectangulaire nest meilleure que lorsque vous comparez des ailes de même envergure . Les deux ailes dune aile caisson fonctionnent dans différents avions Treffz , de sorte que le downwash est étalé verticalement. La différence de traînée induite sur une seule aile nest pas grande, juste quelques pour cent. La traînée de friction est plus élevée (voir ci-dessous), tout comme la masse structurelle, de sorte que laile caisson doit créer plus de portance. Cela rend la traînée induite dune aile caisson effectivement plus élevée que celle dune aile simple.

Quest-ce que la traînée induite , de toute façon? Cest la conséquence de créer une portance sur une portée limitée. Laile crée de la portance en déviant lair vers le bas. Cela se produit progressivement sur la corde de laile et crée une force de réaction orthogonalement à la vitesse locale de lair. Cela signifie que la force de réaction pointe vers le haut et légèrement vers larrière. Cette composante vers larrière est induite par la traînée! Les extrémités des ailes ne sont pas impliquées et ne le sont pas provoquant la traînée induite. La création de portance lest.

Si vous volez vite, il y a beaucoup de masse dair qui passe au-delà de laile par unité de temps, vous devez donc dévier lair seulement légèrement. Sames va pour une grande envergure: il y a plus dair qui peut être dévié, donc la traînée induite est petite.

Une aile caisson a besoin de deux ailes minces par côté, qui auront une corde plus petite quune seule aile de la même surface. Leur nombre de Reynolds est donc plus petit et leur traînée de friction est plus élevée. De plus, le longeron de laile est moins épais et devra être plus lourd pour supporter la même portance!

Si vous laissez tomber la restriction de garder lenvergure identique, laile unique optimale peut se permettre davoir plus denvergure (en raison de sa meilleure structure l efficacité), et disparaît lavantage de laile à caisson. Et une fois que vous regardez limage complète et que vous ajoutez de la masse structurelle, laile de la boîte na jamais eu cet avantage en premier lieu.

Oui, mais quen est-il de la synergie?

La synergie est un design intelligent avec quelques avantages, mais il ne peut pas tromper la physique. Voici les avantages:

• Lhélice de poussée maintient la cellule sans turbulence de sillage, de sorte que plus de zone peut être maintenue en flux laminaire.
• Lhélice de poussée aspire lair de le fuselage arrière, évitant efficacement la séparation.
• Les deux poutres arrière et ailettes trapues offrent une excellente protection pour la zone de lhélice au sol.
• La disposition compacte maintient leffet stabilisateur de lhélice petit , la maniabilité ne souffre donc pas beaucoup.
• Lutilisation de composites et de technologies de cellule de planeur réduit la traînée de friction.
• Le moteur diesel consomme moins cher du carburéacteur et est plus économe en carburant quun moteur à essence.

Notez que je nai pas mentionné la conception de laile à caisson?

Voici les inconvénients:

• Le balayage des ailes dans un avion à hélice semble cool, mais augmente la traînée , car laile doit être plus grande pour créer la même portance.
• Au total, cette configuration a quatre queues verticales, chacune avec sa propre traînée dinterférence et une corde courte qui, encore une fois, augmente la traînée sur un la queue verticale simple comparable.
• La queue horizontale étirée est également moins efficace quune seule surface plus petite avec plus de corde et plus de distance du centre de gravité.
• La disposition compacte fournit peu damortissement de tangage ou de lacet. Je me demande quelles sont les qualités de conduite par temps de rafales.

Je mattendrais à une mise en page plus conventionnelle du type fs-28 serait encore plus efficace.

Akaflieg Stuttgart fs-28 en vol (image source )

Commentaires

• Wikipédia avait-il un article sur le Avion de Trefftz dans la journée? En tout cas, ce lien est effectivement mort, juste pour info.
• @AEheresupportsMonica: Merci de me lavoir fait savoir. Je ne me souviens plus à quoi ressemblait la page Wikipédia il y a 5 ans, mais maintenant, le MIT a une bien meilleure page qui montre ce que je veux dire.

Ils « ne sont pas libres de la traînée induite, mais la traînée induite est grandement diminuée, comme démontré dans Prandtl » s Article NACA de 1924 et rapporté dans ce livre (voir chapitre 11)

Les auteurs de ce livre ont appliqué les résultats à la conception de cet avion

Commentaires

• Cool! Alors doù vient la traînée induite?
• @falstro les ailes ne seront jamais parfaites, une certaine circulation se produira quand même. De plus, le vecteur de force aérodynamique, en fonction de la forme de laile, peut être légèrement incliné vers larrière, créant un composant de traînée.
• wikipedia a un schéma qui permettent aux ailes C de sapprocher des ailes de boîte
• @Federico: La circulation autour des pointes est de quelques pour cent. Peut-être 10 ou 20%, mais pas plus. La plupart est causée simplement par lapplication dune force sur lair et lair, étant librement mobile, accélérant et emportant de lénergie cinétique avec elle. Rien ne peut être fait à ce sujet. Le résultat est que la traînée induite est diminuée, mais pas beaucoup .
• @JanHudec Jai du mal à comprendre ce que vous voulez dire, mais si je vous lis correctement, vous parlez de toute la traînée , pas la partie induite seule.

Q: Les ailes caissonnées souffrent-elles de la traînée induite de la même manière que les ailes normales?

R: Oui et non. Les avions Box Wing souffriront de la traînée induite de la même manière que nimporte quel avion, sils sont des véhicules plus lourds que lair et utilisent leurs ailes pour voler. La traînée induite est fonction de la charge de portée finie et est modérée par diverses façons daméliorer lefficacité de la conception à une charge de portée donnée. Ainsi, la quantité de traînée, et la façon dont elle est créée et évitée, diffère pour un boxwing et un monoplan de même envergure. Aujourdhui, ce sujet de la traînée induite comprend des définitions complètement différentes de celles enseignées dans les références fondamentales sur le sujet. Même si lon parle de la même chose, le sujet entendra les arguments de deux camps différents: ceux qui adhèrent aux mathématiques représentatives et ceux qui se concentrent sur la physique réelle non cartésienne et non conventionnelle au cas par cas. . Il est tout à fait juste de dire que les premiers sont plus motivés que les seconds, car les seconds en savent moins jusquà plus tard.

Le travail dune aile est de pousser et de tirer efficacement lair vers le bas à mesure quil avance . Cette action provoque à la fois une réaction newtonienne et un différentiel de pression de Bernoulli, ce qui entraîne une portance.

Faire de la portance de cette façon affecte également lair proche, comme résultat secondaire dépendant du temps. Cela doit  » tomber dans le creux dair descendant « que les ailes ont déplacé vers le bas.

Ce mouvement secondaire provoque des mouvements de rotation (totalement inévitables) dans la zone de » réveil « entre lair directement déplacé par les ailes et lair stationnaire voisin, impliquant ainsi plus de masse dair que lavion nécessaire pour se déplacer juste pour obtenir la portance dont il avait besoin.(La différence de momentum est littéralement la traînée induite, bien que nous lenseignions généralement de manière plus liée à la façon dont la traînée induite est visualisée et calculée en 2-D. Dautres réponses publiées ici illustrent cela en termes conventionnels.)

Le vortex induit de traînée et de sillage NE PEUT PAS être éliminé pour un système daile de levage de tout type. Cependant, la plupart des conceptions dailes daéronefs permettent à autre chose de se produire qui augmente considérablement ce coût de faisant une portance avec une envergure finie: ils laissent hautes pressions sous laile être « trop proches » des basses pressions au-dessus de laile pour la quantité de différence de pression qui sest développé en vol. Si une pression différentielle élevée existe au bout dune aile, un fort vortex semblable à une tornade sy formera.

Permettant à tout gradient fort de se former entre la basse pression et la haute pression fera se déplacer lair vers la basse pression à une vitesse élevée, si possible. La traînée augmente de manière exponentielle avec les vitesses transmises à lair, cest pourquoi les concepteurs utilisent diverses approches pour empêcher cette égalisation de se produire rapidement. Plus cela se produit lentement, moins l’énergie cinétique est transmise à l’air par l’avion.

Cest là que les Boxwings ont une manière totalement différente de réduire la traînée induite, par rapport à une aile normale: ils mettent un mur en haut entre la dépression au-dessus de laile et le pression plus élevée partout ailleurs. Le «mur» peut être plus haut quun winglet, car il a une aile au-dessus pour aider à résister aux forces qui le poussent sur le côté. Au niveau de cette connexion daile supérieure, la surface verticale en forme de mur dun boxwing également se situe entre la pression la plus élevée sous laile, et la pression inférieure partout ailleurs.

Si un concepteur fait du bon travail avec cette idée (beaucoup ne le font pas), les surfaces des ailes du biplan et les surfaces verticales du système boxwing modéreront la vitesse du gradient induit les flux dair en agissant contre les flux indésirables dans lespace 3D. Ils deviennent plus efficaces avec un plus grand espacement vertical.

Le moyen le plus simple et le plus efficace de réduire la traînée induite est simplement daugmenter lenvergure des ailes ou de réduire le poids du véhicule. Au fur et à mesure quune aile sallonge, la partie de la portance que chaque unité de laile doit effectuer est réduite, ce qui signifie quelle aura un différentiel de pression plus faible entre les surfaces supérieure et inférieure. Les meilleures pratiques exigent que ce différentiel soit minimisé à la pointe, afin que le gradient soit affaibli. Le résultat est alors quun gradient de pression plus faible et une distance plus longue entre les basses et les hautes pressions maintiendront les vitesses dégalisation vers le bas.

Cependant, à mesure quun avion devient plus lourd ou va plus vite, cette approche devient dabord très coûteuse, alors impossible. Les limites de la résistance des matériaux imposent des limites précises à lenvergure des avions conventionnels.

Étonnamment, les ailes à caissons ne se portent pas mieux … peut-être pire. Ce qui semble être un avantage structurel concentre en fait simplement les forces de flexion, générées par chaque aile, dans les coins de la boîte. Les rendre assez solides devient rapidement excessivement lourd. Par conséquent, un avion à voilure caisson devrait, comme un biplan, avoir une envergure plus courte quun monoplan de traînée induite équivalente. Son efficacité denvergure porte plus de fruits parmi les conceptions à courte portée que lorsque lenvergure peut être augmentée.

On pourrait penser que cet avantage porterait alors indirectement ses fruits, grâce à la vitesse. Plus un avion vole vite, pour une charge denvergure donnée, moins il produira de traînée induite. En fait, à des vitesses indiquées élevées, la traînée induite devient une petite composante de la traînée totale. Cependant, dautres aspects de la conception des ailes en caisson semblent avoir entravé les solutions daile en caisson à grande vitesse; notamment la stabilité; et « traînée dinterférence ».

Dans une conception daile en caisson, il existe un ensemble avant dailes de levage , et un ensemble arrière dailes de levage . En vol à grande vitesse, cette configuration ne peut pas répondre de manière aussi stable ou aussi rapide à certaines conditions quune aile avec une queue (levée vers le bas).

Lorsquils sont installés en tant quagencement daile à levage en tandem sans un tel stabilisateur, comme cest typique des versions modernes, les doivent séquilibrer à leur centre combiné de portance vers le haut , plutôt que devant comme le font les avions conventionnels, grâce à linfluence stabilisatrice dune queue poussant dans la direction opposée. Cette limitation et ces comportements de décrochage en tandem imposent des exigences inhérentes aux conceptions boxwing qui limitent leur succès à des vitesses de vol plus élevées.

Comme indiqué ci-dessus, ils créent également une traînée dinterférence.Ce type de traînée peut être difficile à prévoir et est également largement mal compris. En pratique, la traînée dinterférence 3-D inhérente à une conception daéronef à aile rectangulaire réduit considérablement lavantage théorique 2-D de la configuration pour obtenir des avantages de traînée induite. Cest pourquoi elles ne ressemblent pas du tout à des « ailes normales ».

Comme mentionné dans larticle original, il existe une nouvelle configuration davion qui est souvent confondue avec une conception daile en caisson. Cependant, cela ne leur ressemble en rien. Cest ce quon appelle une configuration à double queue de caisse ou à double queue de boitier. Je suis le concepteur de lavion Synergy double boxtail, qui est le premier avion de ce type à être développé.

Ces attributs quelque peu décevants de la configuration de laile rectangulaire par ailleurs logique ont été au cœur des choses pendant la longue période de développement de Synergy. Cétait mon désir dutiliser une efficacité de portée élevée et un flux laminaire dans une conception davion à grande vitesse, tout en évitant les atterrissages à grande vitesse et les comportements imprévisibles et instables à basse vitesse. Une vidéo dun modèle réduit à 25% en vol et un aperçu de base peuvent être visionnés sur synergyaircraft.com . Un article sur le thème des boxwings peut également être trouvé ici.

Pour plus dinformations sur lefficacité de portée et les configurations non planaires, Ilan Kroo a publié des aperçus très complets du sujet. Le graphique ci-dessous est adapté de celui apparaissant dans ses papiers. Il montre comment la traînée induite peut être combattue dans lespace 3-D en séloignant dune aile plane et plane dans la dimension verticale. Synergy approfondit cette compréhension, dans les dimensions longitudinale et temporelle, en accord avec les concepts avancés dabord par George C. Greene à la NASA Langley.

Commentaires

• Vous commencez par une bonne explication des raisons pour lesquelles la traînée induite se produit, pour tomber dans lancien piège des  » tourbillons créés par un écoulement autour de la pointe  » comme la plupart des autres ici. Triste.
• @Peter Je pense que vous ‘ êtes un peu pédant ici (ce serait bien si vous ne lappeliez pas ‘ triste ‘). Sil est vrai ‘ que les tourbillons ne sont pas la cause de la traînée induite, on peut montrer que la génération de portance sans vortex équivaudrait à créer une portance avec une envergure infinie. Comme beaucoup de choses en physique, la cause et leffet dépendent largement de son point de vue plutôt que dune mesure absolue.
• @sanchises: Je suis daccord. Oui, je suis pédant, mais uniquement parce que je suis convaincu que seule une logique rigoureuse mènera à une compréhension complète. Une pensée confuse où la cause et leffet deviennent interchangeables conduira à une compréhension confuse, et expliquer quelque chose à partir de ce point de départ ne rendra pas service aux novices qui comprendront si facilement les détails. Et puis vous entendez à nouveau de ces pauvres gens qui nont jamais eu la chance dapprendre les choses correctement que les tourbillons de pointe provoquent une traînée. Nest-ce pas ‘ de se sentir triste à ce sujet?
• @PeterK ä mpf Mais alors, être trop concentré sur la rigueur conduit à compliquer inutilement les choses. La réduction des tourbillons de bout daile conduit à une augmentation de lenvergure efficace des ailes réduisant la traînée induite – peut-être par approximation approximative, en disant que  » les tourbillons de bout daile provoquent une traînée induite  » a un noyau de vérité. Mais je suppose que comme pour tout ce qui concerne laviation, la ‘ explication simple ‘ détient en effet relativement peu de pouvoir explicatif, et échouera lorsque les ailes en boîte sont analysés en détail.

La principale raison de la traînée induite est que laile accélère lair au-dessus et en dessous de lui vers le bas en augmentant son énergie cinétique et en raison de la loi de conservation de lénergie, il doit emmener cette énergie quelque part et le seul moyen est de faire un travail négatif sur lavion, cest-à-dire dinduire la traînée.

La quantité dair accélérée par unité de temps est proportionnelle à lenvergure de laile et à la vitesse de laéronef. Lapplication de la même force à plus dair laccélère à une vitesse inférieure et, parce que lénergie cinétique est proportionnelle au carré de la vitesse, elle induit moins de traînée. « Cest pourquoi les ailes à rapport hauteur / largeur élevé (longue portée) sont plus efficaces et pourquoi la traînée induite diminue avec la vitesse.

Les tourbillons de bout daile sont simplement des frontières de cette zone dair descendant. Et comme vous ne pouvez pas générer de portance sans accélérer lair vers le bas (par la loi de laction et de la réaction), cette traînée induite est principale et toute aile denvergure finie linduira. Et cela ne dépendra que de la portance générée, de lenvergure et de la vitesse et rien dautre.

Voir aussi Comment ça vole, section 3.13 (la figure est à partir de là).

Il y a maintenant une traînée induite supplémentaire causée par lair à haute pression circulant autour du bout de laile qui ne contribue pas à la portance (ou même légèrement ), mais contribue à la traînée. Cest peut-être de faibles dizaines de pour cent ou quelque chose comme ça. Les quelques pour cent qui peuvent être économisés par diverses mesures sont suffisamment importants pour valoir la peine, mais ils sont encore de plusieurs pour cent. Les miracles ne sont pas possibles.

Au fait, laile de la boîte a encore des pointes. Lair ne peut pas circuler entre les ailes ou entre les ailes, mais il peut sécouler du dessous de la surface horizontale inférieure vers le dessus de la surface supérieure. De plus, laile a un rapport hauteur / largeur relativement faible.

Beaucoup de bons points sur la réduction de la traînée ici.

Oui, la traînée induite peut être réduite de quelques pour cent avec une aile en caisson, en diffusant le vortex de bout daile . Fait une différence de quelques pour cent, ce qui est significatif. À peu près comme un biplan.

Le VRAI avantage incontestable des boxwings est structurel. Avec les ailes reliées aux extrémités, cest possible et pratique concevoir pour une résistance et une rigidité données avec moins de matière. Les ailes peuvent se soutenir lune lautre et amortir la résonance naturelle de lautre, en achetant une certaine marge contre le flottement et léchec.

Rick Gendreau, designer, Halcyon boxwing.

Systèmes fermés (Box Wing nest quun type particulier daile fermée), les ailes C et les biwings sont en fait liés comme en ce qui concerne la minimisation de la traînée induite.

Si vous êtes intéressé par des réponses techniques concernant le minimisation / performance de la traînée induite des Box Wings, des systèmes fermés, des systèmes bi-wing et des multiwings , vous pouvez trouver tous les détails dans les publications suivantes (je peux également vous envoyer le papiers si vous menvoyez un email à ladresse luciano.demasiATgmail.com ):

===== Article 1 =====

Demasi Luciano , Monegato Giovanni, Dipace Antonio et Cavallaro Rauno «  Théorèmes de traînée induite minimum pour Wi joint ngs, Closed Systems, and Generic Biwings: Theory « , Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, pages 1-36, DOI: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Article 2 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno et Dipace Antonio «  Théorèmes de traînée induite minimale pour les ailes jointes, les systèmes fermés et les biwings génériques: Applications « Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, pages 1-25 , Doi: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Article 3 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno «  Théorèmes de traînée induite minimale pour les systèmes à plusieurs ailes « , 4 au 8 janvier 2016, SciTech2016, San Diego Californie, AIAA 2016-0236

===== Article 4 =====

Demasi Luciano, Dipace Antonio, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno «  Formulation invariante pour the Minimum Induced Drag Conditions of Nonplanar Wing Systems « , AIAA Journal, 2014, octobre, 10,2223-2240,52, Doi: 10.2514 / 1.J052837 Url: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837

Sincèrement,

Luciano Demasi

Commentaires

• Les références sont certainement utiles, mais inclure des informations ici dans la réponse serait encore plus utile.
• Vous pouvez trouver plus dinformations sur wikipedia au lien suivant: en.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag [plusieurs photos y sont également publiées] Ou je peux envoyer du matériel si vous fournissez un e-mail adresse. Meilleures salutations, Luciano Demasi