Le ali a scatola soffrono di resistenza indotta allo stesso modo delle ali normali?

Lala box è migliore solo quando si confrontano ali con la stessa apertura . Le due ali di un box wing funzionano in diversi aerei Treffz , quindi il downwash è distribuito verticalmente. La differenza nella resistenza indotta per una singola ala non è grande, solo una piccola percentuale. La resistenza allattrito è maggiore (vedi sotto), così come la massa strutturale, quindi lala della scatola deve creare più portanza. Ciò rende la resistenza indotta di unala scatolata effettivamente superiore a quella di una singola ala.

Che cosè la resistenza indotta , comunque? È la conseguenza della creazione di portanza su un arco limitato. Lala crea portanza deviando laria verso il basso. Ciò avviene gradualmente sulla corda dellala e crea una forza di reazione ortogonale alla velocità locale dellaria. Ciò significa che la forza di reazione è rivolta verso lalto e leggermente allindietro. Questa componente allindietro è una resistenza indotta! Le punte alari non sono coinvolte e non lo sono. causando resistenza indotta. La creazione della portanza è.

Se voli velocemente, cè molta massa daria che fluisce oltre lala per unità di tempo, quindi devi deviare laria solo leggermente. La tua resistenza indotta è piccolo. Sames vale per una grande campata: cè più aria che può essere deviata, quindi la resistenza indotta è piccola.

Unala scatolata necessita di due ali sottili per lato, che avranno una corda più piccola di una singola ala della stessa superficie. Quindi il loro numero di Reynolds è inferiore e la loro resistenza allattrito è maggiore. Inoltre, il longherone dellala è meno spesso e dovrà essere più pesante per trasportare la stessa portanza!

Se se lasci la restrizione di mantenere lo span identico, la singola ala ottimale può permettersi di avere più span (grazie alla sua migliore struttura l efficienza), e va via il vantaggio del box wing. E una volta che si guarda il quadro completo e si aggiunge la massa strutturale, lala box non ha mai avuto questo vantaggio in primo luogo.

Sì, ma che dire del Synergy?

Il Synergy è un design intelligente con alcuni vantaggi, ma non può ingannare la fisica. Questi sono i vantaggi:

• Lelica di spinta mantiene la cellula priva di turbolenze di scia, in modo che più area possa essere mantenuta in flusso laminare.
• Lelica di spinta aspira laria da la fusoliera posteriore, evitando efficacemente la separazione.
• I due tronchetti e le alette tozze offrono una grande protezione per larea dellelica a terra.
• La disposizione compatta mantiene piccolo leffetto stabilizzante dellelica , quindi la manovrabilità non soffre molto.
• Luso di materiali compositi e tecnologie per le strutture degli alianti riduce la resistenza allattrito.
• Il motore diesel consuma carburante per aerei più economico ed è più efficiente in termini di carburante di un motore a benzina.

Nota che non ho menzionato il design dellala box?

Ecco gli svantaggi:

• Lo sweep alare in un aereo a elica sembra bello, ma aumenta la resistenza , perché lala deve essere più grande per creare la stessa portanza.
• In totale, questa configurazione ha quattro code verticali, ciascuna con la propria resistenza di interferenza e una corda corta che, ancora una volta, aumenta la resistenza su un coda singola verticale comparabile.
• La coda orizzontale allungata è anche meno efficace di una superficie singola più piccola con più corda e più distanza dal centro di gravità.
• Il layout compatto fornisce piccolo smorzamento di beccheggio o imbardata. Mi chiedo quali siano le qualità di guida con tempo rafficato.

Mi aspetto un layout più convenzionale sulla falsariga del fs-28 sarebbe ancora più efficiente.

Akaflieg Stoccarda fs-28 in volo (immagine fonte )

Commenti

• Wikipedia ha pubblicato un articolo sul Laereo di Trefftz nel corso della giornata? In ogni caso, quel collegamento è effettivamente morto, solo per cronaca.
• @AEheresupportsMonica: Grazie per avermelo fatto sapere. Non riesco a ricordare come apparisse la pagina di Wikipedia 5 anni fa, ma ora il MIT ha una pagina molto migliore che mostra cosa intendo.

Non sono esenti dalla resistenza indotta, ma la resistenza indotta è notevolmente ridotta, come dimostrato in Prandtl “s Documento NACA del 1924 e riportato in questo libro (vedi capitolo 11)

Gli autori di quel libro hanno applicato i risultati al design di questo velivolo

Commenti

• Fantastico! Allora da dove viene la resistenza indotta?
• @falstro le ali non saranno mai perfette, un po di circolazione avverrà comunque. Inoltre, il vettore della forza aerodinamica, a seconda della forma dellala, può essere leggermente inclinato allindietro, creando un componente di trascinamento.
• wikipedia ha alcuni schemi che lasciano che le ali C si avvicinino alle ali delle scatole
• @Federico: La circolazione intorno alle punte è di una certa percentuale. Forse il 10 o il 20%, ma non di più. La maggior parte è causata semplicemente dallapplicazione della forza sullaria e sullaria, essendo liberamente mobile, accelerando e portando con sé energia cinetica. Niente può essere fatto al riguardo. Il risultato è che la resistenza indotta è diminuita, ma non molto .
• @JanHudec Ho difficoltà a capire cosa intendi, ma se ti leggo correttamente, parli dellintera resistenza , non solo la parte indotta.

D: Le ali a scatola soffrono di trascinamento indotto allo stesso modo delle ali normali?

R: Sì e no. Gli aeromobili Box Wing soffriranno di resistenza indotta allo stesso modo di qualsiasi altro aereo, se sono veicoli più pesanti dellaria e utilizzano le ali per volare. La resistenza indotta è una funzione del carico di campata finita e moderata in vari modi per migliorare lefficienza del progetto a un dato carico di campata. Quindi la quantità di resistenza, e il modo in cui viene creata ed evitata, differisce per un boxwing e un monoplano della stessa durata. Oggi questo argomento della resistenza indotta include definizioni completamente diverse da quelle insegnate nei riferimenti seminali sullargomento. Anche se si parla della stessa cosa, largomento ascolterà argomenti da due diversi campi: quelli che aderiscono alla matematica rappresentativa e quelli che si concentrano sulla fisica reale non cartesiana, non da manuale, caso per caso . È abbastanza corretto affermare che le prime sono più vocalmente supponenti delle seconde, poiché le seconde ne sanno meno fino a più tardi.

Il compito di unala è di spingere e tirare efficacemente laria verso il basso mentre si muove in avanti. . Quellazione provoca sia una reazione newtoniana che un differenziale di pressione di Bernoulli, con conseguente portanza.

Fare portanza in questo modo provoca anche linfluenza dellaria vicina, come risultato secondario dipendente dal tempo. Deve ” cadere nella depressione discendente dellaria “che le ali hanno spostato verso il basso.

Questo movimento secondario provoca movimenti rotatori (del tutto inevitabili) nella zona di” scia “tra laria mossa direttamente dalle ali e laria stazionaria vicina, coinvolgendo così più massa daria di quanta laereo avesse bisogno di muoversi solo per ottenere la portanza necessaria.(La differenza di quantità di moto è letteralmente la resistenza indotta, sebbene di solito la insegniamo in modi più correlati a come la resistenza indotta viene visualizzata e calcolata in 2-D. Altre risposte pubblicate qui lo illustrano in termini convenzionali.)

La resistenza indotta e il vortice di scia NON POSSONO essere eliminati per un sistema di sollevamento ad ala di qualsiasi tipo. Tuttavia, la maggior parte dei progetti di ali di aeromobili consente che accada qualcosaltro che aumenta notevolmente il costo di portanza con unapertura alare finita: pressioni alte sotto lala essere “troppo vicine” alle pressioni basse sopra lala per la quantità di differenza di pressione sviluppato in volo. Se esiste unelevata pressione differenziale sulla punta dellala, si formerà un forte vortice simile a un tornado.

Consentendo la formazione di qualsiasi forte gradiente tra la bassa pressione e lalta pressione farà muovere laria verso la bassa pressione ad alta velocità, se possibile. La resistenza aumenta in modo esponenziale con le velocità impartite allaria, pertanto i progettisti utilizzano una varietà di approcci per evitare che questa equalizzazione avvenga rapidamente. Più è lento, minore è lenergia cinetica trasmessa allaria dallaereo.

È qui che i Boxwings hanno un modo completamente diverso di ridurre la resistenza indotta, rispetto a unala normale: mettono un muro in su tra la bassa pressione sopra lala e il pressione più alta ovunque. Il “muro” può essere più alto di un winglet, perché ha unala sopra per aiutare a resistere alle forze che lo spingono lateralmente. In quella connessione dellala superiore, anche la superficie verticale simile a un muro di un boxwing si trova tra la pressione più alta sotto lala e la pressione più bassa ovunque.

Se un progettista fa un buon lavoro con questa idea (molti non lo fanno), sia le superfici alari del biplano che le superfici verticali del sistema boxwing modereranno la velocità del gradiente indotto flussi daria agendo contro i flussi indesiderati nello spazio 3-D. Diventano più efficaci in questo con una maggiore spaziatura verticale.

Il modo più semplice ed efficace per ridurre la resistenza indotta è semplicemente aumentare lapertura alare o ridurre il peso del veicolo. Man mano che unala si allunga, la porzione di portanza che ciascuna unità dellala deve fare si riduce, il che significa che avrà un differenziale di pressione inferiore tra le superfici superiore e inferiore. La migliore pratica richiede che questo differenziale sia ridotto al minimo sulla punta, in modo che il gradiente sia indebolito. Il risultato quindi è che un gradiente di pressione più debole e una distanza maggiore tra le pressioni basse e alte manterranno basse le velocità di equalizzazione.

Tuttavia, quando un aereo diventa più pesante o va più veloce, questo approccio diventa inizialmente molto costoso, quindi impossibile. I limiti di resistenza dei materiali pongono limiti definiti allapertura alare degli aerei convenzionali.

Sorprendentemente, le ali box non se la cavano meglio … forse peggio. Quello che sembra essere un vantaggio strutturale in realtà si limita a concentrare le forze di flessione, generate da ciascuna ala, negli angoli della scatola. Renderli abbastanza forti diventa rapidamente eccessivamente pesante. Pertanto, un aeromobile ad ala di scatola dovrebbe, come un biplano, avere una portata più breve di un monoplano di resistenza indotta equivalente. La sua efficienza di campata porta frutti maggiori nei progetti a campata corta, rispetto a dove può essere aumentata lapertura alare.

Si potrebbe pensare che questo vantaggio darebbe poi frutti indirettamente, attraverso la velocità. Più velocemente un aereo vola, per un dato carico di campata, minore sarà la resistenza indotta. Infatti, ad alte velocità indicate, la resistenza indotta diventa una piccola componente della resistenza totale. Tuttavia, altri aspetti dei progetti di box wing sembrano aver ostacolato le soluzioni boxwing ad alta velocità; in particolare stabilità; e “resistenza di interferenza”.

In un design ad ala di scatola, cè un serie anteriore di ali di sollevamento e un set di ali di sollevamento a poppa . In volo ad alta velocità questa configurazione non può rispondere in modo stabile o rapido a determinate condizioni come unala con una coda (che si solleva verso il basso).

Quando sono impostati come una disposizione delle ali di sollevamento in tandem senza tale stabilizzatore, come è tipico delle versioni moderne, le boxwings devono bilanciare al loro centro combinato di portanza verso lalto , piuttosto che avanti come fanno gli aerei convenzionali, grazie allinfluenza stabilizzante di una coda che spinge nella direzione opposta. Questa limitazione e i comportamenti di stallo in tandem pongono richieste intrinseche ai progetti di boxwing che limitano il loro successo a velocità di volo più elevate.

Come notato sopra, creano anche trascinamento di interferenza.Questo tipo di resistenza può essere difficile da prevedere ed è anche ampiamente frainteso. In pratica, la resistenza di interferenza 3-D intrinseca di un progetto di aeromobile boxwing riduce notevolmente il vantaggio teorico 2-D della configurazione verso lottenimento dei benefici di resistenza indotta. Questo è il motivo per cui non sono affatto come “ali normali”.

Come accennato nel post originale, cè una nuova configurazione di velivolo che viene spesso scambiata per un design ad ala di scatola. Tuttavia, non è niente come loro. Si chiama configurazione box-tail o double boxtail. Sono il progettista del aereo Synergy double boxtail, che è il primo velivolo del genere ad essere sviluppato.

Questi attributi un po deludenti della configurazione altrimenti logica dellala box sono stati al centro delle questioni durante il lungo periodo di sviluppo di Synergy. Era mio desiderio utilizzare unelevata efficienza di campata e un flusso laminare in un progetto di velivolo ad alta velocità, evitando atterraggi ad alta velocità e comportamenti imprevedibili e instabili a basse velocità. Un video di un modello in scala del 25% in volo e una panoramica di base sono disponibili su synergyaircraft.com . Lì si può trovare anche un post sullargomento dei boxwings.

Per ulteriori informazioni sullefficienza dello span e sulle configurazioni non planari, Ilan Kroo ha pubblicato una panoramica molto approfondita dellargomento. Il grafico sotto è adattato da quello che appare nei suoi documenti. Mostra come la resistenza indotta può essere combattuta nello spazio 3-D allontanandosi da unala piatta e planare nella dimensione verticale. Synergy sviluppa ulteriormente quella comprensione, nelle dimensioni longitudinale e temporale, in accordo con i concetti avanzati per primo da George C. Greene mentre era alla NASA Langley.

Commenti

• Tu inizia con unottima spiegazione del motivo per cui si verifica la resistenza indotta, solo per cadere nella vecchia trappola dei ” vortici creati dal flusso attorno alla punta ” come fanno molti altri qui. Triste.
• @Peter Penso che ‘ siate un po pedante qui (il che andrebbe bene se non lo chiamaste ‘ sad ‘). Sebbene ‘ sia vero che i vortici non sono la causa della resistenza indotta, si può dimostrare che la generazione di portanza senza vortici equivarrebbe a creare portanza con unapertura alare infinita. Come molte cose in fisica, causa ed effetto dipendono in gran parte dal proprio punto di vista piuttosto che da una misura assoluta.
• @sanchises: sono daccordo. Sì, sono pedante, ma solo perché sono convinto che solo una logica rigorosa porterà a una comprensione completa. Il pensiero confuso in cui causa ed effetto diventano intercambiabili porterà a una comprensione confusa, e spiegare qualcosa da quel punto di partenza farà un disservizio ai novizi che così facilmente fraintenderanno i dettagli. E poi si sente di nuovo da queste povere persone che non hanno mai avuto la possibilità di imparare bene le cose che i vortici della punta causano trascinamento. ‘ non è giusto sentirsi tristi per questo?
• @PeterK ä mpf Ma poi, essere troppo concentrati il rigore porta a complicare inutilmente le cose. La riduzione dei vortici allestremità dellala porta ad una maggiore apertura alare effettiva riducendo la resistenza indotta – quindi forse come approssimazione approssimativa, dicendo ” i vortici allestremità dellala causano resistenza indotta ” ha un nucleo di verità. Ma immagino che, come per qualsiasi cosa nel settore dellaviazione, la ‘ semplice spiegazione ‘ abbia effettivamente un potere esplicativo relativamente basso e non sarà sufficiente quando le ali di scatola vengono analizzati in dettaglio.

La ragione principale della resistenza indotta è che lala accelera laria sopra e sotto verso il basso aumentando la sua energia cinetica e, a causa della legge di conservazione dellenergia, deve portare quellenergia da qualche parte e lunico modo è fare un lavoro negativo sullaereo, cioè indurre la resistenza.

La quantità di aria accelerata per unità di tempo è proporzionale allapertura alare e alla velocità del velivolo. Applicare la stessa forza a più aria lo accelera a velocità inferiore e poiché lenergia cinetica è proporzionale al quadrato della velocità induce meno resistenza. “Ecco perché le ali con rapporto di aspetto elevato (lunga campata) sono più efficienti e perché la resistenza indotta diminuisce con la velocità.

I vortici allestremità delle ali sono semplicemente i confini di questarea di aria discendente. E poiché non è possibile generare portanza senza accelerare laria verso il basso (per legge di azione e reazione), questa resistenza indotta è principale e qualsiasi ala di apertura finita la indurrà. E dipenderà solo dalla portanza generata, dallapertura alare e dalla velocità e niente altro.

Vedi anche How It Flies, sezione 3.13 (la figura è da lì).

Ora cè un po di resistenza addizionale indotta causata dallaria ad alta pressione che scorre intorno alla punta dellala che non contribuisce alla portanza (o anche leggermente negativamente ), ma contribuisce a trascinare. Forse sono poche decine di percento o qualcosa del genere. Le diverse percentuali che possono essere risparmiate con varie misure sono abbastanza significative da valere lo sforzo, ma sono ancora diverse percentuali. I miracoli non sono possibili.

A proposito, lala della scatola ha ancora punte. Laria non può fluire da o verso le ali, ma può fluire da sotto la superficie orizzontale inferiore a quella superiore. Inoltre, le proporzioni dellala sono relativamente basse.

Molti punti positivi sulla riduzione della resistenza qui.

Sì, la resistenza indotta può essere ridotta di qualche percentuale con unala scatolata, diffondendo il vortice dellestremità dellala . Fa una differenza di una piccola percentuale, il che è significativo. Più o meno come un biplano.

Il VERO vantaggio convincente dei boxwings è strutturale. Con le ali collegate alle estremità, è possibile e pratico progettare per una data forza e rigidità con meno materiale. Le ali possono sostenersi a vicenda e smorzare la risonanza naturale dellaltra, acquistando un certo margine contro sbattimenti e cedimenti.

Rick Gendreau, designer, boxwing di Halcyon.

Sistemi chiusi (Box Wing è solo un particolare tipo di ala chiusa), C-wing e biwings sono effettivamente correlati come per quanto riguarda la minimizzazione della resistenza indotta.

Se sei interessato a risposte tecniche riguardanti minimizzazione della resistenza indotta / prestazioni di Box Wings, sistemi chiusi, sistemi bi-wing e multiwings , puoi trovare tutti i dettagli nelle seguenti pubblicazioni (posso anche inviarti il documenti se mi scrivi allindirizzo luciano.demasiATgmail.com ):

===== Articolo 1 =====

Demasi Luciano , Monegato Giovanni, Dipace Antonio e Cavallaro Rauno “ Teoremi di resistenza minima indotta per Wi uniti ngs, Closed Systems e Generic Biwings: Theory “, Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, pagine 1-36, DOI: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Articolo 2 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno e Dipace Antonio “ Teoremi di trascinamento indotto minimo per ali unite, sistemi chiusi e Biwings generici: applicazioni “Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, pagine 1-25 , Doi: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Articolo 3 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno “ Minimum Induced Drag Theorems for Multi-Wing Systems “, 2016,4-8 gennaio, SciTech2016, San Diego, California, AIAA 2016-0236

===== Articolo 4 =====

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

Cordiali saluti,

Luciano Demasi

Commenti

• I riferimenti sono certamente utili, ma includere alcune informazioni qui nella risposta sarebbe ancora più utile.
• Puoi trovare ulteriori informazioni su wikipedia al seguente link: en.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag [vi sono anche postate diverse immagini] Oppure posso inviare materiale se fornisci unemail indirizzo. Cordiali saluti, Luciano Demasi