La mayoría de las alas sufren de arrastre inducido debido a una diferencia de presión por encima y por debajo del ala que hace que el aire se cuele alrededor de la punta, formando un vórtice. Hay varios métodos para minimizar estos efectos, como los winglets.
Sin embargo, mirando el avión Synergy como ejemplo, las alas de caja tienen sin puntas de ala. Sin tener en cuenta otras partes de la aeronave, ¿están las alas realmente libres de resistencia inducida? ¿O siguen causando arrastre inducido, solo de una manera en la que no puedo pensar con mi limitada experiencia en dinámica de fluidos?
Avión Synergy con alas de caja (imagen fuente )
He leído en alguna parte que un diseño tradicional de biplano es menos eficiente debido a que las alas interfieren entre sí (aparentemente algo abordado por el avión de sinergia al colocar el ala superior más atrás o algo así), y el el ala superior es en realidad más un plano de cola, empujando hacia abajo, aumentando así aún más la velocidad entre los perfiles aerodinámicos si lo entiendo correctamente y eliminando la diferencia de presión desde la parte superior del ala superior hasta la parte inferior del ala inferior, y ambas alas por supuesto, generaría un arrastre normal cortando el aire, pero en este momento solo estoy interesado en el arrastre inducido.
Comentarios
- looks como un diseño elegante tipo biplano.
- @ratchetfreak excepto que los biplanos tienen cuatro puntas de ala, este tiene cero.
- @falstro: Esto tiene dos puntas de ala. El significado de la superficie » superior » cambia sobre los puntales verticales, por lo que actúan como puntas de todos modos (y si no ‘ t cambia, la superficie superior produciría una elevación negativa y todo no produciría nada y sería inútil).
- @JanHudec; en realidad, la superficie superior sí produce sustentación negativa (como mencioné en la última oración de la pregunta), se ubica detrás del ala inferior y funciona como el plano de cola de otras aeronaves.
- @falstro: Sin embargo, dado que todo produce una elevación neta, acelera el aire hacia abajo y, dado que el aire más allá de él ‘ s span no se acelera, crea vórtices de punta de ala con las líneas de vórtice que salen del sistema. en algún lugar a lo largo de los puntales verticales.
Respuesta
El ala de caja solo es mejor cuando se comparan alas con un envergadura idéntico . Las dos alas de un ala de caja funcionan en diferentes planos Treffz , por lo que la corriente descendente se extiende verticalmente. La diferencia en la resistencia inducida a un solo ala no es grande, solo un pequeño porcentaje. La resistencia por fricción es mayor (ver más abajo), al igual que la masa estructural, por lo que el ala de la caja necesita crear más sustentación. Esto hace que la resistencia inducida de un ala de caja sea efectivamente más alta que la de una sola ala.
¿Qué es la resistencia inducida , de todos modos? Es la consecuencia de crear sustentación en un espacio limitado. El ala crea sustentación al desviar el aire hacia abajo. Esto sucede gradualmente sobre la cuerda del ala y crea una fuerza de reacción ortogonalmente a la velocidad local del aire. Esto significa que la fuerza de reacción apunta hacia arriba y ligeramente hacia atrás. ¡Este componente hacia atrás es un arrastre inducido! Las puntas de las alas no están involucradas y no están involucradas. causando arrastre inducido. La creación de sustentación es.
Si vuela rápido, hay una gran cantidad de masa de aire fluyendo más allá del ala por unidad de tiempo, por lo que necesita desviar el aire solo ligeramente. Su arrastre inducido es Sames va para un tramo grande: hay más aire que se puede desviar, por lo que la resistencia inducida es pequeña.
Un ala de caja necesita dos alas delgadas por lado, que tendrán una cuerda más pequeña que una ala única de la misma superficie. Por lo tanto, su número de Reynolds es menor y su resistencia por fricción es mayor. Además, el larguero del ala es menos grueso y tendrá que ser más pesado para llevar la misma sustentación.
Si si elimina la restricción de mantener la envergadura idéntica, el ala única óptima puede permitirse tener más envergadura (debido a su mejor estructura l eficiencia), y se va la ventaja del ala de caja. Y una vez que miras la imagen completa y agregas masa estructural, el ala de caja nunca tuvo esta ventaja en primer lugar.
Sí, pero ¿qué pasa con el Synergy?
El Synergy es un diseño inteligente con algunas ventajas, pero que no puede engañar a la física. Estas son las ventajas:
- El propulsor mantiene la estructura del avión libre de estela turbulenta, por lo que se puede mantener más área en flujo laminar.
- El propulsor succiona el aire de el fuselaje trasero, evitando efectivamente la separación.
- Las dos plumas de cola y aletas rechonchas brindan una gran protección para el área de la hélice en el suelo.
- El diseño compacto mantiene el efecto estabilizador de la hélice pequeño , por lo que la maniobrabilidad no sufre mucho.
- El uso de materiales compuestos y tecnologías de estructura de planeador reduce la fricción.
- El motor diesel consume combustible de avión más barato y es más eficiente en combustible que un motor de gasolina.
¿Tenga en cuenta que no mencioné el diseño del ala de caja?
Estas son las desventajas:
- El barrido del ala en un avión de hélice se ve bien, pero aumenta la resistencia , porque el ala debe ser más grande para crear la misma sustentación.
- En total, esta configuración tiene cuatro colas verticales, cada una con su propia resistencia de interferencia y una cuerda corta que, nuevamente, aumenta la resistencia a lo largo de un cola vertical única comparable.
- La cola horizontal estirada también es menos efectiva que una superficie única más pequeña con más cuerda y más distancia desde el centro de gravedad.
- El diseño compacto proporciona poca amortiguación de cabeceo o guiñada. Me pregunto cuáles son las cualidades de conducción en un clima racheado.
Esperaría que un diseño más convencional como el fs-28 sería aún más eficiente.
Akaflieg Stuttgart fs-28 en vuelo (imagen fuente )
Comentarios
- ¿Wikipedia tenía un artículo sobre ¿Avión Trefftz en el día? En cualquier caso, ese enlace está efectivamente muerto, solo para tu información.
- @AEheresupportsMonica: Gracias por hacérmelo saber. No puedo recordar cómo era la página de Wikipedia hace 5 años, pero ahora el MIT tiene una página mucho mejor que muestra lo que quiero decir.
Responder
No están libres del arrastre inducido, pero el arrastre inducido está muy disminuido, como se demuestra en Prandtl «s Documento de la NACA de 1924 e informado en este libro (consulte el capítulo 11)
Los autores de ese libro aplicaron los resultados al diseño de este avión
Comentarios
- ¡Genial! Entonces, ¿de dónde viene la resistencia inducida?
- @falstro, las alas nunca serán perfectas, todavía habrá algo de circulación. Además, el vector de fuerza aerodinámica, según la forma del ala, se puede inclinar ligeramente hacia atrás, creando un componente de arrastre.
- wikipedia tiene algunos esquemas que permiten que las alas C se acerquen a las alas de caja
- @Federico: La circulación alrededor de las puntas es un porcentaje. Quizás el 10 o el 20%, pero no más. La mayoría es causada simplemente por la aplicación de fuerza sobre el aire y el aire, moviéndose libremente, acelerando y llevándose energía cinética consigo. No se puede hacer nada al respecto. El resultado es que el arrastre inducido se reduce, pero no mucho .
- @JanHudec Tengo dificultades para entender lo que quieres decir, pero si te leí correctamente, hablas de todo el arrastre. , no solo la parte inducida.
Respuesta
P: ¿Las alas de caja sufren de arrastre inducido de la misma manera que las alas normales?
R: Sí y no. Los aviones Box Wing sufrirán de arrastre inducido al igual que cualquier avión, si son vehículos más pesados que el aire y están usando sus alas para volar. El arrastre inducido es una función de la carga de tramo finito y se modera de varias formas para mejorar la eficiencia del diseño en una carga de tramo determinada. Por lo tanto, la cantidad de resistencia y la forma en que se crea y se evita, difiere para un ala de caja y un monoplano del mismo tramo. Hoy en día, este tema de arrastre inducido incluye definiciones completamente diferentes a las que se enseñaron en las referencias fundamentales sobre el tema. Incluso si uno está hablando de lo mismo, el tema escuchará argumentos de dos campos diferentes: aquellos que se adhieren a las matemáticas representativas y aquellos que se centran en la física real no cartesiana, que no es un libro de texto, caso por caso. . Es bastante justo decir que los primeros son más obstinados que los segundos, ya que los segundos saben menos hasta más tarde.
El trabajo de un ala es empujar y jalar el aire hacia abajo de manera eficiente a medida que avanza. . Esa acción provoca tanto una reacción newtoniana como un diferencial de presión de Bernoulli, lo que da como resultado la elevación.
Hacer la elevación de esta manera hace que el aire cercano también se vea afectado, como resultado secundario dependiente del tiempo. Tiene que » caer en el canal de aire descendente «que las alas se desplazaron hacia abajo.
Este movimiento secundario provoca (completamente inevitables) movimientos de rotación en la zona de» estela «entre el aire movido directamente por las alas y el aire estacionario cercano, involucrando así más masa de aire de la que el avión necesitaba moverse solo para obtener el sustento que necesitaba.(La diferencia de impulso es literalmente el arrastre inducido, aunque generalmente lo enseñamos de formas más relacionadas con cómo se visualiza y calcula el arrastre inducido en 2-D. Otras respuestas publicadas aquí ilustran esto en términos convencionales).
Los vórtices de arrastre y estela inducidos NO PUEDEN eliminarse para un sistema de ala de elevación de ningún tipo. Sin embargo, la mayoría de los diseños de alas de aviones permiten que suceda algo más que aumenta enormemente el costo de hacer sustentación con una envergadura finita: permiten presiones altas debajo del ala estar «demasiado cerca» de las presiones bajas sobre el ala para la cantidad de diferencia de presión que se ha desarrollado en vuelo. Si existe una alta presión diferencial en la punta de un ala, se formará allí un fuerte vórtice similar a un tornado.
Permitiendo que se forme un fuerte gradiente entre bajas presiones y la presión alta hará que el aire se mueva hacia la presión baja a alta velocidad, si puede. La resistencia aumenta exponencialmente con las velocidades impartidas al aire, por lo tanto, los diseñadores utilizan una variedad de enfoques para evitar que esta ecualización ocurra rápidamente. Cuanto más lento sucede, menos energía cinética es impartida al aire por el avión.
Aquí es donde los Boxwings tienen una forma totalmente diferente de reducir la resistencia inducida, en comparación con un ala normal: ponen una pared entre la baja presión sobre el ala y el mayor presión en todos los demás lugares. La «pared» puede ser más alta que un ala, porque tiene un ala arriba para ayudar a resistir las fuerzas que la empujan desde un lado. En esa conexión del ala superior, la superficie vertical similar a una pared de un ala de caja también se encuentra entre la presión más alta debajo del ala, y la presión más baja en cualquier otro lugar.
Si un diseñador hace un buen trabajo con esta idea (muchos no lo hacen), tanto las superficies del ala biplano como las superficies verticales del sistema de ala de caja moderarán la velocidad de la pendiente inducida los flujos de aire actuando contra los flujos indeseables en el espacio 3-D. Se vuelven más efectivos en esto con un mayor espaciado vertical.
La forma más fácil y efectiva de reducir la resistencia inducida es simplemente aumentar la envergadura o reducir el peso del vehículo. A medida que un ala se alarga, la porción de elevación que cada unidad del ala necesita hacer se reduce, lo que significa que tendrá un diferencial de presión más bajo entre las superficies superior e inferior. Las mejores prácticas requieren que este diferencial se minimice en la punta, por lo que el gradiente se debilita. El resultado entonces es que un gradiente de presión más débil y una mayor distancia entre presiones bajas y altas mantendrán bajas las velocidades de ecualización.
Sin embargo, a medida que un avión se vuelve más pesado o va más rápido, este enfoque se vuelve primero muy caro. entonces imposible. Las limitaciones de resistencia del material imponen límites definidos a la envergadura de las aeronaves convencionales.
Sorprendentemente, las alas de caja no funcionan mejor … quizás peor. Lo que parece ser una ventaja estructural en realidad simplemente concentra las fuerzas de flexión, generadas por cada ala, en las esquinas de la caja. Hacerlos lo suficientemente fuertes rápidamente se vuelve excesivamente pesado. Por lo tanto, un avión de ala de caja debería, como un biplano, tener una envergadura más corta que un monoplano de resistencia inducida equivalente. Su eficiencia de envergadura rinde más frutos entre los diseños de envergadura corta, que cuando se puede aumentar la envergadura.
Se podría pensar que esta ventaja daría frutos indirectamente, a través de la velocidad. Cuanto más rápido vuela una aeronave, para una carga de tramo determinada, menos resistencia inducida producirá. De hecho, a altas velocidades aerodinámicas indicadas, la resistencia inducida se convierte en un pequeño componente de la resistencia total. Sin embargo, otros aspectos de los diseños de alas de caja parecen haber impedido las soluciones de alas de caja de alta velocidad; notablemente estabilidad; y «resistencia de interferencia».
En un diseño de ala de caja, hay un delantero conjunto de alas de elevación y un conjunto de alas elevadoras en popa . En vuelo de alta velocidad, esta configuración no puede responder de manera tan estable o rápida a ciertas condiciones como un ala con una cola (que se levanta hacia abajo).
Cuando se configura como una disposición de ala de elevación en tándem sin un estabilizador de este tipo, como es típico en las versiones modernas, las alas de caja deben equilibrarse en su centro combinado de Levante hacia arriba , en lugar de por delante como lo hacen los aviones convencionales, gracias a la influencia estabilizadora de una cola que empuja en la dirección opuesta. Esta limitación y los comportamientos de pérdida del ala en tándem plantean demandas inherentes desafiantes en los diseños de alas de caja que limitan su éxito a velocidades de vuelo más altas.
Como se señaló anteriormente, también crean arrastre de interferencia.Este tipo de arrastre puede ser difícil de predecir y también es muy mal entendido. En la práctica, el arrastre de interferencia tridimensional inherente del diseño de un avión de ala de caja reduce en gran medida la ventaja teórica bidimensional de la configuración para obtener beneficios de arrastre inducido. Es por eso que no se parecen en nada a las «alas normales».
Como se mencionó en la publicación original, hay una nueva configuración de avión que a menudo se confunde con un diseño de ala de caja. Sin embargo, no se parece en nada a ellos. Se llama configuración de cola de caja o cola de caja doble. Soy el diseñador del Synergy de doble cola de caja, que es el primer avión de este tipo que se desarrolló.
Estos atributos algo decepcionantes de la configuración lógica del ala en forma de caja estuvieron en el centro de los asuntos durante el largo período de desarrollo de Synergy. Mi deseo era utilizar una alta eficiencia de tramo y un flujo laminar en un diseño de aeronave de alta velocidad, evitando al mismo tiempo aterrizajes de alta velocidad y comportamientos impredecibles e inestables a bajas velocidades. En synergyaircraft.com se puede ver un video de un modelo a escala del 25% en vuelo y una descripción general básica. También se puede encontrar allí una publicación sobre el tema de las alas de caja.
Para obtener más información sobre la eficiencia del tramo y las configuraciones no planas, Ilan Kroo ha publicado descripciones generales muy completas del tema. El siguiente gráfico es una adaptación de uno que aparece en sus artículos. Muestra cómo se puede combatir la resistencia inducida en el espacio 3-D alejándose de un ala plana y plana hacia la dimensión vertical. Synergy construye esa comprensión aún más, en las dimensiones longitudinal y temporal, de acuerdo con los conceptos avanzados por primera vez por George C. Greene mientras estaba en NASA Langley.
Comentarios
- Usted comience con una gran explicación de por qué ocurre el arrastre inducido, solo para caer en la vieja trampa de » vórtices creados por el flujo alrededor de la punta » como hacen la mayoría de los demás aquí. Triste.
- @Peter Creo que ‘ estás siendo un poco pedante aquí (lo cual estaría bien si no lo llamaras ‘ triste ‘). Si bien es ‘ cierto que los vórtices no son la causa del arrastre inducido, se puede demostrar que la generación de sustentación sin vórtices sería equivalente a crear sustentación con una envergadura infinita. Como muchas cosas en física, la causa y el efecto dependen en gran medida del punto de vista de uno en lugar de una medida absoluta.
- @sanchises: Estoy de acuerdo. Sí, soy pedante, pero solo porque estoy convencido de que solo una lógica rigurosa conducirá a una comprensión completa. El pensamiento confuso en el que la causa y el efecto se vuelven intercambiables conducirá a una comprensión confusa, y explicar algo desde ese punto de partida hará un flaco favor a los principiantes que tan fácilmente malinterpretarán los detalles. Y luego escuchas de nuevo de estas pobres personas que nunca tuvieron la oportunidad de aprender las cosas correctamente que los vórtices de las puntas causan arrastre. ¿No es ‘ correcto sentirse triste por esto?
- @PeterK ä mpf Pero entonces, estar demasiado concentrado el rigor conduce a complicar innecesariamente las cosas. La reducción de los vórtices en la punta de las alas sí conduce a una mayor envergadura efectiva que reduce la resistencia inducida, por lo que tal vez como una aproximación aproximada, decir » los vórtices en la punta de las alas causan una resistencia inducida » tiene un núcleo de verdad. Pero supongo que, como ocurre con cualquier cosa en la aviación, la ‘ explicación simple ‘ tiene relativamente poco poder explicativo y se quedará corta cuando las alas de la caja se analizan en detalle.
Respuesta
La razón principal de la resistencia inducida es que el ala acelera el aire arriba y abajo aumentando su energía cinética y debido a la ley de conservación de la energía, tiene que llevar esa energía a alguna parte y la única manera es haciendo un trabajo negativo en la aeronave, es decir, induciendo resistencia.
La cantidad de aire acelerado por unidad de tiempo es proporcional a la envergadura del ala y la velocidad de la aeronave. Aplicar la misma fuerza a más aire lo acelera a una velocidad más baja y debido a que la energía cinética es proporcional al cuadrado de la velocidad, induce menos resistencia. «s por qué las alas de alta relación de aspecto (envergadura larga) son más eficientes y por qué el arrastre inducido disminuye con la velocidad.
Los vórtices de la punta de las alas son simplemente bordes de esta zona de aire descendente. Y como no se puede generar sustentación sin acelerar el aire hacia abajo (por ley de acción y reacción), esta resistencia inducida es principal y cualquier ala de envergadura finita la inducirá. Y solo dependerá de la sustentación generada, la envergadura y la velocidad y nada más.
Consulte también Cómo vuela, sección 3.13 (la figura es de allí).
Ahora hay un arrastre inducido adicional causado por el aire a mayor presión que fluye alrededor de la punta del ala que no contribuye a levantar (o incluso ligeramente negativamente ), pero contribuye a arrastrar. Quizás sea decenas de por ciento o algo así. Los varios porcentajes que se pueden ahorrar con diversas medidas son lo suficientemente importantes como para merecer el esfuerzo, pero siguen siendo varios por ciento. Los milagros no son posibles.
Por cierto, el ala de caja todavía tiene puntas. El aire no puede fluir hacia o desde entre las alas, pero puede fluir desde debajo de la superficie horizontal inferior hacia arriba de la superior. Además, el ala tiene una relación de aspecto relativamente baja.
Respuesta
Aquí hay muchos puntos buenos sobre la reducción de la resistencia.
Sí, la resistencia inducida se puede reducir en un pequeño porcentaje con un ala de caja, al difundir el vórtice de la punta del ala . Hace una diferencia de un pequeño porcentaje, lo cual es significativo. Casi lo mismo que un biplano.
La ventaja REAL y convincente de los boxwings es estructural. Con las alas conectadas en las puntas, es posible y práctico para diseñar para una resistencia y rigidez determinadas con menos material. Las alas pueden apoyarse entre sí y amortiguar la resonancia natural de las demás, lo que les permite ganar algo de margen contra el aleteo y el fallo.
Rick Gendreau, diseñador, Halcyon boxwing.
Respuesta
Los sistemas cerrados (Box Wing es solo un tipo particular de ala cerrada), C-wings y biwings están realmente relacionados como en lo que respecta a la minimización de la resistencia inducida.
Si está interesado en respuestas técnicas sobre rendimiento / minimización de arrastre inducido de Box Wings, sistemas cerrados, sistemas bi-wing y multiwings , puedes encontrar todos los detalles en las siguientes publicaciones (también puedo enviarte el papeles si me envían un correo electrónico a la dirección luciano.demasiATgmail.com ):
===== Artículo 1 =====
Demasi Luciano , Monegato Giovanni, Dipace Antonio y Cavallaro Rauno « Teoremas de arrastre mínimo inducido para Wi combinados ngs, Closed Systems, and Generic Biwings: Theory «, Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, páginas 1-36, DOI: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239
===== Artículo 2 =====
Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno y Dipace Antonio « Teoremas de arrastre mínimo inducido para alas unidas, sistemas cerrados y biwings genéricos: aplicaciones «Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, páginas 1-25 , Doi: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239
===== Artículo 3 =====
Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno « Teoremas de arrastre mínimo inducido para sistemas de alas múltiples «, 2016,4-8 de enero, SciTech2016, San Diego, California, AIAA 2016-0236
===== Artículo 4 =====
Demasi Luciano, Dipace Antonio, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno « Formulación invariable para las condiciones de resistencia mínima inducida de los sistemas de alas no planas «, AIAA Journal, 2014, octubre, 10,2223-2240,52, Doi: 10.2514 / 1.J052837 Url: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837
Atentamente,
Luciano Demasi
Comentarios
- Las referencias son ciertamente útiles, pero incluir algo de información aquí en la respuesta sería aún más útil.
- Puede encontrar más información en wikipedia en el siguiente enlace: en.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag [también hay varias imágenes publicadas allí] O puedo enviar material si me proporciona un correo electrónico dirección. Saludos cordiales, Luciano Demasi