Czy skrzydła skrzynkowe cierpią na opór indukowany tak samo jak zwykłe skrzydła?

Skrzydło skrzynkowe jest lepsze tylko wtedy, gdy porównuje się skrzydła o identycznej rozpiętości . Dwa skrzydła skrzydła skrzynkowego działają w różnych płaszczyznach Treffza , więc płukanie jest rozłożone pionowo. Różnica w oporze indukowanym w przypadku pojedynczego skrzydła nie jest duża, zaledwie kilka procent. Opór tarcia jest większy (patrz poniżej), podobnie jak masa konstrukcyjna, więc skrzydło skrzynkowe musi wytwarzać więcej siły nośnej. To sprawia, że opór wywoływany przez skrzydło typu box jest efektywnie większy niż w przypadku pojedynczego skrzydła.

Czym właściwie jest opór indukowany ? Jest to konsekwencja tworzenia siły nośnej na ograniczonej rozpiętości. Skrzydło tworzy siłę nośną kierując powietrze w dół. Dzieje się to stopniowo na cięciwie skrzydła i tworzy siłę reakcji prostopadle do lokalnej prędkości powietrza. Oznacza to, że siła reakcji jest skierowana w górę i lekko do tyłu. Ta składowa do tyłu jest wywołana oporem! Końcówki skrzydeł nie są zaangażowane i nie są powodując opór indukowany. Tworzenie siły nośnej jest.

Jeśli lecisz szybko, jest dużo masy powietrza przepływającej przez skrzydło w jednostce czasu, więc musisz tylko nieznacznie odchylić powietrze. Twój indukowany opór jest Sames stawia na dużą rozpiętość: jest więcej powietrza, które można odchylić, więc indukowany opór jest mały.

Skrzydło skrzynkowe wymaga dwóch smukłych skrzydeł na stronę, które będą miały mniejszą cięciwę niż jedno skrzydło o tej samej powierzchni. Więc ich liczba Reynoldsa jest mniejsza, a ich opór tarcia jest większy. Ponadto dźwigar skrzydłowy jest mniej gruby i będzie musiał być cięższy, aby unieść ten sam nośnik!

Jeśli rezygnujesz z ograniczenia zachowania identycznej rozpiętości, optymalne pojedyncze skrzydło może pozwolić sobie na większą rozpiętość (ze względu na lepszą strukturę l sprawność) i odchodzi przewaga skrzydła. A kiedy spojrzysz na pełny obraz i dodasz masę strukturalną, skrzydło skrzynkowe nigdy nie miało takiej przewagi.

Tak, ale co z Synergy?

Synergy jest sprytny projekt z pewnymi zaletami, ale nie może oszukać fizyki. Oto zalety:

• Wspornik pchający chroni kadłub przed turbulencjami ślizgowymi, dzięki czemu można utrzymać większy obszar w przepływie laminarnym.
• Śruba pchająca zasysa powietrze z tylny kadłub, skutecznie unikając rozdzielenia.
• Dwie krótkie belki ogonowe i płetwy zapewniają doskonałą ochronę obszaru śruby napędowej na ziemi.
• Kompaktowy układ sprawia, że stabilizujący efekt śruby napędowej jest mały , więc manewrowość nie ucierpi zbytnio.
• Zastosowanie kompozytów i technologii płatowca szybowca zmniejsza opór tarcia.
• Silnik wysokoprężny zużywa tańsze paliwo do silników odrzutowych i jest bardziej oszczędny niż silnik benzynowy.

Zauważ, że nie wspomniałem o konstrukcji skrzynkowej?

Oto wady:

• Zamiatanie skrzydeł samolotu śmigłowego wygląda fajnie, ale zwiększa opór , ponieważ skrzydło musi być większe, aby uzyskać taką samą siłę nośną.
• W sumie ta konfiguracja ma cztery pionowe ogony, każdy z własnym oporem interferencyjnym i krótkim cięciwą, która ponownie zwiększa opór na porównywalny pojedynczy pionowy koniec.
• Rozciągnięty poziomy koniec jest również mniej skuteczny niż mniejsza pojedyncza powierzchnia z większą cięciwą i większą odległością od środka ciężkości.
• Kompaktowy układ zapewnia małe tłumienie pochylenia lub odchylenia. Zastanawiam się, jakie są właściwości jezdne przy porywistej pogodzie.

Spodziewałbym się, że bardziej konwencjonalny układ na wzór fs-28 byłby jeszcze bardziej wydajny.

Akaflieg Stuttgart fs-28 w locie (źródło zdjęcia )

Komentarze

• Czy Wikipedia zawiera artykuł na temat Samolot Trefftz z powrotem w dzień? W każdym razie ten link jest faktycznie martwy, po prostu fyi.
• @AEheresupportsMonica: Dziękuję za poinformowanie mnie. Nie pamiętam, jak wyglądała strona Wikipedii 5 lat temu, ale teraz MIT ma znacznie lepszą stronę, która pokazuje, o co mi chodzi.

Nie są wolne od oporu indukowanego, ale opór indukowany jest znacznie zmniejszony, jak pokazano w Prandtl „s Dokument NACA z 1924 r. i opublikowany w tej książce (patrz rozdział 11)

Autorzy tej książki zastosowali wyniki do projektu tego samolotu

Komentarze

• Super! Skąd więc bierze się indukowany opór?
• @falstro skrzydła nigdy nie będą idealne, nadal będzie występować krążenie. Ponadto wektor siły aerodynamicznej, w zależności od kształtu skrzydła, może być lekko odchylony do tyłu, tworząc komponent oporu.
• Wikipedia ma pewien schemat które pozwoliły skrzydłom C zbliżyć się do skrzydeł skrzynkowych
• @Federico: Krążenie wokół końcówek wynosi kilka procent. Może 10 lub 20%, ale nie więcej. Większość jest spowodowana po prostu działaniem siły na powietrze i powietrze, będąc swobodnie poruszającym się, przyspieszając i zabierając ze sobą energię kinetyczną. Nic nie można na to poradzić. Rezultat jest taki, że indukowany opór jest zmniejszony, ale niezbyt .
• @JanHudec Mam trudności ze zrozumieniem, co masz na myśli, ale jeśli dobrze cię czytam, mówisz o całym oporze , a nie samą część indukowaną.

P: Czy skrzydła pudełkowe cierpią z powodu indukowanego oporu w taki sam sposób, jak zwykłe skrzydła?

A: Tak i nie. Samoloty Box Wing będą cierpieć z powodu oporu indukowanego tak samo jak inne samoloty, jeśli są pojazdami cięższymi od powietrza i używają skrzydeł do latania. Indukowany opór jest funkcją obciążenia skończonej rozpiętości i jest moderowany różnymi sposobami w celu poprawy wydajności projektu przy danym obciążeniu przęsła. W związku z tym wielkość oporu oraz sposób, w jaki jest on tworzony i unikany, różni się dla boxwinga i jednopłatowca o tej samej rozpiętości. Dziś ten temat indukowanego oporu zawiera zupełnie inne definicje niż to, czego nauczano w przełomowych odniesieniach na ten temat. Nawet jeśli ktoś mówi o tym samym, temat usłyszymy argumenty z dwóch różnych obozów: tych, którzy trzymają się reprezentatywnej matematyki, i tych, którzy koncentrują się na niekartezjańskiej, nie podręcznikowej fizyce na zasadzie indywidualnej. . Można powiedzieć, że ci pierwsi są bardziej uparty niż ci drudzy, ponieważ ci drudzy wiedzą mniej aż do później.

Zadaniem skrzydła jest efektywne pchanie i ciągnięcie powietrza w dół, gdy porusza się do przodu . To działanie powoduje zarówno reakcję Newtona, jak i różnicę ciśnień Bernoulliego, powodując uniesienie.

Podniesienie w ten sposób powoduje również wpływ na pobliskie powietrze, co jest zależnym od czasu skutkiem wtórnym. wpadać w opadający korytarz powietrza „, że skrzydła przemieszczają się w dół.

Ten wtórny ruch powoduje (całkowicie nieuniknione) ruchy obrotowe w strefie” czuwania „pomiędzy powietrzem poruszanym bezpośrednio przez skrzydła a pobliskim powietrzem stacjonarnym, w ten sposób angażując większą masę powietrza niż samolot musiał się poruszyć tylko po to, aby uzyskać wymagany udźwig.(Różnica pędu jest dosłownie indukowanym oporem, chociaż zwykle uczymy go w sposób bardziej związany z wizualizacją i obliczaniem indukowanego oporu w 2-D. Inne zamieszczone tutaj odpowiedzi ilustrują to w konwencjonalny sposób.)

W przypadku jakiegokolwiek systemu skrzydeł podnoszących NIE MOŻNA wyeliminować indukowanego przeciągania i budzenia wirów . Jednak większość projektów skrzydeł samolotów pozwala na coś innego, co znacznie zwiększa koszt podnoszenia przy ograniczonej rozpiętości: pozwalają wysokie ciśnienie pod skrzydłem być „zbyt blisko” niskiego ciśnienia nad skrzydłem dla wysokości różnicy ciśnień , który rozwinął się w locie. Jeśli na końcu skrzydła występuje duża różnica ciśnień, utworzy się tam silny wir podobny do tornada.

Umożliwiając powstanie silnego gradientu między niskim ciśnieniem a wysokie ciśnienie spowoduje ruch powietrza w kierunku niskiego ciśnienia z dużą prędkością, jeśli to możliwe. Opór rośnie wykładniczo wraz z prędkością nadawaną powietrzu, dlatego projektanci stosują różne podejścia, aby zapobiec szybkiemu wyrównaniu. Im wolniej się dzieje, tym mniej energii kinetycznej jest przekazywane do powietrza przez samolot.

W tym przypadku Boxwings mają zupełnie inny sposób zmniejszania oporu indukowanego w porównaniu do zwykłego skrzydła: umieszczają ścianę między niskim ciśnieniem nad skrzydłem a wyższe ciśnienie wszędzie indziej. „Ściana” może być wyższa niż winglet, ponieważ ma nad nią skrzydło, które pomaga oprzeć się siłom, które popychają na nią z boku. W tym górnym połączeniu skrzydła podobna do ściany pionowa powierzchnia skrzydła skrzynkowego podobnie znajduje się pomiędzy wyższym ciśnieniem pod skrzydłem oraz niższe ciśnienie wszędzie indziej.

Jeśli projektant dobrze sobie poradzi z tym pomysłem (wielu tego nie robi), zarówno powierzchnie skrzydeł dwupłatowca, jak i powierzchnie pionowe systemu boxwing będą moderować prędkość wywołaną gradientem przepływy powietrza, przeciwdziałając niepożądanym przepływom w przestrzeni trójwymiarowej. Stają się w tym bardziej efektywne dzięki większym odstępom w pionie.

Łatwiejszym i skuteczniejszym sposobem zmniejszenia indukowanego oporu jest po prostu zwiększenie rozpiętości skrzydeł lub zmniejszenie masy pojazdu. Gdy skrzydło staje się dłuższe, część siły nośnej, którą każda jednostka skrzydła musi wykonać, jest zmniejszana, co oznacza, że będzie miało mniejszą różnicę ciśnień między górną i dolną powierzchnią. Najlepsza praktyka wymaga zminimalizowania tej różnicy na końcówce, aby osłabić gradient. W rezultacie słabszy gradient ciśnień i większa odległość między niskim a wysokim ciśnieniem spowodują obniżenie prędkości wyrównania.

Jednak gdy samolot staje się cięższy lub szybszy, podejście to staje się najpierw bardzo kosztowne, wtedy niemożliwe. Ograniczenia wytrzymałości materiału nakładają określone ograniczenia na rozpiętość skrzydeł konwencjonalnych samolotów.

Zaskakujące jest, że skrzydła skrzynkowe nie radzą sobie lepiej … może gorzej. To, co wydaje się być zaletą strukturalną, w rzeczywistości koncentruje siły zginające, generowane przez każde skrzydło, w rogach pudełka. Sprawienie, że są wystarczająco mocne, szybko staje się zbyt ciężkie. Dlatego samolot skrzynkowy powinien, podobnie jak dwupłatowiec, mieć krótszą rozpiętość niż jednopłat o równoważnym oporze indukowanym. Jego wydajność rozpiętości przynosi większe owoce w projektach o małej rozpiętości, niż tam, gdzie można zwiększyć rozpiętość skrzydeł.

Można by pomyśleć, że ta przewaga przyniosłaby owoce pośrednio, poprzez prędkość. Im szybciej samolot lata przy danym obciążeniu przęsła, tym mniejszy opór będzie powodował. W rzeczywistości, przy dużych prędkościach wskazanych, indukowany opór staje się niewielkim składnikiem całkowitego oporu. Wydaje się jednak, że inne aspekty konstrukcji boxwingowych utrudniały szybkie rozwiązania boxwing; zwłaszcza stabilność; i „opór z interferencją”.

W konstrukcji skrzydła skrzynkowego istnieje zestaw skrzydeł podnoszących do przodu oraz rufowy zestaw skrzydeł podnoszących . Podczas lotu z dużą prędkością ta konfiguracja nie może reagować tak stabilnie lub tak szybko na pewne warunki, jak skrzydło z ogonem (unoszącym się w dół).

W przypadku konfiguracji skrzydeł podnoszonych w tandemie bez takiego stabilizatora, jak jest to typowe dla nowoczesnych wersji, boxwings muszą balansować w ich połączonym środku unoszenie w górę , a nie przed nim, jak robią to konwencjonalne samoloty, dzięki stabilizującemu wpływowi ogona pchającego w przeciwnym kierunku. To ograniczenie i zachowanie przeciągnięcia skrzydeł tandemowych stanowi wyzwanie, nieodłączne wymagania na konstrukcje skrzydeł bokserskich, które ograniczają ich sukces przy wyższych prędkościach lotu.

Jak wspomniano powyżej, powodują one również opór interferencyjny.Ten rodzaj oporu może być trudny do przewidzenia i jest również powszechnie źle rozumiany. W praktyce, nieodłączny, trójwymiarowy opór interferencyjny konstrukcji samolotu typu boxwing znacznie zmniejsza teoretyczną przewagę konfiguracji dwuwymiarowej w kierunku uzyskania korzyści związanych z oporem indukowanym. Dlatego wcale nie przypominają „normalnych skrzydeł”.

Jak wspomniano w oryginalnym poście, istnieje nowa konfiguracja samolotu, która jest często mylona z konstrukcją skrzydła skrzynkowego. Jednak nie jest do nich podobny. Nazywa się to konfiguracją typu box-tail lub double boxtail. Jestem projektantem samolotu Synergy, , który jest pierwszy taki samolot, jaki został opracowany.

Te nieco rozczarowujące cechy logicznej konfiguracji skrzydeł skrzynkowych były sednem spraw podczas długiego okresu rozwoju Synergy. Moim pragnieniem było wykorzystanie wydajności o dużej rozpiętości i przepływu laminarnego w projektowaniu szybkich samolotów, przy jednoczesnym unikaniu lądowań z dużą prędkością i nieprzewidywalnych, niestabilnych zachowań przy niskich prędkościach. Film przedstawiający model w skali 25% w locie i podstawowe omówienie można obejrzeć na synergyaircraft.com . Znajdziesz tam również post na temat skrzydeł skrzynkowych.

Aby uzyskać więcej informacji na temat wydajności przęseł i konfiguracji niepłaskich, Ilan Kroo opublikował bardzo szczegółowe omówienie tego tematu. Poniższa grafika jest zaczerpnięta z jednej z jego artykułów. Pokazuje, jak można zwalczać indukowany opór w przestrzeni trójwymiarowej, odsuwając się od płaskiego, płaskiego skrzydła do wymiaru pionowego. Synergia rozwija to rozumienie dalej, w wymiarze podłużnym i czasowym, zgodnie z koncepcjami przedstawionymi jako pierwsze przez Georgea C. Greenea w NASA Langley.

Komentarze

• Ty zacznij od doskonałego wyjaśnienia, dlaczego występuje opór indukowany, by wpaść w starą pułapkę ” wirów tworzonych przez przepływ wokół końcówki ” jak większość innych tutaj. Smutne.
• @Peter Myślę, że ' jesteś tu odrobinę pedantyczny (co byłoby w porządku, gdybyś nie nazwał tego ' smutny '). Chociaż ' jest prawdą, że wiry nie są przyczyną indukowanego oporu, można wykazać, że generowanie siły nośnej bez wirów byłoby równoważne tworzeniu siły nośnej z nieskończoną rozpiętością skrzydeł. Podobnie jak wiele rzeczy w fizyce, przyczyna i skutek w dużej mierze zależą od punktu widzenia, a nie od bezwzględnej miary.
• @sanchises: Zgadzam się. Tak, jestem pedantyczny, ale tylko dlatego, że jestem przekonany, że tylko rygorystyczna logika doprowadzi do pełnego zrozumienia. Pomieszane myślenie, w którym przyczyna i skutek stają się wymienne, doprowadzi do niejasnego zrozumienia, a wyjaśnienie czegoś od tego punktu wyjścia wyrządzi szkodę nowicjuszom, którzy tak łatwo źle zrozumieją szczegóły. A potem znowu słyszysz od tych biednych ludzi, którzy nigdy nie mieli szansy nauczyć się rzeczy właściwie, że wiry wierzchołkowe powodują opór. Czy nie ' czy to w porządku, że jest to smutne?
• @PeterK ä mpf Ale z drugiej strony zbyt skupiony rygor prowadzi do niepotrzebnych komplikacji. Zmniejszenie wirów na końcach skrzydeł prowadzi do zwiększenia efektywnej rozpiętości skrzydeł, zmniejszając indukowany opór – więc może w przybliżeniu powiedzieć, że ” wiry na końcach skrzydeł powodują opór indukowany ” ma w sobie rdzeń prawdy. Ale wydaje mi się, że tak jak w przypadku wszystkiego w lotnictwie, ' proste wyjaśnienie ' rzeczywiście ma stosunkowo niewielką moc wyjaśniającą i nie będzie miało mocy, gdy skrzynkowe skrzydła są szczegółowo analizowane.

Głównym powodem indukowanego oporu jest to, że skrzydło przyspiesza powietrze powyżej i poniżej w dół, zwiększając jego energię kinetyczną, a ze względu na prawo zachowania energii musi gdzieś tę energię zabrać, a jedynym sposobem jest wykonanie negatywnej pracy na statku powietrznym, tj. wywołanie oporu.

Ilość przyspieszanego powietrza w jednostce czasu jest proporcjonalna do rozpiętości skrzydeł i prędkości samolotu. Przyłożenie tej samej siły do większej ilości powietrza przyspiesza je do niższej prędkości, a ponieważ energia kinetyczna jest proporcjonalna do kwadratu prędkości, powoduje mniejszy opór. „Dlaczego skrzydła o wysokim współczynniku kształtu (o dużej rozpiętości) są bardziej wydajne i dlaczego indukowany opór zmniejsza się wraz z prędkością.

Wiry na końcach skrzydeł są po prostu granicami tego obszaru opadającego powietrza. A ponieważ nie można wytworzyć siły nośnej bez przyspieszania powietrza w dół (zgodnie z prawem akcji i reakcji), ten indukowany opór jest głównym i każde skrzydło o skończonej rozpiętości będzie je wywoływać. nic więcej.

Zobacz także How It Flies, sekcja 3.13 (rysunek jest stamtąd).

Teraz występuje dodatkowy indukowany opór spowodowany powietrzem o wyższym ciśnieniu przepływającym wokół końcówki skrzydła, który nie przyczynia się do podnoszenia (lub nawet nieznacznie ), ale przyczynia się do przeciągania. To może być niskie dziesiątki procent lub coś w tym rodzaju. Kilka procent, które można zaoszczędzić różnymi środkami, jest na tyle znaczących, że warte jest tego wysiłku, ale nadal jest to kilka procent. Cuda nie są możliwe.

Nawiasem mówiąc, skrzydło boksu wciąż ma końcówki. Powietrze nie może przepływać do ani z między skrzydłami, ale może przepływać spod dolnej poziomej powierzchni ponad górną. Dodatkowo skrzydło ma stosunkowo niski współczynnik kształtu.

Wiele dobrych punktów na temat redukcji oporu.

Tak, opór indukowany można zmniejszyć o kilka procent za pomocą skrzydła skrzynkowego, rozpraszając wir końcówki skrzydła . Robi różnicę kilku procent, co jest znaczące. Prawie to samo, co w przypadku dwupłatowca.

PRAWDZIWĄ, nieodpartą zaletą boxwings jest konstrukcja. Dzięki skrzydłom połączonym na końcach jest to możliwe i praktyczne do projektowania pod kątem określonej wytrzymałości i sztywności przy użyciu mniejszej ilości materiału. Skrzydła mogą się wzajemnie wspierać i tłumić nawzajem naturalny rezonans, kupując trochę marginesu przed trzepotaniem i awarią.

Rick Gendreau, projektant, Halcyon boxwing.

Systemy zamknięte (Box Wing to tylko szczególny typ zamkniętych skrzydeł), C-wingi i biwings są w rzeczywistości powiązane jako jeśli chodzi o minimalizację indukowanego oporu.

Jeśli interesują Cię techniczne odpowiedzi dotyczące minimalizacja oporu / wydajność Box Wings, systemów zamkniętych, systemów dwuskrzydłowych i multiwingów , wszystkie szczegóły można znaleźć w następujących publikacjach (mogę również przesłać Ci dokumenty, jeśli wyślesz mi e-mail na adres luciano.demasiATgmail.com ):

===== Artykuł 1 =====

Demasi Luciano , Monegato Giovanni, Dipace Antonio i Cavallaro Rauno „ Twierdzenia o minimalnym indukowanym przeciągnięciu dla połączonych Wi ngs, Closed Systems, and Generic Biwings: Theory „, Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, strony 1-36, DOI: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Artykuł 2 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno i Dipace Antonio „ Twierdzenia o minimalnym indukowanym przeciągnięciu dla połączonych skrzydeł, zamkniętych systemów i ogólnych podziałów: aplikacje „Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, strony 1-25 , Doi: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Artykuł 3 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno „ Twierdzenia o minimalnym indukowanym przeciągnięciu dla systemów wieloskrzydłowych „, 4-8 stycznia 2016 r., SciTech2016, San Diego, Kalifornia, AIAA 2016-0236

===== Artykuł 4 =====

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

Pozdrawiamy,

Luciano Demasi

Komentarze

• Odnośniki są z pewnością pomocne, ale dołączenie niektórych informacji w odpowiedzi byłoby jeszcze bardziej pomocne.
• Więcej informacji można znaleźć na Wikipedii pod następującym linkiem: en.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag [jest tam również kilka zdjęć] Lub mogę wysłać materiał, jeśli podasz e-mail adres. Z poważaniem, Luciano Demasi