A maioria das asas sofre de arrasto induzido devido a uma diferença de pressão acima e abaixo da asa, fazendo com que o ar se esgueire ao redor da ponta, formando um vórtice. Existem vários métodos para minimizar esses efeitos, como winglets.
No entanto, olhando para a aeronave Synergy como exemplo, asas de caixa têm sem pontas de asas. Desconsiderando quaisquer outras partes da aeronave, as asas estão realmente livres de arrasto induzido? Ou ainda estão causando arrasto induzido, apenas de uma maneira que não consigo imaginar com minha experiência limitada de dinâmica de fluidos?
Aeronave sinergia com asas em caixa (imagem fonte )
Eu li em algum lugar que um projeto tradicional de biplano é menos eficiente devido às asas interferindo umas nas outras (aparentemente, algo abordado pela aeronave de sinergia, colocando a asa superior mais para trás ou algo assim), e o asa superior é na verdade mais um plano de cauda, empurrando para baixo, aumentando ainda mais a velocidade no ar entre os aerofólios se eu entendi corretamente e eliminando o diferencial de pressão do topo da asa superior para a parte inferior da asa inferior, e ambas as asas obviamente geraria resistência normal cortando o ar, mas estou interessado apenas na resistência induzida neste ponto.
Comentários
- parece como um design extravagante semelhante a um biplano.
- @ratchetfreak exceto que os dois planos têm quatro pontas de asas, este tem zero.
- @falstro: Tem duas pontas de asas. O significado da ” superior ” superfície muda sobre as escoras verticais, de modo que atuam como pontas de qualquer maneira (e se não funcionasse ‘ t mudar, a superfície superior produziria sustentação negativa e a coisa toda não produziria nenhuma e seria inútil).
- @JanHudec; na verdade, a superfície superior não produz sustentação negativa (como mencionei na última frase da pergunta), ela fica atrás da asa inferior e funciona como a cauda de outra aeronave.
- @falstro: No entanto, como a coisa toda produz sustentação líquida, ela acelera o ar para baixo e, como o ar além dela ‘ a extensão não é acelerada, cria vórtices de ponta de asa com as linhas de vórtice deixando o sistema em algum lugar ao longo das escoras verticais.
Resposta
A asa de caixa só é melhor quando você compara asas com envergadura idêntica . As duas asas de uma asa de caixa funcionam em aviões Treffz diferentes, de modo que o downwash é espalhado verticalmente. A diferença no arrasto induzido para uma única asa não é grande, apenas alguns por cento. O arrasto de atrito é maior (veja abaixo), assim como a massa estrutural, então a asa da caixa precisa criar mais sustentação. Isso torna o arrasto induzido de uma asa de caixa efetivamente maior do que o de uma única asa.
O que é arrasto induzido , afinal? É a consequência da criação de sustentação em um período limitado. A asa cria sustentação desviando o ar para baixo. Isso acontece gradualmente sobre o acorde da asa e cria uma força de reação ortogonalmente à velocidade local do ar. Isso significa que a força de reação está apontando para cima e ligeiramente para trás. Este componente para trás é um arrasto induzido! As pontas das asas não estão envolvidas e não estão causando arrasto induzido. Criação de sustentação.
Se você voar rápido, há muita massa de ar passando pela asa por unidade de tempo, então você precisa desviar o ar apenas ligeiramente. Seu arrasto induzido é pequeno. O mesmo vale para uma grande extensão: há mais ar que pode ser desviado, então o arrasto induzido é pequeno.
Uma asa de caixa precisa de duas asas finas de cada lado, que terão uma corda menor do que uma asa única com a mesma área de superfície. Portanto, o número de Reynolds é menor e o arrasto de fricção é maior. Além disso, a longarina da asa é menos grossa e precisará ser mais pesada para suportar a mesma sustentação!
Se você abandona a restrição de manter a amplitude idêntica, a asa única ideal pode se dar ao luxo de ter mais amplitude (devido à sua melhor estrutura l eficiência), e vai embora a vantagem da asa de caixa. E uma vez que você olha a imagem completa e adiciona massa estrutural, a asa da caixa nunca teve essa vantagem em primeiro lugar.
Sim, mas e quanto à Sinergia?
A Sinergia é um design inteligente com algumas vantagens, mas não pode enganar a física. Estas são as vantagens:
- O prop propulsor mantém a estrutura livre de turbulência de esteira, para que mais área possa ser mantida em fluxo laminar.
- O prop propulsor suga o ar de a fuselagem traseira, evitando efetivamente a separação.
- As duas lanças traseiras atarracadas e aletas fornecem grande proteção para a área da hélice no solo.
- O layout compacto mantém o efeito estabilizador da hélice pequeno , então a capacidade de manobra não sofre muito.
- O uso de compostos e tecnologias de fuselagem de planadores reduzem o arrasto de fricção.
- O motor a diesel consome combustível mais barato e é mais eficiente em termos de combustível do que um motor a gasolina.
Observe que eu não mencionei o design da asa em caixa?
Aqui estão as desvantagens:
- A varredura da asa em uma aeronave a hélice parece legal, mas aumenta o arrasto , porque a asa deve ser maior para criar a mesma sustentação.
- No total, esta configuração tem quatro caudas verticais, cada uma delas com seu próprio arrasto de interferência e uma corda curta que, novamente, aumenta o arrasto sobre um cauda vertical única comparável.
- A cauda horizontal esticada também é menos eficaz do que uma única superfície menor com mais cordas e mais distância do centro de gravidade.
- O layout compacto fornece pequeno amortecimento de pitch ou yaw. Eu me pergunto quais são as qualidades de condução em tempo tempestuoso.
Eu esperaria um layout mais convencional ao longo das linhas do fs-28 seria ainda mais eficiente.
Akaflieg Stuttgart fs-28 em voo (imagem fonte )
Comentários
- A Wikipedia tinha um artigo sobre o Avião Trefftz naquela época? De qualquer forma, esse link está efetivamente morto, basta fyi.
- @AEheresupportsMonica: Obrigado por me avisar. Não me lembro como era a página da Wikipedia 5 anos atrás, mas agora o MIT tem uma página muito melhor que mostra o que quero dizer.
Resposta
Eles “não estão livres do arrasto induzido, mas o arrasto induzido é bastante reduzido, conforme demonstrado em Prandtl” s Artigo do NACA de 1924 e relatado neste livro (ver capítulo 11)
Os autores desse livro aplicaram os resultados ao design desta aeronave
Comentários
- Legal! Então de onde vem o arrasto induzido?
- @falstro as asas nunca serão perfeitas, alguma circulação ainda vai acontecer. Além disso, o vetor de força aerodinâmica, dependendo do formato da asa, pode ser ligeiramente inclinado para trás, criando um componente de arrasto.
- wikipedia tem algum esquema que permitem que as asas C se aproximem das asas da caixa
- @Federico: A circulação em torno das pontas é de alguma porcentagem. Talvez 10 ou 20%, mas não mais. A maioria é causada simplesmente pela aplicação de força no ar e no ar, sendo livremente móvel, acelerando e levando consigo energia cinética. Nada pode ser feito sobre isso. O resultado é que o arrasto induzido diminui, mas não muito .
- @JanHudec Tenho dificuldade em entender o que você quer dizer, mas se li corretamente, você fala de todo o arrasto , não apenas a parte induzida.
Resposta
P: As asas da caixa sofrem de arrasto induzido da mesma forma que as asas normais?
R: Sim e não. Aeronaves Box Wing sofrerão de arrasto induzido da mesma forma que qualquer aeronave, se forem veículos mais pesados que o ar e estiverem usando suas asas para voar. O arrasto induzido é uma função do carregamento do vão finito e moderado por várias maneiras para melhorar a eficiência do projeto em um determinado carregamento do vão. Assim, a quantidade de arrasto e a forma como é criado e evitado são diferentes para um boxwing e um monoplano do mesmo período. Hoje, este tópico de arrasto induzido inclui definições completamente diferentes do que foi ensinado em referências seminais sobre o assunto. Mesmo se alguém estiver falando sobre a mesma coisa, o tópico ouvirá argumentos de dois campos diferentes: aqueles que aderem à matemática representativa e aqueles que se concentram na física real não cartesiana e não didática, caso a caso . É bastante justo dizer que os primeiros são mais vocacionados do que os últimos, pois os últimos sabem menos até mais tarde.
A função de uma asa é empurrar e puxar o ar para baixo com eficiência à medida que avança . Essa ação causa uma reação newtoniana e um diferencial de pressão de Bernoulli, resultando em sustentação.
Fazer a sustentação dessa maneira faz com que o ar próximo também seja afetado, como um resultado secundário dependente do tempo. cair no vale descendente de ar “que as asas deslocaram para baixo.
Este movimento secundário causa movimentos rotacionais (completamente inevitáveis) na zona de” esteira “entre o ar movido diretamente pelas asas e o ar estacionário próximo, envolvendo assim mais massa de ar do que o avião precisava para se mover apenas para obter a sustentação necessária.(A diferença de momento é literalmente o arrasto induzido, embora geralmente o ensinemos de maneiras mais relacionadas a como o arrasto induzido é visualizado e calculado em 2-D. Outras respostas postadas aqui ilustram isso em termos convencionais.)
Vórtice de arrasto e esteira induzidos NÃO PODEM ser eliminados para um sistema de asa de içamento de qualquer tipo. No entanto, a maioria dos projetos de asas de aeronaves permite que algo mais aconteça que aumenta muito o custo de fazer sustentação com envergadura finita: eles permitem pressões altas sob a asa ser “muito perto” das pressões baixas acima da asa pela quantidade de diferença de pressão que foi desenvolvido em voo. Se houver uma alta pressão diferencial na ponta de uma asa, um forte vórtice semelhante a um tornado se formará lá.
Permitindo a formação de qualquer gradiente forte entre baixa pressão e alta pressão fará com que o ar se mova em direção à baixa pressão em alta velocidade, se puder. O arrasto aumenta exponencialmente com as velocidades transmitidas ao ar, portanto, os designers usam uma variedade de abordagens para evitar que essa equalização aconteça rapidamente. Quanto mais devagar, menos energia cinética é transmitida ao ar pelo avião.
É aqui que os Boxwings têm uma maneira totalmente diferente de reduzir o arrasto induzido, em comparação com uma asa normal: eles colocam uma parede entre a baixa pressão acima da asa, e o maior pressão em todos os outros lugares. A “parede” pode ser mais alta do que um winglet, porque tem uma asa acima para ajudar a resistir às forças que a empurram lateralmente. Nessa conexão de asa superior, a superfície vertical semelhante a uma parede de uma asa de caixa da mesma forma fica entre a pressão mais alta sob a asa, e a pressão mais baixa em todos os outros lugares.
Se um designer fizer um bom trabalho com essa ideia (muitos não o fazem), as superfícies das asas do biplano e as superfícies verticais do sistema de asa de caixa moderarão a velocidade do gradiente induzida fluxos de ar agindo contra os fluxos indesejáveis no espaço 3-D. Eles se tornam mais eficazes com maior espaçamento vertical.
A maneira mais fácil e eficaz de reduzir o arrasto induzido é simplesmente aumentar a envergadura ou reduzir o peso do veículo. À medida que uma asa fica mais longa, a porção de sustentação que cada unidade da asa precisa fazer é reduzida, o que significa que ela terá um diferencial de pressão menor entre as superfícies superior e inferior. A prática recomendada exige que esse diferencial seja minimizado na ponta, de modo que o gradiente seja enfraquecido. O resultado então é que um gradiente de pressão mais fraco e uma distância mais longa entre as pressões baixa e alta manterão as velocidades de equalização baixas.
No entanto, conforme uma aeronave fica mais pesada ou vai mais rápido, esta abordagem torna-se inicialmente muito cara, então impossível. As limitações de resistência do material colocam limites definidos na envergadura de aeronaves convencionais.
Surpreendentemente, as asas de caixa não se saem melhor … talvez pior. O que parece ser uma vantagem estrutural, na verdade apenas concentra as forças de flexão, geradas por cada asa, nos cantos da caixa. Torná-los fortes o suficiente rapidamente se torna excessivamente pesado. Portanto, uma aeronave de asa de caixa deve, como um biplano, ter uma extensão menor do que um monoplano de arrasto induzido equivalente. Sua eficiência de envergadura dá mais frutos entre projetos de envergadura curta, do que quando a envergadura pode ser aumentada.
Pode-se pensar que essa vantagem renderia frutos indiretamente, por meio da velocidade. Quanto mais rápido uma aeronave voa, para um determinado período de carregamento, menos arrasto induzido causará. Na verdade, em velocidades altas indicadas, o arrasto induzido se torna um pequeno componente do arrasto total. No entanto, outros aspectos dos projetos de asa de caixa parecem ter impedido soluções de asa de caixa de alta velocidade; notavelmente estabilidade; e “arrasto de interferência”.
Em um design de asa de caixa, há um conjunto de asas de elevação para a frente e um conjunto traseiro de asas de elevação . Em vôo de alta velocidade, esta configuração não pode responder de forma tão estável ou rápida a certas condições como uma asa com cauda (levantada para baixo).
Quando configurado como um arranjo de asa de içamento em tandem sem tal estabilizador, como é típico das versões modernas, as asas de caixa devem se equilibrar em seu centro combinado de elevação ascendente , em vez de à frente como fazem as aeronaves convencionais, graças à influência estabilizadora de uma cauda empurrando na direção oposta. Essa limitação e os comportamentos de estol de asa tandem colocam desafios, demandas inerentes em projetos de asa de caixa que restringem seu sucesso em velocidades de vôo mais altas.
Como observado acima, eles também criam resistência por interferência.Esse tipo de resistência pode ser difícil de prever e também é mal compreendido. Na prática, o arrasto de interferência 3-D inerente de um projeto de aeronave boxwing reduz muito a vantagem teórica 2-D da configuração para obter benefícios de arrasto induzido. É por isso que eles não são nada como “asas normais”.
Conforme mencionado no post original, há uma nova configuração de aeronave que muitas vezes é confundida com um design de asa em caixa. No entanto, não é nada parecido com eles. É chamado de configuração box-tail ou boxtail duplo. Eu sou o designer da aeronave boxtail dupla Synergy, que é a primeira aeronave a ser desenvolvida.
Esses atributos um tanto decepcionantes da configuração lógica da asa em forma de caixa estiveram no centro das questões durante o longo período de desenvolvimento do Synergy. Era meu desejo utilizar alta eficiência de amplitude e fluxo laminar em um projeto de aeronave de alta velocidade, evitando pousos em alta velocidade e comportamentos imprevisíveis e instáveis em baixas velocidades. Um vídeo de um modelo em escala de 25% em vôo e uma visão geral básica podem ser vistos em synergyaircraft.com . Uma postagem sobre o tópico de asas de caixa também pode ser encontrada lá.
Para obter mais informações sobre a eficiência de amplitude e configurações não planas, Ilan Kroo publicou visões gerais muito completas do assunto. O gráfico abaixo é adaptado de um que apareceu em seus artigos. Mostra como o arrasto induzido pode ser combatido no espaço 3-D movendo-se de uma asa plana e plana para a dimensão vertical. A sinergia constrói ainda mais esse entendimento, nas dimensões longitudinal e temporal, de acordo com os conceitos avançados por George C. Greene enquanto estava na NASA Langley.
Comentários
- Você comece com uma grande explicação de por que o arrasto induzido acontece, apenas para cair na velha armadilha de ” vórtices criados pelo fluxo ao redor da ponta ” como muitos outros aqui fazem. Triste.
- @Peter Acho que você ‘ está sendo um pouco pedante aqui (o que seria normal se você não chamasse isso de ‘ sad ‘). Embora seja ‘ verdade que os vórtices não são a causa do arrasto induzido, pode-se mostrar que a geração de sustentação sem vórtices seria equivalente a criar sustentação com envergadura infinita. Como muitas coisas na física, causa e efeito dependem muito do ponto de vista de cada um, e não de uma medida absoluta.
- @sanchises: Eu concordo. Sim, sou pedante, mas apenas porque estou convencido de que só a lógica rigorosa leva a um entendimento completo. O pensamento confuso, onde causa e efeito se tornam intercambiáveis, levará a um entendimento confuso, e explicar algo a partir desse ponto de partida será um péssimo serviço para os novatos que tão facilmente compreenderão mal os detalhes. E então você ouve novamente dessas pobres pessoas que nunca tiveram a chance de aprender as coisas direito que os vórtices das pontas causam resistência. Não é ‘ certo ficar triste com isso?
- @PeterK ä mpf Mas então, sendo muito focado o rigor leva a complicar as coisas desnecessariamente. A redução dos vórtices na ponta da asa leva a um aumento da envergadura efetiva, reduzindo o arrasto induzido – talvez como uma aproximação grosseira, dizendo que ” vórtices na ponta da asa causam arrasto induzido ” tem um fundo de verdade. Mas eu acho que, como acontece com qualquer coisa na aviação, a ‘ explicação simples ‘ realmente detém relativamente pouco poder explicativo e ficará aquém quando as asas de caixa são analisados em detalhes.
Resposta
A principal razão para o arrasto induzido é que a asa acelera o ar acima e abaixo para baixo aumentando sua energia cinética e devido à lei de conservação de energia, ele tem que levar essa energia para algum lugar e a única maneira é fazendo um trabalho negativo na aeronave, ou seja, induzindo o arrasto.
A quantidade de ar acelerado por unidade de tempo é proporcional à envergadura e velocidade da aeronave. Aplicar a mesma força a mais ar acelera a velocidade mais baixa e, como a energia cinética é proporcional ao quadrado da velocidade, induz menos arrasto. “É por isso que as asas de alta proporção (extensão longa) são mais eficientes e porque o arrasto induzido diminui com a velocidade.
Os vórtices nas pontas das asas são simplesmente bordas desta área de descida do ar. E porque você não pode gerar sustentação sem acelerar o ar para baixo (por lei de ação e reação), este arrasto induzido é o principal e qualquer asa de envergadura finita irá induzi-lo. E isso dependerá apenas da sustentação gerada, envergadura e velocidade e nada mais.
Consulte também Como voa, seção 3.13 (a figura é a partir daí).
Agora, há algum arrasto induzido adicional causado pelo ar de alta pressão fluindo ao redor da ponta da asa que não contribui para a elevação (ou mesmo ligeiramente negativamente ), mas contribui para o arrasto. Talvez sejam dezenas de por cento ou algo assim. Os vários percentuais que podem ser economizados por várias medidas são significativos o suficiente para valer o esforço, mas ainda assim são vários percentuais. Milagres não são possíveis.
A propósito, a asa da caixa ainda tem pontas. O ar não pode fluir de ou para as asas, mas pode fluir de sob a superfície horizontal inferior para acima da superior. Além disso, a asa tem uma proporção de aspecto relativamente baixa.
Resposta
Muitos pontos positivos sobre a redução do arrasto aqui.
Sim, o arrasto induzido pode ser reduzido em alguns pontos percentuais com uma asa de caixa, difundindo o vórtice da ponta da asa . Faz uma diferença de alguns por cento, o que é significativo. Quase o mesmo que um biplano.
A vantagem REAL convincente do boxwings é estrutural. Com as asas conectadas nas pontas, é possível e prático para projetar para uma determinada resistência e rigidez com menos material. As asas podem apoiar-se mutuamente e amortecer a ressonância natural umas das outras, adquirindo alguma margem contra vibração e falha.
Rick Gendreau, designer, Halcyon boxwing.
Resposta
Sistemas fechados (Box Wing é apenas um tipo particular de asa fechada), C-wings e biwings estão realmente relacionados como no que diz respeito à minimização do arrasto induzido.
Se você estiver interessado em respostas técnicas sobre minimização / desempenho de arrasto induzido de Box Wings, sistemas fechados, sistemas bi-wing e multiwings , você pode encontrar todos os detalhes nas seguintes publicações (eu também posso enviar para você o papéis se você me enviar um e-mail para o endereço luciano.demasiATgmail.com ):
===== Artigo 1 =====
Demasi Luciano , Monegato Giovanni, Dipace Antonio e Cavallaro Rauno “ Teoremas de arrasto mínimo induzido para Wi unido 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
===== Artigo 2 =====
Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno e Dipace Antonio “ Teoremas de arrasto mínimo induzido para asas unidas, sistemas fechados e curvas genéricas: aplicativos “Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, páginas 1-25 , Doi: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239
===== Artigo 3 =====
Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno “ Teoremas de arrasto mínimo induzido para sistemas de múltiplas asas “, 2016,4-8 de janeiro, SciTech2016, San Diego, Califórnia, AIAA 2016-0236
===== Artigo 4 =====
Demasi Luciano, Dipace Antonio, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno “ Formulação invariável para as condições mínimas de arrasto induzido de sistemas de asas não planas “, AIAA Journal, 2014, outubro, 10,2223-2240,52, Doi: 10.2514 / 1.J052837 Url: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837
Atenciosamente,
Luciano Demasi
Comentários
- As referências certamente são úteis, mas incluir algumas informações aqui na resposta seria ainda mais útil.
- Você pode encontrar mais informações na Wikipédia no seguinte link: en.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag [várias fotos também foram postadas lá] Ou posso enviar material se você fornecer um e-mail Morada. Atenciosamente, Luciano Demasi