Lider box-vingar av inducerad dragning på samma sätt som vanliga vingar?

Boxvingen är bara bättre när du jämför vingar med identisk spännvidd . De två vingarna på en lådvinge fungerar i olika Treffz-plan , så nedtvätten sprids vertikalt. Skillnaden i inducerad dragning till en enda vinge är inte stor, bara några procent. Friktionsdragningen är högre (se nedan), liksom den strukturella massan, så lådvingen måste skapa mer lyft. Detta gör den inducerade dragningen av en boxvinge effektivt högre än den för en enda wing.

Vad är inducerat drag , egentligen? Det är konsekvensen av att skapa lyft över ett begränsat spann. Vingen skapar lyft genom att böja luften nedåt. Detta händer gradvis över vingens ackord och skapar en reaktionskraft ortogonalt mot den lokala hastigheten på luften. Detta betyder att reaktionskraften pekar uppåt och något bakåt. Denna bakåtkomponent induceras drag! orsakar inducerat drag. Skapande av lyft är.

Om du flyger snabbt strömmar mycket luftmassa förbi vingen per tidsenhet, så du behöver bara avböja luften. Ditt inducerade drag är Sames går för en stor spännvidd: Det finns mer luft som kan avböjas, så det inducerade motståndet är litet.

En lådavinge behöver två smala vingar per sida, som kommer att ha ett mindre ackord än en enda vinge med samma ytarea. Så deras Reynolds-nummer är mindre och deras friktionsdragning är högre. Dessutom är vingarna mindre tjocka och kommer att behöva vara tyngre för att kunna bära samma hiss!

Om du tappar begränsningen för att hålla spännet identiskt, den optimala enskilda vingen har råd att ha mer spännvidd (på grund av dess bättre struktur l effektivitet), och bort går fördelen med lådvingen. Och när du väl tittat på helbilden och lagt till strukturell massa hade boxvingen aldrig denna fördel i första hand.

Ja, men hur är det med Synergy?

Synergy är en smart design med några fördelar, men den kan inte fuska fysik. Dessa är fördelarna:

• Skjutstödet håller flygplattan fri från vakningsturbulens så att mer yta kan hållas i laminärt flöde.
• Skjutstödet suger luften från bakre flygkroppen, vilket effektivt undviker separering.
• De två stubbiga svansbommarna och fenorna ger ett bra skydd för propellerområdet på marken.
• Den kompakta layouten håller propellerns stabiliserande effekt liten. , så manövreringsförmågan lider inte mycket.
• Användningen av kompositer och glidflygplansteknik minskar friktionsdragningen.
• Dieselmotorn förbrukar billigare flygbränsle och är mer bränsleeffektiv än en bensinmotor.

Observera att jag inte nämnde lådans vingdesign?

Här är nackdelarna:

• Vingsvep i ett propellerflygplan ser coolt ut, men ökar drag , eftersom vingen måste vara större för att skapa samma lyft.
• Totalt har denna konfiguration fyra vertikala svansar, var och en med sitt interferensdrag och ett kort ackord som återigen ökar drag över en jämförbar enkel vertikal svans.
• Den utsträckta horisontella svansen är också mindre effektiv än en mindre enda yta med mer ackord och mer avstånd från tyngdpunkten.
• Den kompakta layouten ger liten lutnings- eller girdämpning. Jag undrar vad rittkvaliteten är i väder och vind.

Jag förväntar mig att en mer konventionell layout i linje med fs-28 skulle vara ännu effektivare.

Akaflieg Stuttgart fs-28 under flygning (bild källa )

Kommentarer

• Hade Wikipedia en artikel om Trefftz-planet tillbaka på dagen? Hur som helst, den länken är faktiskt död, bara fyi.
• @AEheresupportsMonica: Tack för att du meddelade mig. Jag kommer inte ihåg hur Wikipedia-sidan såg ut för 5 år sedan, men nu har MIT en mycket bättre sida upp som visar vad jag menar.

De är inte fria från inducerat drag, men det inducerade drag minskar kraftigt, vilket visas i Prandtl ”s NACA-papper från 1924 och rapporteras i den här boken (Se kapitel 11)

Författarna till den boken tillämpade resultaten på designen av detta flygplan

Kommentarer

• Cool! Så var kommer det inducerade drag från?
• @falstro vingarna kommer aldrig att vara perfekta, en del cirkulation kommer fortfarande att hända. Dessutom kan den aerodynamiska kraftvektorn, beroende på vingformen, lutas något bakåt, vilket skapar en dragkomponent.
• wikipedia har en del schematisk som låter C-vingar närma sig boxvingar
• @Federico: Cirkulationen runt spetsarna är några procent. Kanske 10 eller 20%, men inte mer. Det mesta orsakas helt enkelt genom att använda kraft på luft och luft, vara fritt rörlig, påskynda och ta kinetisk energi med den. Ingenting kan göras åt det. Resultatet är att det inducerade drag minskar, men inte mycket .
• @ JanHudec Jag har svårt att förstå vad du menar, men om jag läser dig rätt, talar du om hela drag. , inte den inducerade delen ensam.

F: Lider boxvingar av inducerad dragning på samma sätt som vanliga vingar?

A: Ja och nr. Box Wing-flygplan kommer att drabbas av inducerad dragkraft som alla flygplan kommer att göra, om de är tyngre än flygfordon och använder sina vingar för att flyga. Inducerat drag är en funktion av begränsad spänningsbelastning och modereras på olika sätt för att förbättra designeffektiviteten vid en given spännbelastning. Således skiljer sig dragmängden och hur den skapas och undviks för en boxwing och en monoplan med samma spann. Idag innehåller detta ämne inducerad drag helt andra definitioner än vad som lärdes ut i seminalreferenser om ämnet. Även om man pratar om samma sak kommer ämnet att höra argument från två olika läger: de som följer representativ matematik och de som fokuserar på den icke-kartesiska, icke-lärobokens faktiska fysik från fall till fall . Det är ganska rättvist att säga att de förstnämnda är mer röstmässiga meningsfulla än de senare, för de senare vet mindre tills senare.

En vings uppgift är att effektivt trycka och dra luft nedåt när den rör sig framåt. . Den åtgärden orsakar både en newtonsk reaktion och en Bernoulli-tryckskillnad, vilket resulterar i lyft.

Att göra lyft på detta sätt gör att den närliggande luften också påverkas, som ett tidsberoende sekundärt resultat. Det måste ” falla i det fallande luftrännan ”som vingarna förskjutits nedåt.

Denna sekundära rörelse orsakar (helt oundviklig) rotationsrörelser i” vakna ”-zonen mellan luft som direkt rör sig av vingarna och den närliggande stationära luften, därmed involverar mer luftmassa än planet behövde röra sig bara för att få den lyft det behövde.(Momentumskillnaden är bokstavligen det inducerade drag, även om vi brukar lära det på sätt som är mer relaterade till hur inducerad drag visualiseras och beräknas i 2-D. Andra svar som publiceras här illustrerar detta i konventionella termer.)

Induserad dra och vakna virvel KAN INTE elimineras för ett lyftvingesystem av något slag. De flesta flygplansdesigner tillåter dock att något annat händer som kraftigt ökar kostnaden för att lyfta med en ändlig vingspännvidd: de låter högtryck under vingen vara ”för nära” lågtryck ovanför vingen för mängden tryckdifferens som har utvecklats under flygning. Om det finns ett högt differenstryck vid en vingspets kommer en stark tornadoliknande virvel att bildas där.

Tillåter att någon stark lutning bildas mellan lågt tryck och högt tryck kommer att få luft att röra sig mot lågt tryck med hög hastighet, om det kan. Drag ökar exponentiellt med de hastigheter som förmedlas till luften, därför använder designers en mängd olika metoder för att förhindra att denna utjämning sker snabbt. Ju långsammare det händer, desto mindre kinetisk energi tillförs luften av flygplanet.

Det är här Boxwings har ett helt annat sätt att minska det inducerade motståndet, jämfört med en normal vinge: de sätter en vägg upp mellan lågtrycket ovanför vingen högre tryck överallt annars. ”Väggen” kan vara högre än en winglet, eftersom den har en vinge ovanför för att motstå de krafter som trycker på den från sidan. Vid den övre vinganslutningen står den väggliknande vertikala ytan på en lådsvinge likaså mellan det högre trycket under vingen, och det lägre trycket överallt annars.

Om en designer gör ett bra jobb med denna idé (många gör det inte), kommer både biplanvingytorna och de vertikala ytorna på boxwing-systemet att dämpa hastigheten på lutningsinducerad luftflöden genom att agera mot oönskade flöden i 3D-utrymme. De blir mer effektiva i detta med större vertikalt avstånd.

Det enklare och effektivare sättet att minska det inducerade motståndet är helt enkelt att öka vingbredden eller minska fordonets vikt. När en vinge blir längre minskas den del av lyften som varje vingeenhet behöver göra, vilket innebär att den kommer att ha en lägre tryckdifferens mellan de övre och nedre ytorna. Bästa praxis kräver att denna skillnad minimeras vid spetsen, så lutningen försvagas. Resultatet är då att en svagare tryckgradient och ett längre avstånd mellan lågt och högt tryck kommer att hålla utjämningshastigheterna nere.

Men när ett flygplan blir tyngre eller går snabbare blir detta tillvägagångssätt först mycket dyrt, då omöjligt. Begränsningar av materialstyrka sätter definitiva gränser för konventionella flygplaners vingbredd.

Överraskande nog går boxvingarna inte bättre … kanske värre. Vad som verkar vara en strukturell fördel koncentrerar faktiskt bara böjkrafterna, som genereras av varje vinge, i lådans hörn. Att göra dem tillräckligt starka blir snabbt alltför tunga. Därför bör ett flygplan med flygvingar, som en biplan, ha en kortare spännvidd än en monoplan med motsvarande inducerad drag. Dess spänneffektivitet ger större frukt bland korta spänndesigner än där vingspännen kan ökas.

Man skulle kunna tro att denna fördel då skulle bära frukt indirekt, genom hastighet. Ju snabbare ett flygplan flyger, för en viss spannbelastning, desto mindre inducerat drag kommer det att göra. Faktum är att vid höga indikerade flyghastigheter blir inducerat drag en liten komponent i total drag. Andra aspekter av lådvingsdesign verkar emellertid ha hindrat höghastighetsboxlösningar; särskilt stabilitet; och ”störningsläge.”

I en boxvinge-design finns en framåt uppsättning lyftvingar och en bakre uppsättning lyftvingar . Vid höghastighetsflygning kan denna konfiguration inte reagera lika stabilt eller lika snabbt på vissa förhållanden som en vinge med en (nedåtgående) svans.

När den är inställd som ett tandemlyftande vingarrangemang utan en sådan stabilisator, vilket är typiskt för moderna versioner, måste boxvingar balansera vid sitt kombinerade centrum av lyft uppåt , snarare än framför det som konventionella flygplan gör, tack vare en stabiliserande påverkan av en svans som skjuter i motsatt riktning. Denna begränsning och tandem-wing-beteenden ställer utmanande, inneboende krav på boxwing-design som begränsar deras framgång vid högre flyghastigheter.

Som nämnts ovan skapar de också störningsdrag.Denna typ av drag kan vara svår att förutsäga och missförstås också allmänt. I praktiken minskar den inneboende 3-D-interferensmotståndet hos en boxwing-flygplanskonstruktion kraftigt den 2-D teoretiska fördelen med konfigurationen mot att uppnå inducerade dragfördelar. Det är därför de inte alls är som ”normala vingar.”

Som nämnts i originalinlägget finns det en ny flygkonfiguration som ofta förväxlas med en design av en boxvinge. Det är dock inget som dem. Det kallas en box-tail eller dubbel boxtail-konfiguration. Jag är designern av Synergy dubbla boxtail-flygplan, det första sådana flygplan som utvecklades.

Dessa något nedslående egenskaper hos den annars logiska boxvingekonfigurationen var kärnan i saker under den långa perioden av Synergys utveckling. Det var min önskan att använda hög spänningseffektivitet och laminärt flöde i en höghastighetsflygplandesign, samtidigt som jag undviker höghastighetslandningar och oförutsägbara, instabila beteenden vid låga hastigheter. En video av en 25% skalmodell under flygning och en grundläggande översikt kan ses på synergyaircraft.com . Ett inlägg om boxwings-ämnet finns också där.

För mer information om spaneffektivitet och icke-plana konfigurationer har Ilan Kroo publicerat mycket grundliga översikter av ämnet. Bilden nedan är anpassad från en som visas i hans tidningar. Den visar hur inducerad drag kan bekämpas i 3D-utrymme genom att flytta sig bort från en plan, plan vinge till den vertikala dimensionen. Synergy bygger den förståelsen vidare in i längd- och tidsdimensionerna, i enlighet med de begrepp som avancerat först av George C. Greene medan han var på NASA Langley.

Kommentarer

• Du börja med en bra förklaring till varför inducerad drag händer, bara för att falla i den gamla fällan av ” virvlar skapade av flöde runt spetsen ” som de flesta andra här gör. Tråkigt.
• @Peter Jag tror att du ’ är lite pedant här (vilket skulle vara OK om du inte kallade det ’ ledsen ’). Även om det ’ är sant att virvlar inte är orsaken till inducerad dragning, kan man visa att lyftgenerering utan virvlar skulle motsvara att skapa lyft med ett oändligt vingspänn. Liksom många saker inom fysik är orsak och verkan i stor utsträckning beroende av synvinkel snarare än ett absolut mått.
• @sanchises: Jag håller med. Ja, jag är pedant, men bara för att jag är övertygad om att endast rigorös logik kommer att leda till en fullständig förståelse. Muddled tänkande där orsak och verkan blir utbytbara leder till förvirrad förståelse, och att förklara något från den utgångspunkten kommer att göra en björntjänst för nybörjare som så lätt missförstår detaljerna. Och sedan hör du igen från dessa stackars människor som aldrig fick en chans att lära sig saker ordentligt att spetsvirvlarna orsakar drag. Är det inte ’ det är rätt att känna sig ledsen över detta?
• @PeterK ä mpf Men då är du för fokuserad om noggrannhet leder till onödigt komplicerade saker. Att reducera vingtipsvirvlar leder till ett ökat effektivt vingbredd som minskar inducerat drag – så kanske som en grov uppskattning och säger ” vingtippvirvlar orsakar inducerad drag ” har verkligen en kärna av sanning. Men jag antar att som med vad som helst inom luftfarten, har ’ enkel förklaring ’ faktiskt relativt liten förklarande kraft och kommer att bli kort när rutan vingar analyseras i detalj.

Huvudskälet till inducerat drag är att vingen accelererar luften över och under den nedåt och ökar sin kinetiska energi och på grund av lag om energibesparing, måste den ta den energin någonstans och det enda sättet är att göra negativt arbete på flygplanet, dvs inducera drag.

Mängden accelererad luft per tidsenhet är proportionell mot flygplanets vingspännvidd och hastighet. Att använda samma kraft på mer luft accelererar det till lägre hastighet och eftersom kinetisk energi är proportionell mot kvadratfart framkallar det mindre luftmotstånd. ”varför vingar med hög aspekt (långa spänningar) är effektivare och varför inducerat drag minskar med hastighet.

Vingarna på vingspetsen är helt enkelt gränser för detta område av fallande luft. Och eftersom du inte kan generera hiss utan att accelerera luften nedåt (enligt handlings- och reaktionslagen), är detta inducerade drag huvudsakligen och alla vingar med begränsad spänning kommer att inducera det. Och det kommer bara att bero på den genererade hissen, vingbredd och hastighet och ingenting annat.

Se även Hur det flyger, avsnitt 3.13 (figuren är därifrån).

Nu finns det ytterligare ytterligare inducerat drag som orsakas av högre tryckluft som flyter runt vingspetsen som inte bidrar till lyft (eller till och med något negativt ), men bidrar till att dra. Det är kanske låga tiotals procent eller något liknande. De flera procent som kan sparas med olika åtgärder är tillräckligt stora för att vara värda ansträngningen, men de är fortfarande flera procent. Det är inte möjligt att göra mirakel.

Förresten har boxvingen fortfarande tips. Luft kan inte flyta till eller mellan vingarna, men det kan flöda från under den nedre horisontella ytan till ovanför den övre. Plus vingen är relativt lågt bildförhållande.

Många bra poäng om dragminskning här.

Ja, inducerat drag kan minskas några procent med en boxvinge genom att diffusera vingspetsvirveln . Gör en skillnad på några procent, vilket är signifikant. Ungefär samma som en biplan.

Den VERKLIGA övertygande fördelen med boxvingar är strukturell. Med vingarna anslutna vid spetsarna är det möjligt och praktiskt att utforma för en given styrka och styvhet med mindre material. Vingarna kan stödja varandra och dämpa varandras naturliga resonans och köpa en viss marginal mot fladdring och misslyckande.

Rick Gendreau, designer, Halcyon boxwing.

Stängda system (Box Wing är bara en viss typ av stängd vinge), C-vingar och biwingar är faktiskt relaterade som vad gäller minimering av inducerad dragning.

Om du är intresserad av tekniska svar angående inducerad dragminimering / prestanda för Box Wings, slutna system, bi-wing-system och multiwings , kan du hitta alla detaljer i följande publikationer (jag kan också skicka dig papper om du mailar mig på adressen luciano.demasiATgmail.com ):

===== Artikel 1 =====

Demasi Luciano , Monegato Giovanni, Dipace Antonio och Cavallaro Rauno ” Minsta inducerade dragteoremer för Joined Wi ngs, Closed Systems, and Generic Biwings: Theory ”, Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, sidorna 1-36, DOI: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Artikel 2 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Rizzo Emanuele, Cavallaro Rauno och Dipace Antonio ” Minsta inducerade dragteoremer för sammanfogade vingar, slutna system och generiska biwingar: applikationer ”Journal of Optimization Theory and Applications, 2015, sidorna 1-25 , Doi: 10.1007 / s10957-015-0849-y, ISSN: 0022-3239

===== Artikel 3 =====

Demasi Luciano, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno ” Minimum inducerade dragteoremer för Multi-Wing-system ”, 2016,4-8 januari, SciTech2016, San Diego, Kalifornien, AIAA 2016-0236

===== Artikel 4 =====

Demasi Luciano, Dipace Antonio, Monegato Giovanni, Cavallaro Rauno ” Invariant Formulation för de minimala inducerade dragförhållandena för icke-plana vingsystem ”, AIAA Journal, 2014, oktober, 10 2223-2240,52, Doi: 10.2514 / 1.J052837 Url: http://arc.aiaa.org/doi/abs/10.2514/1.J052837

Med vänliga hälsningar,

Luciano Demasi

Kommentarer

• Referenserna är verkligen hjälpsamma, men att inkludera lite information här i svaret skulle vara ännu mer användbart.
• Du kan hitta mer information på wikipedia vid följande länk: sv.wikipedia.org/wiki/Lift-induced_drag [flera bilder läggs också ut där] Eller så kan jag skicka material om du ger ett mejl adress. Med vänliga hälsningar, Luciano Demasi