Aerodynamik und Treibstoffverbrauch eines Motorseglers

Ich kann über ein paar davon sprechen ...

3) Die optimale Langstrecken-Reisegeschwindigkeit ist bei maximalem Auftriebs-/Widerstandsverhältnis und wenn der Auftrieb gleich dem Flugzeuggewicht ist, vorausgesetzt, dass Motor und Propeller ebenfalls dafür optimiert sind. Mit anderen Worten, die Geschwindigkeit, bei der es ohne Kontrolle stabil in der Luft liegt.

Nun, es gibt zwei Geschwindigkeiten, von denen Sie sprechen:

• Die effizienteste Reisefluggeschwindigkeit, die auch die Geschwindigkeit ist, die L/D maximiert, was auch die beste Gleitgeschwindigkeit ist.
• Die "Trimmgeschwindigkeit", die die Geschwindigkeit ist, bei der das Flugzeug dazu neigt, eine konstante Neigung ("stabil in der Luft zu sitzen") aufrechtzuerhalten, wenn der Pilot keine Kräfte auf die Steuerung ausübt.

Bei Flugzeugen in Originalgröße kann die Trimmgeschwindigkeit im Allgemeinen vom Piloten im Flug mithilfe des Trimmrads (oder einer beliebigen Trimmsteuerung des Flugzeugs) geändert werden. Daher ist die Trimmgeschwindigkeit normalerweise nicht gleich der besten Gleitgeschwindigkeit.

Abgesehen davon können Sie Ihren Motorsegler sicherlich so konstruieren (und es ist wahrscheinlich eine gute Idee), dass seine Trimmgeschwindigkeit konstant und gleich der besten Gleitgeschwindigkeit ist.

Ich kann diese Geschwindigkeit für mein Segelflugzeug finden, indem ich es mit einem Anstellwinkel von null und mit neutralen Steuerflächen fliege und dann das Gas schrittweise erhöhe, bis das Flugzeug nicht mehr sinkt.

Ja, Sie können die Trimmgeschwindigkeit (aber nicht die beste Gleitgeschwindigkeit) Ihres Segelflugmodells finden, indem Sie den Gashebel so steuern, dass die Höhe konstant bleibt. Wenn die Steuerung neutral ist und Ihr Flugzeug nicht neigt, fliegt es mit Trimmgeschwindigkeit.

(Ich bin mir nicht sicher, was Sie mit "mit einem Anstellwinkel von null fliegen" meinen, da Sie den Anstellwinkel nicht explizit steuern können, ohne die Steuerflächen zu bewegen. Für einen gleichmäßigen Flug wird der Anstellwinkel durch die Geschwindigkeit und bestimmt der Querneigungswinkel.)

7) Die Geschwindigkeit hat sich verdoppelt, was bedeutet, dass sich der Widerstand ungefähr vervierfacht hat, also muss ein neuer Motor und Propeller mit vierfacher Leistung und optimiert für die doppelte Geschwindigkeit installiert werden.

Das ist fast richtig. Verdoppelt sich die Geschwindigkeit, dann vervierfacht sich der Luftwiderstand. Aber Kraft ist gleich Kraft mal Geschwindigkeit, wenn sich also die Geschwindigkeit verdoppelt und der Luftwiderstand vervierfacht, dann erhöht sich die benötigte Kraft um das Achtfache , nicht um das Vierfache.

Antworten auf Ihre Kommentare:

Soweit ich weiß, ist die "Trimmung" jedoch nur eine geringfügige Anpassung des Höhenruders, richtig? Wir stupsen also den Anstellwinkel an, damit der Auftrieb perfekt zum Gewicht passt und das Flugzeug stabil sitzt, aber wir fliegen nicht wirklich mit dem optimalen L/D?

Ich würde es nicht als "nur eine kleine Anpassung" bezeichnen. Bei einer Cessna 172 bestimmt die Trimmung, ob das Flugzeug mit 55 Knoten oder 155 Knoten fliegt. Andere Flugzeuge und Segelflugzeuge funktionieren auf die gleiche Weise: Es gibt eine bestimmte Geschwindigkeit, bei der das Flugzeug ohne Krafteinwirkung auf den Steuerknüppel gleichmäßig fliegt, und die Trimmung wird verwendet, um diese Geschwindigkeit zu bestimmen.

Die Trimmung wird nicht verwendet, um den Auftrieb an das Gewicht anzupassen. Wenn der Auftrieb zu hoch ist, beginnt das Flugzeug zu steigen (oder hört auf zu sinken), und wenn der Auftrieb zu niedrig ist, beginnt das Flugzeug zu sinken (oder hört auf zu steigen). Sie steuern dies, indem Sie den Steuerknüppel und den Gashebel verwenden.

Das Flugzeug kann mit der Trimmung in jeder Position "stabil sitzen", aber für jede Trimmposition gibt es nur eine entsprechende Geschwindigkeit, bei der das Flugzeug ohne Kraft auf den Steuerknüppel stabil fliegt.

(Es gibt eine Ausnahme zu dem oben Gesagten: Bei einigen Flugzeugen ist unter Umständen, wenn die Trimmung zu weit hinten ist, ein konstanter Vorwärtsdruck auf den Steuerknüppel oder das Steuerhorn erforderlich, um ein Abwürgen des Flugzeugs zu verhindern.)

Wenn Sie in einem Flugzeug sitzen und mit optimalem L/D fliegen möchten, tun Sie dies normalerweise, indem Sie wissen, welche Fluggeschwindigkeit dem optimalen L/D entspricht, und die Trimmung für diese Fluggeschwindigkeit einstellen. (Der Vorgang zum Einstellen der Trimmung ist wie folgt: Verwenden Sie den Steuerknüppel, um mit dieser Fluggeschwindigkeit zu fliegen, halten Sie den Steuerknüppel an Ort und Stelle und verwenden Sie dann die Trimmsteuerung, um die Kraft zu verringern, die der Steuerknüppel auf Ihre Hand ausübt.)

Ich gehe nur davon aus, dass Tragflächen so konstruiert sind, dass sie bei einem Anstellwinkel von null ihr bestes L / D haben. Ist das wirklich der Fall?

Das bezweifle ich. Insbesondere haben einige Flugzeuge symmetrische Flügel, die bei einem Anstellwinkel von null ein L/D von null haben.

Wenn ich sage "Fliegen mit Null-Anstellwinkel", meine ich, dass das Flugzeug völlig horizontal in der Luft steht, und zwar ohne Ausgleich durch Steuerflächen.

Wenn das Flugzeug vollständig horizontal ist, ist dies eine Neigung von null, kein Anstellwinkel von null. Ein Anstellwinkel von Null ist, wenn die Nase genau in die entgegenkommende Luft zeigt, anstatt höher oder niedriger.

Die Steigung, auf der sich ein Flugzeug einpendelt, hängt sowohl von der Trimmung als auch von der Leistungseinstellung ab.

Der letzte Teil scheint mir nicht richtig zu sein. Wenn Sie es aus der Perspektive des Motors betrachten, erzeugt es einen Vorwärtsdrang. Diese Kraft ist unabhängig von der Flugzeuggeschwindigkeit konstant (abgesehen von der Tatsache, dass ein Propeller nicht bei allen Geschwindigkeiten gleich effektiv sein kann). Der Luftwiderstand hängt jedoch mit der Geschwindigkeit zusammen, und der Luftwiderstand ist viermal stärker. Für mich fühlt es sich also so an, als ob die benötigte Leistung nur viermal so hoch ist, nicht achtmal.

Nun, die Sache ist, dass ein Motor nicht wirklich eine konstante Kraft erzeugt. Insbesondere müssen Sie genügend Kraft aufbringen, um dem Luftwiderstand entgegenzuwirken. Wenn Ihr Flugzeug viermal so viel Widerstand erfährt, muss Ihr Motor auch viermal so viel Schub erzeugen, um auf die gleiche Weise zu fliegen.

Um also doppelt so schnell zu fliegen, müssen Sie den Motor dazu bringen, viermal so viel Kraft zu erzeugen (entweder durch mehr Gasgeben oder durch Verwendung eines stärkeren Motors). Der Motor muss auch mit der doppelten Fluggeschwindigkeit betrieben werden. Leistung ist Kraft mal Geschwindigkeit, also bedeuten diese beiden Tatsachen zusammen, dass der Motor achtmal so viel Leistung erbringen muss.

Weitere Antworten auf Ihre Kommentare:

In Bezug auf Anstellwinkel und Tonhöhe habe ich möglicherweise nur die Begriffe verwechselt. Soweit ich die Begriffe verstehe, bezieht sich "Anstellwinkel" auf den Winkel der einströmenden Luft relativ zur Sehne des Tragflügels, bezieht sich also nur auf die Flügel. Pitch ist der Winkel der einströmenden Luft relativ zum Flugzeug selbst. Wird die Flügelsehne also exakt waagerecht montiert, sind Anstellwinkel und Tonhöhe identisch.

Die Tonhöhe hat nichts mit dem Winkel der ankommenden Luft zu tun; es wird ausschließlich durch die Ausrichtung des Flugzeugs im Raum relativ zum Horizont definiert. Insbesondere ist die Neigung der Winkel, in dem die Nase über oder unter den Horizont zeigt. Wenn es 10 Grad über den Horizont zeigt, beträgt die Neigung 10 Grad; Wenn es 20 Grad unter den Horizont zeigt, beträgt die Neigung -20 Grad. Dies ist unabhängig davon, wie sich das Flugzeug und die Luft bewegen.

Sinnvoller erscheint es mir, wenn ich mir vorstelle, einen Kolbenmotor mit Propeller in einen Windkanal zu stellen. Würde die Schubkraft dieses Motors / Propellers stark mit der ankommenden Fluggeschwindigkeit variieren, wenn der Motor mit konstanter Leistung betrieben wird? Ich kann mir nicht vorstellen, warum es so wäre. Wenn die Luftgeschwindigkeit zunimmt, würde der Motor seine Drehzahl erhöhen, um die gleiche Leistung auf die Luft auszuüben, und der Propellerwirkungsgrad würde leicht variieren, aber die Motorleistung wäre immer noch dieselbe. Und insgesamt wäre die Schubkraft ungefähr gleich. Oder denke ich hier falsch?

Nun, ich weiß, wie man es am besten ausdrückt, "das ist Physik". Wenn Sie etwas in die gleiche Richtung schieben möchten, in die es bereits geht (wie es ein Flugzeugpropeller tut – er drückt die Luft nach hinten, obwohl sich die Luft bereits nach hinten bewegt) und Sie es mit einer konstanten Kraft schieben möchten, dann die Je schneller das Ding fährt, desto mehr Kraft wird benötigt, um es zu schieben. Ich glaube nicht, dass es leicht zu verstehen ist, warum das so ist, aber es ist tatsächlich so.

Vielleicht wäre es hilfreich, sich ein Flugzeug vorzustellen, das senkrecht nach oben fliegt . Stellen Sie sich vor, dass dieses Flugzeug schwer, aber schlank ist, sodass der Luftwiderstand im Vergleich zum Gewicht sehr gering ist. Damit dieses Flugzeug bei jeder Geschwindigkeit geradeaus fliegen kann, muss sein Motor einfach einen Schub erzeugen, der dem Gewicht des Flugzeugs entspricht. (Die einzige Zeit, in der der Motor mehr Schub als das Gewicht des Flugzeugs erzeugen müsste , ist, wenn er das Flugzeug beschleunigt.) Und doch, wenn dieses Flugzeug doppelt so schnell fliegen würde, müsste der Motor sicherlich mehr Leistung erzeugen, richtig ?

Die Moral der Geschichte ist, dass Macht sowohl von Kraft als auch von Geschwindigkeit abhängt. Das ist Physik; es führt kein Weg daran vorbei. Wenn Sie einen Motor hätten, der unabhängig von der Geschwindigkeit einen konstanten Schub erzeugt und eine konstante Leistung verbraucht, könnten Sie daraus ein Perpetuum Mobile machen.