erste Frage hier, also seid bitte sanft!
Ich lese ein Kursbuch für Ingenieure auf Einstiegsniveau und bin gerade dabei, über Flugzeugdesign zu diskutieren.
Eine bestimmte Aussage ist mir unklar:
Das Drehen mit der Flügelhöhe ist aerodynamisch ineffizient und der Innenflügel verliert viel Auftrieb, weil er sich relativ langsam durch die Luft bewegt.
Bedeutet dies, dass ein Flügel für maximale Auftriebseffizienz horizontal eben sein muss? Ich verstehe, dass der Aufwärtsdruck unter dem Tragflügel größer ist als der darüber nach unten drückende Druck. Wie ändert sich also der Aufwärtsdruck unter dem Tragflügel, wenn sich ein Flugzeug dreht? Erhöht sich der Abwärtsdruck?
Der Auftrieb ist eine Funktion der Luftgeschwindigkeit von der Vorderkante zur Hinterkante. In einer flachen Kurve bewegt sich der Innenflügel langsamer als der Außenflügel, daher gibt es einen Unterschied in der Menge des erzeugten Auftriebs.
Tatsächlich kann ein Flugzeug auf diese Weise jedoch nicht die Richtung ändern, indem es flach dreht. Mit den Querrudern in die Kurve zu rollen ist die Art und Weise, wie ein Flugzeug dreht. Dadurch wird ein Teil des Auftriebs in die Kurve gelenkt und dazu verwendet, das Flugzeug um die Kurve zu ziehen. Denken Sie an Vektoren.
Der verlangsamte Innenflügel erzeugt immer noch weniger Auftrieb und das Seitenruder wird verwendet, um die Neigung zu kompensieren, weiter in die Kurve zu rutschen. Das Höhenruder wird verwendet, um den Anstellwinkel wieder zu erhöhen, um den verringerten vertikalen Auftrieb in der Kurve auszugleichen. Der Anstellwinkel ist der Winkel, den der Flügel relativ zum Luftstrom bildet. Ein höherer Anstellwinkel bei gleicher Geschwindigkeit erzeugt mehr Auftrieb. Bis zu einem Punkt.
Es gibt ein schönes Buch zum Thema Aerodynamik, Steuerknüppel und Seitenruder .
Entweder ist das Buch, das Sie gerade lesen, nicht sehr schlau darüber, wie Flugzeuge funktionieren, oder Sie lesen es falsch.
Normalerweise dreht man ein Flugzeug genauso, wie man ein Fahrrad, ein Motorrad oder ein Hochgeschwindigkeitsboot dreht. Sie neigen oder neigen das Fahrzeug in die Richtung, in die Sie fahren möchten. Da Sie immer einen Auftriebskraftvektor haben, der durch die Mitte des Fahrzeugs nach oben kommt, verwenden Sie durch Neigen des Auftriebsvektors einen Teil davon, um Sie zu einer Seite zu beschleunigen. Das versetzt Sie in eine kreisförmige Bahn. (Sie sehen dies in Filmen über das Fliegen, wo sich die Asse ständig drehen und wenden.)
Sie können ein Flugzeug wenden, ohne es in Schräglage zu bringen. Wenn Sie die Flügel gerade halten und einfach das linke Seitenruder geben, schwingt die Nase nach links, wodurch die rechte Seite des Flugzeugs dem Wind präsentiert wird. Sie spüren dies als Seitenkraft. Diese Seitenkraft bewirkt, dass sich das Flugzeug in einem Bogen nach links bewegt. Diese Kraft ist jedoch viel schwächer, als wenn Sie das Flugzeug einfach in Schräglage bringen. Tatsächlich wird dieses Manöver als Schleudern bezeichnet , genau wie das Schleudern eines Autos.
Es gibt heftige Manöver, die ein fortgeschrittenes Training erfordern, bei denen Teile der Flügeloberfläche abgewürgt werden können oder einige Teile mehr als andere abgewürgt werden, wie z. B. Trudeln und schnelle Rollen .
Normale Nutzflugzeuge (keine Kunstflugzeuge) haben Flügel, die leicht nach oben geneigt sind ( V-Winkel ). Wenn Sie in einem solchen Flugzeug einfach das linke Seitenruder und nichts anderes anwenden, schwingt das die Nase nach links und die rechte Flügelspitze nach vorne in den relativen Wind. Da es nach oben abgewinkelt ist, kommt der Wind "darunter" und drückt es nach oben, wodurch Sie in eine Böschung geraten. Wenn Sie also einfach das linke Seitenruder betätigen, neigt sich das Flugzeug von selbst, was die bessere Art zu drehen ist. (Außerdem wird ein gewisser Pfeilwinkel zu den Flügeln dafür sorgen.)
(Seltsamerweise müssen Sie, wenn Sie sich in einer Situation mit negativem Auftrieb befinden, wie einem Außenlooping oder einem Rückenflug, um nach links abzubiegen, in Ihrem persönlichen Referenzrahmen nach rechts neigen, was sinnvoll ist, wenn Sie verstehen, dass der Auftriebsvektor umgekehrt ist .)
Beachten Sie den Unterschied zwischen dem Ändern der Richtung, in die das Flugzeug zeigt , und dem Ändern der Richtung, in die sich das Flugzeug bewegt . Im geraden und ebenen Flug können Sie auf das Seitenruder treten und ziemlich schnell bewirken, dass die Nase 5 Grad oder 10 Grad von ihrer ursprünglichen Position weg zeigt. Aber (zumindest anfangs) haben Sie die Richtung, in die sich das Flugzeug bewegt, nicht geändert. Kräfte müssen über einen Zeitraum auf das Flugzeug ausgeübt werden, um seine Bewegungsrichtung zu ändern. Die bei weitem größte Kraft, die der Pilot kontrollieren kann, ist der vom Flügel erzeugte Auftrieb, weshalb Kurven normalerweise unter Verwendung des Auftriebs des Flügels durchgeführt werden.
Lassen Sie uns in Bezug auf den Geschwindigkeitsunterschied über die Flügel einige Zahlen ausführen und sehen:
Eine Drehung um 3 Grad pro Sekunde bedeutet, dass die Flügelspitzen einen Geschwindigkeitsunterschied von tan (3 Grad)/s * 10 m haben, was 0,52 m/s oder 1 % entspricht. Selbst mit der Tatsache, dass der Auftrieb proportional zum Quadrat der Fluggeschwindigkeit ist (der Auftrieb an den Flügelspitzen unterscheidet sich also um 2%), ist dies bei kreuzungsähnlichen Manövern wie diesem immer noch ein ziemlich kleiner und ziemlich vernachlässigbarer Effekt.
Interessanter wird es bei niedrigeren Geschwindigkeiten und höheren Wendegeschwindigkeiten (z. B. beim Landeanflug mit der letzten 90-Grad-Wende zum Endanflug). Wenn die Fluggeschwindigkeit 60 Knoten (das 0,6-fache des obigen) und die Wenderate 90 Grad in 6 Sekunden beträgt (also 15 Grad/s oder das 5-fache des obigen), dann beträgt der Unterschied in der Fluggeschwindigkeit zwischen den Flügelspitzen etwa das 8,3-fache oder etwa 4,4 % Da der Auftrieb eine quadratische Funktion der Geschwindigkeit ist, weist dies auf einen Auftriebsunterschied von 9% hin, und tatsächlich ist die Auftrieb-gegen-Anstellwinkel-Kurve näher an der Strömungsabrissgeschwindigkeit wie dieser nichtlinear und verstärkt den Effekt weiter.
Ich nehme an, der hypothetische Drehmechanismus besteht darin, den Motor des Innenflügels auszuschalten und den Motor des Außenflügels mit Vollgas zu starten. Das würde im Prinzip funktionieren, obwohl es eine wirklich dumme Art ist, ein Flugzeug zu drehen. Sie erzeugen ein Drehmoment auf den Rumpf, weil der Schub auf die beiden Flügel unausgeglichen ist, und Sie erzeugen dieses Drehmoment selbst dann, wenn das Flugzeug vollkommen waagerecht steht.
Bei dieser Methode muss das Flugzeug nicht langsamer werden, und der Auftrieb im inneren Flügel ist nicht wesentlich geringer, sodass Sie nicht beantworten können, warum er kleiner ist. Aber das ist immer noch eine dumme Art, ein Flugzeug zu drehen.
Wenn Sie ein Flugzeug neigen und die horizontale Komponente des Auftriebsvektors verwenden, um das Flugzeug zu drehen, nimmt die vertikale Komponente sehr leicht ab, und es ist am besten anzunehmen, dass sie überhaupt nicht geändert wird. Der Grund dafür ist, dass Drehungen der Relativitätstheorie sehr ähnlich sind – eine Drehung um kleine Winkel ist fast nicht von einer Neigung zu unterscheiden.
Wenn Sie einen vertikalen Balken mit einer Länge von 10 Metern haben und ihn so neigen, dass er sich um 10 cm oder 1 % nach oben neigt. Wie viel kürzer ist die Stange? Die Antwort ist um 0,00005 Prozent oder das halbe Quadrat der gebrochenen horizontalen Änderung. Dies ist praktisch Null, genauso wie die Lorentz-Kontraktion oder Zeitdilatation für eine Bewegung mit 1% der Lichtgeschwindigkeit vernachlässigbar ist.
Dies bedeutet, dass Sie ein Flugzeug im Wesentlichen ohne Auftriebsverlust drehen können, indem Sie einfach den vertikalen Auftriebsvektor nehmen und einen Teil davon nehmen und ihn in einen horizontalen Drehzug mit kaum einer Änderung der vertikalen Komponente verwandeln. Es gibt kein Erhaltungsgesetz für die Summe von Vektorkomponenten (nur für die Quadrate).
Georg
Mike Dunlavey