Warum wird der Anstellwinkel immer gegen den relativen Wind parallel zum Horizont angezeigt?

Ich denke, dies wurde in anderen Antworten zumindest angedeutet, aber um es kurz zu machen, die Diagramme sollen den Luftstrom nicht als immer parallel zum Horizont zeigen. Der Luftstrom wird nur entlang der horizontalen Achse des Diagramms strömend gezeigt, weil es praktisch ist, ihn auf diese Weise zu veranschaulichen. In dem Diagramm ist nicht beabsichtigt, dass die horizontale Achse des Diagramms tatsächlich parallel zur Erdoberfläche verläuft.

Das Verhalten des Tragflügels ist genau gleich, unabhängig von der tatsächlichen Ausrichtung des Flügels und der Luftströmung relativ zum Horizont. Es kommt nur darauf an, wie das Schaufelblatt relativ zum Luftstrom ausgerichtet ist. Sie können diese Diagramme relativ zum Horizont beliebig drehen, und was sie darstellen, bleibt wahr.

Die blauen Luftstromlinien, die Sie in die Diagramme gezeichnet haben, scheinen anzunehmen, dass das Flugzeug immer in einem Winkel steigt, der ungefähr dem Winkel zwischen dem Horizont und der Sehnenlinie des Flügels entspricht, aber das stimmt nicht. Sie können beispielsweise mit einem hohen Nickwinkel fliegen und dabei einen Horizontalflug beibehalten, wenn Sie langsam genug fliegen. Sie werden dies (genannt "langsamer Flug") bei der Ausbildung zum Privatpilotenschein üben. Sie können (und tun dies oft) sogar mit der Nase nach oben absteigen. Und wenn Sie die Nase zu weit nach oben bringen, können Sie sehr schnell mit einer Nase nach oben absteigen, nachdem Ihr Flügel abgewürgt ist. Zum Beispiel fiel Air France 447 mit einer Höhe von 10.000 Fuß pro Minute mit der Nase nach oben, als einer der Piloten den Steuerknüppel zurückhielt.

Zunächst einmal ist der relative Wind relativ zum Profil, er hat nichts mit einer anderen Richtung zu tun.

In aerodynamischen Diagrammen stellen wir den relativen Wind fast immer horizontal dar, weil er die Referenzströmung für das Diagramm ist . Wie hoch das Flugzeug steht oder in welche Richtung es sich bewegt, hat keinen Einfluss auf die Aerodynamik. Wichtig ist nur der relative Wind.

Relativ zu diesem Wind wird der Anstellwinkel gemessen.

Übrigens ist eine langsame Fluggeschwindigkeit keine Bedingung für einen Strömungsabriss, sondern eine Folge der Strömungsabrissbedingungen in geringer Höhe. Die Überziehgeschwindigkeit in jeder Höhe ist eine Folge des hohen Anstellwinkels, der erforderlich ist, um den Auftrieb aufrechtzuerhalten. Die maximale Höhe ist dort, wo die Überziehgeschwindigkeit und die maximale Geschwindigkeit zusammenfallen.

Sehen Sie sich ein typisches Diagramm an, das den Anstellwinkel darstellt. Wo auf dem Diagramm sehen Sie den Horizont? Woher wissen Sie, dass der Horizont parallel zum unteren Rand des Bilderrahmens ist?

Es ist leicht, in die Falle zu tappen, zu glauben, dass der relative Wind parallel zum Horizont verläuft, weil so viele Flugzeuge so viel Zeit damit verbringen, zu fliegen, damit der relative Wind parallel zum Horizont verläuft . Aber in einem Flugzeug, das in ruhiger Luft steigt oder sinkt, oder eines, das in einem Ab- oder Aufwind waagerecht fliegt, ist der relative Wind nicht parallel zum Horizont.

Wenn Sie möchten, können Sie das gesamte Diagramm auf der Seite drehen. Egal in welche Richtung Sie es richten, solange Sie den gleichen Winkel zwischen dem relativen Windpfeil und der Sehne des Flügels haben, ist es der gleiche Anstellwinkel, wie auf dieser Seite dargestellt .

Der springende Punkt beim Anstellwinkel ist, dass es beim Ermitteln des Auftriebs der Flügel eines Flugzeugs egal ist , wo sich der Horizont befindet. Was zählt, ist die Wechselwirkung zwischen der umgebenden Luft und dem Flügel, die normalerweise von der relativen Bewegung dieser beiden Dinge abhängt, einschließlich der Richtung dieser Bewegung.

Es ist wahr, dass der relative Wind um ein Flugzeug in den meisten Fällen viel mehr mit dem Antrieb und der Steuerung des Flugzeugs zu tun hat als mit irgendetwas anderem. Aber Sie irren sich, wenn Sie glauben, dass ein Flugzeug, selbst ein extrem leistungsstarker Düsenjäger, immer genau in die Richtung fliegt, in die die Mittellinie des Rumpfes zeigt.

Stellen Sie sich eine Flugshow vor, bei der ein Düsenjäger "gerade nach oben" fliegt und ein anderer gerade fliegt. Können Sie durch bloßes Hinsehen erkennen, dass der Rumpf eines Flugzeugs genau im 90-Grad-Winkel zum anderen Rumpf steht? Oder dass die Flugbahn genau 90 Grad von der anderen Flugbahn entfernt ist? Sind Sie sich zu 100 Prozent sicher, dass der „Straight Up“-Jäger nicht tatsächlich einen Weg fliegt, der 2 Grad von der Vertikalen entfernt ist, während sein Rumpf um 1 Grad auf der anderen Seite einer vertikalen Linie abgewinkelt ist? Kleine Winkelunterschiede wie diese sind signifikant, wenn wir über den Anstellwinkel sprechen.

Und da Sie Kunstflugzeuge aufziehen, bewegen sie sich oft in Richtungen, die nicht "geradeaus" in die Richtung sind, in die der Rumpf zeigt. Viele Kunstflugmanöver beinhalten Stalls (hoher positiver Anstellwinkel) und das Fliegen auf dem Kopf bringt normalerweise einen negativen Anstellwinkel mit sich.

Es gibt keinen Unterschied zwischen "normalen" Flugzeugen und "akrobatischen" Flugzeugen, was das Strömungsabrissverhalten angeht. Wenn der Anstellwinkel den kritischen Winkel überschreitet, wird der Flügel abgewürgt, Punkt. Das gilt für jedes Flugzeug.

Ich denke, Ihre Verwirrung liegt in dieser Idee, dass die Sehnenlinie des Flügels immer parallel zum Windstrom verläuft. Das ist falsch. Wenn das Flugzeug langsamer wird, wird der Auftrieb aufgrund des fehlenden Luftstroms über dem Flügel reduziert. Daher muss der Pilot den Anstellwinkel vergrößern, um den Auftrieb zu erhöhen, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten. Das Gegenteil gilt für die Erhöhung der Fluggeschwindigkeit: Tatsächlich müssen einige Flugzeuge im Reiseflug einen negativen Anstellwinkel beibehalten, um ein Steigen durch zu viel Auftrieb zu vermeiden. Das Gewicht des Flugzeugs und die Menge an G-Kraft, die es erfährt, sind ebenfalls Faktoren.

In Ihrer Frage schrieben Sie: "Es wäre anders, wenn wir uns parallel zum Horizont bewegen, aber unsere Flügel einen größeren Anstellwinkel relativ zum Horizont haben." Sie sagen das, als wäre es nicht wahr, aber es ist tatsächlich so ziemlich die Definition von Horizontalflug.

SM Nawab, Ihre Frage demonstriert ein intuitives Verständnis von „relativem Wind“, was vielen anderen nicht immer auf Anhieb gelingt. Ihre Grundfrage lautet also:

„Warum müssen wir in normalen Flugzeugen an den gerade kommenden relativen Wind denken und dementsprechend an den Anstellwinkel dagegen?“

Die kurze Antwort ist, dass wir NICHT so darüber nachdenken müssen. Wenn Sie den relativen Wind verstehen, wissen Sie bereits, dass ein Strömungsabriss bei jeder Fluggeschwindigkeit und Position relativ zum Horizont auftreten kann.

Der Grund dafür, dass der relative Wind in den meisten Lehrdiagrammen als horizontal dargestellt wird, liegt darin, dass „normale Flugzeuge“ die meiste Zeit im Geradeausflug verbringen. Dies macht es einfacher, Anfängern das Konzept des Angriffswinkels beizubringen.

Wenn Sie an dem Punkt angelangt sind, an dem Sie sich möglicherweise Sorgen machen müssen, dass Sie bei 3Gs hängen bleiben, während Sie am oberen Ende einer Schleife invertiert sind, sollten Sie dieses grundlegende Konzept gemeistert haben!

NACHTRAG:

Verstehen Sie das nicht falsch, aber ich denke, Sie haben zugelassen, dass Ihr mittleres Verständnis des relativen Windes in Hochleistungsflugzeugen und ungewöhnlichen Einstellungen dem Verständnis einer Illustration auf Anfängerniveau im Weg stehen. Hier und in den anderen Antworten gibt es mehr als genug Material, um Sie auf den richtigen Weg zum Verständnis zu bringen, aber ich habe nur ein paar Hinweise, die Ihnen in Zukunft helfen können:

1. Stellen Sie immer sicher, dass Sie das Lernziel von Bildern, Grafiken oder Diagrammen verstehen, die Sie betrachten. Lesen Sie den gesamten Begleittext zum Bild! Kontext ist sehr wichtig. Diese sehr standardmäßige Illustration zeigt, wie ein zunehmender AOA zu einer Luftstromablösung und schließlich zu einem Strömungsabriss führt. Es würde diesen Punkt nicht erreichen, wenn Sie die unbegründete Annahme machen würden, dass das Flugzeug Leistung hinzufügt und sich zum Steigen aufrichtet.

2. Stellen Sie sicher, dass Sie sich darüber im Klaren sind, was konstant gehalten wird und was eine Variable ist. In dieser Abbildung wird angenommen, dass die Höhe konstant ist (daher relativer Wind) und AOA die Variable ist, und sie nimmt zu, um zusätzlichen Auftrieb zu erzeugen, wenn das Flugzeug langsamer wird. Wenn sich der relative Wind wie angenommen ändern würde, würde AOA als Konstante angezeigt.

Danke, für ihre Frage. Ihre letzte Änderung weist darauf hin, woher Ihr Missverständnis stammt. Der relative Wind ist eine Funktion des Flugwegs relativ zur Profilsehnenlinie. So interagiert der Luftstrom mit der Flügeloberfläche. Ihr Bezugsrahmen ist das Tragflächenprofil, nicht der Boden. Richten Sie den relativen Wind an der Flugbahn des Profils/Flügels aus. Für das Verständnis des Gesamtbildes können wir dies ungefähr gleich der Flugbahn des Flugzeugs betrachten, wobei ein wenig berücksichtigt wird, wie der Flügel am Rumpf abgewinkelt ist (Einfallswinkel).

Es ist das gleiche Konzept, ob der relative Wind/Flugweg parallel, senkrecht oder in einem Winkel zum Boden war. Es gilt, ob das Flugzeug horizontal, vertikal, invertiert, gerade nach oben oder gerade nach unten fliegt. Dies gilt sogar in einer Schleife. Die Flugbahn (daher der relative Wind) wäre ungefähr die Tangente der Schleife. Oder selbst wenn sich das Profil/die Tragfläche vor, über oder zu beiden Seiten des Flugzeugs im Kreis dreht. Informieren Sie sich über den P-Faktor, die Autorotation und den Zustand des Wirbelrings. Schließlich sind Propeller und Rotoren Flügel mit Sehnenlinien und Anstellwinkeln.

Sie gehen davon aus, dass sich die Flugbahn des Flugzeugs mit der Fluglage ändert. Ihre blauen Pfeile stellen alle den relativen Wind dar, wenn die Flügelprofil-Sehnenlinien des Flugzeugs relativ parallel zu seiner Flugbahn wären. Das gilt nur für das erste Diagramm. Im zweiten und dritten Diagramm ist die Sehnenlinie des Tragflügels nicht parallel zur Flugbahn. Die Flugbahn verläuft in allen drei Diagrammen von links nach rechts, parallel zum oberen und unteren Rand der Seite.

Im ersten Diagramm fliegt das Profil gerade in den relativen Wind, der durch die Bewegung des Flugzeugs durch die Luftmasse erzeugt wird. Im zweiten und dritten Diagramm hat sich die Flugbahn des Flugzeugs nicht geändert. Die Position des Tragflächenprofils im relativen Wind hat sich geändert. Dies kann durch eine plötzliche Änderung der Einstellung verursacht werden. Die Flugbahn des Flugzeugs würde sich nicht ändern, bis die Aerodynamik und der Schub des Triebwerks den Schwung des Flugzeugs überwinden. Es könnte auch durch die Verringerung der Leistung verursacht werden, die eine Erhöhung der Nase nach oben erfordert, um einen Horizontalflug aufrechtzuerhalten. Zum Beispiel würde ein abruptes und heftiges Zurückziehen des Steuerhorns Ihre Fluglage ändern, bevor es Ihre Flugbahn ändern würde. Außerdem würde ein gerader und ebener Langsamflug dazu führen, dass Sie mit Ihrer Nase in einer ungewöhnlich hohen Fluglage fliegen.

Um Ihr Beispiel von Kampfflugzeugen und akrobatischen Flugzeugen zu verwenden, schauen wir uns einige Beispiele aus der realen Welt an. Wenn Sie jemals ein Kampfflugzeug beobachten, das die Neigung schnell ändert, werden Sie bemerken, dass sich Nebel oder Wolken direkt hinter der Vorderkante der Tragfläche bilden. Diese sichtbare Feuchtigkeit ist nicht sichtbar, wenn das Flugzeug im unbeschleunigten Flug geradeaus und waagerecht fliegt. Es passiert nur, wenn das Flugzeug abrupt seine Fluglage ändert. Egal wie es aussieht, die Änderung der Flugbahn des Flugzeugs ist nicht so abrupt wie die Änderung der Fluglage. Im Fall einer abrupten Neigung nach oben ändert sich der Anstellwinkel abrupt, bis sich die Flugbahn des Flugzeugs wieder auf die neue Fluglage ausrichtet.

Machen Sie den Boden oder den Horizont nicht zu Ihrem Bezugsrahmen für den relativen Wind. Verwenden Sie nicht einmal die Flugrichtung basierend auf der Längsachse des Flugzeugs. Machen Sie Ihren Bezugsrahmen zum Flugweg der Sehnenlinie des Flügelprofils durch die Luftmasse. Die Art und Weise, wie die Luftmasse auftrifft oder die Luftmoleküle mit dem Profil/den Flügeln interagieren, bestimmt den Anstellwinkel.

Der relative Wind ist dem dreidimensionalen Flugweg oder der Flugbahn des Flugzeugs entgegengesetzt, unabhängig von seiner Fluglage. Wenn die Flugbahn des Flugzeugs gerade nach oben verläuft, ist gerade nach unten die Richtung seines relativen Windes. Sie können denselben Punkt auf ein Querneigungsflugzeug extrapolieren. Der relative Wind wird horizontal dargestellt, um die Bildsprache eines komplexen Motivs zu vereinfachen. Ähnlich ist es mit der Tatsache, dass die meisten Karten und Schnitte mit Norden oben gedruckt werden, unabhängig davon, in welche Richtung Sie tatsächlich schauen. Wenn Sie verwirrt sind, drehen Sie einfach das Papier, um es richtig auszurichten.

Versuchen Sie dies mit Ihren Diagrammen, bei denen Ihre blauen Linien entfernt sind. Wenn Sie im unbeschleunigten Flug gerade und waagerecht fliegen, würde das erste Diagramm Ihren Anstellwinkel darstellen. Wenn Sie die Leistung reduzieren würden, um Ihre Fluggeschwindigkeit zu verlangsamen, während Sie die gleiche Fluglage beibehalten, würden Sie beginnen, in der Höhe abzusinken. Das zweite Diagramm würde dies darstellen, wenn Sie es drehen, um die Tragflächen-Sehnenlinie parallel zu Ihrem Referenzrahmen (dem tatsächlichen Boden) in Ihrem Sichtfeld zu halten. Wenn Sie die Leistung in den Leerlauf bringen und dabei die gleiche Einstellung beibehalten würden, würden Sie mit einer schnelleren vertikalen Geschwindigkeit absteigen. Das dritte Diagramm würde dies darstellen, wenn Sie es so drehen würden, dass die Flügelprofil-Sehnenlinie in Ihrem Sichtfeld parallel zu Ihrem Referenzrahmen (dem tatsächlichen Boden) bleibt.

Um dies vom Bezugsrahmen der Luftmasse aus zu verstehen, stellen Sie sich vor, Sie seien ein menschlich geformtes Luftmolekül, das entweder stationär ist oder sich mit einer anderen Geschwindigkeit oder Richtung als das Tragflächenprofil bewegt. Deine Füße zeigen zur Erde und dein Kopf zum Himmel. Wenn Sie das Profil aus dem vorherigen Absatz im Horizontalflug wie in Diagramm eins trifft, würde Sie die Vorderkante direkt in den Darm treffen. Wenn Sie das Profil im Sinkflug oder im Flug mit der Nase nach oben bei einer langsameren Fluggeschwindigkeit wie in Diagramm 2 treffen würde, würde Sie die Unterseite des Profils an der Stirn treffen. Wenn Sie die Sinkrate erhöhen, während Sie eine waagerechte Fluglage beibehalten, oder die Nase im langsamen Geradeausflug erhöhen, wie in Diagramm drei, würde Sie mehr von der Unterseite des Tragflügels auf die Oberseite Ihres Kopfes treffen.

Es ist eine ziemliche Vereinfachung, aber ich kann niemanden sehen, der in den anderen Antworten darauf hinweist: Wenn Ihr Flugzeug nicht steigt oder absteigt (Horizontalflug), ist Ihre Bewegung parallel zum Horizont und der relative Wind auch (allerdings in entgegengesetzter Richtung).

Wenn sich der Flügel (naja, Flugzeug) in einem Steigflug befand, sollte dieser blaue Pfeil tatsächlich ein wenig nach unten zeigen (abhängig von Ihrer Geschwindigkeit und Steigrate, googeln Sie Flight Path Angle).

Wenn sich der Flügel im Sinkflug befindet, hätte der relative Wind tatsächlich eine leichte Aufwärtskomponente.

Dies würde nur passieren, wenn Sie den Horizont als Ihren Bezugsrahmen wählen (dh der Horizont ist immer horizontal und auf der X-Achse unseres Diagramms. Vertikal ist immer auf der Y-Achse). In der Praxis können Sie wählen, ob die Bewegungsrichtung Ihre X-Achse und die Y-Achse nur etwas Senkrechtes zu dieser Bewegung sein soll. In diesem zweiten Fall ist der relative Wind immer "horizontal", weil Sie sich entschieden haben, die Achsen so zu zeichnen.

Beachten Sie, dass im ersten Fall (Horizont ist die X-Achse) der Flügel um seinen korrekten Neigungswinkel gedreht werden muss, während im zweiten Fall (Flugbahn ist die X-Achse) der Flügel nur um die Aoa gedreht wird. Zweitens ist es etwas einfacher. Und zweitens zeigen die meisten Grafiken