Was ist die Leistung eines Flachplattenflügels?

Ich kann nicht alle Ihre Fragen beantworten, aber vielleicht auf einige Fakten hinweisen, um einer Antwort näher zu kommen.

Am wichtigsten ist die Dicke Ihres Parallelepipeds - mehr als ein paar Prozent erhöhen nur den Luftwiderstand, ohne die Leistung zu verbessern. Es sollte so dünn wie strukturell möglich sein. Es gibt viele Modellflugzeuge, die flache Platten zum Auftrieb verwenden. Am beliebtesten sind fliegende Scheiben wie die folgenden:

( Bildquelle )

Aufzug

Die Steigung der Auftriebskurve einer flachen Platte ist die gleiche wie die von normalen Tragflächen, komplett mit Strömungsabriss. Sie haben einen Nullauftriebs-Anstellwinkel von 0° (offensichtlich) und eine getrennte Strömung auf der Saugseite. Der maximale Auftriebsbeiwert von 0,7 bis 0,8 wird bei moderaten Anstellwinkeln erreicht – Details hängen von der Streckung ab .

Ihr typisches vierstelliges NACA-Profil hat einen maximalen Auftriebsbeiwert von 1,2 bis 1,6, je nach Wölbung und Reynolds-Zahl ( Bildquelle ).

Ziehen

Aufgrund des fehlenden Nasenschubs steht der aerodynamische Kraftvektor nahezu senkrecht zur Plattenebene. Aufgrund der Reibung wird es leicht nach hinten geneigt sein, aber die abgelöste Strömung auf der Saugseite bedeutet, dass Reibung hauptsächlich auf der Druckseite auftritt. Als grobe Näherung gilt der Luftwiderstandsbeiwert der ebenen Platte

$$c_D = c_L \cdot \sin\alpha + \frac{0.43}{log\left(\frac{100}{R}\right)^{2.56}} + 0.3 \cdot\delta\cdot\cos\alpha$$ mit $R$die relative Oberflächenrauhigkeit, $\delta$die relative Dicke und $\alpha$der Anstellwinkel. Der erste Teil wird durch die Richtung des Auftriebsvektors verursacht, der zweite Teil ist der Reibungsbeitrag und wird durch den Druckteil in den Schatten gestellt, und der dritte Teil ist eine Annäherung für den Sog entlang der dicken Hinterkante. Bei $\alpha$= 5° und einem Auftriebsbeiwert von 0,5 liegt der Luftwiderstandsbeiwert bereits bei etwa 0,05.

Normale NACA-Profile haben a$c_{D0}$von 0,004 bis 0,01, je nach Reynoldszahl, und deren$c_D$bei Stillstand liegt normalerweise zwischen 0,02 und 0,025.

Leistung

Aus dem Obigen ist anzunehmen, dass der Luftwiderstand im Reiseflug leicht 4-mal höher ist (der induzierte Luftwiderstand wird nicht beeinflusst) und der optimale Reisezustand aufgrund des höheren Luftwiderstands ohne Auftrieb bei einer niedrigeren Geschwindigkeit liegt. Darüber hinaus benötigt das Flugzeug einen größeren Motor, um in der Luft zu bleiben, was seine Nutzlast verringert. Erwarten Sie, dass der Kraftstoffverbrauch entsprechend der Erhöhung des Luftwiderstands ansteigt.

Die Strömungsabrissgeschwindigkeit eines Flugzeugs mit einem Flachflügel beträgt ca. 50 % höher als bei einem richtigen Profil am Flügel, und der Luftwiderstand steigt bei hohen Auftriebskoeffizienten viel stärker als gewöhnlich, was sich in sehr niedrigen anhaltenden Wenderaten und Lastfaktoren niederschlägt.

Nur der Anstellwinkelbereich bleibt ähnlich. Alle anderen Parameter werden deutlich beeinflusst.

Eine letzte Anmerkung: Flachplattenflügel funktionieren sehr gut auf kleinen Skalenlängen, wie zum Beispiel in der Insektenwelt. Bedenken Sie, dass eine Libelle schweben, flache Kurven mit hoher Geschwindigkeit ausführen, umgekehrt fliegen und mit zwei Paar flachen Flügeln in ein paar Sekunden von null auf 30 Meilen pro Stunde beschleunigen kann, und 250 Millionen Jahre +/- Selektionsdruck haben ihr Design nicht verbessert viel.

Da sich die Flügel einer Libelle im Betrieb stark verdrehen, sind sie streng genommen nicht ohne Wölbung, aber wer sie schon einmal dabei beobachtet hat, wie sie Mücken aus der Luft pflückt, kommt aus dem Staunen nicht heraus, was sie aerodynamisch leisten können.

Es kommt natürlich darauf an: laminare oder turbulente Strömung und bei welcher Reynoldszahl.$C_D$für AoA Null sieht so aus (hier gefunden)

Die Flat-Plate-Aerodynamik ist für Hubschrauberblätter und Windkraftanlagen relevant, und es wurden Messungen über 0–360 Grad AoA mit Ergebnissen durchgeführt, die auch für Starrflügler von Interesse sind. Zum Beispiel aus diesem Dokument :

Die$C_L$von NACA 0012 über 180 Grad zeigt, dass der wirkliche Auftriebsgewinn innerhalb der ersten 10 Grad der AoA liegt, danach bleibt das Profil stehen, aber$C_L$beginnt nach seinem anfänglichen Stall-Verhalten aufgrund der Flat-Plate-Aerodynamik wieder zu steigen. Das 0012-Profil ist ziemlich dünn und das Maximum$C_L$wird bei 45 Grad erreicht - aber wenn wir uns 10 Grad AoA ansehen, ist die 0012$C_L$ist etwa 1, während die entsprechende flache Platte$C_L$würde etwa 0,4 betragen (erweitern Sie das Sinuswellendiagramm 15 < AoA < 170 auf Null).

$C_D$folgt einem ähnlichen Muster, zeigt wieder große Gewinne, bis ein Strömungsabriss eintritt, und fährt dann gemäß Flat-Plate-Aero fort. bei 10 Grad,$C_D$liegt knapp über Null statt dem Wert von 0,12, den man erhält, wenn man die Sinuskurve verlängert.

Das NACA-Profil hat also einen viel höheren Auftrieb für einen viel geringeren Luftwiderstand als eine gleichwertige flache Platte. Um zu einem zu gelangen$C_L$von 1, muss die AoA einer flachen Platte 30 Grad anstelle der 10 Grad der NACA betragen. Bei 30 Grad,$C_D$des Flügels ist 0,6 statt 0,02 der NACA, 30 mal höher! Wenderate und andere Parameter sind also nur interessant, wenn die Triebwerke 30-mal mehr Schub liefern können.

Die bereits gegebenen Antworten behandeln die Aerodynamik im Detail.

Ein weiteres signifikantes Merkmal, das bisher nicht diskutiert wurde, ist die strukturelle Integrität. In einer Struktur wie einem Flügel gibt es Kompromisse zwischen Stärke, Dünnheit und Leichtigkeit: Je mehr Sie von einem haben, desto weniger können Sie von den anderen haben.

Wenn Sie es mit sehr dünnen Strukturen zu tun haben, hilft selbst die Wahl stärkerer, aber schwererer Materialien nicht mehr genug, um in einem Flügel nützlich zu sein, der ein Flugzeug in der Luft tragen muss.

Selbst wenn ein flacher Plattenflügel vorteilhafte aerodynamische Eigenschaften hätte, würden seine strukturellen Schwächen ihn von vielen Anwendungen ausschließen.