Was fehlt in diesen Diagrammen der Kräfte beim Rutschen und Schleudern?

A) Ist die Größe des Auftriebsvektors des Flügels in jedem der drei Fälle korrekt dargestellt? Soll es wirklich immer gleich groß sein?

Nein (in beiden Punkten).

B) Welche vom Flugzeug erzeugte reale aerodynamische Kraft wurde in den zweiten beiden Fällen vollständig weggelassen, sollte aber zur besseren Verständlichkeit der Diagramme aufgenommen werden? Um insbesondere zu erklären, warum der mit "Last" bezeichnete Vektor nicht in allen Figuren gleich ist?

Seitenschlupf.

Dies ist mein Versuch, die Kräfte beim Rutschen, Schleudern und koordinierten Wenden besser zu beschreiben. Diese Gedanken stellen meine beste Vermutung dar und sollten eher als Grundlage für weitere Diskussionen als als Fakten betrachtet werden.

Die größte und etwas größere Einschränkung meines Diagramms (der mir bewusst ist) besteht darin, dass es die entscheidende Rolle des Gierens nicht zeigt (aufgrund meiner begrenzten Zeichenfähigkeit und nicht des Designs).

Idealerweise würde es ein Gieren weg von der Kurve für einen Schlupf und ein Gieren in Richtung der Kurve für ein Schleudern zeigen.

Dies würde auch zur Verdeutlichung dienen, dass das abgebildete Flugzeug von hinten betrachtet wird (nur relevant für die gezeigte Slipball-Verschiebung).

Eine weitere Einschränkung des Diagramms aufgrund seiner 2D-Natur besteht darin, dass es den herkömmlichen Luftwiderstand (entlang der Längsachse) und seine Schwankungen beim Gieren während eines Rutschens oder Schleuderns nicht darstellt. dh: die Kraft, die senkrecht zum und aus dem Bildschirm wirkt. Dies ist wichtig, da das Vektordiagramm das Konzept des Gesamtwiderstands während eines unkoordinierten Flugs nicht erleichtert.

Der Schlüssel zum Verständnis von Rutschen, Schleudern und koordinierten Kurven (wie ich es verstehe) ist das Erkennen der Wirkung des Seitenschlupfes auf die aerodynamische Gesamtkraft (TAF), die als die aerodynamische Nettokraft definiert ist, die das Flugzeug erfährt. Wie im vorherigen Absatz betrachtet, berücksichtigt dieses Diagramm nur den TAF entlang der Querachse und gibt daher kein vollständiges Bild, dient jedoch zur vollständigen Erläuterung der unterschiedlichen Wendegeschwindigkeiten und resultierenden Wenderadien.

Um es klar zu sagen, verwende ich den Begriff Seitenschlupf, um mich auf den aerodynamischen Zustand zu beziehen, bei dem ein Flugzeug einen asymmetrischen Luftstrom um seine Längsachse hat, was zu einem gewissen Grad an seitlicher Bewegung in Bezug auf den relativen Luftstrom führt.

Die auf die exponierte Seite des Flugzeugs auftreffende Luft erzeugt effektiv eine seitliche Kraft, die in den Diagrammen als Seitenschlupf bezeichnet wird .

Das Diagramm zeigt Kräfte auf der Grundlage, dass das Flugzeug unabhängig davon, ob die Kurve koordiniert, rutschend oder schleudernd ist, eine Konstante beibehält;

• Querneigung; Und
• Höhe (also heben [$TAF_{vertical}$] immer gleich Gewicht); Und
• Fluggeschwindigkeit

Das bedeutet, dass die Hauptvariablen sind;

• AoA (Macht) – indirekt dargestellt durch den Vektor mit der Bezeichnung TAF

Quick recap on the aerodynamics of a turn:  

In any turn (assuming the constants above), the power requirements increase  
proportional to the rate of turn.  

In vector speak, a turn is achieved by tilting the TAF away from the vertical  
in the direction of the turn. The resulting horizontal component provides the  
centripetal acceleration required, thus the greater the tilt, the  
greater the rate of turn.

The consequence of tilting the TAF away from the vertical is a reduction in  
lift. In order to maintain altitude during a turn, the TAF must therefore be  
increased in order to keep the vertical component equal to what it was in  
level flight. This represents an increased power requirement.

In dem Diagramm variiert die Länge des TAF-Vektors in jedem Szenario, daher hat jedes einen anderen Leistungsbedarf.

Für jeden gegebenen Seitenschlupfwinkel (der einen gegebenen Luftwiderstand entlang der Längsachse darstellt) erfordert eine rutschende Kurve aufgrund des höheren Werts von mehr Kraft als eine rutschende Kurve$a_c$. Ich gehe davon aus, dass der Seitenwiderstand in beiden Fällen gleich ist (aber ich weiß nicht, ob dies der Fall ist).

Ich gehe davon aus, dass bei einem gewissen Seitenschlupfwinkel die für eine rutschende Kurve erforderliche Kraft genau der für eine koordinierte Kurve erforderlichen Leistung entspricht. In diesem Szenario wird ein Teil der Kraft, die zur Erzeugung der Drehkraft verwendet wird ($a_c$) während einer koordinierten Kurve wird stattdessen verwendet, um den zusätzlichen Frontalwiderstand zu bekämpfen, der mit einer rutschenden Kurve verbunden ist, was zu einer verringerten Kurvengeschwindigkeit führt.

Es scheint, dass eine Schleuderkurve beim Wenden besser funktioniert als eine koordinierte Kurve. Das stimmt, die Wendegeschwindigkeit ist höher, warum also nicht eine Schleuderwende verwenden, um schneller zu wenden als eine koordinierte Wende? Aerodynamische Gefahren beiseite, es ist einfach weniger effizient.

Der Schlüssel zum Verständnis ist, dass die pro Leistungseinheit erreichte Wendegeschwindigkeit (dh Effizienz) bei einer unkoordinierten Wende (Schlupf oder Rutschen) geringer ist, da Kraft sowohl beim seitlichen als auch beim Vorwärtsziehen des Flugzeugs verschwendet wird (zusätzlicher Luftwiderstand wird in der Richtung erzeugt). des Flugwegs, da das Flugzeug dem relativen Luftstrom einen größeren Querschnitt bietet).

Um einen gegebenen Kurvenradius zu erreichen, ist es daher effizienter (erfordert weniger Kraft), eine koordinierte Kurve mit einem höheren Querneigungswinkel auszuführen als eine Schleuderkurve mit einem geringeren Querneigungswinkel oder eine koordinierte Kurve mit einem geringeren Winkel Querneigung als eine Rutschkurve bei einem höheren Querneigungswinkel.

• Wenderadius

  Der Wenderadius wird durch nichts anderes bestimmt als die horizontale Komponente des TAF, gekennzeichnet als$a_c$in den Diagrammen.

  Eine höhere Zentripetalbeschleunigung führt zu einem kleineren Kurvenradius und eine niedrigere Zentripetalbeschleunigung zu einem größeren Kurvenradius.

Einblicke:

• der TAF variiert je nachdem, wie koordiniert der Flug ist, um den Wert des Auftriebs ($TAF_{vertical}$) konstant (dh: um die Höhe in der Kurve zu halten)
• scheinbare Schwerkraft / Last und wie sie sich ändert, wird einfach als Reaktionskraft erklärt, die gleich und entgegengesetzt zu der variierenden TAF ist (und nicht als Ergebnis der Zentripetalkraft und ihrer fiktiven Geschwisterzentrifugalkraft).
• In einer ebenen Rutschkurve wirkt der Seitenschlupf der horizontalen Komponente des Auftriebs entgegen ($a_c$) den Kurvenradius vergrößern
• In einer ebenen Schleuderkurve verstärkt der Seitenschlupf die horizontale Komponente des Auftriebs ($a_c$) Verringerung des Kurvenradius

Kommentare & Kritik erwünscht.

Durch die Einbeziehung des Vektors mit der Bezeichnung „Zentrifugalkraft“ haben die Illustratoren signalisiert, dass sie ihren Referenzrahmen auf das Flugzeug selbst stützen, nicht auf die Erde oder die Luftmasse.

Der auf dem Flugzeug basierende Referenzrahmen ist kein gültiger Trägheitsreferenzrahmen.

Das Flugzeug kann in Bezug auf sich selbst nicht beschleunigen. Die Nettokraft im eigenen Bezugssystem des Flugzeugs muss Null sein. Aber das ist nicht das, was wir in den Diagrammen für die Fälle „Ausrutschen“ und „Schleudern“ sehen.

Es wäre besser, den „Auftrieb“-Vektor ganz wegzulassen und nur den Lastvektor, Gewichtsvektor und „Fliehkraft“-Vektor zu zeigen, als den falschen Eindruck zu erwecken, dass die tatsächlich vom Flugzeug erzeugten aerodynamischen Kräfte in allen drei Fällen identisch sind.

Was in den „Schlupf“- und „Schleuder“-Diagrammen fehlt, ist die aerodynamische Seitenkraft, die vom Rumpf erzeugt wird, wenn er seitwärts durch die Luft fliegt. Wenn dieser Vektor zum Auftriebsvektor addiert wird, erhalten wir einen aerodynamischen Nettokraftvektor, der in der Größe gleich und in entgegengesetzter Richtung zu dem mit "Last" bezeichneten Vektor ist.

Damit dies funktioniert, muss der Auftriebsvektor im Gleitfall verkleinert und im Schleuderfall vergrößert werden.

Auf diese Weise gezeichnet, würden die Diagramme dem Leser helfen, den wahren Grund zu verstehen, warum die Inklinometerkugel bei einem Rutschen oder Schleudern zur Seite verschoben wird. Im Wesentlichen ist dies auf die aerodynamische Kraft zurückzuführen, die durch den Luftstrom erzeugt wird, der auf die Seite des Rumpfes trifft. Als Ergebnis ist der aerodynamische Nettokraftvektor im eigenen Referenzrahmen des Flugzeugs nicht mehr "gerade nach oben" (dh parallel zur vertikalen Flosse). Daher neigen der Ball und der Körper des Piloten und der andere Flugzeuginhalt dazu, bei einem Schlupf in Richtung der niedrigen Flügelspitze und bei einem Schleudern in Richtung der hohen Flügelspitze verschoben zu werden.

Korrekt gezeichnet würden die Diagramme dem Leser dieses Konzept beibringen, unabhängig davon, ob die Wahl getroffen wird, den "Zentrifugalkraft"-Vektor einzubeziehen oder nicht.

Korrekt gezeichnet würden die Diagramme dem Leser auch beibringen, dass die vom Flugzeug "gefühlte" Last, die Rutschkugel, der Körper des Piloten usw. das direkte Ergebnis der vom Flugzeug erzeugten aerodynamischen Kräfte ist. Der "Last"-Vektor muss immer das Spiegelbild des aerodynamischen Nettokraftvektors sein.

Korrekt gezeichnet würden die Diagramme dem Leser helfen zu verstehen, warum das Erhöhen oder Verringern der Auftriebskraft durch Vorwärts- oder Rückwärtsbewegen des Steuerknüppels oder Jochs während einer normalen koordinierten Kurve den Rutsch-Gleit-Ball nicht zur einen oder anderen Seite ablenken lässt, obwohl Die Wendegeschwindigkeit wird geändert. Solange der aerodynamische Nettokraftvektor im Bezugsrahmen des Flugzeugs gerade „nach oben“ wirkt, muss der scheinbare „Last“-Vektor im Bezugsrahmen des Flugzeugs gerade „nach unten“ wirken, unabhängig davon, ob die Wenderate für die Bank „richtig“ ist Winkel und Fluggeschwindigkeit oder wurde vorübergehend über einen Pitch-Steuereingang erhöht oder verringert. (Natürlich führen solche Variationen der Auftriebskraft auch dazu, dass sich die Flugbahn nach oben oder zur Erde krümmt - für einen bestimmten Querneigungswinkel gibt es '

Ausgehend von den "Last"-Vektoren, die uns hier gegeben wurden, wie würden die korrigierten Diagramme aussehen? Sie würden wie die obere Diagrammreihe aussehen, die im Rest dieser Antwort beschrieben wird.

Diagramme müssen hinzugefügt werden - im Moment müssen wir unsere Vorstellungskraft einsetzen.

Ich beziehe mich speziell auf das zweite Diagramm, das aus der Ausgabe 2016 des "Pilot's Handbook of Aeronautical Knowledge", in dem die Flugzeuge eindeutig alle mit genau demselben Querneigungswinkel gezeichnet sind.

Stellen Sie sich vier Reihen von Diagrammen vor, die jeweils auf dem oben genannten Diagramm basieren, aber wie folgt modifiziert werden:

Erste Reihe – Kräfte im Flugzeug-Referenzrahmen (kein gültiger Trägheits-Referenzrahmen)

Gewicht und „Fliehkraft“ und „Last“ wie im Original abgebildet. Beachten Sie, dass "Last" die Vektorsumme aus Gewicht und "Zentrifugalkraft" ist.

Die Zahlen enthalten einen aerodynamischen Nettokraftvektor (nicht im Original gezeigt). Der aerodynamische Nettokraftvektor muss in allen drei Figuren genau gleich und entgegengesetzt zu "Last" sein.

Der Auftriebsvektor ist in Abb. 1 des Originals (koordiniert) korrekt und entspricht der aerodynamischen Nettokraft. Abb. 1 der ersten Antwortreihe entspricht also im Wesentlichen dem Original.

Der Auftriebsvektor muss in Abb. 2 (Schlupf) kürzer sein, und es muss ein aerodynamischer Seitenkraftvektor vorhanden sein, der im rechten Winkel zum Auftriebsvektor wirkt und zur rechten Seite der Seite und nach oben zeigt. Das ist die Kraft, die im Diagramm fehlt. Es entsteht durch Luft, die seitlich auf den Rumpf trifft. Die Vektorsumme aus Auftrieb plus Seitenkraft ist der aerodynamische Nettokraftvektor und muss genau gleich und entgegengesetzt zum "Last" -Vektor sein.

Der Auftriebsvektor muss in Abb. 3 (Schlitten) länger sein, und es muss ein aerodynamischer Seitenkraftvektor vorhanden sein, der im rechten Winkel zum Auftriebsvektor wirkt und zur linken Seite der Seite und nach unten zeigt. Das ist die Kraft, die im Diagramm fehlt. Es entsteht durch Luft, die seitlich auf den Rumpf trifft. Die Vektorsumme aus Auftrieb plus Seitenkraft ist der aerodynamische Nettokraftvektor und muss genau gleich und entgegengesetzt zum "Last" -Vektor sein.

Mit den auf diese Weise gezeichneten Zahlen können wir sehen, dass wir den Flügel tatsächlich in einer Kufe "aufladen", in dem Sinne, dass wir ihn zwingen, mehr Auftrieb zu erzeugen, als wir normalerweise für einen bestimmten Querneigungswinkel benötigen würden, vorausgesetzt, das wir lassen die Flugbahn nicht erdwärts krümmen. Die Wendegeschwindigkeit wird ebenfalls erhöht und der Wenderadius verringert.

(Wenn wir andererseits den Kurvenradius festhalten und den Querneigungswinkel unbeschränkt lassen, dann „entlastet“ ein Schleudern den Flügel tatsächlich, weil es einen flacheren Querneigungswinkel beinhaltet.)

Zweite Reihe – Kräfte, die auf Flugzeuge im Erdreferenzrahmen (oder im Referenzrahmen der sich mit konstanter Geschwindigkeit bewegenden Luftmasse) wirken – (dies sind gültige Trägheitsreferenzrahmen, zumindest aus elementarer Sicht, die die Schwerkraft als echte Kraft ansieht.)

Wie oben, aber "Zentrifugalkraft" und "Last" werden weggelassen. Ein Nettokraftvektor kann hinzugefügt werden, der die Vektorsumme der aerodynamischen Nettokraft und des Gewichts ist. Es ist horizontal und genau gleich und entgegengesetzt zu dem (weggelassenen) "Zentrifugalkraft" -Vektor. Es ist der zentripetale Kraftvektor, der die Drehung verursacht. Bei einem gegebenen Querneigungswinkel ist er beim Gleiten kleiner und beim Gleiten größer als beim koordinierten Flug.

Dritte Reihe – nur aerodynamische Kräfte – wie oben, aber jetzt wird auch das Gewicht weggelassen. Jetzt gibt es weniger Durcheinander, um unsere Aufmerksamkeit vom aerodynamischen Nettokraftvektor abzulenken. Beachten Sie, dass der aerodynamische Nettovektor im koordinierten Flug mit der Richtung des Flugzeugs von "oben" ausgerichtet ist (dh die Richtung der vertikalen Flosse zeigt), aber nicht im Schlupf oder Schleudern. Dies ist wohl die wichtigste Reihe von Diagrammen. Es zeigt uns, was der Pilot wirklich „fühlt“.

Oder wenn es für uns sinnvoller ist – wir können eine vierte Reihe haben – „scheinbare Trägheitskraft“, die vom Piloten „gefühlt“ wird – genau gleich und entgegengesetzt zum aerodynamischen Nettokraftvektor in Reihe 3. Nur dieser eine Kraftvektor für jede Figur, wobei alle aerodynamischen Kräfte weggelassen wurden. Es gilt zu sagen, dass diese scheinbare Trägheitskraft ausschließlich durch den aerodynamischen Nettokraftvektor verursacht wird. Es gilt auch anzumerken, dass es genau gleich der Vektorsumme von Schwerkraft und "Zentrifugalkraft" ist, obwohl diese nicht in der vierten Diagrammreihe enthalten sind. Es gilt auch zu beachten, dass der Vektor "scheinbare Trägheitskraft" genau derselbe ist wie der Vektor mit der Bezeichnung "Last" in der oberen Reihe der Diagramme.

Im Gegensatz zu den Diagrammen in der Frage zeigen die Diagramme in der Antwort nicht den Auftriebsvektor des Flügels, der in horizontale und vertikale Komponenten zerlegt ist. Dadurch wird keine wirkliche Erkenntnis gewonnen, insbesondere wenn wir den aerodynamischen Seitenkraftvektor, der durch den Luftstrom erzeugt wird, der auf die Seite des Rumpfes trifft, vollständig weglassen.

Im Gegensatz zu den Diagrammen in der Frage erwecken die Diagramme in der Antwort nicht die Illusion, dass der aerodynamische Nettokraftvektor irgendwie mit dem Lastvektor oder der Vektorsumme aus Gewicht und Zentrifugalkraft "ausgeglichen" (gleich und entgegengesetzt) ​​ist die koordinierte Drehung, aber nicht im Schlupf oder in der Kufe. Das stimmt einfach nicht. Der Lastvektor ist in allen drei Fällen gleich und entgegengesetzt zum Vektor der aerodynamischen Nettokraft. Aus einer Sicht ist der aerodynamische Nettokraftvektor das, was den Lastvektor verursacht .

Im Gegensatz zu den Diagrammen in der Frage erwecken die Diagramme in der Antwort nicht die Illusion, dass der "Zentrifugalkraft" -Vektor genau "ausgeglichen" (gleich und entgegengesetzt) ​​zur horizontalen Komponente des aerodynamischen Nettokraftvektors in der koordinierten Kurve ist. aber nicht im Schlupf oder in der Kufe. Auch das stimmt einfach nicht. Der "Zentrifugalkraft"-Vektor ist in allen drei Fällen gleich und entgegengesetzt zu der horizontalen Komponente des Vektors der aerodynamischen Nettokraft. Denn grundsätzlich können wir in diesem speziellen Fall, in dem die vertikale Beschleunigungskomponente auf Null beschränkt ist, beobachten, dass der Zentrifugalkraftvektor vollständig durch die horizontale Komponente des aerodynamischen Nettokraftvektors verursacht wird.

Im Gegensatz zu den Diagrammen in der Frage erwecken die Diagramme in der Antwort nicht den falschen Eindruck, dass ein mysteriöses Ding, das vermutlich irgendwie mit der Wendegeschwindigkeit zusammenhängt, aber anscheinend irgendwie nichts mit einer tatsächlichen aerodynamischen Kraft zu tun hat, die Menge der "Zentrifugalkraft" auf magische Weise beeinflusst „Das Flugzeug erzeugt im Schlupf oder in der Kufe.

Wenn die Diagramme in der Antwort tatsächlich die Flugzeugfigur enthalten (ich bin kein großer Künstler), sollte sie im Slip zur hohen Seite der Kurve und im Schlitten zur niedrigen Seite der Kurve giert werden. Die Flugbahn wird so gezeichnet, dass sie direkt aus der Seite auf den Betrachter zukommt, sodass die kleinen Pfeile, die andeuten, dass das Flugzeug in der Rutsche nach unten und links und in der Kufe nach oben und rechts rutscht, weggelassen werden.

Eine interessante Frage ist, ob die oben erwähnten aerodynamischen Seitenkraftvektoren so betrachtet werden sollten, dass sie den seitlichen Schubvektor beinhalten, der durch seitliches Gieren der Schublinie relativ zum Flugzeug verursacht wird. Wie oben beschrieben, scheinen sie das zu tun, aber interessanterweise hat die seitliche Komponente des Schubvektors keine Tendenz, die Gleit-Gleit-Kugel zu verschieben, da sie keine seitliche Komponente relativ zur Gleit-Gleit-Kugel oder relativ zum Pilotensitz hat diese Angelegenheit. Wenn wir den seitlichen Schubvektor als Teil des aerodynamischen Seitenkraftvektors einbeziehen, dann sind wir es nicht wirklichVerwenden eines Referenzrahmens, der vollständig mit dem Flugzeug selbst ausgerichtet ist, sondern eher eines Referenzrahmens, der mit der Richtung der Flugbahn durch die Luftmasse zu jedem gegebenen Zeitpunkt ausgerichtet ist. Es ist interessant, an andere Analoga zu denken – zum Beispiel vielleicht ein Schlitten mit flachem Boden auf einem eisigen See, der eine Kurve macht, indem er seitwärts giert und dann ein Triebwerk abfeuert, das in Bezug auf den Fahrersitz nur nach hinten gerichtet war – das würde einer flachen Schleuderkurve entsprechen, die irgendwie nur unter Verwendung der Seitenkraft ausgeführt wird, die durch Gieren der Schublinie zu einer Seite erzeugt wird, wobei die aerodynamische Seitenkraft aus der Luft, die auf die Seite des Rumpfes trifft, irgendwie nur eine vernachlässigbare Rolle spielt. Ein luftgestütztes Analogon wäre ein perfekt kugelförmiges Luftschiff mit einem festen Motor im Rücken, plus Triebwerke, die jeden gewünschten Gierwinkel zwischen der Flugbahn und dem Kurs herstellen könnten. Schleuderkurven in einem solchen Flugzeug würden den Rutsch-Schleuder-Ball nicht stören.