Gibt es Situationen, in denen ein hoher Auftrieb, aber ein niedriges Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand vorteilhaft wäre?

Die Landephase würde von einem hohen Auftrieb, aber einem niedrigen Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand profitieren. In den meisten Flugphasen benötigen Sie ungefähr die gleiche Menge an Auftrieb, um das Flugzeug in der Luft zu halten. Während der Landung müssen Sie jedoch auf Landegeschwindigkeit verlangsamen. Daher verringern Sie das Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand, indem Sie den gleichen Auftrieb beibehalten, aber den Luftwiderstand erhöhen . Dies wird normalerweise durch die Auswahl einer großen Anzahl von Klappen erreicht.

Im Reiseflug: Nein. Weniger Luftwiderstand bedeutet weniger Schub, was für den praktischen Betrieb eines Flugzeugs immer von Vorteil ist.

Es gibt nur eine Bedingung außer Anflug und Landung, wo ein hoher Widerstand hilft, und das ist auch nicht im Reiseflug: In Kunstflugzeugen bei vertikalen Manövern.

Wenn zum Beispiel die Kunstfluganzeige einen vertikalen Sturzflug beinhaltet, verringert ein hoher Luftwiderstand die Tauchgeschwindigkeit, die das Flugzeug erreichen kann, sodass die Trägheitslasten am Ende des Tauchgangs geringer sind. Niedrigere Geschwindigkeiten bedeuten auch, dass Manöver zum Vorteil der Zuschauer straffer geflogen werden können.

Ansonsten: Nein, weniger Luftwiderstand ist immer besser.

Ein hoher Auftrieb auf Kosten eines noch höheren Luftwiderstands bedeutet, dass das Flugzeug nicht sehr schnell fliegen kann, da der Luftwiderstand mit der Geschwindigkeit stark ansteigt. Der zusätzliche Auftrieb ist jedoch in mehreren Situationen immer noch nützlich und wird häufig durch widerstandserzeugende Hochauftriebsvorrichtungen bereitgestellt. Einige dieser Situationen sind:

• STOL (Short Takeoff and Landing) und Flugleistung bei niedriger Geschwindigkeit, bei der ein hoher Auftrieb bei niedriger Geschwindigkeit die kritische Fähigkeit ist. Hochauftriebsvorrichtungen wie große Lamellen und / oder große Klappen werden ausgefahren und dann häufig für den Reiseflug eingefahren.

• Schnelle Steigrate, bei der überschüssiger Auftrieb unerlässlich ist, Vorwärtsgeschwindigkeit jedoch weniger. Einige Flugzeuge werden ihre Landeklappen teilweise entfalten, um die Steiggeschwindigkeit zu verbessern.

• Flugzeuge in extremen Höhen. Alle Flugzeuge sind in der Höhe begrenzt, da die Abwürgegeschwindigkeit mit der Höhe zunimmt und schließlich die Höchstgeschwindigkeit des Flugzeugs erreicht. Die Verringerung der Abwürgegeschwindigkeit, typischerweise durch Hinzufügen von Flügelfläche, ermöglicht es dem Flugzeug, höher zu fliegen. In niedrigeren Höhen werden diese riesigen Flügel schleppend, obwohl der Auftrieb in allen Höhen gleich ist.

Die Frage zeigt einige Verwirrung um den Unterschied zwischen Kräften und ihren Koeffizienten .

Wenden wir uns zuerst den Kräften zu .

Das Entscheidende an Kräften ist, dass wir in einem unbeschleunigten Zustand (der Wendeflug ausschließt) in der Lage sein müssen, die Kraftvektoren in ein geschlossenes Dreieck, Quadrat oder eine andere geschlossene Figur umzuordnen.

Wie in den in diesen ASE-Antworten gezeigten Vektordiagrammen:

Können wir eher durch einfache Geometrie als durch Formeln oder Diagramme zeigen, dass das beste Gleitverhältnis beim maximalen Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand auftritt?

Können wir eher durch einfache Geometrie als durch Formeln oder Diagramme zeigen, dass das beste Gleitverhältnis beim maximalen Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand auftritt?

Ist Heben beim Klettern gleich schwer?

Wird für einen Aufstieg übermäßiger Auftrieb oder übermäßige Kraft benötigt?

Sie können sehen, dass in dem einfachen Fall, in dem der Schubvektor parallel zur Flugbahn ist (oder Null ist), Auftrieb = Gewicht * (Cosinus-Gleit- oder Steigwinkel), also ist Auftrieb kleiner als Gewicht, wenn wir absteigen oder steigen . Auftrieb ist nur gleich Gewicht, wenn wir horizontal fliegen.

Wir werden die Dinge weiterhin einfach halten, indem wir annehmen, dass der Schubvektor für den Rest dieser Antwort parallel zur Flugbahn und daher direkt entgegengesetzt zum Luftwiderstandsvektor wirkt. (Siehe den letzten Link oben für eine detailliertere Behandlung des Falls, in dem tatsächlich ein signifikanter Auftrieb oder Abtrieb vorhanden ist , in Bezug auf die Richtung der Flugbahn. )

Bei kleinen Steig- oder Gleitwinkeln ist die Abnahme des Auftriebsvektors gering, aber nicht Null.

Da eine Kraft proportional zu ihrem Koeffizienten * Fluggeschwindigkeit im Quadrat ist, gibt es kein Problem damit, dass der Auftriebskoeffizient bei einem langsamen Steigflug höher ist als bei einem schnellen Reiseflug. Auftriebs- und Luftwiderstandsbeiwerte sind mit dem Anstellwinkel korreliert . Wenn wir den Anstellwinkel erhöht haben, wissen wir, dass wir den Auftriebskoeffizienten erhöht haben. Aber nicht die Auftriebskraft . Überschüssiger Schub, dh mehr Schub als Luftwiderstand, nicht übermäßiger Auftrieb, ist das Hauptmerkmal eines Aufstiegs.

Ein ausgezeichneter Ort, um mehr über Auftriebs- und Luftwiderstandsbeiwerte zu erfahren, ist Abschnitt 4.5 von John Denkers Online-Buch „See How It Flies“ .

Siehe insbesondere die grüne Linie in Abb. 4.14 , Auftriebskoeffizient gegenüber Alpha, Abb. 4.16 , Auftriebskoeffizient gegenüber Fluggeschwindigkeit und Abbildung 4.17 , Auftriebskraft gegenüber Fluggeschwindigkeit. Sie können sehen, wie im Horizontalflug der Auftrieb gleich dem Gewicht bleibt, obwohl sich der Auftriebskoeffizient ändert, wenn sich der Anstellwinkel und die Fluggeschwindigkeit ändern.

Nach dem Lesen dieser Antwort hat der Leser möglicherweise eine gute Vorstellung davon, wie diese Diagramme für den Steigflug bei einem bestimmten Steigwinkel geändert werden können. Die wichtigsten Änderungen sind: Die Gesamtauftriebskraft wird um einen Faktor verringert, der dem Kosinus des Steigwinkels entspricht, und die Fluggeschwindigkeit für einen bestimmten Anstellwinkel wird um einen Faktor verringert, der der Quadratwurzel des Kosinus des Steigwinkels entspricht Winkel. Alles nur, weil ein Teil des Gewichts eher vom Schubvektor als vom Auftriebsvektor getragen wird.

Viele Leute finden die Vorstellung, dass Auftrieb weniger als Gewicht bei einem Aufstieg ist, sehr kontraintuitiv. Was passiert, wenn wir vom Hochgeschwindigkeitsflug in einen Steigflug übergehen, indem wir den Steuerknüppel oder das Joch zurückziehen, um zu verlangsamen, um näher an Vx heranzukommen, ohne dass sich der Schub ändert?

Das wichtigste Kennzeichen eines Aufstiegs ist ein übermäßiger Schub im Vergleich zum Luftwiderstand. Wenn der Schub konstant ist, müssen wir den Widerstand reduzieren, wenn wir steigen wollen ¹ . Wie können wir das machen? Durch Verbesserung des L/D-Verhältnisses. Wir erhöhen den Anstellwinkel, sodass der Auftriebskoeffizient zunimmt. Der Luftwiderstandsbeiwert steigt ebenfalls, aber nicht so stark, sodass sich das Verhältnis von Auftriebsbeiwert zu Luftwiderstandsbeiwert verbessert. Das L/D-Verhältnis ist arithmetisch gleich dem Verhältnis von Auftriebsbeiwert zu Luftwiderstandsbeiwert, daher verbessert sich auch das L/D-Verhältnis. Wenn die Fluggeschwindigkeit damit fertig ist, sich selbst anzupassen (abzunehmen), so dass der Auftriebsvektor den Gewichtsvektor nicht überschreitet und genauer gesagt gleich Auftrieb * Kosinus (Steigwinkel) wird, stellen wir fest, dass der Luftwiderstand jetzt geringer als der Schub ist, und wir steigen gehen. ²

Wir können aus den Vektordiagrammen in Heben Sie das gleiche Gewicht bei einem Aufstieg sehen? dass unser Steigwinkel gleich dem Arcustangens von ((Thrust-Drag) / Lift) ist, der auch gleich dem Arkussinus von ((Thrust-Drag) / Weight) ist. Beachten Sie den letzteren Ausdruck – es ist wichtig zu verstehen, dass der Steigwinkel in einer Formel ausgedrückt werden kann, die sich überhaupt nicht auf den Auftriebsvektor bezieht. Bei der Optimierung des Steigwinkels geht es darum , den Wert von (Thrust-Drag) zu maximieren.

Ein wichtiger Punkt ist, dass eine Erhöhung des Anstellwinkels den Luftwiderstandsbeiwert nicht wirklich verbessert . Wie kann es also die Widerstandskraft reduzieren ? Weil der erhöhte Auftriebskoeffizient eine Verringerung der Fluggeschwindigkeit verursacht , die eine Nettoreduzierung der Luftwiderstandskraft bewirkt .

Natürlich gibt es ein kurzes Intervall, unmittelbar nachdem wir den Knüppel oder das Joch nach hinten bewegt haben, aber bevor die Fluggeschwindigkeit Zeit hatte, wesentlich abzunehmen, wo der Auftrieb tatsächlich größer ist als das Gewicht. Während dieser Zeit krümmt sich die Flugbahn nach oben in den Steigflug. Dies ist ein beschleunigter Zustand. Die Kurve kann so sanft sein, dass der Pilot die zusätzliche G-Belastung nicht einmal spürt, aber während des Übergangs ist tatsächlich eine gewisse zusätzliche G-Belastung vorhanden. Während dieses Übergangs haben wir auch den Luftwiderstand erhöht. Die erhöhte Luftwiderstandskraft sowie die Tatsache, dass der Gewichtsvektor beginnt, eine Komponente zu gewinnen, die entgegen der Richtung des Fluggeschwindigkeitsvektors wirkt, wenn die Flugbahn beginnt, sich nach oben zu krümmen, sind für den Verlust der Fluggeschwindigkeit während dieses Übergangs in den Steigflug verantwortlich.

Lassen Sie uns mit diesem Hintergrund unsere Aufmerksamkeit auf einige spezifische Aspekte der ursprünglichen Frage richten.

Nach meinem Verständnis könnte ein hohes Verhältnis von Auftrieb zu Luftwiderstand ein Flugzeug unter Reisebedingungen effizient machen. Dies ist der Fall, wenn sich das Flugzeug im Gleichgewicht befindet, der Auftrieb gleich dem Gewicht und der Schub gleich dem Luftwiderstand ist und da weniger Luftwiderstand vorhanden ist, ist weniger Schub erforderlich. Ist das richtig

Ja!

Wenn beispielsweise der erzeugte Auftrieb etwa 10000 N mit 700 N Widerstand (14,29 l/d) im Vergleich zu weniger Auftrieb und Widerstand betragen würde, würden 8000 N Auftrieb mit 600 N Widerstand (13,33 l/d) weniger Widerstand auf Kosten von weniger bedeuten lohnt sich der Auftrieb im Zusammenhang mit Reisebedingungen (wo der Schub dem Luftwiderstand entsprechen müsste, um eine konstante Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten)?

Hier die augenzwinkernde Antwort:

Absolut! Sie haben das Gewicht um 2000 Newton reduziert, sodass Sie weniger Schub benötigen. Ihre Widerstandskraft beträgt jetzt nur noch 600 Newton, so viel Schub benötigen Sie also. Gewichtsreduzierung ist immer dann hilfreich, wenn es darum geht, den im Reiseflug benötigten Schub zu minimieren.

Aber wenn die Absicht war, dass das Gewicht tatsächlich konstant blieb, nun ja – hoffentlich wird der Leser jetzt verstehen, dass hier ein fehlerhaftes Paradigma im Spiel ist. Wenn das Gewicht konstant ist, können wir, egal was wir mit dem L/D- Verhältnis tun , die Größe des Auftriebsvektors im Reiseflug nicht frei variieren. Der Auftrieb ist auf gleiches Gewicht beschränkt. Aber wir können das Verhältnis von Auftriebsbeiwert zu Widerstandsbeiwert, also das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand, so optimieren , dass der Widerstand minimiert wird und somit auch der Schubbedarf minimiert wird.

Andererseits ist, wie andere Antworten angemerkt haben, ein niedriges Verhältnis von Auftriebskoeffizient zu Widerstandskoeffizient und daher ein niedriges Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand vorteilhaft, um den Gleitpfad während des Anflugs steiler zu machen. Aber wir wollen auch eine niedrige Fluggeschwindigkeit und daher einen hohen Auftriebsbeiwert , wenn wir uns der Landung nähern. Diese Ziele sind nicht widersprüchlich – Klappen werden sie gut erfüllen. Klappen erhöhen den Auftriebsbeiwert, aber sie erhöhen den Luftwiderstandsbeiwert noch mehr.

Im Nachhinein mag die Idee, den Auftrieb (ohne das Gewicht zu reduzieren) im Reiseflug zu reduzieren, etwas töricht erscheinen. Aber die Wahrheit ist, dass Piloten sich sehr oft vorstellen, dass der Auftrieb bei einem Steigflug größer ist als das Gewicht, was ein ebenso fehlerhaftes Konzept ist. ³ Die Verwirrung ist also verständlich. Was wir tatsächlich oft erhöhen, um in einen Anstieg einzusteigen, ist nicht der Auftrieb, sondern der Auftriebsbeiwert . Und der grundlegende Grund , warum wir dies tun, ist nicht , weil wir mehr Auftrieb brauchen, sondern weil wir ein besseres Verhältnis von Auftriebsbeiwert zu Widerstandsbeiwert und damit ein besseres Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand wollen. Alles nur, weil wir den Luftwiderstand reduzieren müssen, um unseren Steigwinkel für einen gegebenen Schub zu maximieren.

Ebenso sprechen Piloten oft von einem „Hochauftriebsflügel“. Es wäre klarer und könnte helfen, einige der in der ursprünglichen Frage enthaltenen Verwirrung zu vermeiden, von einem Flügel mit einem hohen maximalen Auftriebsbeiwert zu sprechen .

Eine verwandte Frage - was ist mit einem STOL-Buschflugzeug mit Vorflügeln, viel Flügelwölbung usw. los - wenn es beim Klettern nur darum geht, den Luftwiderstand zu minimieren, anstatt den Auftrieb zu maximieren, wie kann all dieser Luftwiderstand dann den Steigwinkel verbessern?

Antwort: Der Hauptzweck dieser Konstruktionsmerkmale besteht darin, den Auftriebskoeffizienten zu erhöhen und dem Flugzeug zu helfen, langsam zu landen und abzuheben . Wenn der Schub konstant ist, tritt der maximale Steigwinkel des Flugzeugs beim maximalen Verhältnis von Cl/Cd und L/D auf, wo der Widerstand minimiert und (Schub-Widerstand) maximiert ist. Viele dieser Konstruktionsmerkmale erhöhen den Luftwiderstandsbeiwert so sehr, dass sie das maximale Verhältnis von Cl/Cd und L/D verringern . In der realen Welt ist für Kolben- und Turboprop-Triebwerke jedoch wesentlich mehr Schub bei niedrigerer Fluggeschwindigkeit verfügbar als bei höherer Fluggeschwindigkeit, sodass einige dieser Merkmale letztendlich doch eine Nettoverbesserung des maximalen Steigwinkels bieten können. ⁴Bedenken Sie auch, dass es einen Vorteil bei der Hindernisbeseitigung gibt, wenn der maximale Steigwinkel kurz nach dem Start erreicht wird, anstatt nach einer langen Beschleunigungsphase. Aber der grundlegende Grund dafür, dass diese Merkmale vorhanden sind, besteht darin, langsame – dh kurze – Starts und Landungen zu ermöglichen.

Fußnoten--

1. In Wirklichkeit bleibt der Schub natürlich nicht konstant, wenn wir den Anstellwinkel erhöhen und auf eine niedrigere Fluggeschwindigkeit verlangsamen, insbesondere in einem Flugzeug mit Kolbenmotor, das dazu neigt, eine ungefähr konstante Menge an Leistung zu erzeugen . In der Regel wird mehr Schub verfügbar, wenn wir die Fluggeschwindigkeit verringern, was ein weiterer Grund dafür ist, warum sich der Steigwinkel verbessert, wenn wir langsamer werden, um näher an die Vx-Fluggeschwindigkeit heranzukommen.

2. Siehe Fußnote 3 für eine völlig andere – und fehlerhafte – Beschreibung dessen, was passiert, wenn wir den Knüppel oder das Joch nach hinten bewegen, um mit dem Steigen zu beginnen, entnommen aus FAA-Flugtrainingsmaterialien.

3. Zum Beispiel lesen wir auf Seite 3-16 des „Airplane Flying Handbook“ (2016) der FAA: „ Wenn ein Flugzeug in einen Steigflug eintritt, muss ein übermäßiger Auftrieb entwickelt werden, um das Gewicht oder die Schwerkraft zu überwinden. Diese Anforderung, mehr Auftrieb zu entwickeln, führt zu mehr induzierter Widerstand, was entweder zu einer verringerten Fluggeschwindigkeit und / oder einer erhöhten Leistungseinstellung führt, um eine minimale Fluggeschwindigkeit im Steigflug aufrechtzuerhalten. Ein Flugzeug kann einen Steigflug nur aufrechterhalten, wenn genügend Schub vorhanden ist, um den erhöhten Luftwiderstand auszugleichen ... " Wie in diesem Artikel besprochen Antwort, das ist einfach nicht wahr. Wenn wir vom Horizontalflug in einen Steigflug übergehen, ohne etwas zu tun (z. B. auf Vy oder Vx zu verlangsamen), um die Widerstandskraft auf einen niedrigeren Wert zu reduzierenWert als wir einen Horizontalflug hatten, müssen wir sicherlich den Schub erhöhen, aber dass dieser überschüssige Schub verwendet wird, um das Gewicht des Flugzeugs zu unterstützen, und nicht, um einem erhöhten Luftwiderstand aufgrund eines erhöhten Auftriebs entgegenzuwirken . FAA-Grundschul-Trainingsmaterialien dieser Art erweisen sich oft als schlechte Quellen für Fakteninformationen über die tatsächlichen Kräfte, die in verschiedenen Flugszenarien vorhanden sind. Siehe zum Beispiel die schlechte Darstellung der Kräfte im Gleitflug im "Glider Flying Handbook" (2013), wie gegen Ende dieser verwandten ASE-Antwort diskutiert , und die schlechte Darstellung der Kräfte im Gleit- oder Schleuderflug im "Pilot's Handbook". of Aeronautical Knowledge" (2016), das in dieser verwandten ASE-Frage enthalten ist .

4. Manchmal ist so viel Leistung verfügbar, dass der maximal verfügbare Steigwinkel einfach kein Problem darstellt – sehen Sie sich das Buschflugzeug auf Steroiden „Draco“ in diesem YouTube-Video an – aber beachten Sie dennoch den Unterschied in der Konfiguration zwischen Anflug und Landung und Start und aussteigen .)