Sinkflug auf einem bestimmten Gleitweg (z. B. ILS) bei einer bestimmten Fluggeschwindigkeit - ist die Größe des Auftriebsvektors bei Gegenwind und Rückenwind unterschiedlich?

BEARBEITEN: Bei dieser Frage geht es wirklich nicht um Auftriebsvektoren. Es fragt nach der Gesamtmenge oder dem Gesamtwert des Auftriebs, der bei unterschiedlichem Gegenwind benötigt wird.

Jeder scheint diese sehr grundlegende Frage zu verkomplizieren, die nach zwei identischen Flugzeugen fragt, die einen identischen ILS-Gleitpfad mit genau derselben angezeigten Fluggeschwindigkeit hinunterfliegen. Der einzige Unterschied ist der Gegenwind.

Es ist so einfach. Die Sinkgeschwindigkeit ist ein direktes Ergebnis der erzeugten Auftriebsmenge.

Es ist eine TATSACHE, dass das Flugzeug mit weniger Gegenwind WENIGER Auftrieb erzeugen muss als das Flugzeug mit mehr Gegenwind, um die gleiche angezeigte Fluggeschwindigkeit beizubehalten und dem Gleitpfad zu folgen.

Die Sinkgeschwindigkeit bei Gegenwind könnte -500 ft/min betragen, während das Flugzeug bei Rückenwind -1000 ft/min betragen könnte.

Das Flugzeug, das aufgrund von Rückenwind einen Sinkflug von -1000 ft/min aufrechterhält, muss WENIGER Auftrieb erzeugen als ein Flugzeug, das bei Gegenwind einen Sinkflug von -500 ft/min aufrechterhält.

In dieser Antwort beginnen wir mit der vereinfachenden Annahme, dass der Schubvektor parallel zum Widerstandsvektor und zur Richtung der Flugbahn in Bezug auf die umgebende Luftmasse ist.

Sehen Sie sich die Vektordreiecke von Gewicht, Auftrieb und Luftwiderstand für den Gleitflug an, die in diesen verwandten Antworten ( #1 , #2 ) dargestellt sind. (Das Diagramm im zweiten Link wird jetzt auch oben in der vorliegenden Antwort wiedergegeben.)

Wir können diese Fragen an einen angetriebenen Abstieg anpassen, indem wir einfach einen Vektor mit der Bezeichnung „Drag minus Thrust“ anstelle des Vektors mit der Bezeichnung „Drag“ einsetzen. Wir haben immer noch ein geschlossenes Vektordreieck.

Sobald wir diese einfache Ersetzung vorgenommen haben, ist der mit "K" bezeichnete Winkel im Diagramm oben in dieser Antwort der Sinkwinkel des Flugzeugs bei einem bestimmten Anstellwinkel und L / D-Verhältnis und der Schubleistung in ruhender Luft . Dies ist auch der Sinkwinkel des Flugzeugs in Bezug auf die umgebende Luftmasse .

Beachten Sie, dass Lift = Gewicht * Kosinus (K).

Das bedeutet, dass der Auftrieb kleiner ist als das Gewicht, und je steiler der Gleitwinkel „K“ in der Luft ist, desto größer ist die Differenz zwischen Auftrieb und Gewicht.

Um bei Gegenwind den gleichen Sinkflugweg in Bezug auf den Boden zu erreichen , müssen wir auf einen flacheren Sinkflugweg in Bezug auf die umgebende Luftmasse wechseln. Unabhängig davon, ob wir den Schub erhöhen, den Luftwiderstand verringern oder beides, müssen wir den Vektor, den wir „Drag minus Thrust“ genannt haben, kleiner machen. Dadurch wird die Größe des Winkels K verringert. Dadurch wird die Größe des Auftriebsvektors erhöht.

Um bei Rückenwind den gleichen Sinkflugweg gegenüber dem Boden zu erreichen , müssen wir auf einen steileren Sinkflugweg gegenüber der umgebenden Luftmasse wechseln. Unabhängig davon, ob wir den Schub verringern, den Luftwiderstand erhöhen oder beides, müssen wir den Vektor, den wir „Drag minus Thrust“ umbenannt haben, größer machen. Dadurch wird der Winkel K vergrößert. Dadurch wird die Größe des Auftriebsvektors verringert.

Da Auftrieb = Gewicht * Kosinus (K) ist, muss der Auftriebsvektor beim Sinkflug mit Gegenwind größer sein als beim Sinkflug mit Rückenwind, wenn wir den gleichen Gleitweg in Bezug auf den Boden erreichen.

Beachten Sie, dass dies unabhängig davon gilt, ob wir den Anstellwinkel in beiden Fällen auf den gleichen Wert oder die Fluggeschwindigkeit in beiden Fällen auf den gleichen Wert oder keinen von beiden beschränken. Dies gilt auch unabhängig davon, ob wir auf der „Vorderseite“ der Leistungskurve oder der „Rückseite“ der Leistungskurve absteigen. Keines dieser Dinge ändert die Tatsache, dass der Winkel "K" größer sein muss, um auf einer festen Gleitbahn relativ zum Boden zu bleiben, wenn wir mit Rückenwind absteigen, als wenn wir mit Gegenwind absteigen. Daher muss der Auftriebsvektor größer sein, wenn wir mit Gegenwind absteigen, als wenn wir mit Rückenwind absteigen.

Wenn wir den Winkel K variieren, ist die Variation in der Größe des Auftriebsvektors natürlich so klein, dass sie in der realen Welt vernachlässigbar ist. Wenn Sie beispielsweise mit einem Gleitverhältnis von 7:1 in der Luft gleiten, was einem Gleitwinkel von etwa 8 Grad in der Luft entspricht, beträgt der Auftriebsvektor etwa 0,99 * Gewicht. Wenn wir unseren Gleitweg in Bezug auf die Luftmasse von einem Gleitverhältnis von 7:1 auf ein Gleitverhältnis von unendlich (dh horizontalen Flug) ändern würden, würde die Größe des Auftriebsvektors nur um einen Faktor von etwa 1,01 zunehmen. Technisch gesehen muss der Auftriebsvektor jedoch umso größer sein, je flacher unser Gleitwinkel in Bezug auf die umgebende Luftmasse ist (dh je größer unser Gleitverhältnis in stiller Luft ist).

Die grundlegende Antwort auf die Frage lautet also, dass der Auftriebsvektor beim Sinkflug des Flugzeugs mit Rückenwind etwas kleiner ist als beim Sinkflug des Flugzeugs mit Gegenwind , um auf dem gleichen Gleitweg in Bezug auf den Boden zu bleiben , muss im ersteren Fall der Stillluft-Gleitwinkel größer sein (dh die Stillluft-Gleitzahl muss schlechter sein).

Betrachten wir eine bestimmte Idee in der ursprünglichen Frage:

Ich habe argumentiert, dass Sie bei Rückenwind den Anstellwinkel erhöhen müssen, was bedeutet, dass der Parasitenwiderstand zunimmt, sodass der Wert des Auftriebs zunehmen muss.

Das ist eine fehlerhafte These. Warum brauchen Sie einen höheren Anstellwinkel, um mit der gleichen Fluggeschwindigkeit zu fliegen, wenn Sie Rückenwind haben? Wir haben gesehen, dass - abgesehen von Effekten einer geneigten Schublinie relativ zur Richtung der Flugbahn - der Auftriebsvektor tatsächlich etwas kleiner sein muss, wenn der Gleitweg in stiller Luft steiler ist , was den Rückenwindfall beschreibt. Um die Fluggeschwindigkeit konstant zu halten, muss das Flugzeug beim Sinkflug mit einem steileren Gleitweg bei stiller Luft (d Gegenwindfall).

Jetzt für eine andere Wendung -

Wenn wir das Bild verkomplizieren, indem wir erkennen, dass die Schublinie so geneigt sein kann, dass sie etwas nach oben oder unten in Richtung des Luftwiderstandsvektors und der Flugbahn durch die Luftmasse zeigt, kann dies die oben beschriebenen Effekte in den Schatten stellen. Die ursprüngliche Frage beschränkt die Fluggeschwindigkeit im Gegenwindfall auf dieselbe wie im Rückenwindfall, sodass das Flugzeug fast fliegen mussjeweils der gleiche Anstellwinkel. Stellen Sie sich einen Fall vor, in dem wir unseren Anflug "auf der Rückseite der Leistungskurve" mit einem hohen Anstellwinkel fliegen, wobei das Triebwerk in Bezug auf die Richtung der Flugbahn durch die Luftmasse deutlich nach oben zeigt. Die Komponente des Schubvektors des Triebwerks, die senkrecht zur Flugbahn wirkt, zählt effektiv als Teil des „Auftriebs“-Vektors in unserem Vektordiagramm, was bedeutet, dass der tatsächliche Auftriebsvektor des Flügels kleiner als Gewicht * Kosinus (K) reduziert werden muss. In einem solchen Fall kann eine Verringerung der Leistungseinstellung, um den Gleitpfad steiler zu machen, durchaus dazu führen, dass der Auftrieb des Flügels zunimmt. Auf der anderen Seite, wenn wir unseren Anflug mit einem niedrigen Anstellwinkel fliegen, gut auf der "Vorderseite" der Leistungskurve, wie es in einem Leichtflugzeug üblich ist, ist es nicht mehr so ​​offensichtlich, in welche Richtung der Schub geht Vektor zeigt in Relation zur Richtung der Flugbahn durch die Luftmasse. Da viele Leichtflugzeuge einen eingebauten Abwärtsschub haben, kann der Schubvektor im Verhältnis zur Richtung der Flugbahn leicht nach unten zeigen, so dass der Flügel mehr Auftrieb erzeugen muss, wenn die Leistungseinstellung des Triebwerks erhöht wird. Dies würde den Effekt, den wir zuvor in dieser Antwort besprochen haben, verstärken - die Tendenz, dass der Auftriebsvektor größer ist, wenn der Gleitwinkel in stiller Luft aufgrund der Beziehung Auftrieb = Gewicht * Kosinus (K) flacher ist.

Letztendlich sind alle diese Effekte so gering, dass es unwahrscheinlich ist, dass ein Pilot die Änderung der Größe des Auftriebsvektors des Flügels für eine bestimmte Fluggeschwindigkeit bei verschiedenen Leistungseinstellungen und Gleitwinkeln in der Luft erkennen könnte. Aber theoretisch gibt es eine gewisse Variation in der Größe des Auftriebsvektors, wenn die Leistungseinstellung und der Gleitwinkel in stiller Luft geändert werden. Und für den einfachen Fall, in dem wir annehmen, dass die Schublinie parallel zum Widerstandsvektor wirkt, ist die Art der Variation so, dass der Auftriebsvektor etwas größer istwenn der Gleitweg in ruhiger Luft flacher ist (d. h. bei höheren Leistungseinstellungen, z. B. beim Versuch, bei Gegenwind auf dem Gleitpfad zu bleiben), als wenn der Gleitweg in stiller Luft steiler ist (d. h. bei niedrigeren Leistungseinstellungen, z. B. beim Versuch bei Rückenwind auf dem Gleitpfad bleiben).

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A: Der von den beiden Flugzeugen erzeugte Auftrieb muss gleich sein.

Wie angegeben, sind die vertikalen und horizontalen Geschwindigkeiten konstant. Dies erfordert, dass alle Beschleunigungen, einschließlich der vertikalen Beschleunigung, Null sind. Daher muss die vertikale Komponente des Auftriebs gleich dem Gewicht sein. Diese Aussage gilt gleichermaßen für beide Flugzeuge in ihren jeweiligen Szenarien.

Das Wissen, dass die vertikale Komponente des Auftriebs gleich ist, macht jedoch nicht offensichtlich, dass der Gesamtauftrieb ebenfalls gleich ist. Ein Argument ist, dass AOA das Verhältnis zwischen der vertikalen Komponente des Auftriebs und dem Gesamtauftrieb angibt. Da beide Flugzeuge geradeaus fliegen und die gleiche Fluggeschwindigkeit haben, haben sie den gleichen AOA. Da beide Flugzeuge die gleiche AOA und die gleiche vertikale Auftriebskomponente haben, ist auch ihr Gesamtauftrieb gleich.

Wenn beide Flugzeuge eine konstante Sinkrate beibehalten, erzeugen beide Flugzeuge die gleiche Auftriebsmenge, da die Bewegung in beiden Fällen stationär ist, dh nicht beschleunigt, und daher der Auftrieb gleich der Schwerkraft ist. Das Flugzeug, das mit Rückenwind absinkt, wird dies aufgrund der höheren Bodengeschwindigkeit mit einer größeren Sinkrate tun und weniger Schub benötigen, um diesen Zustand aufrechtzuerhalten, als das Flugzeug, das bei Gegenwind oder in ruhiger Luft landet, da mehr potenzielle Energie vorhanden ist im Sinkflug in kinetische Energie umgewandelt werden kann, als wenn das Flugzeug mit Gegenwind einen identischen Gleitweg hinunterfliegt.