Wird für einen Aufstieg übermäßiger Auftrieb oder übermäßige Kraft benötigt?

Wie die Antworten auf Ihre ursprüngliche Frage bereits erklärt haben, benötigen Sie zusätzlichen Auftrieb, um nach oben zu beschleunigen. Sobald der Flügel jedoch in eine vertikale Bewegung versetzt wird, heben Sie erneut genau das gleiche Gewicht an, um den Flügel auf einer konstanten vertikalen Geschwindigkeit zu halten (wenn wir Schub und Widerstand für einen Moment vernachlässigen). Es ist kein zusätzlicher Auftrieb erforderlich, um diese vertikale Geschwindigkeit aufrechtzuerhalten. Erst wenn man weiter nach oben beschleunigen will , wird zusätzlicher Auftrieb benötigt.

Die Erhöhung der potenziellen Energie kommt tatsächlich vom Propeller, da der Auftriebsvektor des Kletterflügels nach hinten geneigt ist, wodurch eine horizontale Komponente hinzugefügt wird, die durch zusätzlichen Propellerschub kompensiert werden muss.

Betrachten wir nun Ihr Experiment im Detail: Ich nehme an, der Flügel hat eine gewisse Masse, ist drehfest und gleitet reibungsfrei an dieser Stange auf und ab. Wenn Sie das Auto beschleunigen, ist die Geschwindigkeit irgendwann genau richtig für den Flügel, um genau den Auftrieb zu erzeugen, um sein eigenes Gewicht aufzuheben. Bei dieser Geschwindigkeit bleibt der Flügel in jeder Position entlang der Stange stabil. Wenn es ein wenig nach unten rutscht, ändert sich sein Anstellwinkel$\alpha$erhöht sich und erzeugt mehr Auftrieb, wodurch die Abwärtsbewegung gestoppt wird. Das Umgekehrte gilt für jede Aufwärtsbewegung. Nachfolgend finden Sie eine Veranschaulichung des Prinzips. Der Cyan-Vektor ist die Vektorsumme der Strömung aufgrund der Vorwärtsbewegung (blau) und der vertikalen Bewegung (rot), und das wird der Flügel "bemerken".

Wenn das Auto weiter beschleunigt, nimmt der Auftrieb zu und wird nun größer als das Gewicht. Der Flügel beschleunigt nach oben, bis seine vertikale Geschwindigkeit seinen Anstellwinkel so weit verringert, dass die vertikalen aerodynamischen Kräfte genau auf sein Gewicht reduziert werden. Jetzt haben Sie die gleiche Situation wie zuvor, aber nicht bei einer vertikalen Geschwindigkeit von Null, sondern bei einer positiven vertikalen Geschwindigkeit, die sicherstellt, dass der Flügel an der Spitze der Stange herausspringt, es sei denn, es gibt einen Halt. Wenn der Flügel auf den Anschlag trifft, hört die vertikale Bewegung auf, der Anstellwinkel vergrößert sich und der Flügel hebt nicht nur sich selbst, sondern auch einen Teil des Gewichts des Autos an.

Beachten Sie, dass ich jetzt von den vertikalen Komponenten der aerodynamischen Kräfte gesprochen habe, nicht vom Auftrieb. Wenn Luftwiderstand hinzugefügt wird, wird eine vertikale Komponente hinzugefügt, wenn der Flügel in Bewegung ist. Der Auftrieb ist definiert als die Summe der aerodynamischen Kräfte senkrecht zur Strömungsrichtung im Unendlichen und des Luftwiderstands parallel dazu. Diese umständliche Definition stellt sicher, dass lokale Verzerrungen im Strömungsfeld die Richtung von Auftrieb und Widerstand nicht beeinflussen. Die Auftriebsrichtung des Steigflügels zeigt leicht nach hinten und die Widerstandsrichtung leicht nach unten. Dies fügt der Summe der vertikalen aerodynamischen Kräfte eine gewisse Widerstandskomponente hinzu, und der Auftrieb muss erhöht werden, um dies zu kompensieren. Die horizontale Auftriebskomponente erhöht nun den Widerstand und die Kräfte auf die Stange, sodass mehr Kraft vom Propeller benötigt wird, um den Kletterflügel durch die Luft zu drücken. Diese zusätzliche Kraft wird benötigt, um die potenzielle Energie des Flügels auf seinem Weg nach oben zu erhöhen. Für einen absteigenden Flügel gilt das Gegenteil: Jetzt fügt der Widerstand eine vertikale Komponente hinzu und der Auftrieb wird etwas langsamer sein. Die vordere Auftriebskomponente drückt nun gegen die Stange und reduziert die Kraft, die der Propeller aufbringen muss. Die Verringerung der potentiellen Energie verringert nun die horizontalen aerodynamischen Kräfte.

Ein Flugzeug ist etwas anders, da es sich frei nach oben oder unten neigen kann und der Schubwinkel sich damit ändert. Dies ermöglicht dem Piloten, die Flugbahn und die Menge an Auftrieb auszuwählen, die der Flügel erzeugt, aber auch hier stellt die vertikale Bewegung sicher, dass jeder übermäßige Auftrieb zu einer erhöhten vertikalen Geschwindigkeit und einem geringeren Anstellwinkel führt, sodass der übermäßige Auftrieb verschwindet. Bei einem Steigflug muss der Schub größer sein als der Luftwiderstand, um die potenzielle Energie des Flugzeugs zu erhöhen, und jetzt trägt die vertikale Komponente des geneigten Schubvektors etwas Gewicht, wodurch der zum Tragen des Gewichts erforderliche Auftrieb verringert wird.

Wenn du sagst,

Keine vom Propeller investierte Leistung geht in die potentielle Energie des Flügels ein; der Aufstieg des Flügels erfolgt rein per Auftrieb.

Sie vermissen, woher die Energie des Flügels kommt. Auftrieb ist keine magische Kraft, die potenzielle Energie aus dem Nichts erzeugt: Er wandelt lediglich Fluggeschwindigkeit (kinetische Energie) in Höhe (potentielle Energie) um. In Ihrem Beispiel wird die vom Propeller investierte Kraft in kinetische Energie des gesamten Wagens einschließlich des Flügels umgewandelt. So gelangt die Energie vom Propeller (bzw. dessen Treibstoff) in die potentielle Energie des Flügels. Sie müssen mehr Schubkraft aufwenden, um den Karren mit angebrachtem Flügel zu fahren, als wenn Sie den Flügel abnehmen würden.

Es gibt zwei Möglichkeiten, die während eines Aufstiegs erzeugten Kräfte zu betrachten. Denken Sie daran, dass ein Flügel mit mehr Auftrieb auch mehr induzierten Widerstand erzeugt . Deshalb brauchen Sie überschüssigen Schub, um den überschüssigen Auftrieb zu erzeugen.

Bei einer bestimmten Leistungseinstellung können Sie mit einer bestimmten Geschwindigkeit waagerecht fliegen. Wenn Sie nach oben neigen, erzeugen die Flügel einen übermäßigen Auftrieb, aber auch mehr Luftwiderstand. Obwohl ein Teil Ihres Schubs vertikal wirkt, gibt es keinen übermäßigen Schub, da der Luftwiderstand größer ist. Sie werden langsamer, der Auftrieb nimmt ab und Sie hören auf zu steigen.

Stattdessen können Sie das Flugzeug waagerecht halten und mehr Schub hinzufügen. Dies erhöht Ihre Geschwindigkeit, was auch den Auftrieb von den Flügeln erhöht. Dies erhöht wiederum den induzierten Widerstand, der schließlich den überschüssigen Schub bei einer neuen, höheren Fluggeschwindigkeit ausgleicht. Da Sie dadurch den Auftrieb erhöht haben, steigen Sie, obwohl Ihre Flügel eben sind. Sie können dies nur tun, weil Sie überhaupt erst Kraft hinzugefügt haben.

(Ich fühle mich verpflichtet, darauf hinzuweisen, dass Sie normalerweise nicht so steigen würden: Um eine bessere Steiggeschwindigkeit zu erzielen, würden Sie im Allgemeinen Leistung hinzufügen und auch aufstellen, sodass Ihre Fluggeschwindigkeit auf die Geschwindigkeit abnimmt, bei der die Flügel den meisten Auftrieb erzeugen für den geringsten Widerstand.)

Ich habe das Gefühl, dass der Rest der Antworten unnötig komplex ist, wenn man bedenkt, wie einfach die Grundlagen hier sind:

Schwung

Frage: Ist es notwendig, dass L > mg (oder wie Sie es ausdrücken, ein Überschuss an Auftrieb) ist, um zu steigen?

Antwort: Nein, zumindest kein anhaltendes Übermaß an Auftrieb. Die Newtonschen Gesetze besagen, dass ein Objekt in Bewegung in diesem Zustand bleibt, wenn keine Kraft auf es einwirkt. Ein Kraftungleichgewicht ist erforderlich, um das Flugzeug in einen Steigflug zu versetzen, aber sobald dies erreicht ist, können die Kräfte ausgeglichen werden und das Flugzeug wird weiter steigen. Als solches ist ein Überschuss an Auftrieb keine Bedingung, die erforderlich ist, damit ein Flugzeug einen Steigflug aushalten kann.

Energie

Frage: Ist es notwendig, dass wir dem System Energie hinzufügen (in Form einer Erhöhung unserer Leistungsabgabe), um zu klettern?

Antwort: Ja, wenn Energie erhalten bleibt, müssen wir Energie hinzufügen, um an Höhe zu gewinnen (und damit an potentieller Gravitationsenergie). Wir könnten keine Energie hinzufügen, die Leistung unserer Motoren nicht erhöhen und einfach hochziehen, die AoA erhöhen, aber auch den Luftwiderstand, und wir würden für kurze Zeit steigen, während wir kinetische Energie gegen potenzielle Gravitationsenergie eintauschen, wie auch immer wir finden würden, dass es unser ist Das Flugzeug verlangsamt sich schnell und wir müssen unter unsere ursprüngliche Höhe tauchen, um zu einem stabilen Horizontalflug zurückzukehren.

Daher ist für den Steigflug ein Leistungsüberschuss erforderlich, ein anhaltender Auftriebsüberschuss jedoch nicht.

Die einfache Antwort ist leicht zu demonstrieren. Beginnen Sie mit einem Flugzeug, das für geraden und waagerechten Flug getrimmt ist. Zum Beispiel 1000 Fuß, 100 mph, 1500 U/min Propeller mit fester Steigung.

Auftrieb = Flugzeuggewicht und Schub = Flugzeugwiderstand.

Erhöhen Sie nun die Motordrehzahl um 150 U/min (10 % mehr Schub), was den Schub erhöht. Das Flugzeug wird für einen Moment beschleunigen, der erhöhte Luftstrom über die Tragfläche und den Stabilisator erhöht den Auftrieb und das Flugzeug gewinnt an Höhe. In wenigen Sekunden gleicht sich das System wieder aus, die Fluggeschwindigkeit kehrt zu den getrimmten 100 mph zurück und der überschüssige Schub wird als Steigrate angezeigt. Das Flugzeug wird jetzt leicht nach oben geneigt, aber der Anstellwinkel bleibt konstant, da er von der Trimmeinstellung des Stabilisators gesteuert wird, die wir nicht berührt haben.

Als nächstes rollen Sie die Trimmung des Höhenruders nach vorne, wodurch die Nase etwas abgesenkt wird. Die Fluggeschwindigkeit wird leicht erhöht und die Steigrate verringert sich. Wenn es wieder auf geraden und waagerechten Flug getrimmt wird, beträgt die Steigrate des Flugzeugs 0, die Fluggeschwindigkeit liegt über 100 mph. Jetzt zeigt sich der zusätzliche Schub als erhöhte Geschwindigkeit.

Um das Beispiel fortzusetzen, reduzieren Sie die Drehzahl wieder auf die ursprünglichen 1500 U/min. lass die verkleidung in ruhe. Das Flugzeug sollte jetzt bei der neuen etwas höheren Fluggeschwindigkeit eine anständige Rate zeigen.

All dies geschah ohne Eingabe des Steuerknüppels.

Jedes Mal, wenn der Pilot die primäre Flugsteuerung manövriert, gibt es einen fast sofortigen Austausch zwischen Anstellwinkel, Geschwindigkeit, Auftrieb, Luftwiderstand, Trägheit, Steigrate oder Abstieg. Jerry S.

Die obigen Antworten erklären wunderbar die theoretische Lösung für Ihr Problem, aber da Sie bis jetzt keine davon akzeptiert haben, würde ich die Lösung numerisch veranschaulichen.

Lets assume that your cart is moving with a constant velocity of 'v'

Then, K.E. = 1/2 (mv^2)
D = 1/2((density)(v^2)S(Cd))
and total energy E = K.E. + D*distance (Assuming frictionless interaction of surfaces everywhere)

now, Cd = Cd0 + K(Cl)^2
distance = v*t
so T.E. = 1/2(v^2)(m + (density)SVt(Cd0 + K(Cl)^2))

Hier ist ersichtlich, dass die gesamte Energie für verbraucht wird

1. Der kinetische Energieteil des Wagens
2. Der Auftriebskoeffizient des Wagenflügels

Der Teil des Auftriebskoeffizienten ist daher für den Energieverbrauch beim Anheben des Flügels nach oben verantwortlich, und daher gehorcht das gesamte System der Energieerhaltung

Interessantes Beispiel.

MEINE INTERPRETATION DER FRAGE [NEU]

Hier ist ein Bild von GlobalSecurity.org , das ich modifiziert habe, um meine Interpretation der Frage zu veranschaulichen. Der Anstellwinkel des Flügels ist im Originalbild übertrieben dargestellt.

Meine Interpretation ist, dass die Frage nur eine vertikale Bewegung des Flügels beinhaltet – zB entlang der vertikalen roten Linien vom unteren Bild zum höheren Bild. Die Frage stellte fest, dass "der Schubvektor immer horizontal ist". Und wie das Bild oben zeigt, ändert sich die Richtung des relativen Windes in Bezug auf den Flügel nicht, wenn sich der Flügel auf und ab bewegt.

MEINE SCHLUSSFOLGERUNGEN

Ja, ich glaube, dass Sie den Flügel dazu bringen könnten, die Stange hinaufzufahren. Sie müssten sicherstellen, dass der Flügel einen positiven Anstellwinkel (AoA) hat, da dies erforderlich ist, um einen positiven Auftrieb zu erzeugen. Der AoA kann durch die Form des Flügels oder durch Zurückkippen des Flügels erzeugt werden. Und der Motor müsste in der Lage sein, den Karren schnell genug zu schieben, um diese AoA zu nutzen, um den Auftrieb zu erzeugen, der notwendig ist, um das Gewicht des Flügels zu überwinden.

Die Standardgleichung zur Berechnung der Auftriebskraft lautet: Auftrieb (lb) = Auftriebskoeffizient x dynamischer Druck (lb/ft^2) x Flügelfläche (ft^2).

Wie oben dargestellt, ist eine häufig verwendete Schätzung, dass der Auftriebskoeffizient 1/10 der AoA beträgt. Eine häufig verwendete Schätzung der maximalen AoA liegt bei etwa 16 Grad – aber das variiert mit jedem Flügel.

Der dynamische Druck beträgt 1/2 pv^2, wobei p die Luftdichte (0,00239 Slugs auf Meereshöhe) und v die Geschwindigkeit (ft/sec) ist. Je schneller Sie also fahren und je größer der Anstellwinkel ist, desto größer ist der Auftrieb. Wenn also beispielsweise die Flügelfläche 6 Fuß ^ 2 beträgt, bewegt sich der Wagen mit 30 Meilen pro Stunde (44 Fuß / Sekunde), die Luftdichte beträgt 0,00239 Schnecken und der Auftriebskoeffizient beträgt 0,25 (2,5 Grad AoA). Der Flügel würde einen Auftrieb von 3,45 lbs erzeugen.

Ich sollte anmerken, dass es auch möglich ist, den Flügel nach oben zu zwingen, selbst wenn Sie die maximale AoA überschreiten - auf die gleiche Weise können Sie Ihre Hand nach oben bewegen, indem Sie sie aus dem Fenster eines fahrenden Autos strecken und nach hinten neigen. Aber das ist kein Beispiel für wahren Auftrieb, Sie lenken einfach den Wind nach unten ab, der Ihre Hand nach oben schiebt. Der resultierende Luftwiderstand wäre extrem hoch.

True Lift ist das Ergebnis von Luftdruckunterschieden. Innerhalb der begrenzten AoA-Reichweite entwickelt dieser enormen Auftrieb und deutlich weniger Widerstand. Die Gebrüder Wright konnten fliegen, weil sie die Kraft des Auftriebs verstanden und einen Motor mit gerade genug Leistung entwickelt hatten, um die Geschwindigkeit zu erzeugen, die erforderlich war, um genügend Auftrieb zu erzeugen, um das Gewicht ihres Flugzeugs zu überschreiten.

(BEARBEITEN - Ein interessantes Beispiel für diesen Unterschied ist bei Segelbooten zu sehen, von denen einige Flügelsegel verwenden, um den Auftrieb zu erhöhen.)

Der Titel Ihrer Frage könnte etwas Verwirrung stiften, da man argumentieren könnte, dass Sie "überschüssige Leistung" benötigen, um die Geschwindigkeit zu erzeugen, die zum Erzeugen von "überschüssigem Auftrieb" erforderlich ist. In der Literatur wird der Begriff "überschüssige Leistung" verwendet, um die verfügbare Leistung zu beschreiben, die über der Leistung liegt, die für einen Horizontalflug bei konstanter Geschwindigkeit erforderlich ist. Diese überschüssige Kraft kann verwendet werden, um entweder die Geschwindigkeit zu erhöhen oder den Auftrieb bei dieser Geschwindigkeit zu erhöhen.

Ich beschränke meine Antwort jedoch auf genau die Frage, die Sie im Hauptteil Ihrer Diskussion gestellt haben.

ZUSÄTZLICHER HINWEIS [NEU]

Ein Problem bei der Fahrzeugkonstruktion im Beispiel besteht darin, dass es schwierig sein wird, den Flügel daran zu hindern, abzufliegen oder die Oberseite des Trägers zu treffen. Sobald das Fahrzeug die Geschwindigkeit erreicht, die erforderlich ist, damit der Flügel übermäßigen Auftrieb erzeugt, und diese Geschwindigkeit beibehält, gibt es nichts, was den Flügel daran hindern könnte, weiter anzusteigen. Aber ich glaube nicht, dass das ein Problem ist, weil der Zweck der Frage nur darin bestand, festzustellen, ob der Flügel beginnen würde, sich vertikal zu erheben.

Aktualisierte Simulation ohne vertikale Widerstandskraft

In dieser Situation ist nur für den Flügel der Auftrieb im Steigflug größer als das Gewicht. Die vertikale Kraft stabilisiert sich so, dass sie dem Gewicht entspricht, aber da der Auftriebsvektor aufgrund der Aufwärtsgeschwindigkeit leicht nach hinten geneigt ist, nimmt der aerodynamische Auftrieb zu.

Peter Kämpfs Antwort beschreibt, was in dieser Situation mit dem Flügel passiert, aber was wir nicht hatten, war eine Quantifizierung. Ich habe eine Echtzeitsimulation der Kräfte am Flügel in der Zeichnung des OP als Funktion der Fluggeschwindigkeit durchgeführt$V_{air}$und vertikale Flügelgeschwindigkeit$\dot{z}$. Die Kräfte am Flügel sind unten eingezeichnet, ich habe ein NACA 0012 Profil mit an genommen$\alpha_0$von 2 Grad:

Für NACA 0012,$C_L$ist proportional zu$\alpha$:$C_L$= 1 bei$\alpha$= 10 Grad, also

Wenn der Flügel nach oben geht, ändert sich der Anstellwinkel:

Wir werfen nun alle Konstanten in einen Topf:$K_L = k_L \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot A$,$K_D = 0.01 \cdot \frac{1}{2} \cdot \rho \cdot A$($C_D$für Standardrauheit bei Re = 6 x$10^6$= 0,01 für Winkel bis 4 Grad)

Der Auftrieb dieses Anstellwinkels wird durch Kombinieren von (1), (3) und (4) ermittelt:

resultierende Kraft$F$wird durch die Masse geteilt, um eine Flügelbeschleunigung zu ergeben, die dann mit einem digitalen Euler-Integrator integriert wird, um nachzugeben$\dot{z}$

L und D sind mit dem freien Stromvektor V ausgerichtet, während das Gewicht immer mit der Vertikalen ausgerichtet ist. Wir nehmen den Kosinus des L-Vektors minus den Sinus des D-Vektors

• m = 1 kg
• A = 1$m^2$
• $\alpha_0 = 2 deg$
• $k_L$= 0,1

Wir erhalten L = 9,81 N bei$V_{air}$= 8,949 m/s. Wenn wir dann erhöhen$V_{air}$von 8,949 auf 10,5 m/s in 1,5 Sekunden, der Flügel bekommt eine Anfangsbeschleunigung nach oben. Nach 2,4 Sekunden ist die Beschleunigung Null, der Flügel geht mit konstanter Geschwindigkeit nach oben$\dot{z}$= 0,1 m/s. Der Anstellwinkel hat sich dann von 2 Grad auf 1,45 Grad verringert

Gedruckte Werte für Prüfbeginn bis 3 Sekunden:

Es gibt einige Effekte 2. Ordnung in der Antwort, die von digitaler Instabilität aufgrund des großen Zeitschritts des Euler-Integrators herrühren können. Zeit, dies zu überprüfen, ist im Moment nicht verfügbar.

In der Endsituation ist L also 9,82 N, was aufgrund der Erhöhung der Fluggeschwindigkeit größer ist als das Gewicht im Steigflug. Nicht viel - der Auftriebsvektor ist in einem kleinen Winkel nach hinten geneigt, bestimmt durch das Verhältnis von$\dot{z}$und V, das 0,01 ist. Die vertikale Gesamtkraft ist$L \cdot cos\alpha - D \cdot sin\alpha - W$

Bei einem stationären Steigflug in einem Flugzeug lautet die Grundformel für die Größe des Auftriebsvektors Auftrieb = Gewicht * Kosinus (Steigwinkel). Weitere Informationen hierzu finden Sie in den Vektordiagrammen und Berechnungen in dieser verwandten ASE-Antwort . Solange die Schublinie mit der Flugbahn ausgerichtet ist und nicht nach oben oder unten geneigt ist, ist die Beziehung Auftrieb = Kosinus (Gewicht) "in die Physik" eines stationären Steigens "eingebrannt", selbst wenn wir mit a fliegen hoher Anstellwinkel, der einen hohen Auftriebskoeffizienten und ein hohes L/D -Verhältnis ergibt . Solange der Schub mit der Flugbahn ausgerichtet ist, ist der Auftrieb bei einem stationären Steigflug geringer als das Gewicht.

Wenn relativ zur Richtung der Flugbahn ein Abwärts- oder Auftrieb vorhanden ist , wird die Situation komplizierter. Abwärtsschub vergrößert den Auftriebsvektor und Aufwärtsschub verkleinert den Auftriebsvektor. Im Grenzfall, bei dem der Luftwiderstand Null ist, ist Auftrieb = Gewicht * Kosinus (Steigwinkel) + Schub * Sinus (Abwärtsschubwinkel), wobei der Abwärtsschubwinkel relativ zur Richtung der Flugbahn definiert ist. (Behandeln Sie Aufwärtsschub als negativen Abwärtsschub.) Wenn der Luftwiderstand nicht Null ist, gilt diese Formel nicht mehr. Wenn der Luftwiderstand nicht null ist und Abwärtsschub vorhanden ist, ist der Auftriebsvektor größer als der durch die obige Formel angegebene Wert, und wenn Aufwärtsschub vorhanden ist, ist der Auftriebsvektor kleiner als der durch die obige Formel angegebene Wert. In solchen Fällen können die genauen Werte der Auftriebs- und Widerstands- und Schubvektoren durch ein Vektordiagramm gefunden werden, wenn das L/D-Verhältnis und der Steigwinkel und der Abwärtsschub- oder Aufwärtsschubwinkel bekannt sind.

Wenn genügend Abwärtsschub vorhanden ist, ist der Auftrieb bei einem stationären Steigflug größer als das Gewicht. Wir können zeigen, dass im Grenzfall, in dem der Luftwiderstand Null ist, immer dann, wenn der Abwärtsschubwinkel relativ zur Richtung der Flugbahn den halben Steigwinkel überschreitet, der Auftrieb das Gewicht übersteigt. Wenn der Luftwiderstand nicht Null ist, wird der Abwärtsschubwinkel, der den Auftrieb gleich dem Gewicht macht, kleiner als der halbe Steigwinkel.

Der Karren des „Propellerzugs“ kann auf dem Flügel nur horizontal nach vorne schieben. Im Fall des "Propellerzugs" ist also, sobald der Flügel zu steigen beginnt , die Richtung der momentanen Flugbahn des Flügels nicht mehr parallel zur Schublinie, sodass ein Abwärtsschub vorhanden ist. Tatsächlich ist der Abwärtsschubwinkel immer genau gleich dem momentanen Steigwinkel des Flügels. Wenn also der Flügel des "Propellerzugs" steigt, muss der Auftrieb größer als das Gewicht sein, selbst im stationären Fall, in dem die Beschleunigung Null ist.

Die Vektordiagramme unmittelbar oben zeigen die Kräfte in einem stationären Steigflug für den Flügel des "Propellerzugs" auf der linken Seite und für ein herkömmliches Flugzeug (bei dem der Abwärtsschubwinkel bei dem gegebenen Anstellwinkel zufällig Null ist). zur Rechten.

Der Einfachheit halber beträgt das Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand in allen Fällen 3:1. Steigwinkel von 10 Grad und 30 Grad relativ zum Horizont sind sowohl für den "Propellerzug" als auch für das herkömmliche Flugzeug dargestellt. Die Diagramme sind im gleichen Maßstab gezeichnet – der Gewichtungsvektor ist in jedem Diagramm identisch. Die Größen der Fluggeschwindigkeitsvektoren werden proportional zur Quadratwurzel der Größe der Auftriebs- und Widerstandsvektoren skaliert.

Das Diagramm auf der rechten Seite sieht mit den "nicht verbundenen" Widerstandsvektoren vielleicht etwas seltsam aus, aber wenn Sie genau hinsehen, sehen Sie zwei geschlossene rechtwinklige Dreiecke, die jeweils aus Gewicht, Auftrieb und (Schub minus Widerstand) bestehen, mit Auftrieb = Gewicht * Kosinus (Steigwinkel) und (Schub minus Luftwiderstand) = Gewicht * Sinus (Steigwinkel).

(Nebenbei bemerkt, das rechte Diagramm kann leicht für jedes L/D-Verhältnis modifiziert werden, indem die rechten Enden der Drag- und Thrust-Vektoren gelöscht oder verlängert werden, wobei der Wert (Thrust-Drag) gleich bleibt. Das ist nicht so einfach das linke Diagramm für andere L/D-Verhältnisse zu modifizieren – das Diagramm muss komplett neu gezeichnet werden.)

Hier ist eine Tabelle der beteiligten Kräfte, wobei L / D auf 3: 1 festgelegt ist, das Gewicht willkürlich auf 100 eingestellt ist und die Fluggeschwindigkeit ("A") in willkürlichen Einheiten angegeben ist. Wir haben auch die erforderliche Leistung (P) aufgenommen. Da Leistung = Kraft * die Geschwindigkeitskomponente entlang der Richtung, in der die Kraft wirkt , wird die Leistung berechnet, indem Schub mal Fluggeschwindigkeit mal Kosinus des Abwärtsschubwinkels multipliziert wird.

(3/1 L/D)
             "Propeller Train"              "Conventional" Airplane       
Climb angle  L    D    T    A    P          L     D   D-T   T    A    P
      0      100  33   33   100  3300       100  33   0     33   100  3300
     10      115  38   69   107  7260       98   33   17    50   98   4920
     30      145  48   114  120  11900      87   29   50    79   93   7300

Es ist klar, dass dem Flügel des "Propellerzugs" mehr Kraft zugeführt werden muss, wenn der Flügel nach oben steigt, als wenn er es nicht tut, genau wie beim "konventionellen Flugzeug".

Nur zum Vergleich sind hier die Kräfte und Leistungsanforderungen, die sich aus einem L/D von 10/1 statt 3/1 ergeben – (die diesen Fällen entsprechenden Vektordiagramme sind hier nicht wiedergegeben) –

(10/1 L/D)
             "Propeller Train"             "Conventional" Airplane       
Climb angle  L    D    T    A    P          L     D   D-T   T    A    P
      0      100  10   10   100  1000       100  10   0     10   100  1000
     10      104  10   29   102  2890       98   9.8  17    27   99   2700
     30      125  12   75   112  7280       87   8.7  50    59   93   5460

Warnung – wir sollten nicht davon ausgehen, dass die 3/1 L/D-Tabelle und die 10/1 L/D-Tabelle beide dasselbe Flugzeug oder denselben Flügel mit zwei verschiedenen Anstellwinkeln widerspiegeln könnten. Wenn wir die Tabellen auf diese Weise verwenden wollen, müssen wir die Spalten „Airspeed“ und „Power“ ignorieren. Der Grund dafür ist, dass die Airspeed- und Power-Spalten für jede Tabelle willkürlich eingestellt sind, sodass ein Auftriebsvektor von 100 mit einer Airspeed von 100 korreliert. Attack und L/D-Verhältnis verringern wir auch den Auftriebskoeffizienten, was zu einer starken Erhöhung der Fluggeschwindigkeit führt, die sich nicht in den Tabellen widerspiegelt. Die "Fluggeschwindigkeit" und "Leistung"L/D-Verhältnis oder zum Vergleich der Fälle „Propellerzug“ und „herkömmliches Flugzeug“ bei gleichem L/D-Verhältnis und Steigwinkel unter der Annahme, dass der Auftriebskoeffizient in jedem Fall gleich ist.

Beachten Sie, dass der Anstellwinkel des Flügels des „Propellerzugs“ in Wirklichkeit nicht konstant bleiben kann, unabhängig von der Steiggeschwindigkeit – je höher der Steigflug, es sei denn, der Flügel des „Propellerzugs“ kann sich frei in der Neigung drehen Winkel, desto mehr kommt der "relative Wind" relativ zum Horizont von oben herunter. Dies verringert den Anstellwinkel des Flügels. Daher kann das L/D-Verhältnis mit zunehmendem Steigwinkel eigentlich nicht konstant bleiben. Sofern der Flügel nicht in einer sehr nasehohen Nicklage fixiert ist, so dass er im Wesentlichen blockiert, wenn er nicht steigt, werden höhere Steigwinkel mit niedrigeren Auftriebskoeffizienten und daher mit höheren Fluggeschwindigkeiten korreliert. Und solange wir uns auf der "Vorderseite" der Drag-Kurve befinden,niedrigere L/D-Verhältnisse. Beim „Propellerzug“ wird im stationären Zustand eine Abnahme des L/D-Verhältnisses nicht als Abnahme des Auftriebs, sondern eher als Zunahme des Luftwiderstands, des Schubs und des Auftriebs wiedergegeben. Dies lässt sich am besten visualisieren, indem Sie sich das linke Vektordiagramm ansehen und sehen, was sich sonst noch ändert, wenn wir die Länge des Drag-Vektors erhöhen, während wir den Steigwinkel konstant halten.

Im Wesentlichen geben die obigen Vektordiagramme und Tabellen einige Einblicke, wie sich der Abwärtsschubwinkel auf die auf den Flügel des „Propellerzugs“ wirkenden Kräfte auswirkt, und sie zeigen auch deutlich, dass der Flügel des „Propellerzugs“ mehr Schub und Leistung erfordert wenn es steigt, als wenn es nicht ist, aber sie beziehen sich am direktesten auf einen Flügel, der frei schwenken kann, um einen konstanten Anstellwinkel und ein konstantes L / D-Verhältnis unabhängig von der Rumpfneigungseinstellung aufrechtzuerhalten, analog zu den Linien des "Freiflügels". Konzept ( Link zum PDF ) (besserer Link erforderlich).

Eine weitere interessante Variante des "Propellerzug"-Konzepts wäre , oder ein sich drehender zylindrischer Flügel, der den "Magnus"-Effekt ( Link zu Wikipedia ) nutzt, in welchem ​​Fall die Größe der Auftriebs- und Widerstandsvektoren unempfindlich gegenüber der Richtung des relativen Windes wäre.

Welche Erkenntnisse gibt uns der „Propellerzug“ über den Flug in einem konventionellen Flugzeug? Es sagt uns, dass es möglich ist , in einen Steigflug einzusteigen, ohne sich überhaupt aufzurichten, so dass die Nicklage des Flugzeugs dieselbe bleibt wie im Horizontalflug, aber in den meisten Fällen ist dies äußerst ineffizient. WennWir fliegen anfangs sehr langsam, auf der "Rückseite der Widerstandskurve", mit einem sehr hohen Anstellwinkel und einer nasehohen Nicklage. Das Hinzufügen von Leistung bei konstanter Nicklage führt tatsächlich dazu, dass wir an Fluggeschwindigkeit gewinnen und fang an zu klettern. In diesem Teil des Flugbereichs funktioniert diese Strategie gut. Wenn wir uns jedoch in so etwas wie einem normalen Reiseflug befinden, werden wir feststellen, dass das Hinzufügen von Leistung bei konstant gehaltener Nicklage nur eine sehr bescheidene Steigrate und einen sehr bescheidenen Steigwinkel erzeugen kann. Wenn wir in den Steigflug einsteigen, um zu verhindern, dass sich das Flugzeug aufrichtet, um den gleichen Anstellwinkel wie im Horizontalflug beizubehalten, halten wir den Druck auf den Steuerknüppel oder das Steuerhorn nach vorne, um den Anstellwinkel zu verringern. oder wir trimmen das Flugzeug neu, um dasselbe zu erreichen. Es sei denn, wir sind auf der "Aufwärtsschub relativ zur Flugbahn, wenn es horizontal geflogen ist, führt jeder positive Steigwinkel zu Abwärtsschub relativ zur Richtung der Flugbahn. Wenn wir vom normalen Reiseflug auf der "Vorderseite" der Luftwiderstandskurve starten, arbeiten all diese Beziehungen gegen uns, und wir werden feststellen, dass es einer sehr großen Steigerung der Fluggeschwindigkeit, des Schubs und der Leistung bedarf, um einen sehr zu erreichen moderate Steiggeschwindigkeit und Steigwinkel.

Das Gedankenexperiment "Propellerzug" macht deutlich, warum wir normalerweise in einen Steigflug einsteigen, indem wir das Flugzeug aufstellen lassen, damit der Anstellwinkel nicht aufgrund der steigenden Flugbahn des Flugzeugs verringert wird und die Schublinie nicht nach unten zeigt relativ zur Flugbahn, unabhängig davon, ob wir den Anstellwinkel tatsächlich erhöhen oder nicht, wenn wir in den Steigflug eintreten.

Keine vom Propeller investierte Leistung geht in die potentielle Energie des Flügels ein; der Aufstieg des Flügels erfolgt rein per Auftrieb. Habe ich etwas verpasst?

Ja - mit dem "Propellerzug" leistet der Schub beim Anheben des Flügels sicherlich Arbeit entlang der Richtung der Flugbahn durch die Luftmasse, die niemals rein vertikal ist. Hier ist eine analoge Situation – stellen Sie sich einen Drachen vor, der an einem windigen Tag fliegt, mit einer Schnur in einem 45-Grad-Winkel. Stellen Sie sich vor, wir hätten einen leichten Ball, der an einem Haken baumeln kann, den wir über die Drachenschnur klemmen können. Die rein horizontale Kraft des Windes lässt den Ball die Drachenschnur hochlaufen. Der Wind verrichtet Arbeit, die die potentielle Energie des Balls erhöht, und der Propeller des "Propellerzugs" verrichtet Arbeit, die die potentielle Energie des Flügels erhöht.

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Gibt es Situationen, in denen ein hoher Auftrieb, aber ein niedriges Verhältnis von Auftrieb zu Widerstand vorteilhaft wäre? -- beinhaltet einen Fokus auf Auftriebs- und Luftwiderstandsbeiwerte sowie die eigentlichen Kraftvektoren im Steigflug

Wird für einen Aufstieg übermäßiger Auftrieb oder übermäßige Kraft benötigt? -- untersucht die vorliegende Frage ausführlich, nicht beschränkt auf den stationären Zustand konstanter Steiggeschwindigkeit, und enthält eine modifizierte Version des Problems, bei der der Flügel des "Propellerzugs" frei schwenken kann, um einen konstanten Winkel von Attacke

Die andere Antwort (und die Grundvoraussetzung) sind irreführend. Die Luftfahrt ist ein sorgfältiges Gleichgewicht von fast allem, und Sie bekommen selten mehr von einem, ohne etwas von dem anderen zu verlieren.

Stellen Sie sich eine Rakete vor. Keine Flügel und somit kein Auftrieb. Meereshöhe, 0 m/s zum Orbit in 8 Minuten. Alles mit einer ziemlich lächerlichen Kraft.

Betrachten Sie nun ein Luftschiff. Auch keine Flügel, aber übermäßiger Auftrieb. Geht von alleine auf. Die Motoren dienen nur zum Manövrieren, wenn Sie sie entfernen, nennen wir das Ding normalerweise einen Ballon.

Eines der lächerlichsten Dinge, die ich je gehört habe, war ein Fluglehrer, der behauptete, dass der Gashebel die Höhe und das Höhenruder die Geschwindigkeit regelt. Ich rief Complete BS wegen der Aussage an und fragte, ob er, wenn er auf einen Cumulo-Granitus zufliegen würde, es vorziehen würde, mehr Leistung zu geben oder die Steuerung ziemlich scharf zurückzuziehen?

Was er zu vermitteln versuchte, war, dass in dem extrem engen Regime des geraden und waagerechten Flugs * die Anpassung der Leistung die Geschwindigkeit beeinflusst, die sich auf den Auftrieb auswirkt, und das Flugzeug sich nach einer Leistungsanpassung schließlich auf einer anderen Höhe stabilisiert. Die Anpassung der Neigung ändert Ihre Geschwindigkeit fast sofort, aber auch Ihre Höhe ändert sich. Sie könnten eine Demonstration der gleichzeitigen Einstellung von Leistung und Tonhöhe arrangieren, ohne dass sich sonst etwas ändert, aber das beweist im Grunde meinen Standpunkt. Wenn Sie langsamer werden wollen (z. B. bei der Landung), lassen Sie das Gas auf Vollgas und ziehen den Steuerknüppel ganz nach hinten? Natürlich nicht. Es ist ein sehr heikles Gleichgewicht, und Piloten verbringen viel Zeit damit, es zu lernen. Oder wenn Sie für bestimmte asiatische Fluggesellschaften arbeiten, haben Sie nur einige sehr teure Computer, die das für Sie erledigen.

• Ja, wir verbringen viel Zeit damit, aber bedenken Sie, wie genau Sie sein müssen. Ein unkorrigierter Bruchteil eines Grads in irgendeiner Achse führt zu einem Absturz, bevor Ihnen der Kraftstoff ausgeht.