Zatížení křídla - Wing loading

Monarch motýl má velmi nízký 0,168 kg / m ² plošné zatížení

North American X-15 má vysokou 829 kg / m ² maximální plošné zatížení

V aerodynamice , plošné zatížení je celková hmotnost letadla nebo létající zvíře děleno oblasti jeho křídla. Zhasnutí motoru rychlost letadla v přímém, vodorovném letu je částečně dána jeho plošné zatížení. Letadlo nebo zvíře s nízkým zatížením křídel má ve srovnání s hmotností větší plochu křídel ve srovnání s letadlem s vysokým zatížením křídel.

Čím rychleji letadlo letí, tím větší vztlak může vyprodukovat každá jednotka plochy křídla, takže menší křídlo unese stejnou hmotnost při vodorovném letu. V důsledku toho mají rychlejší letadla obecně vyšší zatížení křídel než pomalejší letadla. Toto zvýšené zatížení křídel také zvyšuje vzletové a přistávací vzdálenosti. Vyšší zatížení křídla také snižuje manévrovatelnost. Stejná omezení platí pro okřídlené biologické organismy.

Rozsah zatížení křídel

Vliv na výkon

Zatížení křídla je užitečným měřítkem pádové rychlosti letadla. Křídla generují vztlak v důsledku pohybu vzduchu kolem křídla. Větší křídla pohybují více vzduchu, takže letadlo s velkou plochou křídla vzhledem k jeho hmotnosti (tj. S nízkým zatížením křídla) bude mít nižší pádovou rychlost. Proto bude letadlo s nižším zatížením křídla schopno vzlétnout a přistát nižší rychlostí (nebo bude moci vzlétnout s větším zatížením). Bude také schopen otáčet se rychleji.

Vliv na rychlost vzletu a přistání

Zvedací síla L na křídle oblasti A , pohybující se skutečnou rychlostí v, je dána vztahem

kde ρ je hustota vzduchu a C _L je koeficient vztlaku . Koeficient zdvihu je bezrozměrné číslo, které závisí na profilu průřezu křídla a úhlu náběhu . Při vzletu nebo v ustáleném letu nejsou stoupání ani potápění stejné, síla zdvihu a hmotnost jsou stejné. S L / A = Mg / A = W _S g , kde M je hmotnost letadla, W _S = M / A zatížení křídla (v jednotkách hmotnosti / plochy, tj. Lb / ft ² nebo kg / m ² , ne síla / oblast) a g zrychlení v důsledku gravitace, že rovnice dává rychlost v přes

${\ displaystyle \ textstyle v ^ {2} = {\ frac {2gW_ {S}} {\ rho C_ {L}}}}$ .

V důsledku toho budou mít letadla se stejnou C _L při vzletu za stejných atmosférických podmínek vzletovou rychlost úměrnou . Pokud se tedy plocha křídel letadla zvětší o 10% a nic jiného se nezmění, rychlost vzletu poklesne asi o 5%. Podobně, pokud letadlo navržené ke vzletu rychlostí 150 mph vzroste během vývoje o 40%, jeho vzletová rychlost se zvýší na = 177 mph. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {W_ {S}}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle 150 {\ sqrt {1.4}}}$

Někteří letci spoléhají na svou svalovou sílu, aby získali rychlost pro vzlet nad pevninou nebo vodou. Před vzletem musí být pozemní hnízdění a vodní ptáci schopni běžet nebo pádlovat při své vzletové rychlosti. To samé platí pro pilota rogala, i když mu může pomoci sjezd z kopce. Pro všechny tyto je nízký W _S kritický, zatímco pěvci a ptáci žijící na útesu se mohou dostat do vzduchu s vyšším zatížením křídla.

Vliv na výkon soustružení

Chcete-li, musí letadlo vrátit ve směru tahu, čímž se zvyšuje letadla náklonu . Otáčení letu snižuje komponentu vztlaku křídla proti gravitaci, a proto způsobuje sestup. Pro kompenzaci musí být zvedací síla zvýšena zvýšením úhlu náběhu pomocí vychýlení zvedacího zařízení nahoru, které zvyšuje odpor. Otáčení lze popsat jako „lezení po kruhu“ (zvedání křídla je odkloněno k otáčení letadla), takže zvětšení úhlu náběhu křídla vytváří ještě větší odpor. Čím těsnější byl poloměr otáčení , tím větší bylo vyvolání odporu; to vyžaduje přidání síly (tahu) k překonání odporu. Maximální rychlost otáčení možná pro danou konstrukci letadla je omezena velikostí křídla a dostupným výkonem motoru: maximální otáčka, kterou může letadlo dosáhnout a udržet, je jeho trvalý výkon otáčení . Jak se úhel náklonu zvětšuje, zvyšuje se také síla g působící na letadlo, což má za následek zvýšení zatížení křídla a také pádovou rychlost . Tento efekt je také zkušený během úrovni nadhazování manévrů.

Faktor zatížení se mění s nadmořskou výškou 50 nebo 100 lb / sq ft

Jelikož zhasnutí je způsobeno zatížením křídla a maximálním koeficientem vztlaku v dané nadmořské výšce a rychlosti, omezuje to poloměr otáčení kvůli maximálnímu zatížení . Při koeficientu zdvihu 0,85 Mach a 0,7 může zatížení křídla 240 kg / m ² 50 lb / sq ft dosáhnout konstrukční mez 7,33 g až 4 600 m a poté se sníží na 2,3 g při 40 000 stopách ( 12 000 m). Při zatížení křídla 490 kg / m ² je faktor zatížení dvakrát menší a sotva dosáhne 1 g při 40 000 stopách.

Letadla s nízkým zatížením křídel mají tendenci mít vynikající trvalý výkon v zatáčkách, protože mohou generovat větší vztlak pro dané množství tahu motoru. Okamžitý úhel náklonu, který může letadlo dosáhnout, než se vážně odvrhne rychlost letu, je známý jako jeho okamžitý obratový výkon . Letadlo s malým, vysoce naloženým křídlem může mít vynikající okamžitý výkon v zatáčce, ale špatný trvalý výkon v zatáčce: reaguje rychle na řídicí vstup, ale jeho schopnost udržet těsnou zatáčku je omezená. Klasickým příkladem je F-104 Starfighter , který má velmi malý křídlo a vysokou 723 kg / m ² (148 lb / sq ft) plošné zatížení.

Na opačném konci spektra byl velký Convair B-36 : jeho velká křídla vyústila v nízké zatížení křídla 269 ​​kg / m ² (55 lb / sq ft), které by mu umožňovalo udržovat těsnější zatáčky ve vysoké nadmořské výšce než současné proudové stíhačky , zatímco o něco později měl Hawker Hunter podobné zatížení křídla 344 kg / m ² (70 lb / sq ft). Boeing 367-80 letadlo prototyp by mohl být za tepla při nízkých výškách s plošné zatížení 387 kg / m ² (79 lb / sq ft) při maximální hmotnosti.

Jako každé těleso v kruhovém pohybu , letadlo, které je dostatečně rychlé a silné na to, aby udrželo vodorovný let rychlostí v v kruhu o poloměru R, zrychluje směrem ke středu v . Toto zrychlení je způsobeno dovnitř vodorovnou složkou výtahu , kde je úhel náklonu. Pak z druhého Newtonova zákona , ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ frac {v ^ {2}} {R}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle Lsin \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

${\ displaystyle \ textstyle {\ frac {Mv ^ {2}} {R}} = L \ sin \ theta = {\ frac {1} {2}} v ^ {2} \ rho C_ {L} A \ sin \ theta.}$

Řešení pro R dává

${\ displaystyle \ textstyle R = {\ frac {2Ws} {\ rho C_ {L} \ sin \ theta}}.}$

Čím menší je zatížení křídla, tím těsnější je zatáčka.

Kluzáky určené k využívání termiky potřebují malý poloměr otáčení, aby zůstaly ve stoupajícím vzduchovém sloupci, a totéž platí pro stoupající ptáky. Vysokou manévrovatelnost potřebují i ​​ostatní ptáci, například ti, kteří chytají hmyz na křídle. Všichni potřebují nízké zatížení křídel.

Vliv na stabilitu

Zatížení křídla také ovlivňuje odezvu poryvu , do jaké míry je letadlo ovlivněno turbulencí a změnami hustoty vzduchu. Malé křídlo má menší plochu, na kterou může poryv působit, což slouží k ulehčení jízdy. Pro vysokorychlostní let na nízké úrovni (například rychlý bombardovací let na nízké úrovni v útočném letadle ) se dává přednost malému, tenkému a vysoce naloženému křídlu: letadla s nízkým zatížením křídla často podléhají drsnému a trestajícímu jezdit v tomto letovém režimu. F-15E Strike Eagle má plošné zatížení 650 kg na čtvereční metr (130 lb / sq ft) (s výjimkou trup příspěvky k efektivní plochy), zatímco většina trojúhelníkového křídla letadla (jako Dassault Mirage III , pro které W _S = 387 kg / m ² ) mívají velká křídla a nízké zatížení křídel.

Kvantitativně, pokud poryv produkuje vzestupný tlak G ( řekněme v N / m ² ) na letadle o hmotnosti M , zrychlení vzestupu a vůle, podle Newtonova druhého zákona, bude dáno

${\ displaystyle \ textstyle a = {\ frac {GA} {M}} = {\ frac {G} {W_ {S}}}}$ ,

klesá s zatížením křídla.

Dopad vývoje

Další komplikací zatížení křídla je, že je obtížné podstatně změnit plochu křídla stávající konstrukce letadla (i když jsou možná mírná vylepšení). Jak jsou letadla vyvíjena, jsou náchylná k „ nárůstu hmotnosti “ - přidání vybavení a funkcí, které podstatně zvyšují provozní hmotnost letadla. Letadlo, jehož křídlové zatížení je ve své původní konstrukci mírné, může po přidání nového vybavení skončit s velmi vysokým křídlovým zatížením. Přestože lze motory vyměnit nebo upgradovat pro další tah, nejsou účinky na zatáčení a vzlet vyplývající z vyššího zatížení křídla tak snadno sladěny.

Použití vodní zátěže v kluzácích

Moderní kluzáky často používají vodní zátěž nesenou v křídlech, aby zvýšily zatížení křídel, když jsou prudké podmínky prudkého stoupání . Zvýšením zatížení křídla lze zvýšit průměrnou rychlost dosaženou v celé zemi, aby bylo možné využít silných podmínek. Při vyšším zatížení křídel je daného poměru vztlak / odpor dosaženo při vyšší rychlosti letu než při nižším zatížení křídel, což umožňuje rychlejší průměrnou rychlost v celé zemi. Předřadník může být vyhozen přes palubu, když se podmínky oslabí nebo před přistáním.

Úvahy o návrhu

Výtah trupu

F-15E Strike Eagle má velké relativně lehce naložené křídlo

Kombinovaný design trupu křídla, jako je tomu u General Dynamics F-16 Fighting Falcon nebo Mikoyan MiG-29 Fulcrum, pomáhá snížit zatížení křídla; v takové konstrukci generuje trup aerodynamický vztlak, čímž zlepšuje zatížení křídel při zachování vysokého výkonu.

Křídlo s variabilním zametáním

Letadla jako Grumman F-14 Tomcat a Panavia Tornado používají křídla s variabilním zametáním . Protože se jejich plocha křídel za letu mění, mění se i zatížení křídel (i když to není jediná výhoda). Když je křídlo v přední poloze, vzlet a přistávací výkon se výrazně zlepšily.

Fowlerovy klapky

Stejně jako všechny klapky letadel, Fowlerovy klapky zvyšují odklon a tím pádem C _L , čímž snižují přistávací rychlost. Rovněž zvyšují plochu křídel a snižují zatížení křídel, což dále snižuje přistávací rychlost.

Viz také

• Načítání disku
• Koeficient zdvihu

Reference

Poznámky

Bibliografie

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Výkon a design letadla . Cambridge: WCB / McGraw-Hill. ISBN   0-07-116010-8 .
• Spick, Mike (1986). Jet Fighter Performance - Korea do Vietnamu . Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN   0-7110-1582-1 .

Poznámky

externí odkazy

• Laurence K. Loftin, Jr. (1985). „Kapitola 7: Trendy designu - pádová rychlost, zatížení křídla a maximální koeficient zdvihu“. Quest for Performance - The Evolution of Modern Aircraft . Vědecké a technické informační oddělení NASA.
• Earl L. Poole (1938). „Váhy a plochy křídel u severoamerických ptáků“ (PDF) . Auk .