زاویه فلپ ها به یک مقدار خاص محدود می شود. در بیشتر هواپیماهایی که من دیده ام حدود 30 تا 40 درجه است.
اما چه اتفاقی می افتد که آنها حتی بیشتر تمدید شوند؟ 50 درجه، 80 درجه، 90 درجه، ... همچنین بگوییم به دلیل بار زیاد روی آنها نمی شکنند. من فقط می خواهم از نظر تئوری بدانم. چه اتفاقی برای هواپیما خواهد افتاد؟
کشش افزایش می یابد؟
در کدام نقطه هواپیما به دلیل تغییر شکل شدید بال، ارتفاع خود را از دست می دهد؟
در مورد لت ها چطور؟
آیا هواپیمایی وجود دارد که از زاویه فلپ بالاتر از حد معمول استفاده کند؟
نوع فلپ های نشان داده شده در سوال شما (بوئینگ 727، درست است؟) به دلیل شکاف های کوچک بین عناصر منفرد کار می کند. آنها به انرژی مجدد جریان کمک می کنند و اگر بیشتر اضافه شود، زاویه تندتری امکان پذیر خواهد بود. انحراف بیشتر فلپ‌ها بدون افزودن عناصر و شکاف‌های بیشتر، زمانی که بال در همان زاویه حمله قرار می‌گیرد منجر به جدا شدن جریان می‌شود.
وقتی فلپ‌های هواپیما را باز می‌کنید، سرعت توقف هواپیما را کاهش می‌دهید و در همان زمان، کشش را افزایش می‌دهید. هنگامی که بال شما دارای کامبر بالاتری است، ضریب لیفت بالاتری نیز دارد، به این معنی که می تواند در یک زاویه حمله مشخص، نیروی بلندتری ایجاد کند
این جداسازی بازیابی فشار به سمت لبه عقب را کاهش می دهد و مکش بیشتری را در قسمت های رو به عقب بال اضافه می کند، بنابراین جداسازی باعث افزایش کشش می شود. اما فلپ های منحرف شده نیز جریان سمت پایین بال را بیشتر مسدود می کند که باعث افزایش فشار موضعی و در نتیجه بالا رفتن می شود. با این حال، این افزایش لیفت اندک است و با افزایش درگ عظیم خریداری می شود، بنابراین افزایش زاویه انحراف فلپ مقرون به صرفه نیست.
توجه داشته باشید که افزایش زاویه حمله هنگام انحراف فلپ ها باعث افزایش تدریجی جداسازی جریان می شود که از لبه عقب شروع می شود و با افزایش زاویه حمله به جلو حرکت می کند. در حالی که جریان روی فلپ ها با سرعت نزدیک و زاویه حمله متصل می شود، در طول شعله ور شروع به جدا شدن می کند. افزایش درگ ناشی از این جداسازی در واقع مطلوب است زیرا به کاهش سرعت هواپیما کمک می کند.
فلپ‌های پیچیده‌تر از زوایای انحراف بالاتر و جداسازی جریانی که با آن همراه است، استفاده می‌کنند. به عنوان مثال SB-10 را در نظر بگیرید: در اینجا فلپ‌های کامبر داخلی را می‌توان برای فرود روی 70 درجه تنظیم کرد. این تنظیم بالاترین ضریب افزایش را ایجاد می کند، اما درگ بیش از حد است. با L/D بیش از 50، فرود SB-10 آسان نیست و کشش بالا کمک می کند!
یک فرود معمولی به این صورت عمل می کند: اول، مسیر با سرعت 90 کیلومتر در ساعت با تنظیم فلپ معمولی برای سرعت کم (+10 درجه) در یک لغزش که به مکانی بسیار فراتر از نقطه فرود مورد نظر اشاره می کند، انجام می شود. در ارتفاع 30 تا 50 متری، خلبان دماغه را به سمت بالا می کشد و سرعت هواپیما را تا 70 کیلومتر در ساعت کاهش می دهد، بنابراین فشار دینامیکی روی فلپ ها به اندازه ای کم است که آنها را تا 70 درجه منحرف می کند. سپس باید دماغه را به سرعت به سمت پایین فشار دهد تا گلایدر متوقف نشود و اکنون می تواند هواپیما را در نقطه ای روی زمین که شاید 50 متر جلوتر از نقطه فرود مورد نظر جلوتر باشد، نشانه بگیرد. فشار بیشتر به دلیل کشش زیاد فلپ ها (و ارابه فرود، همچنین ممکن است 50 درصد کشش گلایدر را با تنظیمات فلپ معمولی اضافه کند) سرعت را تا حدی افزایش می دهد. اکنون سرعت بین 90 تا 100 کیلومتر در ساعت خواهد بود و فلپ‌ها صدای سوت بلندی ایجاد می‌کنند - عالی برای هشدار به همه کسانی که در زمین هستند که SB-10 برای فرود آمدن است! در ارتفاع 5 متری، او باید یک شعله به موقع شروع کند، زیرا اکنون سرعت به سرعت کاهش می یابد و هواپیما بلافاصله بدون هیچ شناوری مستقر می شود. برای فرود در یک فضای محدود عالی است.
در زیر فلپ و ترمز سرعت ترکیبی را می بینید که در پشه گلاسفلوگل و مینی نیمباس Schempp-Hirth استفاده شده است. شکل 1 محدوده انحراف منظم را نشان می دهد، در حالی که شکل 3 پیکربندی رویکرد را نشان می دهد. توجه داشته باشید که بخش جلوتر از فلپ شروع به باز شدن می کند تا مانند یک اسپویلر عمل کند. در حالی که این کشش را افزایش می‌دهد، لیفت تأثیری نخواهد داشت. شکل 2 پیکربندی فرود را نشان می دهد که بالاترین بالابر و همچنین بیشترین درگ را ایجاد می کند.هواپیما متوقف خواهد شد.
در نقطه ای، کشش ایجاد شده توسط این "پانل ها" (اکنون بیشتر و بیشتر به صورت عمودی آویزان شده اند) از حداکثر نیروی رانش موتورها فراتر می رود. سرعت هوا به میزان قابل توجهی کاهش خواهد یافت. شما می توانید برای حفظ ارتفاع، زاویه حمله را افزایش دهید، که باعث کاهش بیشتر سرعت می شود و شما متوقف می شوید. یا می توانید برای حفظ سرعت به شدت پایین بیایید، اما مهم نیست - دیر یا زود به زمین خواهید خورد.
اگر موتورهایی دارید که قادر به تولید نیروی رانش کافی برای غلبه بر نیروی پسا هستند، بالی با نسبت بالابر به درگ ضعیف ایجاد کرده اید که صرفاً به سمت پایین نشان دادن موتور کارآمدتر از استفاده از بال است.
البته با فرض شکستن بال.
زاويه حمله پايين بخش بدون بال و حاوي هواپيماي بال بايد به ايلرون ها اجازه دهد بدون توقف بيشتر منحرف شوند.
اما این فقط به زاویه هندسی حمله نگاه می کند. با این حال، آنچه اهمیت دارد، زاویه حمله القایی است. از آنجایی که فلپ‌های بال داخلی بالابر بسیار بیشتری ایجاد می‌کنند، زاویه حمله القایی بسیار بالاتر از پیکربندی تمیز در همان زاویه هندسی حمله است. در نتیجه، بال بیرونی در زاویه حمله هندسی بسیار پایین‌تری متوقف می‌شود، و افزودن انحراف بادی به سمت پایین، بال بیرونی را تنها با زاویه متوسط متوقف می‌کند.
به این اضافه کنید که اسپویلرها برای ایجاد لحظه های غلتشی پس از باز شدن فلپ ها بسیار مؤثرتر هستند و از انحراف نامطلوب انحراف بالن به دلیل کشش زیادشان بر روی بال رو به پایین جلوگیری می کنند و اسپویلرها گزینه بسیار ایمن تری هستند. کنترل رول که ایلرون ها در پیکربندی فرود هستند.فلپ ها نمی ایستند، بلکه کل بال است که به آن وصل شده اند. Stall معمولاً به معنای جداسازی جریان است، اما فلپ هایی وجود دارند که با جداسازی جریان در محدوده عملکرد معمولی خود طراحی شده اند (برای مثال فلپ های تقسیم شده).
فلپ ها چمبر یک بال را طوری تغییر می دهند که در همان زاویه حمله، بالابر کم و بیش ایجاد می شود. بالابر بیشتر به معنای مکش بیشتر در سمت بالایی است، بنابراین بازیابی فشار در قسمت عقب بال باید تندتر باشد. همچنین، پیچ خوردگی سطح فلپ منحرف شده باعث ایجاد یک نوک مکش دیگر و به دنبال آن افزایش فشار به همان اندازه تند می شود. اکنون باید بدانید که هر افزایش فشار فشار زیادی بر هوای کند شده در لایه مرزی وارد می کند. بیش از حد، و جریان جدا خواهد شد. به اندازه کافی جدایی و بال اصطبل.
به راحتی می توان فهمید که انحراف بیشتر فلپ به معنای استرس بیشتر بر لایه مرزی در همان زاویه حمله است. بنابراین، زاویه حمله بال با افزایش انحراف فلپ کاهش می یابد (به هر حال، خط مرجع بال که زاویه حمله از آن اندازه گیری می شود، با انحراف فلپ تغییر نمی کندبیایید به معادله بالابر نگاه کنیم:
بلند کردن = چگالی هوا x مساحت بال x ضریب بالابر x V2
ضریب ضریب لیفت را می توان به صورت نوع ایرفویل (کمبر) در یک AOA معین بیان کرد.
وقتی فلپ‌ها را پایین می‌آورید (برای آن قسمت از بال)، کمبر و AOA در واقع هر دو افزایش می‌یابند، اما... بال با آن سرعت نیروی بیشتری تولید می‌کند، که خلبان را تشویق می‌کند تا AOA را برای کل هواپیما پایین بیاورد. این یک حرکت خوب برای جلوگیری از انصراف است، اما ...
پایین آوردن فلپ ها همچنین باعث افزایش نیروی کشش می شود، بنابراین به طور کلی برای حفظ سرعت هوا به گاز بیشتری نیاز است.
اسلات ها در هنگام استقرار AOA را کاهش می دهند، اما کمبر را افزایش می دهند. می بینیم که قرار دادن فلپ ها در نزدیکی بدنه و لت ها در نزدیکی نوک بال ها یک ترکیب ایمنی عالی است.
هواپیماهای قبلی (و بسیاری از مدل ها) از "شستشوی بال" برای همین اثر استفاده می کردند. مزایای نوارها و فلپ‌های جمع‌شونده این است که: در سرعت‌های کروز بالاتر، «کشیدن آنها به داخل» باعث بهبود راندمان مصرف سوخت از کشش کمتر می‌شود.
افزایش AOA و AOA بحرانی؟
بهتر است بگوییم که فلپ ها به دلیل افزایش کمبر سرعت استال شما را کاهش می دهند (که نمی خواهید در ارتفاع کم نزدیک باشید). به عنوان مثال، هنگام سقط کردن روش فرود با فلپ، از وسوسه کشیدن بینی به سمت آسمان برای بالا رفتن اجتناب کنید. قدرت اضافه کنید. در تنظیمات فلپ‌های بالاتر، زاویه استال شما نسبت به افق ممکن است کمتر از فلپ‌های بالا باشد.
افزایش قابل توجهی در AOA بحرانی را می توان با شکاف های لبه پیشرو داشت، اما دوباره با جریمه درگ قابل توجهی که نیاز به قدرت بیشتری دارد.
انچه من دیدم
تنظیمات فلپ تیک آف معمولا بین 5-15 درجه متفاوت است.
هواپیما از تنظیمات فلپ برخاست که معمولاً بین 5 تا 15 درجه است استفاده می کند (اکثر جت ها از نوارهای لبه جلو نیز استفاده می کنند). زمانی که هواپیما معمولاً از فلپ های 25 تا 40 درجه استفاده می کند، این مقدار کمی متفاوت از فرود است.
آیا بالها در ایجاد نیروی بالابر کارآمدتر هستند، در مقابل جهت گیری نیروی رانش موتور به سمت پایین؟
حفظ نیروی بالابر انرژی را صرف می کند زیرا هوا باید به طور مداوم به سمت پایین شتاب شود. در «بودجه انرژی» هواپیما، این هزینه انرژی به صورت درگ اضافی ناشی از بال ظاهر می شود که باید با رانش اضافی موتور جبران شود.
بنابراین به نظر من قدرت لازم برای نگه داشتن یک هواپیما در ارتفاع ثابت با استفاده از بال دقیقاً برابر با قدرتی است که اگر "به سادگی" به جای بال از یک فن رو به پایین استفاده کنیم، لازم است.
با L/D برابر با وحدت، شما به همان نیروی رانش نیاز دارید که برای برخاستن عمودی. اما حتی هواپیماهای بال ثابت کاملاً «بد» نیز دارای L/D حدود 5 خواهند بود. گلایدرها یا هواپیماهای مشابهی که با تمرکز قوی بر روی آیرودینامیک ساخته می شوند، می توانند L/D 50 یا بیشتر داشته باشند (حداقل در محدوده محدودی از سرعت های هوایی).
بنابراین بله، بال ها کارآمدتر هستند. حدود یک مرتبه بزرگی به عنوان یک قانون سرانگشتی برای هواپیماهای معمولی و سرعت مطلوب هوا.
توضیح اینکه چرا استدلال شما با فشار هوا به پایین نادرست است، دشوارتر است. من با این فرض شروع می کنم که با عبور هوا از ایرفویل، سرعت آن نسبت به ایرفویل تغییر نمی کند و فقط جهت آن تغییر می کند. (من می دانم که هوا حداقل به دلیل اصطکاک و غیره کند می شود، اما اینها، حداقل از نظر تئوری، موارد قابل اجتنابی هستند که مستقیماً به ایجاد بالابر مربوط نمی شوند. اگر چیزی ذاتاً مرتبط با بالابر باشد که باعث می شود جریان هوا نه تنها جهت، بلکه سرعت را نیز تغییر دهد. ، سپس کسی امیدوارم اینجا مرا تصحیح کند.) تغییر سرعت روی یک ایرفویل
تصویر را ببینید. حرکت توده هوا در ابتدا به سمت ایرفویل با سرعت $\vec{v_0}$
با زاویه $\alpha$ به پایین منحرف می شود
. بنابراین تغییر در سرعت $\vec{\Delta v}$ است
. این تغییر را می توان به اجزای افقی و عمودی تقسیم کرد. برای نگه داشتن هواپیما در هوا، جزء عمودی باید معادل وزن هواپیما تقسیم بر نرخ جریان جرمی روی بال باشد. جزء عمودی با افقی توسط مرتبط است
$\Delta v_{\rm horiz}=\Delta v_{\rm vert} \cdot \tan{\alpha\over 2}.$بنابراین، از این دیدگاه ساده، درگ $\tan\alpha/2$خواهد بود
برابر آسانسور سرعت جریان جرمی بالاتر بر روی بال (بالهای بلندتر، سرعت هوای بیشتر) امکان حفظ همان بالابر با انحراف کمتر را فراهم می کند $\alpha$، بنابراین به دلیل بالابر ایجاد شده، کشش کمتری دارد.
توضیحات تکمیلی: ارتباط آن با قدرت و انرژی چگونه است
پاسخ بالا بر این متمرکز است که چگونه بال ها نیروی رانش لازم موتور را کاهش می دهند، اما سوال اصلی را می توان از نظر بازده انرژی نیز تفسیر کرد. سعی می کنم نظراتی در مورد این قسمت اضافه کنم.
مثال ساده - موتور موشک: برای هواپیما خیلی معمولی نیست، اما ساده است. موشک مقدار سوخت یکسانی را در هر ثانیه مصرف می‌کند تا بدون توجه به اندازه آن و صرف نظر از اینکه به سمت بالا (و نسبت به هوا ساکن است) باشد یا به سمت جلو (و در هوا حرکت می‌کند) واحدی از ترش تولید کند. برای ایجاد نیروی رانش بیشتر باید در هر ثانیه سوخت بیشتری بسوزانید. بنابراین، برای پیشرانه موشک، با کاهش نیروی رانش لازم، به همان نسبت در مصرف سوخت صرفه جویی خواهید کرد.
موتورهای پروانه یا جت پیچیده تر هستند زیرا رانش و مصرف سوخت آنها به حرکت موتور در هوا نیز بستگی دارد. همانطور که دیوید کی در پاسخ خود اشاره کرد، ما می توانیم از تکانه و انرژی جنبشی هوای شتاب گرفته برای بدست آوردن توان مورد نیاز برای واحد رانش استفاده کنیم.
با برخی ساده‌سازی‌ها، رانش سرعت جریان جرمی از طریق موتور/پایه است که در تغییر سرعت جریان ایجاد می‌شود. $T = \dot m \cdot (v_{\rm out} - v_{\rm in}) = \dot m \Delta v$
. توان مورد نیاز برای این کا$P = \dot m \cdot {1\over2}(v_{\rm out}^2 - v_{\rm in}^2)=\dot m\Delta v\cdot(v_{\rm in} + {\Delta v\over 2})$) است.
. بدین ترتیب
${P\over T}=v_{\rm in} + {\Delta v\over 2}\,.$همانطور که در بالا نشان داده شده است، برای ثابت ماندن موتور در برابر گرانش، نیروی رانش بالاتر در مقایسه با هواپیمای بال ثابت در حال پرواز مورد نیاز است. اگر با افزایش سرعت جریان جرمی از طریق موتور (مانند ساخت روتور هلیکوپتر یا استفاده از چندین موتور) "فریب" نکنیم، $\Delta v$
برای دستیابی به نیروی مورد نیاز باید افزایش یابد. بنابراین شما نه تنها به دلیل افزایش نیروی رانش، بلکه به دلیل افزایش وات در واحد رانش نیز به قدرت بیشتری نیاز دارید. توجه داشته باشید که حتی "تقلب هلیکوپتر" هم خیلی خوب کار نمی کند. برای مطابقت با مصرف انرژی موتوری که نیروی رانش کمتری را به لطف$ L/D $بال ایجاد می کند، باید P/T را نیز با کاهش $\Delta v$ بهبود بخشید.
، بنابراین جریان جرمی افزایش می یابد (شعاع روتور / پروانه حتی بیشتر از متناسب با افزایش رانش).
در مورد کاهش $P/T $به دلیل حرکت در هوا چطور؟ خوب، این به موتور خاص و $\Delta v$ آن بستگی دارد
. معمولاً به ترتیبی مشابه سرعت هوا (یا حتی کمتر) خواهد بود، بنابراین نمی‌توانیم از$v_{\rm in}$ غافل شویم.
در معادله وات بر رانش بالا. زمانی که موتور روی هواپیمای در حال حرکت کار می کند جریمه کارایی وجود دارد. اما باید همچنان ارزش آن را داشته باشد زیرا سود حاصل از بالابر بیشتر است.
یک مثال ساده: ما موتوری داریم که می تواند نیروی رانش کافی برای بلند کردن هواپیما به صورت عمودی تولید کند. با تغییر$\Delta v$ می توان آن را مهار کرد
بدون هیچ مشکل عملی یا تغییر در کارایی داخلی آن. و بیایید فرض کنیم که سرعت جریان جرمی از طریق آن سطح ثابت S است
ضرب در چگالی هوا و ضرب در میانگین حسابی سرعت هوای ورودی و خروجی. برای هواپیمای معلق و موتور ثابت که نیروی رانش برابر با وزن هواپیما تولید می کند، w
این است
$w=\dot m \Delta v_{\rm hover} = \rho S \Delta v_{\rm hover}^2 / 2\,;\quad \Delta v_{\rm hover}=\sqrt{2 w \over \rho S}$و بنابراین
$P_{\rm hover}=w\cdot \Delta v_{\rm hover}/2=\sqrt{w^3\over 2\rho S}\,.$همان هواپیمایی که روی بال هایش پرواز می کند فقط به $w\over L/D$ نیاز دارد
رانش
سرعت هوا$v_{\rm air}$ متغیر است
. معادله رانش: ${w\over L/D} = \dot m \Delta v_{\rm flight} = \rho S \cdot (v_{\rm air}+{\Delta v_{\rm flight} \over 2}) \cdot \Delta v_{\rm flight}$
. بدین ترتیب
$\Delta v_{\rm flight}=\sqrt{{2w\over(L/D)\rho S}+v_{\rm air}^2}-v_{\rm air}$و
$P_{\rm flight}={w\over L/D}\cdot(\sqrt{{w\over 2(L/D)\rho S}+{v_{\rm air}^2\over 4}}+{v_{\rm air}\over 2})\,.$متأسفانه، من هیچ راهی برای ساده سازی و مقایسه$P_{\rm hover}$و$P_{\rm flight}$نمی بینم
بنابراین تعدادی اعداد مشخص:
هواپیمای سبک$S = 5\,\rm m^2$و$L/D = 15$و$P_{\rm hover} = 290\,\rm kW$و$P_{\rm flight} = 35\,\rm kW$ Light aircraft, 1 ton, 100 knots
Heavy aircraft, 100 ton, 200 knots,
$S = 50\,\rm m^2$و$L/D = 15$و$P_{\rm hover} = 90\,\rm MW$و$P_{\rm hover} = 90\,\rm MW$و$P_{\rm flight} = 7\,\rm MW$
.بنابراین، بر اساس این ساده‌سازی‌ها، پرواز با بال‌هایی با موتور مشابه باید از نظر انرژی نیز کارآمدتر باشد. و علاوه بر این، شما در حال حاضر با استفاده از Power$P_{\rm flight}$ در حال حرکت به جلو هستید
. برای موتور عمودی قدرت اضافی برای غلبه بر کشش هوا به دلیل حرکت ضروری است.
با توجه به مصرف انرژی و توان، برای مقدار معینی از نیرویی که قرار است با شتاب دادن به یک توده هوا تولید شود، هنگامی که یک توده هوای کوچک را در هر دوره زمانی شتاب می دهید، نسبت به زمانی که به یک توده هوای بزرگ شتاب می دهید، به نیروی بیشتری نیاز است. این به این دلیل است که نیرو با تغییر تکانه جرم هوا متناسب است، در حالی که نیرو متناسب با تغییر انرژی جنبشی است. و در حالی که تکانه mv است،
موتور هواپیمای معمولی بسته های نسبتاً کوچکی از هوا را گرفته و با سرعت بالا به عقب می راند. یک پروانه بزرگ، یا یک توربوفن بای پس بالا با ورودی بزرگ، بهتر از یک ملخ کوچک یا یک توربوجت با ورودی کوچک است. اما بال یک هواپیمای معمولی در طول هر واحد زمان، یک بسته بسیار بزرگ‌تر از هوا را نسبت به موتورهای آن جذب می‌کند. هواپیما با هل دادن بال به سمت جلو در هوا، تولید نیروی نسبتاً ناکارآمد توسط موتورهای خود (گرفتن بسته های کوچک هوا از جلوی هواپیما و شتاب دادن سریع آنها به سمت عقب) را به تولید نیرو بسیار کارآمدتر توسط بال های خود تبدیل می کند. (گرفتن بسته های بزرگ هوا از بالای هواپیما و شتاب نسبتاً آهسته به سمت پایین).
صرف چرخاندن موتور معمولی (جت یا پروانه) یک هواپیمای معمولی به سمت پایین، به هواپیما اجازه نمی‌دهد تا زمانی که هواپیما در حال پرواز عادی است، به اندازه بال هوا به سمت پایین شتاب دهد.
در هلیکوپتر (همچنین به عنوان "هواپیمای بال چرخشی" شناخته می شود) موتور بال را می چرخاند (معروف به روتور)، در نتیجه آن را از طریق هوا فشار می دهد و هوای بالای هواپیما را به سمت پایین شتاب می دهد، چه بدنه از طریق توده هوا به سمت جلو حرکت کند یا نه. یک هلیکوپتر می تواند آنجا باشدقبل از برخاستن به صورت عمودی با یک نیروگاه نسبتاً کوچک در مقایسه با آنچه که برای بلند شدن عمودی با موتورهای معمولی هواپیمای بال ثابت نیاز دارید. اگراگر روتور هلیکوپتر را به عنوان یک "پنکه رو به پایین" در نظر بگیرید، در واقع به خوبی کار می کند.
موتورها (مثلاً موتورهای پیستونی) بالابر را فراهم نمی کنند. موتورها بال ها را به حرکت در می آورند. هر تیغه پروانه یک بال است. هر بال (در اندازه یکسان، ایرفویل، زاویه حمله، سرعت نسبی، ارتفاع) مقدار یکسانی را فراهم می کند.
هر دو دستگاه زیر یک بالابر را ارائه می دهند، یکی مستقیم به جلو پرواز می کند، دیگری در دایره پرواز می کند. یکی هواپیما و دیگری پروانه است. نشان دادن نیروی رانش موتور به سمت پایین = جهت پرواز پره ها به صورت افقی. امیدوارم این کمک کند.
