Grundläggande aerodynamik, del 2

Transkript

1 Grundläggande aerodynamik, del 2 Mer om vingprofiler Kort om flygplanets anatomi Lyftkraft/lyftkraftskoefficienten, C L Alternativa metoder för lyftkraftsalstring Vingar 1 Vingprofiler Välvd/tjock profil Ex: Cessna 172, Piper PA-28 Fördelar: Goda stallegenskaper Nackdelar: Ger stort motstånd 2 1

2 Vingprofiler, forts. Symmetrisk profil Mer manöverduglig Stabilisator/rotorblad Tunn profil Hög fart Dåliga stallegenskaper 3 Vingprofiler, forts. Nomenklatur vingprofil Vinkeln mellan korda och relativa luftströmmen kallas för anfallsvinkel Angle of Attack, och brukar anges med α (alfa) Vinkeln mellan korda och flygplanets längdaxel kallas angle of incidence (inställningsvinkel) 4 2

3 Flygplanets anatomi Konventionellt flygplan Vingarna genererar lyftkraft, motorerna genererar dragkraft Flygkroppen ger utrymme för last (pax, gods, vapen mm.) Stjärtsektionen utgörs av stabilisator och fena; sörjer för stabilitet och styrning (styrning även från skevrodren på vingarna) Stabilisatorn balanserar ut momentet mellan L och W 5 Flygplanets anatomi, forts. Alternativa konfigurationer: Nosvinge/canard Nosvingen ger lyftkraft + styrning Sämre stallegenskaper Ex: JAS, Viggen, Wright Flyer etc. 6 3

4 Flygplanets anatomi, forts. Alternativa konfigurationer: Deltavinge Använder elevons för styrning Högfartsflygning Ex: Draken, Concorde etc. 7 Lyftkraft/lyftkraftskoefficienten, C L Det vanligaste sättet att uttrycka lyftkraft på är: 2 L = 1 ρv SC L (ekv. 5.17) 2 Som säger: Lyftkraften styrs av luftens densitet, flyghastighet, vingarean (S) och en faktor som kallas för C L Säger även: Lyftkraften är direkt proportionell mot det dynamiska trycket, och därmed även hastigheten Faktorn C L kan ses som ett mått på hur effektiv en vinge är på att generera lyftkraft 8 4

5 Lyftkraft/C L, forts. C L är en funktion av anfallsvinkel, Mach-talet och Reynolds tal, dvs. C L = f ( α, M, Re) Påverkas huvudsakligen av vingens geometri vingprofil och utformning Hela den komplicerade strömningen kring vingen är inbakad i koefficienten (fås fram genom tester, beräkningar) Teoretiskt sett kan C L användas för att testa modell i vindtunnel och sedan tillämpa resultaten mot en fullskalig modell dock problem med kompressibilitet och viskositet mellan modell och fullskala 9 Lyftkraft/C L, forts. En vingprofils lyftkraftsegenskaper brukar illustreras grafiskt med en C L -kurva Kurvan anger hur lyftkraften varierar mot ändrad anfallsvinkel Enl. fig: C L proportionell mot α Visar även skillnaden mellan en välvd och en symmetrisk profil Not: Lutningen är densamma C L ökar linjärt upp till ett visst värde där det händer något Vingen stallar 10 5

6 Lyftkraft/C L, forts. Ekv. för lyftkraft visar hur C L varierar med olika flygtillstånd Vid planflykt (jämvikt) är L = W Flyger jag med hög hastighet behövs ett mindre värde på C L Vid hög hastighet är det dynamiska trycket högt och står för den största lyftkraften C L är direkt kopplat mot anfallsvinkeln Ger att vid hög fart krävs en mindre anfallsvinkel och vice versa 11 Lyftkraft/C L, forts. För små flygplan är hastighetsintervallet litet ingen större ändring av anfallsvinkel Större flygplan kan ha marschhastighet som är 3-4 ggr större än landningshastighet De har även mindre välvda vingar optimerade för cruise Vid landning skulle dessa flygplan behöva en väldigt stor anfallsvinkel alt. väldigt hög landningshastighet Lösning: Förse flygplanet med höglyftsanordningar! Välvd vinge behöver mindre anfallsvinkel Öka lyftkraften genom ökad vingarea 12 6

7 Stall Enl. C L -kurvan ökar lyftkraftskoefficienten proportionellt mot anfallsvinkeln upp till en viss punkt, kallad C L,max Vidare ökning leder till stall Här klarar strömningen inte längre av att följa vingen utan avlöser Strömningen blir mycket turbulent lyftkraften minskar och motståndet ökar Ett flygplans stallkaraktäristik styrs dess geometri Hela vingen behöver dock inte stalla vid samma punkt 13 Stall, forts. På flygplan med tjocka/välvda profiler sker stall oftast utan dramatik På flygplan med tunnare vingar (även pilform) kan stall komma mycket plötsligt, utan förvarning. Ex. J29 Flygande tunnan Vid stall: Nosen nedåt för att få upp hastigheten och få tillbaka strömningen över vingen 14 7

8 Alternativa metoder för lyftkraft Normalt är stall ett tillstånd man vill undvika Undantag finns; man kan flyga med stor α och avlöst strömning kräver dock speciell utformning på vingarna (pilform, delta) Främst militära flygplan som är intresserade av att kunna flyga med hög alfa skarpa svängar, vid landning etc. Ett annat exempel är Concorde Marschfarten var M 2, men flygplanet skulle kunna landa i måttliga 350 km/h Avsaknad av klaffar betyder stor α Hur görs det då? 15 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. Lyftkraften genereras genom en virvelbildning över vingens framkant, kallas controlled separation Undertryck inuti virvlarna ger ett tillskott av lyftkraft Den normala strömningen hålls på plats av de stora virvlarna Normal stall utvecklas egentligen aldrig, kan dock leda till superstall 16 8

9 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. 17 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. Motorlyftkraft Lyftkraft genom att använda motorernas dragkraft Finns några exempel; BAe Harrier, JSF En mycket ineffektiv/energikrävande metod 18 9

10 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. Rotorlyftkraft Helikopterns rotorblad i princip långa roterande vingar lyftkraften åstadkoms på samma sätt Helikopterns fördelar: Kan hovra, flyga långsamt, bakåt, i sidled Är normalt försedd med stjärtrotor motverka motorns vridmoment till rotoraxeln Andra konstruktioner är två kontra-roterande huvudrotorer 19 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. Komplikationer med helikopter Vid flygning framåt har det framåtgående bladet en högre relativ hastighet än det bakåtgående Asymmetrisk lyftkraft som följd Lösning: Flapping Bladet tillåts röra sig upp och ner α varierar Vilket motverkar skillnad i lyftkraft 20 10

11 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. Fler problem med helikoptern För att kunna generera lyftkraft måste det bakåtgående bladet röra sig fortare än hkp:ns fart framåt Vid höga hastigheter innebär det följande: Det framåtgående bladet riskerar att koma upp i ljudhastigheten Det bakåtgående bladet riskerar att drabbas av omvänd strömning Detta är faktorer som radikalt begränsar helikopterns maxhastighet 21 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. Kontroll & styrning Vertikalled: Stigspak ( collective ) Swashplate ändrar α på alla bladen Framåt/bakåt/höger/vänster: styrspak/( cyclic ) Ändrad α på vissa blad Svänga runt vertikalaxeln: pedaler, som ändrar α på stjärtrotorns blad 22 11

12 Alternativa metoder för lyftkraft, forts. Idag förses de flesta helikoptrar med sk fast rotor Nödlandning med helikopter görs genom autorotation Andra varianter på rotorlyftkraft 23 Vingar Vår betraktelse hittills av 2D-natur Dock är vingar ändliga, varför ett 3D synsätt blir nödvändigt Något mer komplicerat, där vingens planform spelar stor roll 24 12

13 Vingar, forts. Begrepp: Spännvidd avstånd mellan vingspetsarna Sidoförhållande AR = spännvidd medelkorda = spännvidd vingarea 2 eller AR = b 2 S 25 13