Szárny betöltése - Wing loading

A Monarch Butterfly szárnyterhelése nagyon alacsony, 0,168 kg / m ²

Az észak-amerikai X-15 maximális szárnyterhelése 829 kg / m ²

Az aerodinamika , szárnyterhelés teljes tömege egy repülőgép vagy repülő állatot osztva a terület a szárnya. A repülőgép leállási sebességét egyenes, vízszintes repülésben részben a szárnyának terhelése határozza meg. Az alacsony szárnyterhelésű repülőgépnek vagy állatnak a tömegéhez képest nagyobb a szárnyfelülete, mint a magas szárnyterhelésűé.

Minél gyorsabban repül egy repülőgép, annál több emelést tud produkálni az egyes szárnyterületi egységek, így egy kisebb szárny ugyanazt a tömeget képes elrepülni egyenletes repülés közben. Következésképpen a gyorsabb repülőgépek szárnyterhelése általában nagyobb, mint a lassabb repülőgépeké. Ez a megnövekedett szárnyterhelés növeli a felszállási és leszállási távolságokat is. A nagyobb szárnyterhelés szintén csökkenti a manőverezhetőséget. Ugyanezek a korlátozások vonatkoznak a szárnyas biológiai szervezetekre is.

A szárnyterhelések tartománya

Hatás a teljesítményre

A szárnyterhelés a repülőgép leállási sebességének hasznos mértéke . A szárnyak körüli levegő mozgása miatt a szárnyak emelést generálnak. A nagyobb szárnyak több levegőt mozgatnak, így a tömegéhez képest nagy szárnyterülettel (azaz alacsony szárnyterheléssel) rendelkező repülőgépek alacsonyabb leállási sebességgel rendelkeznek. Ezért egy alacsonyabb szárnyterhelésű repülőgép alacsonyabb sebességgel tud felszállni és leszállni (vagy nagyobb terheléssel is képes leszállni). Nagyobb sebességgel is képes fordulni.

Hatás a felszállási és leszállási sebességre

A felhajtóerő L egy szárnya terület A , utazás tényleges sebességet v adják

ahol ρ a levegő sűrűsége és C _L az emelési együttható . Az emelési együttható egy dimenzió nélküli szám, amely a szárny keresztmetszeti profiljától és a támadási szögtől függ . Felszálláskor vagy egyenletes repülés közben sem mászás, sem búvárkodás esetén az emelőerő és a súly nem egyenlő. A L / A = Mg / A = W _S g , ahol M jelentése a légi jármű tömege, W _S = M / A A szárnyterhelés (tömeg / területen egységek, azaz lb / ft ² vagy kg / m ² , nem kényszeríti / terület) és g a gravitációs gyorsulás, hogy egyenlet adja a sebesség v keresztül

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

Ennek következtében, a repülőgépek az azonos C _L felszálláskor ugyanolyan légköri viszonyok lesz felszálló sebesség arányos . Tehát, ha egy repülőgép szárnyának területe 10% -kal növekszik, és semmi más nem változik, a felszállási sebesség körülbelül 5% -kal csökken. Hasonlóképpen, ha egy 150 mph sebességgel történő felszálláshoz tervezett repülőgép súlya 40% -kal nő a fejlesztés során, akkor a felszállási sebessége = 177 mph. ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ sqrt {W_ {S}}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle 150 {\ sqrt {1.4}}}$

Egyes szórólapok izomerejükre támaszkodva gyorsítják fel a szárazföld vagy a víz feletti felszállást. A földi fészkelőknek és a vízi madaraknak a felszállás előtt képesnek kell lenniük arra, hogy felszállási sebességükkel szaladhassanak vagy evezhessenek. Ugyanez vonatkozik a sárkányrepülő pilótákra is, bár segítséget kaphatnak egy lesiklópályán. Mindezek szempontjából kritikus fontosságú az alacsony W _S , míg a járókelők és a sziklán élő madarak nagyobb szárnyterheléssel juthatnak a levegőbe.

Hatás a fordítási teljesítményre

A forduláshoz egy repülőgépnek a kanyar irányába kell gördülnie , növelve a repülőgép dőlésszögét . A repülés megfordulása csökkenti a szárny emelőelemét a gravitációval szemben, és ezáltal süllyedést okoz. A kompenzáció érdekében meg kell növelni az emelési erőt a támadási szög növelésével, a felvonó felfelé irányuló alakváltozásával, amely növeli az ellenállást. A kanyarodás leírható „körmászásnak” (a szárny emelését a repülőgép elfordítására terelik), így a szárny támadási szögének növekedése még nagyobb húzást eredményez. A szigorúbb turn sugara megkísérelte, a légellenállás okozta; ehhez meg kell adni az erőt (tolóerőt) a leküzdés leküzdésére. Az adott repülőgép-konstrukciónál lehetséges maximális fordulási sebességet korlátozza szárnyának mérete és a rendelkezésre álló motorteljesítmény: a maximális fordulat, amelyet a repülőgép elérhet és tarthat, tartós fordulási teljesítménye . Amint az oldalszög növekszik, növekszik a repülőgépre kifejtett g-erő is , ami növeli a szárny terhelését és az elakadási sebességet is . Ez a hatás szintemelkedési manőverek során is tapasztalható .

Terhelési tényező változik a tengerszint feletti magasságtól 50 vagy 100 lb / sq ft

Mivel az elakadás a szárny terheléséből és a maximális emelési együtthatóból adódik egy adott magasságban és sebességnél, ez a maximális terhelési tényező miatt korlátozza a fordulási sugarat . 0,85 Mach és 0,7 Mach emelési együttható mellett a 240 kg / m ² (50 lb / négyzetláb) szárnyterhelés elérheti a 7,33 g szerkezeti határt 4600 m-ig, majd 40 000 lábnál 2,3 g-ra csökken ( 12 000 m). 490 kg / m ² szárnyterhelés mellett a terhelési tényező kétszer kisebb, és alig éri el az 1 g-ot 40 000 lábnál.

Az alacsony szárnyterhelésű repülőgépek általában kiemelkedő tartós fordulási teljesítményt nyújtanak, mert nagyobb emelést tudnak generálni a motor adott tolóerejéhez. Az a pillanatnyi szög, amelyet egy repülőgép elérhet, mielőtt a légellenállás komolyan lefújja a sebességet, azonnali fordulatszáma . A kicsi, erősen megterhelt szárnyú repülőgépnek lehet jobb azonnali fordulási teljesítménye, de gyenge a tartós fordulási teljesítménye: gyorsan reagál a bemenet vezérlésére, de a szoros kanyar fenntartásának képessége korlátozott. Klasszikus példa az F-104 Starfighter , amelynek nagyon kicsi a szárnya és a magas szárnyterhelése 723 kg / m ² (148 lb / sq ft).

A spektrum másik végén a nagy Convair B-36 állt : nagy szárnyai alacsony 269 kg / m ² (55 lb / négyzetláb) szárnyterhelést eredményeztek, amely nagyobb magasságban szigorúbb kanyarokat képes fenntartani, mint a korabeli sugárhajtású vadászgépek. , míg a kissé későbbi Hawker Hunter hasonló szárnyterhelése 344 kg / m ² (70 font / négyzetláb) volt. A Boeing 367-80 típusú utasszállító prototípus alacsony magasságban 387 kg / m ² (79 lb / négyzetláb) szárnyterheléssel hengerelhető volt maximális súly mellett.

Mint bármely körkörös mozdulattal rendelkező test , egy olyan repülőgép is, amely elég gyors és erős ahhoz, hogy az R sugarú körben v sebességgel egyenletes repülést tartson fenn, a középpont felé gyorsul fel . Ezt a gyorsulást a felvonó befelé fekvő vízszintes eleme okozza , hol van a ferdeszög. Aztán Newton második törvényéből , ${\ displaystyle \ scriptstyle {\ frac {v ^ {2}} {R}}}$${\ displaystyle \ scriptstyle Lsin \ theta}$${\ displaystyle \ theta}$

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

R megoldása ad

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

Minél kisebb a szárny terhelése, annál szorosabb a fordulat.

A termálanyagok kiaknázására tervezett vitorlázó repülőgépeknek kis fordulási körre van szükségük ahhoz, hogy az emelkedő légoszlopon belül maradhassanak, és ugyanez igaz a szárnyaló madarakra is. Más madaraknak, például azoknak, amelyek rovarokat fognak a szárnyon, szintén nagy manőverezhetőségre van szükség. Mindegyiknek alacsony szárnyterhelésre van szüksége.

Hatás a stabilitásra

A szárnyterhelés befolyásolja a széllökések reakcióját is , azt, hogy a turbulencia és a légsűrűség változásai milyen mértékben befolyásolják a repülőgépet. Egy kis szárnynak kevesebb területe van, amelyen egy széllökés hat, mindkettő az út simítását szolgálja. Nagy sebességű, alacsony szintű repüléshez (például gyors, alacsony szintű bombázás egy támadó repülőgépen ) előnyös egy kicsi, vékony, erősen megterhelt szárny: az alacsony szárnyú terhelésű repülőgépeket gyakran durva, büntetésnek vetik alá. lovagolni ebben a repülési rendszerben. Az F-15E Strike Eagle szárnyterhelése 650 kilogramm négyzetméterenként (kivéve a törzs tényleges területhez való hozzájárulását), míg a legtöbb delta szárnyú repülőgép (például a Dassault Mirage III , amelyhez W _S = 387 kg / m ² ) általában nagy szárnyakkal és alacsony szárnyterheléssel rendelkeznek.

Mennyiségileg, ha egy széllökés G felfelé irányuló nyomását eredményezi ( mondjuk N / m ² -ben ) egy M tömegű repülőgépre, akkor a Newton második törvénye szerint a felfelé gyorsulást egy akarat adja meg

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

szárnyterheléssel csökken.

A fejlődés hatása

A szárnyterhelés további bonyodalma, hogy egy meglévő repülőgép szárnyának területét nehéz lényegesen megváltoztatni (bár szerény fejlesztések lehetségesek). A repülőgépek fejlesztésekor hajlamosak a " tömeg növekedésére " - olyan berendezések és funkciók hozzáadásával, amelyek jelentősen növelik a repülőgép üzemi tömegét. Az a repülőgép, amelynek szárnyterhelése eredeti kialakításában mérsékelt, új felszerelések hozzáadásával nagyon magas szárnyterheléssel járhat. Noha a motorok további tolóerő miatt kicserélhetők vagy továbbfejleszthetők, a magasabb szárnyterhelés következtében a fordulás és a felszállás teljesítményére gyakorolt ​​hatások nem olyan könnyen egyeztethetők össze.

Víz előtét használata vitorlázógépekben

A modern vitorlázó repülőgépek gyakran használják a szárnyakban lévő víz előtétet a szárnyak terhelésének növelésére, ha erősen szárnyalnak a körülmények. A szárnyterhelés növelésével az országszerte elért átlagos sebesség növelhető az erős termálok kihasználása érdekében. Nagyobb szárnyterhelés mellett az adott emelés / húzás arány nagyobb légsebesség mellett érhető el, mint alacsonyabb szárnyterhelés mellett, és ez országszerte gyorsabb átlagos sebességet tesz lehetővé. Az előtétet ki lehet dobni a fedélzetre, ha a körülmények gyengülnek, vagy a leszállás előtt.

Tervezési szempontok

Törzsemelő

Az F-15E Strike Eagle nagy, viszonylag enyhén terhelt szárnyával rendelkezik

A vegyes szárny-törzs kialakítás, például a General Dynamics F-16 Fighting Falcon vagy a Mikoyan MiG-29 Fulcrum esetében, segít csökkenteni a szárnyak terhelését; ilyen kialakításban a törzs aerodinamikus emelést generál, ezáltal javítva a szárny terhelését, miközben a nagy teljesítmény megmarad.

Változtatható irányú szárny

Repülőgép, mint az F-14 Tomcat és a Panavia Tornado foglalkoztató változó söpörni szárnyak . Mivel a szárnyuk területe repülés közben változik, a szárnyak terhelése is változik (bár ez nem az egyetlen előny). Amikor a szárny előre van állítva, a felszállás és a leszállás teljesítménye jelentősen javul.

Fowler csappantyúk

Mint minden repülőgép szárnyak, Fowler szárnyak növeli a kerékdőlés és így a C _L , csökkentve a leszálló sebesség. Emellett növelik a szárny területét, csökkentve a szárny terhelését, ami tovább csökkenti a leszállási sebességet.

Lásd még

• Lemez betöltése
• Emelési együttható

Hivatkozások

Megjegyzések

Bibliográfia

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Repülőgép teljesítménye és kialakítása . Cambridge: WCB / McGraw-Hill. ISBN   0-07-116010-8 .
• Spick, Mike (1986). Jet Fighter Performance-Korea Vietnamba . Osceola, Wisconsin: Nemzetközi Motorbooks. ISBN   0-7110-1582-1 .

Megjegyzések

Külső linkek

• Laurence K. Loftin, Jr. (1985). "7. fejezet: Tervezési trendek - Ütési sebesség, szárnyterhelés és maximális emelési együttható". Teljesítménykeresés - A modern repülőgépek fejlődése . A NASA tudományos és műszaki információs részlege.
• Earl L. Poole (1938). "Súlyok és szárnyterületek észak-amerikai madarakban" (PDF) . Az Auk .