Wątek: Powierzchnia nośna skrzydeł

[rutkov]

Jak liczymy tę powierzchnię? Które obszary płatowca się na nią składają, czy elementy spodu kadłuba w "obrysie" skrzydeł też się do tego zaliczą? Rozumiecie o co mi chodzi ? Nurtuje mnie pytanie czy to nie jest czasem taka przenośnia i na przykład powinniśmy traktować jako powierzchnię nośną cały spód samolotu bo przecież każdy jego skrawek wytwarza powierzchnię nośną. Czy jednak same skrzydła rzutują na jakąś istotną informację techniczną i są wystarczające jako dane?

[Miodek]

Jako powierzchnie skrzydła traktujemy zarówno skrzydło jak i kawałek kadłuba który te skrzydła niejako łączy.

[rutkov]

A jeżeli jest górnopłat w konstrukcji jak RWD-8, liczymy też kadłub?

[Miodek]

Skrzydła w RWD-8 nie są połączone z kadłubem w ten sposób, by miał on wpływ na wartości siły nośnej tam - więc nie. Liczysz wtedy tylko powierzchnie samego skrzydła. Ogólnie rzecz biorąc, to robi się to tak, że rysuje się jakiś uproszczony "zastępczy" obrys skrzydła z prostych figur geometrycznych, zlicza się jego powierzchnie i... tyle. Uprzedzając kolejne pytania - dwupłatowce liczy się tak samo, ale skrzydła traktuje się jako dwa osobne, wraz z ewentualnymi miejscami gdzie kadłub dzieli się powierzchnią ze skrzydłami. Powód jest prosty - kadłub przejmuje część różnicy ciśnień ze skrzydeł, co widać trochę na obrazku poniżej. Poza tym, taka jest konwencja i tyle!
https://dl.dropboxusercontent.com/u/28368896/QTR%20PANUKL%20W%2BF%20FRONT.png

[Miron]

(...) Nurtuje mnie pytanie czy to nie jest czasem taka przenośnia (...)

Oczywiście że tak, to jest "przenośnia" (nie do końca, ale niech już będzie). Pytanie "jak ją policzyć?" powinno być poprzedzone pytaniem "a po co ci to?" (i ew. "jak dokładne mają być te obliczenia?"). Podejmując decyzję czy liczyć kadłub czy nie trzeba po inżyniersku (czyli "na oko, bazując na dotychczasowym doświadczeniu swoim i innych") ocenić co ma większy sens z punktu widzenia celu, który chcesz osiągnąć. Dla takiego An-2 na przykład w zasadzie nie ma sensu wliczać kadłuba do powierzchni OBU płatów; ale może mieć sens wliczenie go przy obliczaniu powierzchni płata górnego. Z kolei dla takiego SR-71 policzenie powierzchni samych skrzydeł po pierwsze wymagało by podjęcia decyzji gdzie to skrzydło się kończy, a gdzie kadłub zaczyna; a po drugie i tak miało by średni sens bo np. znaczną część siły nośnej wytwarza również część kadłuba nie znajdująca się między skrzydłami (a więc w w/w przykładzie obliczeń pominięta).

Tak na prawdę w warunkach praktycznych powierzchnia nośna (jako wartość policzona/zmierzona) ma charakter przede wszystkim porównawczy; a w takim przypadku zasadniczo traci na znaczeniu to jak ją policzysz. Ważne żebyś zawsze (dla konstrukcji aerodynamicznie podobnych) liczył ją tak samo, lub przynajmniej (dla konstrukcji różnych) przyjął sensowne "poprawki". Tutaj znów, przynajmniej na etapie "papierowym", przydaje się mocno "inżynierskie oko"; a ostatecznie wyniki i tak weryfikuje "życie" (czyli najpierw dmuchanie w tunelu, a później oblot prototypu).

[rutkov]

Pytanie to nurtuje mnie oczywiście w odniesieniu do obciążenia powierzchni skrzydeł masą całkowitą samolotu, odniosłem wrażenie że trochę przesadnie przyjęło się mocne sugerowanie obciążeniem powierzchni nośnej w przełożeniu na zwrotność. Wyszło mi to przy przyglądaniu się zwrotności Messerów F2 względem ŁaGGów i Iszaków. Pomyślałem być może diabeł tkwi w różnym liczeniu tej wartości i widzę że jest to być może jakiś tam trop.

[Miodek]

Wysokie obciążenie powierzchni zmniejsza ogólnie pojętą zwrotność samolotu. Ma jednak inną, bardzo ważną funkcje - wysokie obciążenie oznacza "małe" skrzydła, które to stawiają mniejszy opór. Przekłada się to na większe prędkości, lepszą ekonomię, itd. Wadami jest mniejsza manewrowość samolotu na mniejszych prędkościach (optymalna prędkość do manewrów jest wyższa), wyższe prędkości startu i lądowania itd.
A na manewrowość wpływ ma dużo więcej czynników niż pojedyncza liczba, więc nie przykładaj do tego zbyt wielkiego znaczenia.

[Miron]

(...) "małe" skrzydła, które to stawiają mniejszy opór. Przekłada się to na większe prędkości, lepszą ekonomię, itd. (...)

Takich bajek nie znajdziesz nawet w podręcznikach mechaniki lotu z lat '60 ubiegłego wieku. Aż dziw że można je usłyszeć jeszcze dziś...

Fajnie, kol. Rutkov, że podałeś kontekst rozważań; możemy się więc w temat zagłębić nieco bardziej. Tradycyjnie w układzie klasycznego jednopłata liczy się pow. skrzydła razem z "częścią kadłubową"; choć nie jest to sztywną regułą. Odnoszenie zaś kwestii obciążenia skrzydeł do szeroko pojętej "zwrotności" jest dość dużym przybliżeniem. Na zwrotność samolotu wpływa bardzo wiele czynników, od ogólnych parametrów geometrycznych, przez szczegóły aerodynamiczne, zespół napędowy, aż po takie detale jak siły na sterach i sama ich efektywność zależnie od prędkości. Tu w grę wchodzą również często pomijane aspekty jak spadek skuteczności sterów krytych płótnem, niewystarczającej sztywności konstrukcji do której ster jest zamocowany czy brak kompensacji sił na sterach - bardzo istotne właśnie w samolotach DWŚ.  Starając się nie drążyć zbyt głęboko i nie zmieniać krótkiego posta w rozprawę naukową, można przyjąć że samoloty ogólnie podobne (zbliżona moc, masa, konstrukcja) wraz ze wzrostem obciążenia powierzchni (przez redukcję rozmiaru skrzydła, bo pozostałe parametry przyjęliśmy za podobne) cechuje (w nawiasach ogólna ocena "cechy", także opis użyteczności gdy potrzebny):

1.) wzrost prędkości maksymalnej (+)
2.) wzrost prędkości przelotowej (+)
3.) wzrost prędkości przy której daje się uzyskać maksymalne przeciążenie (tzw. prędkości manewrowej) (=; samolot jest mniej "zwrotny" poniżej tej prędkości, ale bezpieczniejszy i bardziej wydajny powyżej)
4.) wzrost prędkości minimalnej (-)
5.) zwiększenie promienia skrętu/wyrwania (-)
6.) zwiększenie prędkości przechylania (+)
7.) zwiększenie oporu przy zadanym przeciążeniu (-; wykonując zakręt o tym samym promieniu i prędkości samolot z małym skrzydłem potrzebuje więcej mocy)
8.) zwiększenie przyspieszenia, szczególnie na zniżaniu (+)
9.) spadek oporu na okołozerowych kątach natarcia (+; np. nabór wysokości kosztem prędkości może być dłuższy jeśli przeprowadzony prawidłowo)
10.) wyższa wrażliwość na zaburzenia opływu, w tym na skutek uszkodzenia poszycia (przestrzeliny) (-)

To oczywiście nie jest lista ani kompletna, ani też zawsze 100% prawdziwa; ale tak "na szybko" obrazuje złożoność zagadnienia. Pozwala też z grubsza porównać samoloty z tej samej epoki i tworzone w tym samym celu. Można tym samym podsumować (nadal podkreślam: upraszczając) że samoloty z wyższym obciążeniem powierzchni bardziej nadają się do walki energetycznej niż manewrowej ("kołowej"); ale sprowadzone do parteru mogą w zasadzie tylko uciekać (w czym zresztą też nie są takie złe).

[Miodek]

Mironie, to co napisałem nie jest do końca nieprawdą - mimo, że opór indukowany przy "małych" skrzydłach może być większy, to jeżeli założymy stałe wydłużenie płata (a o tym rozmawiamy), to przecież nie jest to nieprawdą. Ja rozumiem, że jestem jeszcze studentem MELu (więc jasne jest, że g... wiem o lotnictwie), ale z moich własnych doświadczeń i zainteresowań to nieprawdy nie mówię.
Nawet dzisiaj trend jest taki, by maksymalizować wydłużenie płata przy minimalizacji jego powierzchni, bo to się po prostu opłaca.
Popraw mnie, bo napisałeś, że pletę głupoty.

PS - ze wszystkim co wypunktowałeś się zgadzam - więc tym bardziej nie wiem, gdzie jest błąd w moim rozumowaniu.

[Miron]

Ach, MEL...

Błąd w tym że skupiasz się na samej geometrii płata, pomijając masę samolotu i ich wzajemny wpływ na rzeczywiste parametry pracy skrzydła w danym (każdym jednym, byle statecznym) stanie lotu. Nawet (a właściwie szczególnie) przy tym samym wydłużeniu, w każdym stanie lotu mniejsze/bardziej obciążone skrzydło pracuje na większym kącie natarcia, a więc (nawet pomijając straty skończonego wydłużenia, które przecież rosną w miarę zmniejszania wymiarów) generuje większy opór. Tym samym nieprawdą jest że "małe skrzydła" = "większa ekonomika". Taka zależność MOŻE zaistnieć gdy zmieni się przy okazji kilka innych parametrów; ale jeśli mówimy o generalnie tym samym samolocie, w którym jedynie "skalujemy" skrzydło, ogólnie pojęta "ekonomika" zmienia się przeciwnie do rozmiaru płata.

Ja nawet z grubsza rozumiem skąd się bierze ta "miejska legenda" (ma to związek z tendencją do zwiększania prędkości przelotowych i zasadniczo charakterystyką sprawności napędów turbinowych, a szczególnie turboodrzutowych, preferujących skracanie czasu lotu za niemal wszelką cenę); ale samolot jako rzeczywista bryła aerodynamiczna nie daje się sprowadzić do "pęku parametrów liczbowych i garści wzorów" (jak by niektórzy doktorowie i profesorowie na MEL'u bardzo pragnęli).

[Miodek]

Ależ chwila - my tutaj rozmawiamy o myśliwcach. "Kompensowanie" małych skrzydeł większą prędkością jest tam przecież zarówno wskazane jak i pożądane. Zatem to co mówiłem (mniejszy płat jest mniej korzystny przy mniejszych prędkościach) nie jest nieprawdą. Oczywiście, jeżeli chodziłoby tutaj o samą "czystą" ekonomię energetyczną lotu, to przecież latalibyśmy wszędzie szybowcami - które to mają bardzo małe obciążenie skrzydeł i świetną ekonomię lotu. Ale myśliwiec ma być szybki i zwrotny w rozsądnym zakresie prędkości, przez co małą powiechnia skrzydeł jest tam wskazana. Wybacz, jeżeli za mocno trzymałem się kontekstu dyskusji i w ten sposób wyszedłem na mniej ogarniętego.
Aha - i są sytuacje gdzie mniejsza powierzchnia skrzydeł oznaczała by poprawę ekonomii lotu w danych, stałych warunkach. Więskzy kąt natarcia nie zawsze oznacza większy opór, tak samo większa prędkość przelotowa nie zawsze oznacza większego spalania jednostkowego (ale tu już czepiam się szczegółów wychodzących daleko poza temat).

[Miron]

Po pierwsze ekonomia jest tylko jedna, marnujesz energię albo nie. Małe, mocno dociążone skrzydła są w przeważającej większości stanów lotu nieekonomiczne. Sprawdzają się jednak lepiej w stanach szczególnych (zwykle niestatecznych); i to akurat "przypadkiem" w tych które przeważają w typowym przebiegu energetycznej walki powietrznej ("Boom'n'Zoom"). Dlatego myśliwce są właśnie takie a nie inne: godzi się wydać trochę więcej na paliwo skoro z tego samego powodu samolot w ogóle wróci do bazy, a nawet sprawi że samolot przeciwnika nie.

Po drugie, szybowce już dawno (tak gdzieś od końca lat '30 ubiegłego wieku) nie mają "bardzo małego" obciążenia skrzydeł (po co biorą balast?...).

Po trzecie sam piszesz że "myśliwiec ma być szybki i zwrotny" (co tutaj oznacza "zwrotny"?), a więc ekonomia lotu nie stoi wysoko na liście priorytetów.

Po czwarte wreszcie: tak, są; w tzw. "drugim zakresie prędkości" (poniżej prędkości ekonomicznej lotu swobodnego), którego z zasady (a także z umiłowania własnego życia) się unika (no chyba że się podchodzi do lądowania na "ołówku", ale to zupełnie inna bajka...).

[Miodek]

Ano właśnie, myśliwce ekonomiczne nigdy nie były, ale ekonomia energetyczna była co najmniej równie ważna co rozwijane prędkości. Samolot który potrafi latać szybko do pierwszego zakrętu nie jest samolotem wartym uwagi.

No to tu mnie masz - dla mnie dwucyfrowe obciążenie płata jest "małe", a nie przypominam sobie żeby wiele (o ile jakikolwiek w ogóle) miał trzycyfrowe obciążenie. Mogę się mylić, więc popraw mnie, nieuka jednego.

Zwrotny - cóż, tutaj nie ma jednej definicji. Ale jeżeli ma być szybki, to na pewno nie może mieć ogromnych skrzydeł, które to przy większych prędkościach bardziej przeszkadzają niż pomagają.

Tak, dlatego rzuciłem to raczej jako ciekawostkę a nie argument.

[drejku]

Nie znam się na temacie tak aby wchodzić z wami w merytoryczną dyskusję, ale przekonują mnie wywody @Mirona, dlatego przytoczę wam to co zwykł powtarzać Pan Jan w MLP przy stojącym tam F-104, a brzmiało to mniej więcej tak, że małe skrzydła nie są problemem tego samolotu, bo w stosunku do konkurencyjnych konstrukcji z większymi skrzydłami, F-104 bił je na głowę genialną na owe czasy mechanizacją skrzydła. zawsze mi się to przypomina jak jest rozmowa o skrzydłach, bo dziś jeden model obliczeniowy nie wystarczy do określenia np. nośności, bo przecież skrzydło cały czas "pracuje". W nowym wydaniu "Lotnictwa" na X.2015 jest krótka notka "Eurofighter coraz lepszy", gdzie napisali, że wprowadzenie modyfikacji napływów u nasady skrzydeł i dodanie malutkich (nieruchomych) trójkątów po bokach kadłuba mniej więcej za przednimi płatami sterowymi wysokości (nie wiem jak to się nazywa fachowo w układzie kaczki ) zwiększyło siłe nośną o 25% i zwiększyło dopuszczalne wartości kątów natarcia o 45%!
"Choć modyfikacje na pierwszy rzut oka nie są znaczące,to ...  dwukrotne zwiększenie prędkości przechylenia, ..." - samolot to nie tylko skrzydła
Masakra.
http://www.airbusgroup.com/int/en/news-media/press-releases/Airbus-Group/Financial_Communication/2015/07/20150715_airbus_defence_and_space_eurofighter_aerodynamic_upgrades.html

[Alex]

Dawno na The Forum nie pisałem, ale muszę wziąć w obronę kolegę z wydziału 

Ach, MEL... [..]

Nawet (a właściwie szczególnie) przy tym samym wydłużeniu, w każdym stanie lotu mniejsze/bardziej obciążone skrzydło pracuje na większym kącie natarcia, a więc (nawet pomijając straty skończonego wydłużenia, które przecież rosną w miarę zmniejszania wymiarów) generuje większy opór. Tym samym nieprawdą jest że "małe skrzydła" = "większa ekonomika".
[..]
Po drugie, szybowce już dawno (tak gdzieś od końca lat '30 ubiegłego wieku) nie mają "bardzo małego" obciążenia skrzydeł (po co biorą balast?...).

No właśnie, po co? I po co mają takie malutkie skrzydła skoro nieprawdą jest, że małe daje większą ekonomikę? 

Miron, uważam, że  próbując wypunktować błędy kolegi wchodzisz w straszne szczegóły, ponadto ciut sam sobie przeczysz. A prawda wcale nie jest tak skomplikowana - im większe obciążenie pow. (czy to z powodu balastu czy mniejszych skrzydeł) tym bardziej przesuwamy biegunową danej maszyny w stronę większych prędkości. Dlatego z Twojej listy 10 punktów odnośnie skrzydełek punkty 7-9 można wykreślić.

"7.) zwiększenie oporu przy zadanym przeciążeniu (-; wykonując zakręt o tym samym promieniu i prędkości samolot z małym skrzydłem potrzebuje więcej mocy)"
Nieprawda dla łagodnych zakrętów przy dużych prędkościach.

8.) zwiększenie przyspieszenia, szczególnie na zniżaniu (+)
Nieprawda dla zniżania na małych prędkośchach (no chyba, że to jest zniżanie na pysk  )

9.) spadek oporu na okołozerowych kątach natarcia (+; np. nabór wysokości kosztem prędkości może być dłuższy jeśli przeprowadzony prawidłowo)
Prawda, ale zaraz potem zamiast samolotu mamy kowadło, które musi swoje odczekać zanim wejdzie na prędkości operacyjne.

Wracając do pytania Rutkova o zwrotność samolotu - warto jeszcze uściślić o jaką zwrotność chodzi. Czy przez zwrotność rozumiemy czas i promień ustalonego zakrętu o 360 stopni? Czy chwilową możliwość osiągnięcia dużego przeciążenia?

Jako przykład można dać Hurricane'a, który może i był zwrotny ale grube i duże skrzydło sprawiało pomimo sporego silnika, że na dużych prędkościach ten samolot był zwrotny ale tylko raz  - potem musiał znów odzyskiwać prędkość, która w międzyczasie spadła mu do 200km/h