Wątek: Powierzchnia nośna skrzydeł

[Miron]

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

Nie musisz, dokładnie trzy osoby obsadzające najwyższe miejsca na mojej liście "prywatnych partnerów do dyskusji w temacie" zajmują absolwenci tego właśnie wydziału. Mówiąc "MEL" miałem na myśli kadrę dydaktyczną; i to co potrafi zrobić z mózgami niczego nie spodziewającej się młodzieży.

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

Skoro malutkie skrzydła są takie "ekonomiczne", to dlaczego najlepszymi szybowcami (zarówno pod względem prędkości, jak i doskonałości) są te z największymi? I dlaczego nadał ładuje się w nie balast? I dlaczego nie wymaga się od nich (a wręcz zabrania) akrobacji?...

(...) 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. (...)

Owszem; ale biegunowa to nie wszystko. Niestety niektórzy (ach ten MEL... ) twierdzą inaczej.

"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.

To dopiero nowa fizyka. Dla każdego normalnego stanu lotu (przyjmijmy dla uproszczenia: lot poziomy ze stałą prędkością) w pierwszym zakresie prędkości (w tym "dużych") większy kąt natarcia to większy opór; zaś pod każdym innym względem identyczne skrzydło o większym obciążeniu pokonuje ten sam tor lotu (ta sama prędkość, to samo przeciążenie) na większym kącie natarcia (zmuszone do wytworzenia tej samej siły nośnej musi wejść w wyższe C_z, a więc siłą rzeczy wyższe C_x). Ergo: stawia większy opór, c.n.d. Ale chętnie się dowiem gdzie tu tkwi błąd.

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

Nieprawda w 2-gim i przejściowym zakresach prędkości, to już ustaliliśmy. Ale nie jest to stan pożądany (szczególnie dla myśliwca); przy prędkościach użytecznych (powyżej V_opt) prawda zawsze (chociażby ze względu na "przesuniętą biegunową, o której wspomniałeś wyżej)

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.

Z grubsza owszem. Ale jeśli porównujemy dwa pod każdym innym względem podobne samoloty, które zaczynają dynamiczne wznoszenie przy tej samej prędkości i okołozerowym kącie, ten z mniejszym skrzydłem wyjdzie wyżej przy tej samej prędkości końcowej. Mamy więc dwa kowadła, i każde z nich "musi swoje odczekać zanim wejdzie na prędkości operacyjne"; tyle że jedno jest trochę wyżej. To w końcu jak, prawda czy nie prawda?

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

Bardzo ładny przykład, obrazujący jak bardzo niekompletną jest analiza zwrotności na podstawie tylko jednego parametru. Tyle że mały ma związek z pytaniem kol. Rutkova, bo ten pytał o obciążenie powierzchni, a nie grubość względną profilu...

[Miodek]

Miron, skaczesz od szybowców do myśliwców, próbując uczepić się konkretnych słów. Szybowce mają duże wydłużenie skrzydeł, ale duża powierzchnia to już produkt uboczny limitów wytrzymałości materiałów. Balast jest po to, żeby zwiększyć masę (więc poniekąd też obciążenie powierzchni) a przy tym optymalną prędkość. Bo szybowiec nie tylko ma latać długo, ale i rozsądnie szybko (zawody szybowcowe). A akrobacji nie wykonują, bo skrzydła z dużym wydłużeniem nie mają wystarczającej do tego wytrzymałości. Zresztą, ponownie - te samoloty nie są do tego zaprojektowane. Od szybowców z długimi skrzydłami wymaga się długotrwałości albo zasięgu lotu. Od myśliwców z "małymi" skrzydłami czegoś zupełnie innego.

Zwiększenie kąta natarcia dla skrzydła mniejszego ma sens, OK - ale pamiętaj, że zmniejsza się również powierzchnia odniesienia. Samolot to nie tylko skrzydło, więc biegunowa może przebiegać nieco inaczej gdy weźmie się pod uwagę wszystkie interakcje skrzydło-kadłub itp. Strata wynikająca ze zwiększonego oporu może być do przyjęcia z powodu zwiększenia prędkości przelotowej.

[Miron]

To nie ja "skaczę". Pierwszą wzmiankę o szybowcach zamieścił kol. Miodek ( ), druga była autorstwa kol. Alexa.

Kwestia szybowców została poruszona w kontekście ekonomii (cytat: "małe" skrzydła, które to stawiają mniejszy opór. Przekłada się to na większe prędkości, lepszą ekonomię...) i żadnym innym. To nie mała powierzchnia (a więc duże obciążenie) zapewnia "lepszą ekonomię"; jest wręcz jej przeciwieństwem. Względnie duże obciążenie powierzchni nośnej szybowców jest kompromisem: szybowcom zależy nie tylko na wysokiej wydajności, ale też na czasie. To samo tyczy się np. samolotów pasażerskich: walczymy z kosztami, ale nie za cenę prędkości. Maszyny które za najwyższy priorytet uznają ekonomię walczą o jak najniższe, praktycznie osiągalne obciążenie powierzchni (skrajne przypadki to Gossamer Albatross, Solar Impulse I i II; także po części Rutan Voyager). Wynika to z prostej zależności C_z do C_x, i nie zmieniają tego ani wymyślne profile, ani bogata mechanizacja płata. Samoloty myśliwskie mają w duszy ekonomię, nigdy nie twierdziłem niczego innego. Ale to nie ja napisałem to, co cytuję.

Pamiętam o zmianie powierzchni odniesienia, a jakże. Pamiętam też o tym że za wyjątkiem okolic zerowego C_z (przy którym opór zerowy nie jest), C_x w zasadzie zawsze rośnie szybciej wraz ze wzrostem kąta natarcia. To zaś oznacza że przy wszystkich innych parametrach podobnych samolot lecący z "typowym" C_z (czyli niemal zawsze wykonując lot ustalony oraz manewry z dodatnim przeciążeniem, za wyjątkiem lotu poziomego na bardzo wysokich prędkościach) przy mniejszym skrzydle będzie miał niższe C_z/C_x (mówiąc językiem szybowcowym: niższą doskonałość). Bardzo trudno jest znaleźć parametry lotu inne niż okolice zerowej siły nośnej przy których mniejsze skrzydło stawia mniejszy opór - ja takich nie znam, ale nie twierdzę że znam wszystko. A bez siły nośnej długo latać się nie da.

[Alex]

Pamiętam o zmianie powierzchni odniesienia, a jakże. Pamiętam też o tym że za wyjątkiem okolic zerowego C_z (przy którym opór zerowy nie jest), C_x w zasadzie zawsze rośnie szybciej wraz ze wzrostem kąta natarcia. To zaś oznacza że przy wszystkich innych parametrach podobnych samolot lecący z "typowym" C_z (czyli niemal zawsze wykonując lot ustalony oraz manewry z dodatnim przeciążeniem, za wyjątkiem lotu poziomego na bardzo wysokich prędkościach) przy mniejszym skrzydle będzie miał niższe C_z/C_x (mówiąc językiem szybowcowym: niższą doskonałość). Bardzo trudno jest znaleźć parametry lotu inne niż okolice zerowej siły nośnej przy których mniejsze skrzydło stawia mniejszy opór - ja takich nie znam, ale nie twierdzę że znam wszystko. A bez siły nośnej długo latać się nie da.

Szybowcowe odniesienia jak najbardziej mają się do myśliwców DWŚ, tu i tam dużo kręcąc się w kółko dostajemy od tych, którzy latają szybko i po prostej a pod chmurami uprawiają boom n zoom 

A tak na poważnie, w sumie Miron - masz rację, ale to nie znaczy, że my jej nie mamy Zarówno rozpędzony myśliwiec z DWŚ, jak i szybowiec w okolicach swoich maksymalnych prędkościach są własnie w pobliżu tego zerowego Cz, dla którego skrzydło jest coraz bardziej zbędne. I nie są to tylko moje teorie, już nie jeden szybownik płakał bo jego super hiper Nimbus 4 czy inna Eta, która ma 70+ doskonałości maksymalnej, na dużej prędkości zbiera baty od "maluszków"

W myśliwcach z okresu II wojny, Cz dla dużych prędkości jest około 10 razy mniejszy od maksymalnego. Więc tak, jest on w okolicach tego zerowego (~0,15) miejsca, w którym opór maleje wraz z kątem natarcia.


Natomiast co do rozpędzania się i wybierania w walce energetycznej - jeżeli weźmiemy pod uwagę wszystkie aspekty manewru to co ciekawe, duża masa, którą przed chwilą chwaliłem jest naszym wrogiem. Pionowe nurkowanie i pionowe wybieranie lepiej wykona maszyna lekka w zakresie prędkości poniżej Vmax. Natomiast dociążona w przedziale Vmax do Vne. Małe skrzydła oczywiście są zaletą bo w takich manewrach i tak z nich nie korzystamy (zerowe Cz).

Aby nie był to do końca offtop, sprawdziłem rzut I-16 z góry i wyszło mi, że wraz z odpowiednią częścią kadłuba pow. skrzydeł wynosi 14,9m^2 (wiki podaje 14,49). Za to powierzchnia kadłuba pomiędzy skrzydłami to 2,8m^2. Jutro policzę ŁaGG i Mietka, póki co wracam do projektów

[Miron]

W myśliwcach z okresu II wojny, Cz dla dużych prędkości jest około 10 razy mniejszy od maksymalnego. Więc tak, jest on w okolicach tego zerowego (~0,15) miejsca, w którym opór maleje wraz z kątem natarcia.

Jak bym się miał czepić to bym powiedział że mylisz się bo opór nie maleje wraz ze wzrostem kąta natarcia; ale że się nie czepiam to przyznam że rozumiem iż chciałeś powiedzieć że maleje stosunek oporu do siły nośnej

A teraz bawiąc się w archeologa pragnę zauważyć, że już na samym początku wymieniam takie cechy mniejszego skrzydła, jak:

1.) wzrost prędkości maksymalnej (+)
2.) wzrost prędkości przelotowej (+)
(...)
9.) spadek oporu na okołozerowych kątach natarcia (+; np. nabór wysokości kosztem prędkości może być dłuższy jeśli przeprowadzony prawidłowo)

a jedyne czego tak na prawdę się "czepiłem" (i co zabolało niektórych) to owo nieszczęsne "małe=ekonomiczne" (plus drobne uszczypliwości pod adresem MEL'u i okolic, ale to tak "półżartem branżowym").

Natomiast co do rozpędzania się i wybierania w walce energetycznej - jeżeli weźmiemy pod uwagę wszystkie aspekty manewru to co ciekawe, duża masa, którą przed chwilą chwaliłem jest naszym wrogiem. Pionowe nurkowanie i pionowe wybieranie lepiej wykona maszyna lekka w zakresie prędkości poniżej Vmax. Natomiast dociążona w przedziale Vmax do Vne. Małe skrzydła oczywiście są zaletą bo w takich manewrach i tak z nich nie korzystamy (zerowe Cz).

I znów absolutnie się z Tobą zgadzam bo lekka maszyna wygrywa mniejszym obciążeniem MOCY; ale przy porównaniu maszyn identycznych za wyjątkiem rozmiaru skrzydła (a więc maszyn ważących tyle samo) wygra większe obciążenie SKRZYDŁA (oczywiście pośrednio, bo samo obciążenie skrzydła nie ma tu nic do gadania).

[Alex]

Jak bym się miał czepić to bym powiedział że mylisz się bo opór nie maleje wraz ze wzrostem kąta natarcia; ale że się nie czepiam to przyznam że rozumiem iż chciałeś powiedzieć że maleje stosunek oporu do siły nośnej

Miałem na myśli dokładnie to co napisałem - duża prędkość, mały Cz, ujemny kąt natarca (oczywiście tylko skrzydła niesymetryczne). Obciążenie rośnie, kąt natarcia również (czyli zbliża się do zera, ale od dołu), Cz rośnie, Cx maleje.

[Miron]

Prawdą jest że dla skrzydeł niesymetrycznych istnieje wąski zakres ujemnych (geometrycznie) kątów natarcia, przy których C_z jest nadal dodatni. Nieprawdą jest że zawsze w tym zakresie wzrostowi C_z towarzyszy spadek C_x; ale nawet jeśli to pytanie moje brzmi: jak duży (typowo) jest to zakres (względnie, w stosunku do całego zakresu kątów dodatnich od zera do krytycznych) i jakiej prędkości (znów: typowo) wymaga lot poziomy w tym zakresie (znów: względnie, w stosunku do dowolnej wybranej prędkości charakterystycznej samolotu)? Żeby nie zawieszać pytania w próżni:

Zakładając (tak z głowy) że krytyczny kąt natarcia równy jest 15 stopni, kąt zerowego C_z -3 stopnie, kąt optymalny 5 stopni przy C_z=  ~1 i C_zmax=2, C_z przy zerowym kącie natarcia wynosi z grubsza 0,3. Nawet jeśli w całym zakresie kątów ujemnych aż do zerowego C_z prawdą jest że "Cz rośnie, Cx maleje", jest to zaledwie 25% C_zopt. Dla Bf-109f prędkość przelotowa wynosi z grubsza 350km/h, i można przyjąć że oscyluje ona w okolicy prędkości optymalnej. Posługując się  podstawowym wzorem na siłę nośną wychodzi więc nam, że prędkość ustalonego lotu poziomego dla zerowego kąta natarcia (czyli minimum oporu) to circa 640km/h, czyli... okolice prędkości maksymalnej (635km/h na pułapie 6000m).

Więc: tak, prawdą jest (a raczej bywa) co napisałeś, ale ma to okołozerowe znaczenie dla rozważań o zwrotności. Masz rację pisząc że "mam rację ale to nie znaczy że wy jej nie macie", bo cały temat rozbija się o stopień uproszczenia i uszczypliwość dyskutantów. I, jeśli nie ma dalej żadnych obiekcji, ja bym w tym miejscu "z inżynierskim pozdrowieniem" dyskusję zakończył, bo zaczyna to za bardzo odbiegać od tematu; sam temat zaś - o ile autor nie ma dalszych pytań - za zgodą rozmówców chętnie bym uznał za wyczerpany.

[Alex]

To ja tylko skończę też offtop z mojej strony przyjmując Twoje założenia -
powierzchnia skrzydeł Bf-109 - 16m^2
masa podczas lotu                  - 3200kg
gęstość powietrza                   - 1
Cz                                           - 0,25

m*g=0,5*S*ro*Cz*V^2

myk

V^2=(2*m*g)/(Cz*S*ro)

V^2=(2*3200*10)/(0,25*16*1)
V^2=16000
V=126[m/s]=455km/h

Jak widać mamy jeszcze 180km/h rozpędzania się już "pod górkę" gdzie skrzydło nas tylko ogranicza.


Aby dokończyć temat to jeszcze odpowiedź na temat jak pow. nośną liczyli Niemcy - tak samo z rzutu 109tki z góry wynika, że: pow. kadłuba pomiędzy skrzydłami to 1,84m^2, powierzchnia skrzydeł liczona z kadłubem to 15,65m^2 czyli też liczyli zgodnie z konwencją.

[Miron]

 

(i jest to najkrótsza wiadomość jaką w życiu napisałem, ale nie mogłem się powstrzymać )

(nawiasem mówiąc tak kulturalnej i rzeczowej dyskusji nie widziałem już dawno, nawet na tym forum. A szkoda...)