Grundläggande aerodynamik, del 6
Motstånd
Laminära profiler
Minskning av inducerat motstånd
Förhållande mellan CD,0 och CD,i
Höghastighetsströmning
MTM175 – Allmän flygteknik
1
Laminära profiler
Enl. tidigare: Typen av gränsskikt har stor betydelse för friktionsmotståndet
Viktig faktor i utvecklingen av hastighet/räckvidd/ekonomi för
flyget
Designa profiler där gr.skiktet är laminärt över en så stor del av
vingen som möjligt
Vilka faktorer styr placeringen av omslagspunkten?
MTM175 – Allmän flygteknik
2
1
Laminära profiler, forts.
En klassisk profil – Clark Y
Lägst tryck (oftast) där vingen är som tjockast
Runt 1/4 till 1/3 från framkanten
Gr.skiktet laminärt fram till denna punkt; övergår sedan till att bli
turbulent (vid omslagspunkten)
Vid max tjocklek ökar trycket vilket provocerar fram övergång till
turbulent gr.skikt
MTM175 – Allmän flygteknik
3
Laminära profiler, forts.
Efter ett tag började man flytta placeringen av max tjocklek
längre bak
Detta för att förlänga sträckan för tryckminskning och därmed
förskjuta omslagspunkten bakåt
Ledde till utvecklingen av sk. laminära profiler, (NACA 6-series,
som används på flygplan än idag)
MTM175 – Allmän flygteknik
4
2
Laminära profiler, forts.
Första praktiska tillämpningen med laminär profil var P-51
Mustang
Andra faktorer som påverkar
omslagspunktens placering:
Reynolds tal
Ytans beskaffenhet
MTM175 – Allmän flygteknik
5
Laminära profiler, forts.
Egenskaper hos laminärprofiler
I ”gropen” fås den största delen
laminärt gr.skikt = lägst motstånd
Notera gropens placering; tunna
profilen designad för hög fart
Max tjocklek ligger längre bak
på den tunna profilen = lägre
CD – begränsar dock hastighetsområdet för minsta motstånd
MTM175 – Allmän flygteknik
6
3
Laminära profiler, forts.
Skälet till den tunna profilens begränsade område, vad gäller CL
och CD, är att den inte klarar av stora anfallsvinklar
En ändring av α får lyftkraftscentrum att direkt vandra mot
framkanten (kom ihåg: luften uppskattar inte skarpa krökar)
MTM175 – Allmän flygteknik
7
Laminära profiler, forts.
CL mot anfallsvinkel
Den tjockare profilen klarar av ett
högre CL
Inte så viktigt vid höga hastigheter,
men däremot vid start/landning
Stallegenskaperna för den tunnare
profilen obehagliga
Den tunna profilen var vanlig på äldre
ryska passagerarflygplan (Tu-104,
124 och 134)
MTM175 – Allmän flygteknik
8
4
Profildesign idag
Metoder som tillämpas idag:
”Direct Method”
Utgår från befintlig profil
Modifierar den för att passa egna specifikationer
”Inverse Design”
Man har sina specifikationer
Använder program för att ta fram en profil som uppfyller dessa
MTM175 – Allmän flygteknik
9
Ökning av det lam. gr.skiktet
Alternativa metoder för att utöka det laminära gränsskiktets
utsträckning
Minska vingkordan – öka spännvidden (större sidoförhållande)
Använda motorkraft för att ”suga bort” gränsskiktet
Använda skjutande propeller
MTM175 – Allmän flygteknik
10
5
Minskning av inducerat motstånd
För att minska det inducerade motståndet tillämpas ett antal
metoder
Enl. tidigare: Stort sidoförhållande (långa smala vingar)
Har nackdelar; strukturella problem, tröghetsmoment,
begränsad hastighet
B-52
MTM175 – Allmän flygteknik
11
Minskning av ind. motst., forts.
En annan metod är att optimera lyftkraftsfördelningen längs
spännvidden
Elliptisk lyftkraftsfördelning = konstant nedsvep
På passagerarflygplan ger kroppen en svacka i fördelningen
På militära flygplan ges kroppen en aerodynamisk form som ofta även
genererar lyftkraft
MTM175 – Allmän flygteknik
12
6
Minskning av ind. motst., forts.
MiG-29
F-16
MTM175 – Allmän flygteknik
13
Minskning av ind. motst., forts.
Ett annat sätt är att ge vingspetsarna en viss utformning
Krökning av vingspetsen, eller
Ge den en rak, kapad form
Gör att strömningen längs spannet
avlöser – ger viss förskjutning av
ändvirvlarna
Anv. wing-tip sails el. feathers
Wing-tip
feathers
Wing-tip sail
MTM175 – Allmän flygteknik
14
7
Minskning av ind. motst., forts.
Ytterligare ett sätt är att använda ”end-plates”; att med hjälp av
”väggar” ta reducera ändvirvlarna
Krävs dock rätt så stora anordningar för att ge resultat – medför
problem strukturellt och stabilitetsmässigt
Vingmonterade bränsletankar el. vapen kan ge en marginell
minskning av det inducerade motståndet
MTM175 – Allmän flygteknik
15
Minskning av ind. motst., forts.
Winglets är den vanligaste metoden som tillämpas idag
Anordningen förskjuter vingarnas ändvirvlar och minskar på så sätt
både nedsvepet bakom vingen och det inducerade motståndet
Kan ses som en förlängning av vingarna
MTM175 – Allmän flygteknik
16
8
Minskning av ind. motst., forts.
Winglets kan även ge ett visst dragkraftstillskott
Innebär dock ökad kostnad och kräver även certifiering
MTM175 – Allmän flygteknik
17
Lite mer om motstånd
Interferensmotstånd kallas det motstånd som uppstår vid skarpa
vinklar mellan ytor på flygplanet, ex. mellan vinge och kropp
Motverkas genom ”fairings” som rundar av övergångar
MTM175 – Allmän flygteknik
18
9
Lite mer om motstånd, forts.
Ett annat sätt att minska motståndet på är genom att plocka bort
stora utstickande saker, exempelvis stabilisator och fena
Har bara nyttjats militärt
MTM175 – Allmän flygteknik
19
Förhållande mellan CD,0 och CD,i
Fig. visar hur de olika motståndet varierar med hastighet
Vid låg fart: Stort CL nödvändigt,
ger kraftiga ändvirvlar =
stort inducerat motstånd
Däremot lågt nollmotstånd
Vid hög fart: Litet CL nödvändigt,
ger litet inducerat motstånd
Däremot ökar istället nollmotståndet
OBS! Nollmotståndet ökar
kvadratiskt
MTM175 – Allmän flygteknik
20
10
Höghastighetsströmning
Vid ökad hastighet, mot och över ljudets, uppstår vissa
förändringar i strömningen
Här blir verkningar av kompressibilitet högst märkbart
Ljudets hastighet: Små tryckvariationer som propagerar genom
luften (temperaturberoende)
Subsoniskt: Flygplanet skickar ut tryckstörningar med ljudets hastighet
långt framför sig; ”förvarnar” luften
MTM175 – Allmän flygteknik
21
Höghastighetsströmning, forts.
Supersoniskt: Flygplanet hinner ikapp tryckstörningarna, och det bildas
en chockvåg
Området framför chockvågen är opåverkat och vet inte om att det
kommer ett flygplan farandes
Bakom chockvågen sker det en skarp ändring i strömningen
Även ändringar i hastighet, temperatur, tryck och densitet
MTM175 – Allmän flygteknik
22
11
Höghastighetsströmning, forts.
Bakom chockvågen finns det ett litet område där luften är
subsonisk
Strömningen bromsas upp vilket ger ökad temperatur och den
lokala ljudhastigheten ökar
Vid ökad hastighet minskar det subsoniska området –
chockvågen ökar i styrka
Ändringarna i p, T och ρ
blir ännu större
MTM175 – Allmän flygteknik
23
Höghastighetsströmning, forts.
Olika typer av höghastighetsströmning
Indelning på grund av olika utmärkande egenskaper
MTM175 – Allmän flygteknik
24
12
Höghastighetsströmning, forts.
Bild 1: Subsonisk strömning
Bild 2: Transonisk strömning – friströmmen subsonisk, men pga.
välvning lokala områden där M>1 och chockvåg bildas
Med ökad hastighet kommer chockvågen att flyttas bakåt och då
friströmmen uppnår M=1 bildas en bogvåg framför vingen
Bild 3: Fullt utvecklad supersonisk strömning
MTM175 – Allmän flygteknik
25
Höghastighetsströmning, forts.
En följd av de stora förändringarna i strömningen är att lyftkraftscentrum flyttas framåt samt att CL får ett uppsving i det transoniska fartområdet
Samtidigt sker en ökning av motståndet till följd av att chockvågorna får
gränsskiktet att avlösa
Designmässigt vill man ha ökningen av CL strax innan ökningen av CD
(superkritiska profiler)
MTM175 – Allmän flygteknik
26
13
Höghastighetsströmning, forts.
Kinetisk uppvärmning
Uppstår när luften bromsas in; nos vingframkant mm
Vid högre hastigheter även i gränsskiktet
Höjd = 11 km
MTM175 – Allmän flygteknik
27
14
