Grundläggande aerodynamik, del 2 Vingprofiler

Grundläggande aerodynamik, del 2
„
„
„
„
„
Mer om vingprofiler
Kort om flygplanets anatomi
Lyftkraft/lyftkraftskoefficienten, CL
Alternativa metoder för lyftkraftsalstring
Vingar
MTM175 – Allmän flygteknik
1
Vingprofiler
„
Välvd/tjock profil
„
Ex: Cessna 172, Piper PA-28
„
Fördelar:
„
„
Goda stallegenskaper
Nackdelar:
„
Ger stort motstånd
MTM175 – Allmän flygteknik
2
1
Vingprofiler, forts.
„
„
„
Symmetrisk profil
„
Mer manöverduglig
Stabilisator/rotorblad
„
„
Tunn profil
Hög fart
Dåliga stallegenskaper
MTM175 – Allmän flygteknik
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)
MTM175 – Allmän flygteknik
4
2
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
MTM175 – Allmän flygteknik
5
Flygplanets anatomi, forts.
„
„
Alternativa konfigurationer:
Nosvinge/canard
„
Nosvingen ger lyftkraft + styrning
Sämre stallegenskaper
„
Ex: JAS, Viggen, Wright Flyer etc.
„
MTM175 – Allmän flygteknik
6
3
Flygplanets anatomi, forts.
„
„
Alternativa konfigurationer:
Deltavinge
„
„
„
Använder ”elevons” för styrning
Högfartsflygning
Ex: Draken, Concorde etc.
MTM175 – Allmän flygteknik
7
Lyftkraft/lyftkraftskoefficienten, CL
„
Det vanligaste sättet att uttrycka lyftkraft på är:
L=
„
„
„
1
2
ρV 2 SC L
(ekv. 5.17)
Som säger: Lyftkraften styrs av luftens densitet, flyghastighet,
vingarean (S) och en faktor som kallas för CL
Säger även: Lyftkraften är direkt proportionell mot det dynamiska
trycket, och därmed även hastigheten
Faktorn CL kan ses som ett mått på hur effektiv en vinge är på att
generera lyftkraft
MTM175 – Allmän flygteknik
8
4
Lyftkraft/CL, forts.
„
CL 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 CL 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
MTM175 – Allmän flygteknik
9
Lyftkraft/CL, forts.
„
„
„
„
„
„
„
En vingprofils lyftkraftsegenskaper brukar illustreras grafiskt med en
CL-kurva
Kurvan anger hur lyftkraften varierar mot ändrad anfallsvinkel
Enl. fig: CL proportionell mot α
Visar även skillnaden mellan en
välvd och en symmetrisk profil
Not: Lutningen är densamma
CL ökar linjärt upp till ett visst
värde där det händer något
Vingen stallar
MTM175 – Allmän flygteknik
10
5
Lyftkraft/CL, forts.
„
Ekv. för lyftkraft visar hur CL varierar med olika flygtillstånd
„
Vid planflykt (jämvikt) är L = W
„
„
„
„
Flyger jag med hög hastighet behövs ett mindre värde på CL
Vid hög hastighet är det dynamiska trycket högt och står för den
största lyftkraften
CL är direkt kopplat mot anfallsvinkeln
Ger att vid hög fart krävs en mindre anfallsvinkel och vice versa
MTM175 – Allmän flygteknik
11
Lyftkraft/CL, 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
MTM175 – Allmän flygteknik
12
6
Stall
„
Enl. CL-kurvan ökar lyftkraftskoefficienten proportionellt mot
anfallsvinkeln upp till en viss punkt, kallad CL,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
„
„
„
„
MTM175 – Allmän flygteknik
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
MTM175 – Allmän flygteknik
14
7
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?
MTM175 – Allmän flygteknik
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”
MTM175 – Allmän flygteknik
16
8
Alternativa metoder för lyftkraft, forts.
MTM175 – Allmän flygteknik
17
Alternativa metoder för lyftkraft, forts.
„
Motorlyftkraft
„
„
„
Lyftkraft genom att använda motorernas dragkraft
Finns några exempel; BAe Harrier, JSF
En mycket ineffektiv/energikrävande metod
MTM175 – Allmän flygteknik
18
9
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
MTM175 – Allmän flygteknik
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
MTM175 – Allmän flygteknik
20
10
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
MTM175 – Allmän flygteknik
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
MTM175 – Allmän flygteknik
22
11
Alternativa metoder för lyftkraft, forts.
„
„
„
Idag förses de flesta helikoptrar med sk ”fast rotor”
Nödlandning med helikopter
görs genom autorotation
Andra varianter på rotorlyftkraft
MTM175 – Allmän flygteknik
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
MTM175 – Allmän flygteknik
24
12
Vingar, forts.
„
„
„
Begrepp:
Spännvidd – avstånd mellan vingspetsarna
Sidoförhållande
AR =
spännvidd
spännvidd 2
=
medelkorda
vingarea
eller
AR =
b2
S
MTM175 – Allmän flygteknik
25
13