Zatížení křídla - Wing loading

The Monarch Butterfly má velmi nízkou 0,168 kg / m² zatížení křídla

The Severoamerický X-15 má vysokou 829 kg / m² maximální zatížení křídla

v aerodynamika, zatížení křídla je celková hmotnost letadla dělená plochou jeho křídla.^[1] The pádová rychlost letadla v přímém vodorovném letu je částečně určeno jeho křídlovým zatížením. Letadlo s nízkým zatížením křídla má větší plochu křídla vzhledem k jeho hmotnosti ve srovnání s letadlem s vysokým zatížením křídla.

Čím rychleji letadlo letí, tím více výtah může být vyrobeno každou jednotkou plochy křídla, takže menší křídlo unese stejnou hmotnost při vodorovném letu. V důsledku toho mají rychlejší letadla obecně vyšší zatížení křídel než pomalejší letadla. Toto zvýšené zatížení křídel se také zvyšuje vzlétnout a přistání vzdálenosti. Vyšší zatížení křídla také snižuje manévrovatelnost. Stejná omezení platí pro okřídlené biologické organismy.

Rozsah zatížení křídel

Vliv na výkon

Plošné zatížení je užitečným měřítkem pádová rychlost letadla. Křídla generují vztlak v důsledku pohybu vzduchu kolem křídla. Větší křídla pohybují více vzduchu, takže letadlo s velkou plochou křídla vzhledem k jeho hmotnosti (tj. S nízkým zatížením křídla) bude mít nižší pádovou rychlost. Proto bude letadlo s nižším zatížením křídla schopno vzlétnout a přistát nižší rychlostí (nebo bude moci vzlétnout s větším zatížením). Bude také schopen otáčet se rychleji.

Vliv na rychlost vzletu a přistání

Zvedací síla L na křídle prostoru A, cestování na skutečná rychlost proti darováno

kde ρ je hustota vzduchu a C_L je koeficient zdvihu. Koeficient zdvihu je bezrozměrné číslo, které závisí na profilu průřezu křídla a na úhel útoku.^[9] Při vzletu nebo v ustáleném letu nejsou stoupání ani potápění stejné, síla zdvihu a hmotnost jsou stejné. S LOS ANGELES = Mg / A =Ž_SG, kde M je hmotnost letadla, Ž_S = M/A zatížení křídla (v jednotkách hmotnosti / plochy, tj. lb / ft² nebo kg / m², ne síla / plocha) a G gravitační zrychlení, tato rovnice udává rychlost proti přes^[10]

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

V důsledku toho letadla se stejným C_L při vzletu za stejných atmosférických podmínek budou mít vzletové rychlosti úměrné ${ displaystyle scriptstyle { sqrt {W_ {S}}}}$. Pokud se tedy plocha křídel letadla zvětší o 10% a nic jiného se nezmění, rychlost vzletu poklesne asi o 5%. Podobně, pokud letadlo určené ke vzletu rychlostí 150 mph vzroste během vývoje o 40%, jeho vzletová rychlost se zvýší na ${ displaystyle scriptstyle 150 { sqrt {1.4}}}$ = 177 mil za hodinu

Někteří letci spoléhají na svou svalovou sílu, aby získali rychlost pro vzlet nad pevninou nebo vodou. Před vzletem musí být pozemní hnízdění a vodní ptáci schopni běžet nebo pádlovat při své vzletové rychlosti. Totéž platí pro pilota rogala, i když mu může pomoci asistence ze sjezdu. Pro všechny tyto nízké W_S je kritická, zatímco pěvci a ptáci žijící na útesu se mohou dostat do vzduchu s vyšším zatížením křídla.

Vliv na výkon soustružení

Aby se letadlo otočilo, musí válec ve směru zatáčky, zvětšení letounu úhel náklonu. Otáčení letu snižuje komponentu vztlaku křídla proti gravitaci, a proto způsobuje sestup. Pro kompenzaci musí být síla zdvihu zvýšena zvětšením úhlu náběhu pomocí nahoru výtah průhyb, který zvyšuje odpor. Otáčení lze popsat jako „lezení kolem kruhu“ (zvedání křídla je odkloněno k otáčení letadla), takže nárůst křídla úhel útoku vytváří ještě větší odpor. Čím těsnější je zatáčka poloměr pokus o větší odpor vyvolaný; to vyžaduje přidání síly (tahu) k překonání odporu. Maximální rychlost otáčení možná pro danou konstrukci letadla je omezena velikostí křídla a dostupným výkonem motoru: maximální otáčka, kterou může letadlo dosáhnout a udržet, je trvalý výkon zatáčky. Jak se úhel náklonu zvětšuje, zvyšuje se také g-síla aplikován na letadlo, což má za následek zvýšení zatížení křídel a také pádová rychlost. Tento efekt se projevuje také během úrovně nadhazování manévry.^[11]

Faktor zatížení se mění s nadmořskou výškou 50 nebo 100 lb / sq ft

Jelikož zhasnutí je způsobeno zatížením křídla a maximálním koeficientem vztlaku v dané výšce a rychlosti, omezuje to poloměr otáčení kvůli maximu faktor zatížení Při koeficientu zdvihu 0,85 Mach a 0,7 bylo zatížení křídla 240 kg / m²) může dosáhnout strukturálního limitu 7,33 g až do 4 600 m (15 000 stop) a poté se sníží na 2,3 g při 12 000 m (40 000 stop). Se zatížením křídla 490 kg / m (100 lb / sq ft)²) faktor zatížení je dvakrát menší a sotva dosáhne 1 g na 40 000 stop.^[12]

Letadla s nízkým zatížením křídel mají tendenci mít vynikající trvalý výkon v zatáčkách, protože mohou generovat větší vztlak pro dané množství tahu motoru. Okamžitý úhel náklonu, který může letadlo dosáhnout, než se vážně odvrhne rychlost letu, se nazývá jeho okamžitý výkon zatáčky. Letadlo s malým, vysoce naloženým křídlem může mít vynikající okamžitý výkon v zatáčce, ale špatný trvalý výkon v zatáčce: reaguje rychle na ovládací vstup, ale jeho schopnost udržet těsnou zatáčku je omezená. Klasickým příkladem je F-104 Starfighter, který má velmi malé křídlo a vysokou 723 kg / m² (148 lb / sq ft) zatížení křídla.

Na opačném konci spektra byla velká Convair B-36: jeho velká křídla vyústila v nízkou hodnotu 269 kg / m² Zatížení křídla (55 lb / sq ft), které by mu umožnilo udržovat těsnější zatáčky ve vysoké nadmořské výšce než současné stíhačky, zatímco o něco později Hawker Hunter měl podobné zatížení křídla 344 kg / m² (70 lb / sq ft). The Boeing 367-80 prototyp dopravního letadla mohl být válcován v nízkých nadmořských výškách se zatížením křídla 387 kg / m² (79 lb / sq ft) při maximální hmotnosti.

Jako každé tělo kruhový pohyb, letadlo, které je dostatečně rychlé a silné, aby udrželo vodorovný let rychlostí proti v kruhu o poloměru R zrychluje směrem ke středu v ${ displaystyle scriptstyle { frac {v ^ {2}} {R}}}$. Toto zrychlení je způsobeno dovnitř vodorovnou složkou výtahu, ${ displaystyle scriptstyle Lsin theta}$, kde ${ displaystyle theta}$ je úhel náklonu. Pak od Newtonův druhý zákon,

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

Řešení pro R dává

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

Čím menší je zatížení křídla, tím těsnější je zatáčka.

Kluzáky určené k využití termiky potřebují malý poloměr otáčení, aby zůstaly ve stoupajícím vzduchovém sloupci, a totéž platí pro stoupající ptáky. Vysokou manévrovatelnost potřebují i ​​ostatní ptáci, například ti, kteří chytají hmyz na křídle. Všichni potřebují nízké zatížení křídel.

Vliv na stabilitu

Ovlivňuje také zatížení křídel závan reakce, do jaké míry je letadlo ovlivněno turbulencí a změnami hustoty vzduchu. Malé křídlo má menší plochu, na kterou může poryv působit, což slouží k ulehčení jízdy. Pro vysokorychlostní let na nízké úrovni (například rychlý bombardovací let na nízké úrovni v útočné letadlo ), upřednostňuje se malé, tenké, vysoce zatížené křídlo: letadla s nízkým zatížením křídla jsou v tomto letovém režimu často vystavena drsné a trestající jízdě. The F-15E Strike Eagle má zatížení křídla 650 kilogramů na metr čtvereční (130 lb / sq ft) (bez příspěvků trupu do efektivní oblasti), zatímco většina delta křídlo letadlo (např Dassault Mirage III, pro který Ž_S = 387 kg / m²) mívají velká křídla a nízké zatížení křídel.^{[Citace je zapotřebí ]}

Kvantitativně, pokud poryv vytváří tlak směrem nahoru G (v N / m²řekněme) na hromadném letadle M, zrychlení nahoru A bude Newtonův druhý zákon být dán

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

klesá s zatížením křídla.

Dopad vývoje

Další komplikací zatížení křídla je, že je obtížné podstatně změnit plochu křídla stávající konstrukce letadla (i když jsou možná mírná vylepšení). Jak jsou letadla vyvíjena, jsou náchylná k "růst hmotnosti„—Přidání vybavení a funkcí, které podstatně zvyšují provozní hmotnost letadla. Letadlo, jehož křídlové zatížení je ve své původní konstrukci mírné, může po přidání nového vybavení skončit s velmi vysokým křídlovým zatížením. I když lze motory vyměnit nebo upgradovat pro další tah nejsou účinky na zatáčení a vzlet vyplývající z vyššího zatížení křídla tak snadno sladěny.

Použití vodní zátěže v kluzácích

Moderní kluzáky často používají vodní zátěž nesenou v křídlech ke zvýšení zatížení křídel při stoupající podmínky jsou silné. Zvýšením zatížení křídla průměrná rychlost dosažená v celé zemi může být zvýšena, aby se využily výhody silné termiky. S vyšším zatížením křídla je to dané poměr zvedání a tažení je dosaženo při vyšší rychlost vzduchu než s nižším zatížením křídla, což umožňuje vyšší průměrnou rychlost v celé zemi. Předřadník lze vysunout přes palubu, když podmínky zeslábnou, aby se maximalizovala rychlost běhu kluzáku klouzavé soutěže.

Úvahy o návrhu

Výtah trupu

F-15E Strike Eagle má velké relativně lehce naložené křídlo

Smíšený design křídla a trupu, jaký se nachází na General Dynamics F-16 Fighting Falcon nebo Mikojan MiG-29 Fulcrum pomáhá snížit zatížení křídla; v takové konstrukci generuje trup aerodynamický vztlak, čímž zlepšuje zatížení křídel při zachování vysokého výkonu.

Variabilní zametací křídlo

Letadla jako Grumman F-14 Tomcat a Panavia Tornado zaměstnat křídla s variabilním zametáním. Protože se jejich plocha křídel za letu mění, mění se i zatížení křídel (i když to není jediná výhoda). Když je křídlo v přední poloze, vzlet a přistávací výkon se výrazně zlepšily.^[13]

Fowlerovy klapky

Jako všechny klapky letadel, Fowlere klapky zvyšte prohnutí a tudíž C_L, snížení přistávací rychlosti. Také zvyšují plochu křídel a snižují zatížení křídel, což dále snižuje přistávací rychlost.^[14]

Viz také

• Načítání disku
• Koeficient zdvihu

Reference

Poznámky

Bibliografie

• Anderson, John D. Jnr. (1999). Výkon a design letadla. Cambridge: WCB / McGraw-Hill. ISBN  0-07-116010-8.
• Spick, Mike (1986). Jet Fighter Performance - Korea do Vietnamu. Osceola, Wisconsin: Motorbooks International. ISBN  0-7110-1582-1.

Poznámky

externí odkazy

• Laurence K. Loftin, Jr. (1985). „Kapitola 7: Trendy designu - pádová rychlost, zatížení křídla a maximální koeficient zdvihu“. Quest for Performance - The Evolution of Modern Aircraft. Vědecké a technické informační oddělení NASA.
• Earl L. Poole (1938). "Váhy a plochy křídel u severoamerických ptáků" (PDF). Auk.