Ładowanie skrzydeł - Wing loading

Monarch Butterfly ma bardzo niską 0,168 kg / m 2 wing loading
North American X-15 posiada wysoką 829 kg / m 2 maksymalne obciążenie skrzydła

W aerodynamice , skrzydło ładowanie jest całkowita masa samolotu latającego zwierzęcia lub podzieloną przez powierzchnię jej skrzydła. Prędkości przeciągnięcia samolotu w locie poziomym prostej, jest częściowo określona przez jego skrzydło załadunku. Statek powietrzny lub zwierzę z obciążeniem dolnopłatowym ma większą powierzchnię skrzydła w stosunku do swojej masy w porównaniu do samolotu z obciążeniem wysokim skrzydłem.

Im szybciej leci samolot, tym więcej siły nośnej może wytworzyć każda jednostka powierzchni skrzydła, więc mniejsze skrzydło może przenosić tę samą masę w locie poziomym. W konsekwencji szybsze samoloty mają generalnie większe obciążenia skrzydeł niż wolniejsze samoloty. To zwiększone obciążenie skrzydeł zwiększa również odległości startu i lądowania . Większe obciążenie skrzydeł również zmniejsza manewrowość. Te same ograniczenia dotyczą skrzydlatych organizmów biologicznych.

Zakres obciążeń skrzydeł

Przykłady załadunku skrzydeł
Samolot Rodzaj Wprowadzenie MTOW Obszar skrzydła kg / m 2 lb / sqft
Monarch Butterfly Zwierzę kenozoiczny 0,168 0,034
ptaki Zwierzę Kreda 1–20 0,20–4,10
górna granica krytyczna lotu ptaków Zwierzę 25 5.1
Ozone Buzz Z3 MS Paralotnia 2010 75–95 kg (165–209 funtów) 25,8 m 2 (278 sq ft) 2,9–3,7 0,59–0,76
KRAKÓW MIASTA 155 Lotnia 2004 94,8–139,8 kg (209–308 funtów) 14,4 m 2 (155 sq ft) 6,6–9,7 1,4–2,0
Górna granica Szybowiec Microlift 2008 220 kg (490 funtów) maks. 12,2 m 2 (131 sq ft) min. 18 3.7
Przepisy CAA (Wielka Brytania) limit obciążenia skrzydła mikrolotowego 2008 450 kg (990 funtów) maks. 18 m 2 (190 stóp kwadratowych) min. 25 5.1
Schleicher ASW 22 Szybowiec 1981 850 kg (1870 funtów) 16,7 m 2 (180 sq ft) 50.9 10.4
Piper Warrior Lotnictwa ogólnego 1960 1055 kg (2326 funtów) 15,14 m 2 (163,0 stóp kwadratowych) 69.7 14.3
Beechcraft Baron Dwusilnikowy silnik lotnictwa ogólnego 1960 2,313 kg (5099 funtów) 18,5 m 2 (199 sq ft) 125 26
Supermarine Spitfire Myśliwiec (II wojna światowa) 1938 3,039 kg (6700 funtów) 22,48 m 2 (242,0 stóp kwadratowych) 135 28
Samolot Beechcraft Airliner (dojeżdżający) 1968 4727 kg (10421 funtów) 25,99 m 2 (279,8 sq ft) 182 37
Learjet 31 Odrzutowiec biznesowy 1990 7,031 kg (15501 funtów) 24,57 m 2 (264,5 stóp kwadratowych) 286 59
Mikojan MiG-23 Myśliwiec (o zmiennej geometrii ) 1970 17800 kg (39200 funtów) 34,16–37,35 m 2 (367,7–402,0 stóp kwadratowych) 477–521 98–107
General Dynamics F-16 Wojownik (wielozadaniowy) 1978 19200 kg (42,300 funtów) 27,87 m 2 (300,0 stóp kwadratowych) 688,9 141,1
Fokker F27 Airliner ( turbośmigłowy ) 1958 19,773 kg (43592 funtów) 70 m 2 (750 stóp kwadratowych) 282 58
McDonnell Douglas F-15 Eagle Myśliwiec (przewaga w powietrzu) 1976 30,845 kg (68,002 funtów) 56,5 m 2 (608 sq ft) 546 112
Fokker F28 Fellowship Samolot (regionalny odrzutowiec) 1969 33 000 kg (73 000 funtów) 78,97 m 2 (850,0 stóp kwadratowych) 418 86
Boeing 737-300 Airliner ( wąskie nadwozie ) 1984 62,820 kg (138490 funtów) 91.04 m 2 (979,9 sq ft) 690 140
Boeing 737-900 Airliner (wąskie nadwozie) 2001 84,139 kg (185,495 funtów) 124,6 m 2 (1341 stóp kwadratowych) 675 138
Boeing 767 Airliner ( szerokokadłubowy ) 1982 142,882 kg (315,001 funtów) 283,3 m 2 (3049 stóp kwadratowych) 504 103
Concorde Samolot (naddźwiękowy) 1976 187 000 kg (412 000 funtów) 358,2 m 2 (3856 stóp kwadratowych) 522 107
Rockwell B-1B Lancer Bombowiec (o zmiennej geometrii) 1983 148 000 kg (326 000 funtów) 181.2 m 2 (1950 stóp kwadratowych) 818 168
Boeing 777 Airliner (szerokokadłubowy) 1995 247200 kg (545000 funtów) 427,8 m 2 (4605 stóp kwadratowych) 578 118
Boeing 747 Airliner (szerokokadłubowy) 1970 333 000 kg (734 000 funtów) 511 m 2 (5500 stóp kwadratowych) 652 134
Airbus A380 Airliner (szerokokadłubowy) 2007 575 000 kg (1268 000 funtów) 845 m 2 (9100 stóp kwadratowych) 680 140

Wpływ na wydajność

Obciążenie skrzydeł jest użyteczną miarą prędkości przeciągnięcia samolotu. Skrzydła wytwarzają siłę nośną dzięki ruchowi powietrza wokół skrzydła. Większe skrzydła przenoszą więcej powietrza, więc samolot o dużej powierzchni skrzydeł w stosunku do swojej masy (tj. Z obciążeniem dolnopłat) będzie miał mniejszą prędkość przeciągnięcia. W związku z tym samolot z mniejszym obciążeniem skrzydeł będzie mógł startować i lądować z mniejszą prędkością (lub startować z większym obciążeniem). Będzie też mógł obracać się z większą szybkością.

Wpływ na prędkość startu i lądowania

Siła nośna L na skrzydle strefy A poruszającym się z rzeczywistą prędkością v jest wyrażona przez

,

gdzie ρ to gęstość powietrza, a C L to współczynnik siły nośnej . Współczynnik siły nośnej to bezwymiarowa liczba, która zależy od profilu przekroju skrzydła i kąta natarcia . Podczas startu lub lotu ustalonego, ani podczas wznoszenia, ani nurkowania, siła nośna i ciężar są równe. Przy L / A = Mg / A = W S g , gdzie M to masa statku powietrznego, W S = M / A obciążenie skrzydła (w jednostkach masy / powierzchni, tj. Lb / ft 2 lub kg / m 2 , a nie siła / powierzchnia) i g przyspieszenie ziemskie, to równanie daje prędkość v przez

.

W konsekwencji samoloty z tym samym C L podczas startu w tych samych warunkach atmosferycznych będą miały prędkości startowe proporcjonalne do . Więc jeśli powierzchnia skrzydeł samolotu zostanie zwiększona o 10% i nic więcej się nie zmieni, prędkość startu spadnie o około 5%. Podobnie, jeśli samolot zaprojektowany do startu z prędkością 150 mil na godzinę w trakcie rozwoju wzrośnie o 40%, jego prędkość startowa wzrośnie do = 177 mil na godzinę.

Niektórzy lotnicy polegają na sile swoich mięśni, aby przyspieszyć do startu nad lądem lub wodą. Ptaki gniazdujące na ziemi i ptaki wodne muszą być w stanie biegać lub wiosłować z prędkością startową, zanim będą mogły wystartować. To samo dotyczy pilota lotni, chociaż może on uzyskać pomoc podczas zjazdu ze wzniesienia. Dla wszystkich tych niskiej W S jest krytyczna, a wróblowate i urwiska ptaki mieszkalnych można uzyskać w powietrzu przy wyższych obciążeniach bocznych.

Wpływ na wydajność toczenia

Aby włączyć, samolot musi toczyć się w kierunku kolei zwiększenie samolotu kąta bankowego . Lot skrętu obniża element nośny skrzydła w stosunku do grawitacji, a tym samym powoduje opadanie. Aby to zrekompensować, siłę nośną należy zwiększyć, zwiększając kąt natarcia za pomocą wychylenia steru wysokości w górę, co zwiększa opór. Skręcanie można opisać jako „wspinanie się po okręgu” (podnoszenie skrzydeł jest skierowane na obracanie samolotu), więc zwiększenie kąta natarcia powoduje jeszcze większy opór. Im mniejszy promień skrętu próbował, tym większy był opór; wymaga to dodania mocy (ciągu) w celu przezwyciężenia oporu. Maksymalna prędkość skrętu możliwa dla danego projektu samolotu jest ograniczona przez rozmiar jego skrzydła i dostępną moc silnika: maksymalny obrót, jaki statek powietrzny może osiągnąć i utrzymać, to jego trwała wydajność skrętu . Wraz ze wzrostem kąta przechylenia rośnie siła przeciążenia przyłożona do samolotu, co skutkuje zwiększeniem obciążenia skrzydła, a także prędkości przeciągnięcia . Efekt ten jest również odczuwany podczas manewrów pochylania poziomego .

Współczynnik obciążenia zmieniający się w zależności od wysokości na poziomie 50 lub 100 funtów / stopę kwadratową

Ponieważ przeciągnięcie jest spowodowane obciążeniem skrzydła i maksymalnym współczynnikiem siły nośnej na danej wysokości i prędkości, ogranicza to promień skrętu ze względu na maksymalny współczynnik obciążenia . Przy współczynniku podnoszenia wynoszącym 0,85 i 0,7 Macha, obciążenie skrzydła wynoszące 50 funtów / stopę kwadratową (240 kg / m 2 ) może osiągnąć granicę konstrukcyjną wynoszącą 7,33 g do 15 000 stóp (4600 m), a następnie spada do 2,3 g na wysokości 40000 stóp ( 12000 m). Przy obciążeniu skrzydła wynoszącym 100 funtów / stopę kwadratową (490 kg / m 2 ) współczynnik obciążenia jest dwukrotnie mniejszy i osiąga zaledwie 1 gram na wysokości 40000 stóp.

Samoloty z niskimi obciążeniami skrzydłowymi mają zwykle lepsze osiągi przy stałym skręcie, ponieważ mogą generować większe siły nośne przy danej wielkości ciągu silnika. Natychmiastowy kąt przechylenia, jaki może osiągnąć samolot, zanim opór znacznie spadnie z prędkości, jest znany jako natychmiastowy zwrot . Samolot z małym, mocno obciążonym skrzydłem może mieć lepsze osiągi chwilowego skrętu, ale słabą wydajność stałego skrętu: szybko reaguje na sterowanie, ale jego zdolność do utrzymania ciasnego zakrętu jest ograniczona. Klasycznym przykładem jest myśliwiec F-104 Starfighter , który ma bardzo małe skrzydło i duże obciążenie skrzydła wynoszące 723 kg / m 2 (148 funtów / stopę kwadratową).

Na drugim końcu spektrum znajdował się duży Convair B-36 : jego duże skrzydła powodowały niskie obciążenie skrzydła wynoszące 269 ​​kg / m 2 (55 funtów / stopę kwadratową), dzięki czemu mógł wytrzymać ostrzejsze zakręty na dużych wysokościach niż współczesne myśliwce odrzutowe. , podczas gdy nieco późniejszy Hawker Hunter miał podobne obciążenie skrzydeł 344 kg / m 2 (70 funtów / stopę kwadratową). Boeing 367-80 prototyp samolot może być walcowany na małych wysokościach, których obciążenie 387 kg / m 2 (79 funtów / sq ft) w maksymalnej wagi.

Jak każde ciało w ruchu okrężnym , statek powietrzny, który jest wystarczająco szybki i silny, aby utrzymać lot poziomy z prędkością v po okręgu o promieniu R, przyspiesza w kierunku środka o godz . To przyspieszenie jest spowodowane przez wewnętrzną poziomą składową podnośnika , gdzie jest kąt przechylenia. Następnie z drugiego prawa Newtona ,

Rozwiązanie dla R. daje

Im mniejsze obciążenie skrzydła, tym ciaśniejszy obrót.

Szybowce zaprojektowane do wykorzystywania termiki wymagają małego promienia skrętu, aby utrzymać się we wznoszącej się kolumnie powietrza. To samo dotyczy szybujących ptaków. Inne ptaki, na przykład te, które łapią owady na skrzydłach, również wymagają dużej manewrowości. Wszystkie wymagają niskonakładowych obciążeń.

Wpływ na stabilność

Obciążenie skrzydeł wpływa również na reakcję na podmuch , stopień, w jakim na samolot wpływają turbulencje i zmiany gęstości powietrza. Małe skrzydło ma mniejszą powierzchnię, na którą może działać podmuch, a oba służą wygładzeniu jazdy. W przypadku lotów z dużą prędkością i niskopoziomowych lotów (takich jak szybki nalot bombowy na niskim poziomie w samolocie szturmowym ) preferowane jest małe, cienkie, mocno obciążone skrzydło: samoloty z niskim obciążeniem są często poddawane surowym, karnym jeździć w tym trybie lotu. F-15E Strike Eagle a ładunek skrzydło 650 kilogramów na metr kwadratowy (130 funtów / sq ft) (bez wkład kadłuba do efektywnej powierzchni), a najbardziej delta skrzydeł samolotu (np Dassault Mirage III , dla których W S = 387 kg / m 2 ) mają zazwyczaj duże skrzydła i dolnopłat.

Ilościowo, jeśli podmuch wytwarza ciśnienie w górę G ( powiedzmy w N / m 2 ) na statek powietrzny o masie M , przyspieszenie w górę a będzie, zgodnie z drugim prawem Newtona, dane przez

,

maleje wraz z obciążeniem skrzydeł.

Efekt rozwoju

Kolejną komplikacją związaną z obciążeniem skrzydeł jest to, że trudno jest zasadniczo zmienić powierzchnię skrzydła w istniejącym projekcie samolotu (chociaż możliwe są niewielkie ulepszenia). W miarę rozwoju samolotów są one podatne na „ wzrost masy ” - dodawanie wyposażenia i funkcji, które znacznie zwiększają masę operacyjną samolotu. Samolot, którego obciążenie skrzydeł jest umiarkowane w swojej pierwotnej konstrukcji, może zakończyć się bardzo dużym obciążeniem skrzydeł w miarę dodawania nowego wyposażenia. Chociaż silniki można wymienić lub zmodernizować w celu uzyskania dodatkowego ciągu, wpływ na osiągi skrętu i startu wynikający z większego obciążenia skrzydeł nie jest tak łatwy do pogodzenia.

Wykorzystanie balastu wodnego w szybowcach

Współczesne szybowce często wykorzystują balast wodny przenoszony na skrzydłach, aby zwiększyć obciążenie skrzydła, gdy warunki szybowcowe są silne. Zwiększając obciążenie skrzydeł, można zwiększyć średnią prędkość osiąganą w całym kraju, aby wykorzystać silną termikę. Przy wyższym obciążeniu skrzydła dany współczynnik siły nośnej do oporu jest osiągany przy większej prędkości niż przy niższym obciążeniu skrzydła, co pozwala na większą średnią prędkość w całym kraju. Balast może zostać wyrzucony za burtę, gdy warunki ulegną pogorszeniu lub przed lądowaniem.

Rozważania projektowe

Podnośnik kadłuba

F-15E Strike Eagle ma duże, stosunkowo lekko obciążone skrzydło

Konstrukcja skrzydła i kadłuba, taka jak w General Dynamics F-16 Fighting Falcon lub Mikojan MiG-29 Fulcrum, pomaga zmniejszyć obciążenie skrzydeł; w takiej konstrukcji kadłub generuje siłę nośną aerodynamiczną, poprawiając tym samym obciążenie skrzydeł przy zachowaniu wysokich osiągów.

Skrzydło o zmiennym skoku

Samolot jak Grumman F-14 Tomcatem i panavia tornado zatrudniają zmiennej przemiatania skrzydła . Ponieważ powierzchnia ich skrzydeł zmienia się w locie, zmienia się również ich obciążenie (chociaż nie jest to jedyna korzyść). Kiedy skrzydło jest w pozycji do przodu, osiągi podczas startu i lądowania są znacznie lepsze.

Klapy Fowler

Podobnie jak wszystkie płatów samolotu Fowler klapy wzrost pochylenia kół , a tym samym C L zmniejszenie prędkości docelowej. Zwiększają również powierzchnię skrzydła, zmniejszając obciążenie skrzydła, co dodatkowo obniża prędkość lądowania.

Zobacz też

Bibliografia

Uwagi

Bibliografia

Uwagi

Linki zewnętrzne