Vad är förhållandet mellan drag och vikt?

3

Med tanke på en flygplans typ och fastsättning av sin vingekonfiguration (flikar, lister) och fastsättning av dess hastighet och höjd och om den flyger horisontellt, vad är förhållandet mellan flygplanets aerodynamiska drag och vikt?

Naturligtvis beror detta förhållande på själva flygplanet och på många andra saker, men vad är mer eller mindre kraftlagen?

Säg att vi jämför två A320, den ena tyngre med en faktor 1,3. Självklart kommer det självklart att flyga med en högre angreppsvinkel, eftersom den behöver mer hiss. Detta kommer att skapa mer drag och motorerna kommer att köras med högre kraft för att uppnå samma hastighet. Hur mycket mer dra kommer det att vara? Om beteendet approximeras som energilagen, vad skulle det vara exponent? Tvärsnittet ökar när vi "pitch" flygplanet. Är aerodynamiken i designprocessen optimerad för "halvlastade" flygplan? Också, hur översätts detta till bränsleförbrukning, säg på 40000 fot med vanliga hastigheter?

    
uppsättning polaris12246 06.04.2018 08:42

3 svar

2

Om du tillåter några förenklingar är svaret enkelt:

  • Friktionsdrag påverkas inte av angreppsändringsvinkeln. Det betyder ingen inbrott av flödesskillnad på det tyngre flygplanet.
  • Vingens optimala L / D nås med samma flikinställning i båda fallen.
  • Lyft ändras linjärt med angreppsvinkel, så att höjningskoefficienten $ c_L $ kan uttryckas med produkten av höjdkurvan sluttning $ c_ {L \ alpha} $ och attackvinkel $ \ alpha $.
  • Vi försummar det ändrade lyftbidraget för motorns dragkraft när angreppsvinkeln ökas.

Nu kan dra $ D $ uttryckas med denna ekvation: $ {{C_ {L \ alpha} \ cdot \ alpha} ^ 2} {cd} \ pi \ cdot AR \ cdot \ epsilon} \ right) $$ Per definitionen ovan är termen $ c_ {D0} $ konstant, så förändringen i drag mellan ljusflygplanet (index 1) och det tyngre planet (index 2) kommer att vara $$ \ Delta D = \ frac {\ rho \ cdot v ^ 2} {2} \ cdot S \ cdot \ frac {c_ {L \ alpha} ^ 2 \ cdot \ left (\ alpha_2 ^ 2- \ alpha_1 ^ 2 \ right)} {\ pi \ cdot AR \ cdot \ epsilon} $$ För att uttrycka denna dragskillnad $ \ Delta D $ i förhållande till flygplanets massa skriver du höjningskoefficienten $ c_L $ som $ \ frac {2 \ cdot m \ cdot g} {\ rho \ cdot v ^ 2 \ cdot S } $: $ \ Delta D = \ frac {g \ cdot \ left (m_2 ^ 2-m_1 ^ 2 \ höger)} {\ pi \ cdot AR \ cdot \ epsilon} $$

De andra symbolerna är:
$ \ kärna {5mm} \ rho \: \: \: \: \: $ luftdensitet
$ \ kärna {5mm} v \: \: \: \: \: $ hastighet
$ \ kärna {5mm} S \: \: \: \: \: $ vingeytans yta
$ \ kärna {5mm} c_ {D0} \: $ nolllyftdragningskoefficient
$ \ kärna {5mm} \ pi \: \: \: \: \: $ 3.14159 $ \ prickar

$ \ core {5mm} AR \: \: $ bildformat för vingen
$ \ core {5mm} \ epsilon \: \: \: \: \: \: $ vingeens Oswald-faktor
$ \ core {5mm} g \: \: \: \: \; $ gravitationsacceleration

Nu kan vi svara på dina frågor:

How much more drag will it be?

Dragningen ökar med kvadraten av massökningen. Graden av ökningen beror på span loading av flygplanet.

what would be the exponent?

2

Is the aerodynamics in the design process optimised for "half-loaded" aircraft?

Nej, alltid för fullt lastade flygplan, eftersom lättare laster kan tolereras mycket bättre än högre belastningar. Eftersom bränsleförbränning kommer att orsaka en förändring i flygmassan över tiden måste aerodynamiken fungera över en rad höjder .

how does this translate to fuel consumption, say on 40000 feet with the usual speeds?

Drag kompenseras av dragkraft, så du behöver mer dragkraft för att övervinna det högre draget. Bränsleförbrukningen går upp linjärt, men eftersom kryssningen på 40.000 fot innebär att flygplanet är ljust och motorerna körs nära deras maximala tryckkraft är en massökning med 30% omöjlig. För ett praktiskt resultat skulle det tyngre flygplanet flyga i samma angrepps- och hastighetsvinkel men i en lägre höjd där både den ökade hissen och ökad motortryck kan tillhandahållas av högre luftdensitet.

Om du behöver beräkna resan bränslet vid olika vikter: Vi hade en liknande fråga innan, så var vänlig följ länken för en förklaring.

    
svaret ges 06.04.2018 23:16
1

Det är svårt att säga vad förhållandet skulle vara exakt. Total drag består av parasit drag och inducerad dra. Inflytningsvinkelns inflytande på parasitdrakt beror i stor utsträckning på flygplanets utformning och är vanligtvis utformad för att vara lägst vid genomsnittlig flygvikt och vid kryssningshastighet och höjd. Men jag tror att effekten av angreppsvinkel mot parasitdrack kommer att vara mindre vid sådana låga vinklar.

För inducerad dra kan jag åtminstone ge en matematisk förutsägelse. Eftersom allt i hissekvationen men angreppsvinkeln är fast i vårt exempel måste angreppsvinkeln vara proportionell mot vikten i horisontell flygning. Vi vet att för små angreppsvinklar är höjningskoefficienten direkt proportionell mot angreppsvinkeln. Inducerad dragning är proportionell mot höjdkoefficientens kvadrat. Därför skulle den inducerade dragen också vara proportionell mot kvadraten av angreppsvinkeln. Så 1,3 gånger vikten betyder 1,3 gånger AoA betyder 1,3 gånger Cl betyder 1,3 ^ 2 gånger det inducerade draget.

Men vid inbromsning av cruisinghastighet står vanligen för hälften av det totala draget.

Så din formel skulle vara något som: Ökning av drag = (50%) + (50%) * 1,3 ^ 2

Om motorns drivkraft är proportionell mot bränsleförbrukningen, kan samma formel användas för bränsleförbrukning.

Sammanfattningsvikt spelar en ännu större roll i stigningen och under landning och start där inducerad drag spelar en viktig roll. Vid höga hastigheter är vikt inte lika mycket av ett problem.

    
svaret ges 06.04.2018 15:29
0

Du har nischat det genom att säga att ökad vikt kommer att kräva en högre attackvinkel.

Ett tyngre plan behöver faktiskt en högre angreppsvinkel för att ge mer hiss.

Du nämnde att planet flyger horisontellt, med konstant hastighet. I så fall är planet i jämvikt, vikten kompenseras av hissen och drag kompenseras av dragkraft.

Låt oss säga att vi vill flyga samma plan, men med mer last. Vi skulle behöva öka hissen. Vad kan vi agera på? lyft formel summerar allt:

Rz hiss, ρ Volymmassa, S vingeyta, V Hastighet, Cz Lyftkoefficient

Därför behövs en viktökning för att öka volymen av luften (va?), vingeytan, planetens hastighet eller lyftkoefficienten.

    
svaret ges 06.04.2018 20:45