Vad är hisskraften per spänningsvolym?

Konceptet lyftkraft per enhetstäckning kommer från potentiell flödesteori . Det kommer att behöva lite bakgrundsinformation för att förklara vad det betyder, så bära med mig.

I början av flygningen var el ny och spännande, och det hände just att ekvationer som kunde beräkna styrkan hos ett elektromagnetiskt fält fungerade lika bra när man beräkna den lokala flödesbytet som gjordes av en vinge. Vad är den elektriska strömmen i en tråd blev vorticiteten i en virvel, och styrkan och orienteringen av det inducerade magnetfältet var ekvivalent med de inducerade flödesändringarna. Så överskreds ordförrådet av elektricitet till aerodynamik, precis som hjärnforskning använde vokabulär från datavetenskap när det var ett hett ämne.

Nu är vi kvar med abstrakta begrepp som inducerad drag eller lyft per enhet spänning. Det skulle vara så mycket mer beskrivande att använda riktiga namn, men författarna till tekniska böcker lärde sig det på så sätt och är mycket för lat för att förklara aerodynamiken bättre.

I potentiell flödesteori har du källor, sänkor och vorter. Källor och sänkor används för att generera förskjutningseffekten av en fysisk kropp som rör sig genom luften, och virveler används för att förklara varför vingarna böjer flödet och skapar hiss. För att beräkna hisskraften $ L $ av en enkel vortex i tvådimensionellt flöde multipliceras cirkulationsstyrkan $ \ Gamma $ av virveln med lufthastigheten $ u _ {\ infty} $ och lufttäthet $ \ rho $. Du hittar en ekvation som $ L = - \ Gamma \ cdot u _ {\ infty} \ cdot \ rho $ i många avhandlingar om numerisk aerodynamik.

För att expandera det i den tredje dimensionen (och följaktligen till verkligheten) måste du lägga till något mätt i spetsrikt riktning - men du har redan lyft, och att lägga till den tredje dimensionen skulle ge ett ögonblick endast hissen skulle vara meningsfullt. Därför kallas nu den här tvådimensionella lyften "lift per spänningsenhet", så det finns fortfarande utrymme för en tredje dimension där tvådimensionellt flöde redan skapade hiss (motverkar ljudintuition).

Och nej, det här är aldrig konstant över tiden. I alla fall reduceras vorticiteten gradvis mot spetsarna, eller förklaras på ett bättre sätt sugkraften som verkar på vingen sänks gradvis när du närmar dig spetsarna, eftersom när vingen slutar, kan inget hindra att luften flyter från det höga -tryckregionen under till lågtrycksregionen på vings övre yta.

Medan det potentiella flödet som nämns ovan är det matematiska sättet att titta på flygplan är lyftkoefficienter ingenjörens sätt att uttrycka saker. Från tester var det snart klart att en vings lyftkraft vågar med det dynamiska trycket $ q $ av flödet, det vill säga produkten av lufttäthet och fyrkant av flyghastigheten: $ q = \ frac {\ rho} {2} \ cdot v ^ 2 $.

Nästa observation av ingenjörer var att hissen också vågar med vingeområdet $ S $. För att göra lyftkraften oberoende av vingsstorlek och dynamiskt tryck avlägsnades de både från hissen (fysisk enhet av Kilopond, Newton eller pound-force) så de kom fram till en dimensionslös figur som de kallade höjningskoefficienten $ c_L $. Att göra det gjorde det mycket lättare att jämföra mätningar eller skala upp kända mönster för nästa, bättre design. Hissekvationen blir nu $ L = c_L \ cdot S \ cdot \ frac {\ rho} {2} \ cdot v ^ 2 $

Föreställ dig att vingen är en morot och hugga upp den som du skulle hugga en morot i skivor. Hissen (kraft) som produceras av en skiva av tjocklek 1 är hissen (kraft) per enhetens spännvidde. ("Tjocklek 1" kan vara i vilken enhet du väljer, så ett annat sätt att se på det är att dela upp hissen genom skivans tjocklek.)

För en likformig (rak, inte avsmalnande, svepad eller vridad) vinge, producerar varje skiva samma mängd hiss, så som Riccati påpekar, är hissen per spännvidde bara den totala hissen dividerad med vingspänningen. På en vinge vars form varierar från skrovet till spetsen är varje skiva något annorlunda. En avsmalnande vinge kan se lite ut som en mycket konisk morot, och höjden per spänningsenhet minskar smidigt från roten till spetsen, precis som diametern på varje skiva minskar när du kommer mot vassens spets. (Jag säger inte att morotens form är relaterad alls: det är bara ett sätt att tänka på att överväga varje skiva separat.)

Medan du kan använda totallyft för att jämföra olika vingar, kan du använda hiss per enhet spänning för att jämföra vingar på ett sätt som är oberoende av deras spänning. En vinge två gånger så länge kommer att producera dubbelt så mycket som hissen (ignorerar verkliga effekter som flex och stötvätt), men det kommer att ha samma höjd per enhet spänning, eftersom den har samma tjocklek och form som den kortare vingen. Mer användbar kan du använda den för att titta på olika delar av samma vinge: att jämföra roten och toppen. Senare i din bok kan du se diagram som visar hur hissen per enhetstäckning varierar längs längden för olika former / vingsdesign.

Tänk på en ändlig (tredimensionell) vingproducerande hiss. Det skulle vara svårt för oss att beräkna den totala höjden och den exakta lyftfördelningen av vingen, om inte det är ganska enkelt.

Ett sätt att hantera det är att "skära" vingen i ett antal segment för vilka lyftkraften kan hittas och ta hänsyn till effekterna av variation av olika vingeparametrar som:

• Chord

• Geometrisk vridning

• Aerodynamisk vridning (flygplansform).

Höjden per vingens enhetens spännvidde kan hittas från lyftkoefficienten för flygplattan. Vi antar att flödet över en ändlig vinge kan behandlas som lokalt tvådimensionell och att finna krafterna på vingen med hjälp av detta.

Ta till exempel en tredimensionell vinge och skiv den sedan i små bitar, så att hissen är väsentligen konstant inom varje (dvs flygplansdelen och angreppsvinkeln är konstant). För var och en av skivorna är det möjligt att hitta hissen (från flygblad och flödesegenskaper). Detta ger hissen per enhetens spänning (enhetens spannmål betyder att storleken uppfyller ovanstående förhållanden).

Nu kan den totala hissen hittas genom att helt enkelt lägga till hissar från olika sektioner. En annan sak är att den spetsiga variationen av hissen per enhetens spännvidd ger viftens fördelning av vingen, vilket hjälper oss att jämföra olika vingeplanformer som elliptiska vs rektangulära etc.